CN112198055A - 动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动水‑应力耦合作用下的岩石劣化试验装置及其试验方法，属于岩石力学试验领域。该装置包括动水循环系统、导流系统和加载系统；动水循环系统包括密闭且透明的设有进水口、出水口的恒压水箱和循环连通于恒压水箱外部的水泵；导流系统设于恒压水箱的内部，包括多个从进水口一侧向出水口一侧延伸的导流通道，其上设有通孔，恒压水箱的顶部和底部分别设有相对应的嵌孔，通孔和嵌孔的轴向与导流通道的延伸方向相交，通孔内设置有试件，两嵌孔处分别设有密封件；试件的上方设有压头，压头穿过恒压水箱顶部的嵌孔，试件的下方设有不与恒压水箱接触的承台，加载系统通过压头对试件施加轴向压力。恒压水箱密闭且透明，内压恒定且便于观察。

Description

动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验领域，涉及一种动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置及其试验方法。
背景技术
三峡大坝的建成推动了我国经济的发展，但同时也衍生了许多地质灾害，库区沿线原本基本稳定的边坡也因为库区的动水作用和水位的反复变化而变成欠稳定甚至不稳定。
在研究库岸岩质边坡时，往往通过边坡的岩性及力学参数来进行定性和定量分析，但数据的采集几乎都是一次性的，没有考虑到库区长期的动水作用对库岸岩质边坡的影响。事实上，随着时间的发展，库岸岩质边坡在动水的作用下，岩体各方面性质都会出现一定程度的劣化，劣化后的岩体对边坡稳定性会有影响，原本稳定的边坡可能会变成欠稳定甚至失稳。因此，研究库岸岩质边坡在动水作用下的劣化机理对边坡的稳定性分析有着重要的作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置及其试验方法，解决了在外部加载的同时模拟动水循环的问题，还可以通过辅助设备对岩石在动水侵蚀下的应力应变情况进行分析，并与常规的试验数据进行对比，从而分析其劣化程度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，包括动水循环系统、导流系统和加载系统；动水循环系统包括密闭且透明的恒压水箱和设于恒压水箱外部的流速可调的水泵，恒压水箱的一侧设有进水口，相对侧设有出水口，水泵分别通过进水管路和出水管路与恒压水箱的进水口和出水口连通；导流系统设于恒压水箱的内部，包括多个从进水口一侧向出水口一侧延伸的导流通道，导流系统设有穿透各导流通道的通孔，恒压水箱的顶部和底部分别设有与通孔对应的嵌孔，通孔和嵌孔的轴向与导流通道的延伸方向相交，通孔内设置有试件，两嵌孔处分别设有用于防止漏水的可拆卸的密封件；试件的上方设有压头，压头穿过恒压水箱顶部的嵌孔，试件的下方设有承台，承台不与恒压水箱的底部接触，加载系统通过压头对试件施加轴向压力。
进一步，密封件包括孔套和设于孔套内的硅胶密封圈、中空的孔栓，孔栓与孔套螺纹连接并压紧硅胶密封圈；恒压水箱顶部嵌孔处对应的硅胶密封圈和孔栓套装在压头的外周，恒压水箱底部嵌孔处对应的硅胶密封圈和孔栓设置在承台下方。
进一步，恒压水箱上设有可启闭的排气孔。
进一步，导流系统的下方周围均布有角度调节机构，以使导流通道倾斜而改变导流角度；角度调节机构包括螺杆、与螺杆配合的升降螺母和设于螺杆底部的脚垫。
进一步，导流系统包括多个由钢化玻璃制成的等间距层叠分布的导流板，以及同样由钢化玻璃制成的相对设置且与各导流板相连的固定板；相邻导流板之间形成导流通道。
进一步，恒压水箱包括由钢化玻璃制成的储液槽和密封盖板；储液槽的底部设有卡槽，用于卡紧导流系统，储液槽的上沿设有滑槽，密封盖板的边缘设有硅胶密封垫，密封盖板通过滑槽盖合于储液槽上。
进一步，承台上设有定位板，定位板和承台上均匀插装有插销以连接二者，定位板的中部还设有凹槽，试件下端插入凹槽。
进一步，动水循环系统还包括储液池，储液池串联在出水管路上，分别与恒压水箱和水泵连通。
进一步，加载系统为三轴压缩试验机，试件下方的承台为三轴压缩试验机的试验台。
动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验方法，包括以下步骤：
S1.加工试件，并将试件分为试验组的试件和参照组的试件；
S2.将试验组的试件安装于动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置上，操作加载系统对试验组的试件施加轴向压力，荷载逐级递增至目标值停止；启动动水循环系统，恒压水箱内的动水经各导流通道对试验组的试件施加径向冲击力，观察一段时间；加载系统继续加载轴向压力，直至试验组的试件破坏；采集相关试验数据；
S3.关闭并卸载动水循环系统，排尽恒压水箱内的液体，取出并封存已破坏的试验组的试件，清理岩石劣化试验装置，准备下一次试验；
S4.重复步骤S2和S3，直至完成所有试验组的试件的劣化试验，获得所有试验组的试件的相关试验数据；
S5.将参照组的试件安装于所述岩石劣化试验装置上，操作加载系统对参照组的试件施加轴向压力，荷载逐级递增直至参照组的试件破坏；采集相关试验数据；
S6.取出并封存已破坏的参照组的试件，准备下一次试验；
S7.重复步骤S5和S6，直至完成所有参照组的试件的劣化试验，获得所有参照组的试件的相关试验数据；
S8.对比试验组的试件和参照组的试件的试验曲线，分析试验组的试件在动水循环作用下的劣化机理；同时分别计算试验组的试件和参照组的试件的单轴抗压强度P＝4F/πD2，其中，F为试验组的试件和参照组的试件的破坏荷载，D为试验组的试件和参照组的试件的直径；
S9.检查并剔除异常数据，分别计算试验组的试件和参照组的试件的单轴抗压强度的平均值PA和PB，则试验组的试件的劣化率为M＝|PA-PB|/PB。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过动水循环系统提供作用于试件的动水作用力，模拟库岸岩质边坡所受动水作用。其中，恒压水箱密闭且透明，在有嵌孔的地方也通过密封件进行严实密封，确保恒压水箱不漏水，内部压强保持恒定，不易受外界因素影响，提高试验结果准确性；同时透光性好，试验过程可见，方便从各个角度观察试验。
(2)本发明恒压水箱和导流系统采用钢化玻璃材质，重量轻，耐腐蚀性强，能够耐受大多数弱酸、弱碱性溶液的腐蚀，除水之外，还能以其他液体作为动水进行试验。
(3)本发明通过导流系统实现对动水的导引，并且通过设置在导流系统上的角度调节机构来调节导流角度，方便根据试验要求模拟多种流态。
(4)本发明采用三轴压缩试验机作为加载系统，可以提供稳定荷载，能够较好地模拟岩石的单轴应力状态。
(5)本发明水泵具有流速调节功能，此外，在出水管路上串联分别与恒压水箱和水泵连通的储液池以缓冲水流，保证了动水循环系统的稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置的结构示意图；
图2为图1的俯视示意图；
图3为导流系统的结构示意图。
附图标记：储液槽1、密封盖板2、第一孔栓3A、第二孔栓3B、第一孔套4A、第二孔套4B、滑槽5、排气孔6、进水口7、出水口8、试件9、承台10、定位板11、插销12、压头13、导流系统14、角度调节机构15、脚垫15A、螺杆15B、升降螺母15C、进水管路16A、出水管路16B、水泵17、储液池18、导流板19、固定板20。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，为一种动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，适用于模拟分析库岸岩质边坡在动水作用下的劣化机理。该岩石劣化试验装置包括动水循环系统、导流系统14和加载系统。
动水循环系统包括密闭且透明的恒压水箱和设于恒压水箱外部的耐腐蚀的流速可调的水泵17，恒压水箱的一侧设有进水口7，相对侧设有出水口8，进水口7和出水口8分别设有用于控制的球阀，水泵17分别通过进水管路16A和出水管路16B与恒压水箱的进水口7和出水口8连通，进水管路16A和出水管路16B均为塑胶软管。动水循环系统还包括储液池18，储液池18串联在出水管路16B上，分别与恒压水箱和水泵17连通。储液池18起到缓流作用，保证动水稳定循环流动。
恒压水箱由六块钢化玻璃板拼装而成，其中五块粘接成储液槽1，另一块作为密封盖板2。储液槽1的底部设有卡槽，用于卡紧导流系统14，储液槽1的上沿设有滑槽5，密封盖板2的边缘设有硅胶密封垫，密封盖板2通过滑槽5盖合于储液槽1上。
密封盖板2上设有排气孔6，排气孔6内塞有密封堵头，使排气孔6可打开或者关闭。
导流系统14设于恒压水箱的内部，包括多个从进水口7一侧向出水口8一侧延伸的导流通道，导流系统14设有穿透各导流通道的通孔，恒压水箱的顶部和底部分别设有与通孔对应的嵌孔，通孔和嵌孔的轴向与导流通道的延伸方向相交，通孔内设置有圆柱状的试件9，两嵌孔处分别设有用于防止漏水的可拆卸的密封件；试件9的上方设有采用防锈且耐腐蚀金属制成的圆柱状的压头13，压头13穿过恒压水箱顶部的嵌孔，试件9的下方设有承台10，承台10不与恒压水箱的底部接触，加载系统通过压头13对试件9施加轴向压力。
恒压水箱顶部嵌孔处(密封盖板2的中部)对应的密封件包括第二孔套4B和设于第二孔套4B内的硅胶密封圈、中空的第二孔栓3B，第二孔栓3B与第二孔套4B螺纹连接，硅胶密封圈与第二孔套4B为一体结构，第二孔栓3B和硅胶密封圈套装在压头13的外周，该硅胶密封圈压紧于恒压水箱顶部嵌孔处。恒压水箱底部嵌孔处(储液槽1的中部)对应的密封件包括第一孔套4A和设于第一孔套4A内的硅胶密封圈、中空的第一孔栓3A，第一孔栓3A与第一孔套4A螺纹连接，硅胶密封圈与第一孔套4A为一体结构，第一孔栓3A和硅胶密封圈设置在承台10下方，该硅胶密封圈压紧于恒压水箱底部嵌孔处。
恒压水箱密闭且透明，在有嵌孔的地方也通过密封件进行严实密封，确保恒压水箱不漏水，内部压强保持恒定，不易受外界因素影响，提高试验结果准确性；同时透光性好，试验过程可见，方便从各个角度观察试验。
如图3所示，导流系统14由多块钢化玻璃板组装而成，包括多块等间距层叠分布的导流板19，以及相对设置且与各导流板19相连的固定板20；相邻导流板19之间形成导流通道。
如图3所示，导流系统14的下方周围均布有角度调节机构15，以使导流通道倾斜而改变导流角度；角度调节机构15包括螺杆15B、与螺杆15B配合的升降螺母15C和设于螺杆15B底部的脚垫15A。
导流系统14实现对动水的导引，并且通过设置在导流系统14上的角度调节机构15来调节导流角度，方便根据试验要求模拟多种流态。
恒压水箱和导流系统14采用钢化玻璃材质，重量轻，耐腐蚀性强，能够耐受大多数弱酸、弱碱性溶液的腐蚀，除水之外，还能以其他液体作为动水进行试验。
承台10上设有采用防锈且耐腐蚀金属制成的定位板11，定位板11和承台10上均匀插装有插销12以连接二者，定位板11的中部还设有凹槽，试件9下端插入凹槽，以对试件9进行定位。
本实施例的加载系统采用现有的三轴压缩试验机，试件9下方的承台10为三轴压缩试验机的试验台。三轴压缩试验机可以提供稳定荷载，能够较好地模拟岩石的单轴应力状态。
动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验方法，包括以下步骤：
S1.加工试件9，并将试件9分为试验组的试件9和参照组的试件9；
S2.将试验组的试件9安装于动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置上，具体为：
S21.将恒压水箱的储液槽1放置在三轴压缩试验机的支架上，承台10(三轴压缩试验机的试验台)通过储液槽1底部的嵌孔嵌入恒压水箱内，且不与储液槽1的底部接触，在第一孔栓3A上安装带硅胶密封圈的第一孔套4A，并塞入储液槽1底部的嵌孔；
S22.将定位板11置于承台10上，通过插销12将其固定；将导流系统14安装在储液槽1的卡槽上，通过调节角度调节机构15的升降螺母15C来设定导流通道的倾角；
S23.将试验组的试件9安装在导流系统14的通孔内，试验组的试件9下端插入定位板11的凹槽中，然后将密封盖板2沿滑槽5滑移地盖合于储液槽1上；将压头13插入密封盖板2上的嵌孔至与试验组的试件9上端贴合，在压头13上套装带硅胶密封圈的第二孔套4B，并安装上第二孔栓3B；此时，恒压水箱呈密闭状态；
S24.使用进水管路16A和出水管路16B将恒压水箱、储液池18、水泵17连接组成动水循环系统，打开进水口7，并向储液池18注水，同时启动水泵17将储液池18内的水送入恒压水箱；此过程中需打开排气孔6，待恒压水箱内注满水，关闭排气孔6和水泵17，检查是否漏水；
S25.操作三轴压缩试验机对试验组的试件9施加轴向压力，荷载逐级递增至目标值停止；启动水泵17调节流速，打开出水口8形成动水循环，恒压水箱内的动水经各导流通道对试验组的试件9施加径向冲击力，观察一段时间；加载系统继续加载轴向压力，直至试验组的试件9破坏；三轴压缩试验机自动采集相关试验数据；
S3.关闭并卸载动水循环系统，排尽恒压水箱内的液体，取出并封存已破坏的试验组的试件9，清理岩石劣化试验装置，准备下一次试验；
S4.重复步骤S2和S3，直至完成所有试验组的试件9的劣化试验，获得所有试验组的试件9的相关试验数据；
S5.将参照组的试件9安装于所述岩石劣化试验装置上，操作三轴压缩试验机对参照组的试件9施加轴向压力，荷载逐级递增直至参照组的试件9破坏(不进行动水循环)；三轴压缩试验机自动采集相关试验数据；
S6.取出并封存已破坏的参照组的试件9，准备下一次试验；
S7.重复步骤S5和S6，直至完成所有参照组的试件9的劣化试验，获得所有参照组的试件9的相关试验数据；
S8.对比试验组的试件9和参照组的试件9的试验曲线，分析试验组的试件9在动水循环作用下的劣化机理；同时分别计算试验组的试件9和参照组的试件9的单轴抗压强度P＝4F/πD2，其中，F为试验组的试件9和参照组的试件9的破坏荷载，D为试验组的试件9和参照组的试件9的直径；
S9.检查并剔除异常数据，分别计算试验组的试件9和参照组的试件9的单轴抗压强度的平均值PA和PB，则试验组的试件9的劣化率为M＝|PA-PB|/PB。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：包括动水循环系统、导流系统和加载系统；所述动水循环系统包括密闭且透明的恒压水箱和设于恒压水箱外部的流速可调的水泵，恒压水箱的一侧设有进水口，相对侧设有出水口，水泵分别通过进水管路和出水管路与恒压水箱的进水口和出水口连通；导流系统设于恒压水箱的内部，包括多个从进水口一侧向出水口一侧延伸的导流通道，导流系统设有穿透各导流通道的通孔，恒压水箱的顶部和底部分别设有与通孔对应的嵌孔，通孔和嵌孔的轴向与导流通道的延伸方向相交，通孔内设置有试件，两嵌孔处分别设有用于防止漏水的可拆卸的密封件；试件的上方设有压头，压头穿过恒压水箱顶部的嵌孔，试件的下方设有承台，承台不与恒压水箱的底部接触，加载系统通过压头对试件施加轴向压力。
2.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述密封件包括孔套和设于孔套内的硅胶密封圈、中空的孔栓，孔栓与孔套螺纹连接并压紧硅胶密封圈；恒压水箱顶部嵌孔处对应的硅胶密封圈和孔栓套装在压头的外周，恒压水箱底部嵌孔处对应的硅胶密封圈和孔栓设置在承台下方。
3.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述恒压水箱上设有可启闭的排气孔。
4.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述导流系统的下方周围均布有角度调节机构，以使导流通道倾斜而改变导流角度；角度调节机构包括螺杆、与螺杆配合的升降螺母和设于螺杆底部的脚垫。
5.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述导流系统包括多个由钢化玻璃制成的等间距层叠分布的导流板，以及同样由钢化玻璃制成的相对设置且与各导流板相连的固定板；相邻导流板之间形成导流通道。
6.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述恒压水箱包括由钢化玻璃制成的储液槽和密封盖板；储液槽的底部设有卡槽，用于卡紧导流系统，储液槽的上沿设有滑槽，密封盖板的边缘设有硅胶密封垫，密封盖板通过滑槽盖合于储液槽上。
7.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述承台上设有定位板，定位板和承台上均匀插装有插销以连接二者，定位板的中部还设有凹槽，试件下端插入凹槽。
8.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述动水循环系统还包括储液池，储液池串联在出水管路上，分别与恒压水箱和水泵连通。
9.根据权利要求1所述的动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置，其特征在于：所述加载系统为三轴压缩试验机，试件下方的承台为三轴压缩试验机的试验台。
10.动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.加工试件，并将试件分为试验组的试件和参照组的试件；
S2.将试验组的试件安装于动水-应力耦合作用下的岩石劣化试验装置上，操作加载系统对试验组的试件施加轴向压力，荷载逐级递增至目标值停止；启动动水循环系统，恒压水箱内的动水经各导流通道对试验组的试件施加径向冲击力，观察一段时间；加载系统继续加载轴向压力，直至试验组的试件破坏；采集相关试验数据；
S3.关闭并卸载动水循环系统，排尽恒压水箱内的液体，取出并封存已破坏的试验组的试件，清理岩石劣化试验装置，准备下一次试验；
S4.重复步骤S2和S3，直至完成所有试验组的试件的劣化试验，获得所有试验组的试件的相关试验数据；
S5.将参照组的试件安装于所述岩石劣化试验装置上，操作加载系统对参照组的试件施加轴向压力，荷载逐级递增直至参照组的试件破坏；采集相关试验数据；
S6.取出并封存已破坏的参照组的试件，准备下一次试验；
S7.重复步骤S5和S6，直至完成所有参照组的试件的劣化试验，获得所有参照组的试件的相关试验数据；
S8.对比试验组的试件和参照组的试件的试验曲线，分析试验组的试件在动水循环作用下的劣化机理；同时分别计算试验组的试件和参照组的试件的单轴抗压强度P＝4F/πD2，其中，F为试验组的试件和参照组的试件的破坏荷载，D为试验组的试件和参照组的试件的直径；
S9.检查并剔除异常数据，分别计算试验组的试件和参照组的试件的单轴抗压强度的平均值PA和PB，则试验组的试件的劣化率为M＝|PA-PB|/PB。
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