CN113092723B - 一种泥岩膨胀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学实验技术领域，具体涉及一种泥岩膨胀试验装置，包括箱体和箱盖，箱体内设置有用于放置试件的试件盒，箱体内设置有供试件盒上下移动的护套，护套底端开口；箱体上设置有用于调节箱体内压力的压力控制系统，用于调节箱体内温度的温度控制系统，以及用于向箱体内注水的注水系统，用于监测箱体内压力和温度变化的在线监测系统；压力控制系统，包括通过稳压阀与箱体连通的空压机；温度调节系统，包括伸入箱体的加热管以及与加热管连接的温控器；注水系统，包括向箱体内注入纯净水的循环管以及与循环管连接的水箱。本发明解决了现有的泥岩膨胀试验仪不能够模拟真实环境的技术问题。

Description

一种泥岩膨胀试验装置

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，具体涉及一种泥岩膨胀试验装置。

背景技术

泥岩属于膨胀岩范畴，含有大量亲水性黏土矿物，力学性质与水的关系极其密切，在其内部相邻的黏粒比较靠近时，各自形成的水化膜会有一部分重叠起来，形成公共水化膜。若各自水化膜变薄，水胶连接可以使软岩变得相当坚硬；当各相邻的黏粒见水化膜加厚时，公共水化膜消失，水胶连接力消失，软岩产生膨胀、软化、崩解和失水收缩、开裂，导致巷道开挖后围岩的支护难度大、控制效果差。

在施工之前，需要对施工地的泥岩膨胀各项参数通过泥岩膨胀试验仪进行测试，现有的泥岩膨胀试验仪包括试件装置、加载装置、稳压装置和测量装置；试件装置包括固定于支架上的试件压力室，装有试件的圆柱形套筒置于试件压力室内，试件压力室底部中心留有通孔且安装有挡板，挡板中心开孔；加载装置包括安装于试件压力室一旁的反力装置，反力装置底部安装有加载油缸，加载油缸与安装于反力装置上部的加载压力室连接，加载压力室顶部通孔通过管道与试件压力室顶部侧壁通孔连接；加载油缸由电液伺服控制提供精确压力；稳压装置包括设置于试件压力室顶盖上的注水稳压孔，注水稳压孔与高压氮气罐和气液复合型恒压水箱连接，用于向试件压力室提供稳定的水压；测量装置包括从试件压力室底部通孔连接到试件内部的孔隙压力计，以及安装于试件压力室侧壁且连接到试件压力室内的压力表和安装于挡板中心开孔下方的量杯。

现在的泥岩膨胀试验仪，只考虑压力对于泥岩膨胀的影响，忽略了温度对泥岩膨胀的影响，试验结果对真实施工环境的指导作用有限。虽然，有些泥岩膨胀试验仪，增加了温度变化来测试泥岩膨胀，但因为实际施工的岩石环境中，其温度和水流都并不是均匀分布的，温度和水流形成的压力都是变化的，尤其是穿过岩层和岩层之间的地方。因此，现有的泥岩膨胀试验仪，还不能够模拟真实环境，只能在理论温度和压力变化条件下进行泥岩膨胀试验，其测试出来的结果对真正施工环境起到的作用很小。

发明内容

本发明提供一种泥岩膨胀试验装置，解决了现有的泥岩膨胀试验仪不能够模拟真实环境的技术问题。

本发明提供的基础方案为：一种泥岩膨胀试验装置，包括箱体和箱盖，箱体内设置有用于放置试件的试件盒，箱体内设置有供试件盒上下移动的护套，护套底端开口；箱体上设置有用于调节箱体内压力的压力控制系统，用于调节箱体内温度的温度控制系统，以及用于向箱体内注水的注水系统，用于监测箱体内压力和温度变化的在线监测系统；

压力控制系统，包括通过稳压阀与箱体连通的空压机；

温度调节系统，包括伸入箱体的加热管以及与加热管连接的温控器；

注水系统，包括向箱体内注入纯净水的循环管以及与循环管连接的水箱；

在线监测系统，包括安装在箱盖上的千分表以及千分表连接的探针，探针伸入到试件盒内。

本发明的工作原理及优点在于：

(1)通过压力控制系统控制箱体内的压力变化，通过温度调节系统控制箱体内的温度变化；试件盒在箱体内可上下移动，通过移动试件盒能够使试件盒外的纯净水形成水流，模拟出真实环境中随着压力和温度变化而形成真实流动的水流，使试件盒能够在尽可能真实的模拟环境中完成泥岩膨胀试验，使试验结果更加趋近于真实，能够对真实环境中的施工起到指导作用；通过空压机释放的压力对水加压，能够稳定水压。

(2)通过千分表能够测量试件下端部的轴向膨胀变形，既能测得轴向膨胀变形又能测得侧向膨胀力，在持续供水条件下、非持续供水条件下以及不同水压作用下均可进行试验；可加工多个装置同时试验，达到缩短试验总时间的目的，装置加工成本低，加工方式简易。

本发明能够模拟真实环境中随着压力和温度变化而形成真实流动的水流，使试件盒能够在尽可能真实的模拟环境中完成泥岩膨胀试验，解决了现有的泥岩膨胀试验仪不能够模拟真实环境的技术问题。

进一步，护套内设置有筒状结构的隔层，试件盒包括与隔层相接触的保护壳；保护壳上设有间隔排列的粗孔和细孔，隔层上设有与粗孔和细孔对齐的隔孔。

有益效果在于：当粗孔或者细孔与隔孔对齐的时候，既可以让箱体内的水流通过隔孔形成的孔道中浸入到试件盒里，又可以防止比隔孔大的杂质进入。

进一步，试件盒的顶端设有用于带动试件盒上下移动的转轴。

有益效果在于：通过转轴可以方便地带动试件盒上下移动。

进一步，转轴连接有电机，电机用于驱动转轴变速螺旋上升或者变速螺旋下降。

有益效果在于：通过电机带动转轴转动，转轴可以带动试件盒变速螺旋上升或者变速螺旋下降，能够更加真实地模拟试件在真实环境中会发生的膨胀情况。

进一步，隔孔的布置与试件螺旋上升或者螺旋下降的路径相同。

有益效果在于：隔孔的布置与试件螺旋上升或者螺旋下降的路径一致，可以使试件在上升或者下降过程中通过隔孔模拟出真实的地底水流情况。

进一步，注水系统还包括与循环管连接的加入管，加入管用于向纯净水中加入金属离子。

有益效果在于：用来尽可能真实地模拟现场环境，使试验件能够在特定密度的水流下完成膨胀试验。

进一步，加热管设置在箱体的下部，加热管设置在试件盒的正下方。

有益效果在于：通过试件盒靠近或者远离加热管，可以使得包裹其的水流温度产生变化，模拟在单个热源情况下水流的温度变化，使试验件的膨胀试验结果更加真实。

进一步，试件盒包括保护盖，保护盖的中部嵌入刚性的卡箍中，卡箍内壁和试件外壁之间设有电阻值随压力增大而减小的薄膜型电阻式压力传感器；箱盖上设有用于检测电阻值变化的万用表。

有益效果在于：通过读取电阻值就可间接获得试件侧向膨胀应力。

进一步，压力控制系统对箱体的加压范围为0～5Mpa。

有益效果在于：可以使注水系统注入到箱体内的水能够模拟实际环境中的水压。

进一步，温度调节系统包括设置在箱体内壁上随着水流螺旋转动的加热带。

有益效果在于：加热带与温控器连接，通过加热带和加热管可以共同为箱体内营造真实的温度变化环境。

附图说明

图1为本发明一种泥岩膨胀试验装置实施例的结构示意图。

图2为附图1中A部分的局部放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：箱体1、箱盖2、试件盒3、护套4、稳压阀5、空压机6、加热管7、温控器8、循环管9、水箱10、千分表11、探针12、保护壳13、隔层14、转轴15、电机16、加入管17、保护盖18、试件19。

实施例1

实施例基本如附图1和附图2所示，包括：箱体1、箱盖2、试件盒3、护套4、稳压阀5、空压机6、加热管7、温控器8、循环管9、水箱10、千分表11、探针12、保护壳13、隔层14、转轴15、电机16、加入管17、保护盖18、试件19。

箱体1内设置有用于放置试件19的试件盒3，也即，试件盒319位于试件盒3内，试件盒3位于箱体1内；试件盒3包括保护盖18，保护盖18的中部嵌入刚性的卡箍中，卡箍内壁和试件19外壁之间设有电阻值随压力增大而减小的薄膜型电阻式压力传感器，箱盖2上通过螺丝固定安装有用于检测电阻值变化的万用表，以便通过读取电阻值就可获得试件19侧向膨胀应力。箱体1内设置有供试件盒3上下移动的护套4，护套4底端开口，也即，护套4位于试件盒3外部，护套4与试件盒3滑动连接。

护套4内设置有筒状结构的隔层14，隔层14位于护套4内，隔层14焊接在护套4上；试件盒3包括与隔层14相接触的保护壳13，保护壳13位于试件盒3外，保护壳13焊接在试件盒3上；保护壳13上设有间隔排列的粗孔和细孔，隔层14上设有与粗孔和细孔对齐的隔孔，当粗孔或者细孔与隔孔对齐的时候，既可以让箱体1内的水流通过隔孔形成的孔道中浸入到试件盒3里，又可以防止比隔孔大的杂质进入。

试件盒3的顶端设有用于带动试件盒3上下移动的转轴15，箱盖2设有第一通孔，转轴15贯穿第一通孔，转轴15下端焊接在保护盖18上表面；转轴15上端连接电机16，电机16用于驱动转轴15变速螺旋上升或者变速螺旋下降，电机16通过螺丝安装在箱盖2上；通过电机16带动转轴15转动，转轴15可以带动试件盒3变速螺旋上升或者变速螺旋下降，能够更加真实地模拟试件19在真实环境中会发生的膨胀情况。另外，隔孔的布置与试件19螺旋上升或者螺旋下降的路径相同，也就是说，隔孔的布置与试件19螺旋上升或者螺旋下降的路径一致，可以使试件19在上升或者下降过程中通过隔孔模拟出真实的地底水流情况。

箱体1上设置有用于调节箱体1内压力的压力控制系统，用于调节箱体1内温度的温度控制系统，以及用于向箱体1内注水的注水系统，用于监测箱体1内压力和温度变化的在线监测系统。在本实施例中，压力控制系统包括通过稳压阀5与箱体1连通的空压机6，压力控制系统对箱体1的加压范围为0～5Mpa，以使注水系统注入到箱体1内的水能够模拟实际环境中的水压；温度调节系统包括伸入箱体1的加热管7以及与加热管7连接的温控器8，加热管7位于箱体1的下部，加热管7位于试件盒3的正下方，以便通过试件盒3靠近或者远离加热管7，可以使得包裹的水流温度产生变化，模拟在单个热源情况下水流的温度变化，使试验件的膨胀试验结果更加真实；注水系统包括向箱体1内注入纯净水的循环管9以及与循环管9连接的水箱10，加入管17与循环管9连接，加入管17用于向纯净水中加入金属离子，尽可能真实地模拟现场环境，使试验件能够在特定密度的水流下完成膨胀试验；在线监测系统包括安装在箱盖2上的千分表11以及千分表11连接的探针12，探针12伸入到试件盒3内，箱盖2设有第二通孔，第二通孔位于第一通孔右侧，探针12贯穿第二通孔。就本实施例中此部分来说，由于具体结构以及相关连接、布置、安装均比较简单，完全可参照现有技术实施，故而此处不再进行赘述。

具体实施过程如下：

通过压力控制系统控制箱体1内的压力变化，通过温度调节系统控制箱体1内的温度变化；试件盒3在箱体1内可上下移动，通过移动试件盒3能够使试件盒3外的纯净水形成水流，模拟出真实环境中随着压力和温度变化而形成真实流动的水流，使试件盒3能够在尽可能真实的模拟环境中完成泥岩膨胀试验，使试验结果更加趋近于真实，能够对真实环境中的施工起到指导作用；通过空压机6释放的压力对水加压，能够稳定水压。

通过千分表11能够测量试件19下端部的轴向膨胀变形，既能测得轴向膨胀变形又能测得侧向膨胀力，在持续供水条件下、非持续供水条件下以及不同水压作用下均可进行试验；可加工多个装置同时试验，达到缩短试验总时间的目的，装置加工成本低，加工方式简易。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，温度调节系统包括设置在箱体1内壁上随着水流螺旋转动的加热带，加热带与温控器8连接，通过加热带和加热管7可以共同为箱体1内营造真实的温度变化环境，具体可参照现有技术实施。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种泥岩膨胀试验装置，包括箱体和箱盖，箱体内设置有用于放置试件的试件盒，箱体内设置有供试件盒上下移动的护套，护套底端开口；箱体上设置有用于调节箱体内压力的压力控制系统，用于调节箱体内温度的温度控制系统，以及用于向箱体内注水的注水系统，用于监测箱体内压力和温度变化的在线监测系统；其特征在于，

压力控制系统，包括通过稳压阀与箱体连通的空压机；

温度调节系统，包括伸入箱体的加热管以及与加热管连接的温控器；

注水系统，包括向箱体内注入纯净水的循环管以及与循环管连接的水箱；

在线监测系统，包括安装在箱盖上的千分表以及千分表连接的探针，探针伸入到试件盒内；

护套内设置有筒状结构的隔层，试件盒包括与隔层相接触的保护壳；保护壳上设有间隔排列的粗孔和细孔，隔层上设有与粗孔和细孔对齐的隔孔；试件盒的顶端设有用于带动试件盒上下移动的转轴；转轴连接有电机，电机用于驱动转轴变速螺旋上升或者变速螺旋下降；隔孔的布置与试件螺旋上升或者螺旋下降的路径相同。

2.如权利要求1所述的泥岩膨胀试验装置，其特征在于，注水系统还包括与循环管连接的加入管，加入管用于向纯净水中加入金属离子。

3.如权利要求2所述的泥岩膨胀试验装置，其特征在于，加热管设置在箱体的下部，加热管设置在试件盒的正下方。

4.如权利要求3所述的泥岩膨胀试验装置，其特征在于，试件盒包括保护盖，保护盖的中部嵌入刚性的卡箍中，卡箍内壁和试件外壁之间设有电阻值随压力增大而减小的薄膜型电阻式压力传感器；箱盖上设有用于检测电阻值变化的万用表。

5.如权利要求4所述的泥岩膨胀试验装置，其特征在于，压力控制系统对箱体的加压范围为0～5Mpa。

6.如权利要求5所述的泥岩膨胀试验装置，其特征在于，温度调节系统包括设置在箱体内壁上随着水流螺旋转动的加热带。

Images