CN113310839B - 一种可控水头的软岩吸湿试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控水头的软岩吸湿试验装置及试验方法，包括：常水头控制系统，用于保持常水头所设置的试验条件同时不断向吸湿试验系统中提供水源；吸湿试验系统，通过管道与所述常水头控制系统连通，用于进行不同环境条件下的吸湿试验；数据采集处理系统，与所述吸湿试验系统连接，用于收集试验过程中的压强、温度、湿度，记录软岩吸湿过程中的吸湿量。本发明可以进行不同环境条件下的水吸附试验，实现了可控外界环境条件(温度、湿度、水压)下，软岩对水的外界影响因素、吸附过程与规律的研究，具有一定的学术意义。

Description

一种可控水头的软岩吸湿试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于软岩吸湿试验技术领域，具体涉及一种可控水头的软岩吸湿试验装置，还涉及一种可控水头的软岩吸湿试验装置的试验方法。

背景技术

软岩在水环境条件下会发生的一系列的物理、化学以及力学变化称为水岩相互作用，这种作用对于软岩的岩体特性具有很大的影响。通常情况下，软岩的胶结性弱，一般都含有一定量的蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性粘土矿物，与水接触后，亲水性粘土矿物吸湿发生软化以及膨胀变形等，造成软岩的胶结性降低，结构性遭到破坏，产生崩解裂隙等等，严重弱化软岩的强度参数，在工程实践中往往造成工程病害，如边坡坍塌、隧道底板隆起、路基上拱等等。软岩吸水特性以及水分在岩体内的吸水运移过程是当前岩土工程中水岩相互作用研究的热点之一，分析其吸水特性以及运移规律可以从水岩相互作用机理上研究软岩的水理性质，因此软岩的吸水特性与其运移规律是值得深入研究和探索的科学问题，具有重要的科学价值以及工程意义。

当前，有关的岩石吸湿试验装置众多，但这些试验装置未能对吸湿环境进行控制，鲜有稳定的可控常水头下的吸湿试验装置。专利文献201110156438.5公开深部软岩水理作用智能测试系统，利用试验箱体内多套吸附水试验装置对试验岩样进行有压和无压状态下的吸附水试验，模拟吸附过程，同时，采集模拟环境下的温湿度信息，汇总后得出岩样的吸附水变化规律图表，实现了实验数据存取智能化以及吸水曲线实时显示，再现研究了地层深部软岩在不同压力水头条件下对水吸附的过程和规律。专利文献201720583225.3介绍一种结构简单、可操作性强的软岩常水头吸附水测试的装置，通过向供水瓶注水，同时由供水瓶溢出多余的水实现其水头保持为稳定的压力水头，模拟再现地研究了地层深部软岩在某一稳定压力水头条件下对水吸附的过程和规律。然而，前者深部软岩水理作用智能测试系统不能控制有压吸水下的水头为稳定水头，只能用于无压或可变水头的吸湿试验；而后者结构简单，没有实时监测试验外界环境，比如温度、湿度等，同时其试验装置也只能在某一稳定压力水头条件下对水进行吸附的试验过程。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种可控水头的软岩吸湿试验装置，通过常水头控制系统，保持试验过程处于所设置的稳定的常水头条件，同时增设加热器与调湿器，可以进行不同环境条件下的水吸附试验，实现了可控外界环境条件(温度、湿度、水压)下，软岩对水的外界影响因素、吸附过程与规律的研究，具有一定的学术意义。

本发明的另一个目的在于提供了一种可控水头的软岩吸湿试验装置的试验方法，在试验过程中可控制常水头供水条件，将试验过程中记录的压强、温湿度、试样的质量变化录入到电脑中，对数据进行实时处理，并且绘制出试样的吸湿时程曲线，及时掌握试样的吸湿特性。操作简单安全，试验条件控制稳定，实现了软岩吸湿试验中的水头、温度、湿度的控制，能够更好的反映外界环境因素对软岩吸湿的影响，试验结果更加精准。

为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可控水头的软岩吸湿试验装置，包括：

常水头控制系统，用于保持常水头所设置的试验条件同时不断向吸湿试验系统中提供水源；

吸湿试验系统，通过管道与所述常水头控制系统连通，用于进行不同环境条件下的吸湿试验；

数据采集处理系统，与所述吸湿试验系统连接，用于收集试验过程中的压强、温度、湿度，记录软岩吸湿过程中的吸湿量。

可选的，所述常水头控制系统包括密闭箱，所述中隔板固定于密闭箱中间，将密闭箱分割为左、上、下三个空间，所述中隔板上侧安置储水器，所述储水器通过设置在上方的进水管道由进水口引入水源，再通过设置于底部的出水管道向密闭箱左侧的常水位器注入水源；

所述常水位器固定在所述密闭箱底部，且距离上端1/5处设置有一溢水管，底部设置有向吸湿试验系统提供承压水头的水管；所述中隔板下侧固定一溢水器，接受由所述常水位器溢出的水，当试验结束后，打开排水阀，通过排水管向外排水；

在所述溢水器上方和中隔板之间，设置有一进气管，通过该进气管向所述密闭箱内增加气压。

进一步的，所述密闭箱安装有气压表，所述气压表通过数据线与数据采集器连接。

可选的，所述吸湿试验系统包括试验箱，所述试验箱正侧设置有一可开闭的观察窗，以便对试样吸湿过程进行观察；

所述试验箱内配置至少两套用于实现吸湿试验的试验机构；所述试验箱内设置有加热片、调湿器，用于实现不同温湿度条件下的吸湿试验。

进一步的，所述试验机构包括设置于所述试验箱内底部的电子天平，用于测量试样在吸湿过程中质量变化；触水器呈杯型结构，设置于所述电子天平上方，试验放置于所述触水器和电子天平之间；

所述触水器通过管道与所述常水位器连通，在该管道上设置有止水阀、端头阀以及控制阀，其中，所述止水阀、端头阀位于所述试验箱内部，所述控制阀位于所述试验箱与密闭箱之间的这段管道上。

进一步的，所述触水器上设置有排气阀。

可选的，所述数据采集处理系统包括数据采集器、以及与所述数据采集器连接的数据处理系统，所述数据采集器为多通道采集器，与所述试验箱内设置的温湿度传感器、电子天平连接，以及与所述密闭箱上安装的气压表连接，将试验过程中记录的压强、温湿度、试样的质量变化记录并录入到数据处理系统。

进一步的，所述数据处理系统为一电脑，用于对数据进行实时处理，并且绘制出试样的吸湿时程曲线。

进一步的，所有穿过所述密闭箱的管道外侧均套有O型橡胶垫圈，用于保证密闭箱的气密性。

上述结构中，最关键的结构是常水头控制系统，其不仅可以保持所设置的常水头试验条件，同时还可以不断向吸湿试验系统中提供水源，实现了软岩恒定水头动态供水，精准的控制了试验条件，解决了软岩吸湿试验中水头单一的问题。

相应的，本发明还要求保护一种可控水头的软岩吸湿试验装置的试验方法，采用前述的可控水头的软岩吸湿试验装置，包括以下步骤：

(1)试验前，确保所有阀门处于关闭状态；

(2)调节加热片和调湿器，使试验箱处于所需要的温湿度条件，并将制备好的试样贴进触水器中；

(3)打开进水阀、排水阀以及阀门，向进水管中注水，观察排水管中有水流出后，关闭排水阀以及阀门，当储水器中注入3/4深的水后，停止注水并关闭进水阀；

(4)打开进气阀，通过进气管向密闭箱充气，观测气压表，当气压达到试验指定气压后，停止充气，并关闭进气阀；

(5)打开阀门、控制阀、止水阀、排气阀，待连接管道充满水且触水器与试样间的空气排出后，关闭排气阀，试验开始；

(6)通过数据采集器将试验过程中记录的压强、温湿度、试样的质量变化记录并录入到数据处理系统，通过数据处理系统绘制出试样的吸湿时程曲线。

上述步骤中，关键在于步骤(4)、(5)，通过密闭箱中的气压来控制试验水头，保证了密闭箱中达到试验恒定压强，常水位器处于试验所设置的常水头条件，解决了软岩吸湿试验中各种不同水头条件的控制问题，操作便捷、安全、可靠，可精准的控制水头条件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过向密闭箱中充气达到试验指定的压强，同时由储水器持续向常水位器补充水源，并溢出多余水，保持常水位器处于所设置的常水头条件。

2、吸湿试验系统中增加加热片和调湿器，可以进行不同温度湿度条件下的吸湿试验，图示中试验箱可进行两组平行试验，通过增大试验箱尺寸，预留的端头阀，可接其他触水器，以便进行三组及以上的吸湿试验。

3、通过数据采集处理系统，将试验过程中记录的压强、温湿度、试样的质量变化录入到电脑中，对数据进行实时处理，并且绘制出试样的吸湿时程曲线，及时掌握试样的吸湿特性。

4、可以进行不同环境条件下的水吸附试验，实现了可控外界环境条件(温度、湿度、水压)下，软岩对水的外界影响因素、吸附过程与规律的研究，具有一定的学术意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明可控水头的软岩吸湿试验装置的结构示意图；

图2为本发明加热片、调湿器与电脑连接示意图；

图3为本发明气压表、电子天平、温湿度传感器通过数据采集器与电脑连接示意图。

图中：1、进水管；2、进水阀；3、进气管；4、进气阀；5、排水管；6、排水阀；7、储水器；8、常水位器；9、溢水器；10、气压表；11、阀门；12、中隔板；13、密闭箱；14、O型橡胶垫圈；15、控制阀；16、端头阀；17、止水阀；18、排气阀；19、触水器；20、试样；21、电子天平；22、加热片；23、调湿器；24、观察窗；25、温湿度传感器；26、试验箱；27、数据采集器；28、数据处理系统。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1。本发明提供的一种可控水头的软岩吸湿试验装置，参看图1-3，包括常水头控制系统、吸湿试验系统和数据采集处理系统。其中：

常水头控制系统由进水管1、进水阀2、进气管3、进气阀4、排水管5、排水阀6、储水器7、常水位器8、溢水器9、气压表10、中隔板12、密闭箱13以及O型橡胶垫圈14组成。中隔板12固定于密闭箱13中间，将密闭箱分割为，左、上、下三个空间，密闭箱13为钢化玻璃材料，以便具有较高的强度。中隔板12上侧安置储水器7，储水器7通过设置在上方的进水管道由进水口1引入水源，再通过设置于底部的出水管道向密闭箱13左侧的常水位器8注入水源，常水位器8固定在密闭箱13底部，且距离上端1/5处设置有一溢水管，底部设置有向吸湿试验装置提供承压水头的水管。中隔板12下侧固定一溢水器9，接受由常水位器8溢出的水，当试验结束后，打开排水阀6，通过排水管5向外排水。在溢水器9上方和中隔板12下方之间，有一进气管3，通过该进气管3向密闭箱13内增加气压。密闭箱13安装有气压表10，气压表10通过数据线与数据采集器27连接。

其中，为保证密闭箱13的气密性，所有穿过密闭箱13的管道外侧均套上O型橡胶垫圈14。本装置通过向密闭箱13中充气达到指定的压强，通过储水器7持续向常水位器8补充水源，同时溢出多余水，保持常水位器8处于所设置的常水头条件，并不断向吸湿试验装置中提供水源。

吸湿试验系统包括端头阀16、止水阀17、排气阀18、触水器19、试样20、电子天平21、加热片22、调湿器23、观察窗24、温湿度传感器25、试验箱26。试验箱26正侧有一可开闭的观察窗24，观察窗24由有机玻璃制作，以便对试样吸湿过程进行观察。加热片22、调湿器23均通过数据线与电脑28连接；电脑根据程序设定的温度、湿度自动调节加热片22、调湿器23，来为试验箱26内部的密闭系统进行加热或降温、增湿或除湿。电子天平21用于测量试样20在吸湿过程中质量变化。试验箱26内配置两套试验机构，每一套由止水阀17、排气阀18、触水器19、试样20、电子天平21组成，以便进行平行试验。触水器19为一杯型结构，设置于电子天平21上方，试验20放置于触水器19和电子天平21之间；触水器19通过管道与常水位器8连通，在该管道上设置有止水阀17、端头阀16以及控制阀15，其中，止水阀17、端头阀16位于试验箱26内部，控制阀15位于试验箱26与密闭箱13之间的这段管道上；触水器19上设置有排气阀18。

本发明的试验箱26内安置有加热片22、调湿器23，通过控制加热片22、调湿器23，实现不同温湿度条件下的吸湿试验。试验前，打开控制阀15，使试验箱26内连接管道充满水，之后将制备好的试样20紧密贴进触水器19中，同时打开止水阀17、排气阀18，当触水器19与试样20接触面的气体排出后，关闭排气阀18，最后关闭观察窗24，开始吸湿试验。

数据采集处理系统由数据采集器27、数据处理系统28组成，数据采集器27为多通道采集器，将试验过程中记录的压强、温湿度、试样20的质量变化记录并录入到数据处理系统28，数据处理系统28为一电脑，可对数据进行实时处理，并且绘制出试样20的吸湿时程曲线。

更具体的，本发明的气压表10、电子天平21、温湿度传感器25均通过数据线与数据采集器27连接，数据采集器27通过数据线与数据处理系统28连接；电子天平21自动记录试样20的吸水质量，温湿度传感器25自动记录试验箱26内部温湿度，气压表10自动记录密闭箱13中的压强，电子天平21、温湿度传感器25和气压表10所记录的数据经过数据采集器27传输至数据处理系统28，数据处理系统28对试样吸水质量、试验箱中的温湿度、密闭箱中的压强数据进行实时处理，数据处理系统28根据程序设定的温度、湿度自动调节加热片22、调湿器23，来为试验箱26内部的密闭系统进行加热或降温、增湿或除湿。本发明各控阀门均通过蓝牙连接数据处理系统28(电脑)来调节。

采用上述结构，本发明通过向密闭箱13中充气达到试验指定的压强，同时由储水器7持续向常水位器8补充水源，并溢出多余水，从而保持常水位器8处于所设置的稳定的常水头条件。吸湿试验装置中增设由数据处理系统28(优选为电脑)可控的热片22和调湿器23，能进行不同环境条件下的吸湿试验，同时通过预留的端头阀16可以根据试验进行扩展，以便进行多组平行试验。采用数据采集器收集试验过程中的压强、温度、湿度等外界条件，记录软岩吸湿过程中的吸湿量，从而对整个试验数据进行无纸化的自动采集，并由数据处理系统28进行吸湿特征曲线的处理。

实施例2。本发明提供的一种可控水头的软岩吸湿试验装置的试验方法，参看图1-3，包括下述步骤：

(1)试验前，确保所有阀门处于关闭状态。

(2)调节加热片22和调湿器23，使试验箱26处于所需要的温湿度条件，并将制备好的试样20贴进触水器19中。

(3)打开进水阀2、排水阀6以及阀门11，向进水管1中注水，观察排水管5中有水流出后，关闭排水阀6以及，当储水器7中注入3/4深的水后，停止注水并关闭进水阀2。

(4)打开进气阀4，通过进气管3向密闭箱13充气，观测气压表10，当气压达到试验指定气压后，停止充气，并关闭进气阀4。

(5)打开阀门11、控制阀15、止水阀17、排气阀18，待连接管道充满水且触水器19与试样20间的空气排出后，关闭排气阀18，试验开始。

(6)通过数据采集器27将试验过程中记录的压强、温湿度、试样20的质量变化记录并录入到数据处理系统28，通过数据处理系统28绘制出试样20的吸湿时程曲线。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，包括：

常水头控制系统，用于保持常水头所设置的试验条件同时不断向吸湿试验系统中提供水源；

吸湿试验系统，通过管道与所述常水头控制系统连通，用于进行不同环境条件下的吸湿试验；

数据采集处理系统，与所述吸湿试验系统连接，用于收集试验过程中的压强、温度、湿度，记录软岩吸湿过程中的吸湿量；

所述常水头控制系统包括密闭箱（13），中隔板（12）固定于密闭箱（13）中间，将密闭箱（13）分割为左、上、下三个空间，所述中隔板（12）上侧安置储水器（7），所述储水器（7）通过设置在上方的进水管道由进水口（1）引入水源，再通过设置于底部的出水管道向密闭箱（13）左侧的常水位器（8）注入水源；

所述常水位器（8）固定在所述密闭箱（13）底部，且距离上端1/5处设置有一溢水管，底部设置有向吸湿试验系统提供承压水头的水管；所述中隔板（12）下侧固定一溢水器（9），接受由所述常水位器（8）溢出的水，当试验结束后，打开排水阀（6），通过排水管（5）向外排水；

在所述溢水器（9）上方和中隔板（12）之间，设置有一进气管（3），通过该进气管（3）向所述密闭箱（13）内增加气压。

2.根据权利要求1所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所述密闭箱（13）安装有气压表（10），所述气压表（10）通过数据线与数据采集器（27）连接。

3.根据权利要求1所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所述吸湿试验系统包括试验箱（26），所述试验箱（26）正侧设置有一可开闭的观察窗（24），以便对试样吸湿过程进行观察；

所述试验箱（26）内配置至少两套用于实现吸湿试验的试验机构；所述试验箱（26）内设置有加热片（22）、调湿器（23），用于实现不同温湿度条件下的吸湿试验。

4.根据权利要求3所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所述试验机构包括设置于所述试验箱（26）内底部的电子天平（21），用于测量试样（20）在吸湿过程中质量变化；触水器（19）呈杯型结构，设置于所述电子天平（21）上方，试样（20）放置于所述触水器（19）和电子天平（21）之间；

所述触水器（19）通过管道与所述常水位器（8）连通，在该管道上设置有止水阀（17）、端头阀（16）以及控制阀（15），其中，所述止水阀（17）、端头阀（16）位于所述试验箱（26）内部，所述控制阀（15）位于所述试验箱（26）与密闭箱（13）之间的这段管道上。

5.根据权利要求4所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所述触水器（19）上设置有排气阀（18）。

6.根据权利要求4所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所述数据采集处理系统包括数据采集器（27）、以及与所述数据采集器（27）连接的数据处理系统（28），

所述数据采集器（27）为多通道采集器，与所述试验箱（26）内设置的温湿度传感器（25）、电子天平（21）连接，以及与所述密闭箱（13）上安装的气压表（10）连接，将试验过程中记录的压强、温湿度、试样（20）的质量变化记录并录入到数据处理系统（28）。

7.根据权利要求6所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所述数据处理系统（28）为一电脑，用于对数据进行实时处理，并且绘制出试样（20）的吸湿时程曲线。

8.根据权利要求2所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，所有穿过所述密闭箱（13）的管道外侧均套有O型橡胶垫圈（14），用于保证密闭箱（13）的气密性。

9.一种可控水头的软岩吸湿试验装置的试验方法，采用权利要求1-8任一所述的可控水头的软岩吸湿试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

（1）试验前，确保所有阀门处于关闭状态；

（2）调节加热片（22）和调湿器（23），使试验箱（26）处于所需要的温湿度条件，并将制备好的试样（20）贴进触水器（19）中；

（3）打开进水阀（2）、排水阀（6）以及阀门（11），向进水管（1）中注水，观察排水管（5）中有水流出后，关闭排水阀（6）以及阀门（11），当储水器（7）中注入3/4深的水后，停止注水并关闭进水阀（2）；

（4）打开进气阀（4），通过进气管（3）向密闭箱（13）充气，观测气压表（10），当气压达到试验指定气压后，停止充气，并关闭进气阀（4）；

（5）打开阀门（11）、控制阀（15）、止水阀（17）、排气阀（18），待连接管道充满水且触水器（19）与试样（20）间的空气排出后，关闭排气阀（18），试验开始；

（6）通过数据采集器（27）将试验过程中记录的压强、温湿度、试样（20）的质量变化记录并录入到数据处理系统（28），通过数据处理系统（28）绘制出试样（20）的吸湿时程曲线。

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