CN114383952A - 一种多场耦合的岩体劣化模拟试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，包括岩体试验装置、应力模拟装置、加热装置、冲刷模拟装置、涌浪模拟装置及监测装置。本发明还公开了一种多场耦合的岩体劣化模拟试验方法。上述多场耦合的岩体劣化模拟试验系统及试验方法，可以模拟在受上部荷载、水流冲刷、温度及涌浪共同作用下多个岩体试样劣化的过程，以及原位干湿循环中浸泡、冲刷、烘干等多项工作，并具有可视化的特点，可观察其过程，克服了现有技术中不能考虑多场耦合和劣化过程可视化以及干湿循环需更换多个仪器的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种多场耦合的岩体劣化模拟试验系统及试验方法。
背景技术
岩体崩塌在地质灾害中较为常见，我国山区面积占国土面积三分之二以上，是世界上受到崩塌灾害影响最为广大国家之一，且由于青藏高原持续隆盛，造就了我国西部地区边坡高陡，河谷深切的地形地貌，为地质灾害的发生创造了较好的地形条件。
危岩体崩塌与基座的剪切破坏密不可分，诱因往往是人为工程活动等外力作用，如地下采矿作用，岸坡消落带侵蚀作用，岩溶风化作用等。三峡库区作为地质灾害频发、隐患较为集中地区，库水位的变化造成两侧岩体形成两条平行岸坡消落带，促进该段岩体节理裂隙发育，溶蚀凹腔和剥落岩体表层，加之其他各种不利因素，导致消落带岩体严重劣化，并随着时间进一步加剧，极易诱发库区边坡失稳，如2003年三峡库区秭归县千将坪滑坡，2008年巫峡龚家方崩塌，均与水库消落带岩体劣化相关。
但目前国内外学者对岸坡消落带的整体性研究较少，往往仅考虑单一因素，如干湿循环和水岩耦合化学反应等，其研究结果与现场存在一定误差，而现场原位试验则难以反映其周期性规律。相对而言，室内模拟试验能较好地弥补以上研究的不足，在实际工程中，岸坡消落带往往会受到水流冲刷，岩体也会受到上覆荷载的作用，长期气温变化也将对岩石劣化产生重要影响，因此，考虑多场耦合对岩石劣化影响的机理至关重要。但目前的设备及试验方法存在以下不足：难以模拟水流冲刷、气温变化、涌浪作用及应力作用等多场耦合对岸坡岩石劣化的影响，且需要将试样取出进行多次干湿循环，对试验造成不便。
发明内容
基于此，有必要针对现有设备难以模拟多场耦合对岸坡岩石劣化的影响，以及多次干湿循环造成试验过程不变的问题，提供一种多场耦合的岩体劣化模拟试验系统及试验方法。
一种多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，包括：
岩体试验装置，包括试验箱及固定器，所述试验箱包括箱体及顶板，所述固定器安装于所述箱体内，所述顶板与所述箱体滑动连接，并与所述固定器固定的试件抵接；
应力模拟装置，包括反力架及压力施加机构，所述反力架用于承载所述试验箱，所述压力施加机构安装于所述反力架上，所述压力施加机构通过所述顶板向所述箱体内的试件施加轴向压力；
加热装置，安装于所述箱体内，所述加热装置用于加热所述试验箱；
冲刷模拟装置，用于为所述箱体内提供溶液并冲刷试件；
涌浪模拟装置，安装于所述箱体内，模拟溶液对试件的涌浪作用；及
监测装置，包括数据监测装置和位移监测装置，包括数据监测装置用于控制所述压力施加机构和所述加热装置，所述位移监测装置安装于所述顶板上，并将试件轴向应变数值传递回所述数据监测装置。
在其中一个实施例中，所述顶板通过摩擦滑轮与所述箱体的侧壁滑动连接。
在其中一个实施例中，所述反力架包括底座、固定柱及浮动板，所述固定柱安装于所述底座上，所述浮动板滑动套设于所述固定柱上，所述压力施加机构安装于所述浮动板上。
在其中一个实施例中，所述加热装置包括加热板，所述加热板安装于所述箱体的内壁上，所述加热板与所述数据监测装置连接。
在其中一个实施例中，所述冲刷模拟装置包括进水管、排水管、流量监测器及水泵，所述进水管连接所述箱体和所述水泵，所述排水管连接所述箱体和所述水泵，所述流量监测器安装于所述进水管中。
在其中一个实施例中，所述涌浪装置包括涌浪机，所述涌浪机安装于所述箱体的底部并位于所述固定器的中间。
在其中一个实施例中，所述箱体的相对两侧为有机玻璃，所述箱体相对两侧的侧壁设有供数据线通过的过线孔。
在其中一个实施例中，所述固定器设有容纳试件的腔体，所述试件插设于所述腔体内，所述固定器的侧壁设有与所述腔体连通的冲刷孔。
一种多场耦合的岩体劣化模拟试验方法，采用上述任意一项所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，该试验方法包括以下步骤：
提供多场耦合的岩体劣化模拟试验系统；
冲刷模拟装置将溶液输送至箱体内，并控制溶液的流速以冲刷试件；
涌浪模拟装置模拟溶液对试件的涌浪作用；
将试验箱承载于反力架上，压力施加机构通过顶板向箱体内的试件施加轴向压力；
数据监测装置控制加热装置的加热温度，加热装置对试验箱进行加热，位移监测装置将试件轴向应变数值传递回数据监测装置；
加热装置烘干试件完成干湿循环周期，并在干湿循环周期后，改变试验条件，得到不同应力条件、环境温度、溶液冲刷速度、涌浪大小和化学反应对岩石劣化的影响。
在其中一个实施例中，提供多场耦合的岩体劣化模拟试验系统的步骤具体为：
将试样放置于固定器内，然后将位移监测装置安装于顶板上，将所述位移监测装置与数据监测装置连接，将加热装置安装于箱体内，将加热装置与数据监测装置连接，最后将顶板滑动安装于所述箱体上，完成试验箱的组装。
上述多场耦合的岩体劣化模拟试验系统及试验方法至少具有以下优点：
1、本发明可以模拟涌浪-冲刷-应力-温度-化学多场耦合作用下岩体劣化，并观测到岩体劣化过程。
2、模拟试验系统能直接进行干湿循环周期试验，避免试样转移不同设备所耗时间，提高效率。
3、模拟试验装置能研究不同流速冲刷、涌浪大小、温度变化、构造应力大小及化学作用等多种参数对岩体劣化的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为一实施方式中多场耦合的岩体劣化模拟试验系统的结构示意图；
图2为图1中试验箱的结构示意图；
图3为图2中固定器安装于箱体内的示意图；
图4为一实施方式中多场耦合的岩体劣化模拟试验方法的流程图。
附图标记：
10-岩体试验装置，12-试验箱，122-箱体，124-顶板，14-固定器，20-应力模拟装置，22-反力架，222-底座，224-固定柱，226-浮动板，24-压力施加机构，30-加热装置，32-加热板，40-冲刷模拟装置，42-进水管，44-排水管，46-流量监测器，48-水泵，50-涌浪模拟装置，60-监测装置，62-数据监测装置，62-位移监测装置。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，一实施方式中的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，包括岩体试验装置10、应力模拟装置20、加热装置30、冲刷模拟装置40、涌浪模拟装置50及监测装置60。
请一并参阅图2，岩体试验装置10包括试验箱12及固定器14。试验箱12包括箱体122及顶板124，固定器14安装于试验箱12内，固定器14用于固定试件，以保持试件处于竖直状态，避免试件倾斜造成施压不均。顶板124与箱体122滑动连接，且顶板124与固定器14固定的试件抵接，应力模拟装置20通过顶板124对试件施加压力。
在一实施方式中，固定器14设有容纳试件的腔体，试件插设于腔体内，便于试件放入并确定为竖直状态。固定器14的侧壁设有与腔体连通的冲刷孔，以保证溶液对试件的冲刷效果。顶板124通过摩擦滑轮与箱体122的侧壁滑动连接，顶板124可以调节高度，以确保能够对不同高度的试件施加轴向荷载。箱体122相对两侧的侧壁为有机玻璃，便于外部观察试验箱12内的情况。箱体122相对两侧的侧壁设有过线孔，便于数据线从试验箱12内穿出。
应力模拟装置20包括反力架22及压力施加机构24，反力架22用于承载试验箱12，压力施加机构24安装于反力架22上，压力施加机构24通过顶板124向箱体122内的试件施加轴向压力，对试样施加压力以模拟地应力或山体上覆压力。
在一实施方式中，反力架22包括底座222、固定柱224及浮动板226，固定柱224安装于底座222上，浮动板226滑动套设于固定柱224上，压力施加机构24安装于浮动板226上。浮动板226沿着固定柱224的滑动可以调节压力施加机构24的位置，确保压力施加机构24能够顶压顶板124。在一实施方式中，压力施加机构24为千斤顶。可以理解的是，在其他实施方式中，压力施加机构24为其他能够直线伸缩的机构以施加轴向压力，例如液压缸或者电动伸缩杆等。
加热装置30安装于箱体122内，加热装置30用于加热试验箱12，以此模拟环境温度并排除试验当地温度影响。在一实施方式中，加热装置30包括加热板32，加热板32贴合箱体122的内壁设置，加热板32能够产生热量加热试件，一方面可以模拟环境温度，另一方面可以在试验箱12内排水完全条件下烘干试件，实现试件的干湿循环。
在上述实施例的基础上，进一步地，加热板32包括多个加热条，多个加热条拼接形成加热板32，可根据试样高度拆卸安装加热条，控制加热板32的长度，使试验箱12内温度更加均匀。
冲刷模拟装置40用于为箱体122内提供溶液，并实现溶液冲刷试件，模拟溶液对岸坡岩体的冲刷作用。在一实施方式中，冲刷模拟装置40包括进水管42、排水管44、流量监测器46及水泵48。进水管42和排水管44可拆卸，进水管42连接箱体122和水泵48，排水管44连接箱体122和水泵48，流量监测器46安装于进水管42中。
其中，水泵48能够将外部水源经进水管42输送至箱体122内，排水管44可以将试验箱12内的水排出，实现进水、排水和水循环的功能。流量监测器46可以监测溶液的流速，水泵48通过调节压力实现不同了流速的冲刷效果。如需考虑化学作用，则直接将调配好的溶液装入试验箱12即可。
请一并参阅图3，涌浪模拟装置50安装于箱体122内，用于模拟溶液对试件的涌浪作用。在一实施方式中，涌浪模拟装置50包括涌浪机，涌浪机安装于箱体122的底部，并位于固定器14的中间。根据现场地质调查结果，按照一定比例设置涌浪大小，通过设置涌浪机功率调整涌浪大小，模拟河流及库水对岸坡岩体的涌浪作用。
监测装置60包括数据监测装置62和位移监测装置64，数据监测装置62用于控制压力施加机构24施加载荷的大小，数据监测装置62还用于控制加热装置30的加热温度，模拟各温度梯度。位移监测装置64安装于顶板124上，位移监测装置64用于监测顶板124的位移，顶板124的位移可以表征试件轴向应变数值，且位移监测装置64可以将试件轴向应变数值传递回数据监测装置62。在一实施方式中，数据监测装置62为计算机，位移监测装置64为位移传感器。
请参阅图4，本发明还提供一种多场耦合的岩体劣化模拟试验方法，为实现该试验方法，其采用上述多场耦合的岩体劣化模拟试验系统。具体地，该试验方法包括以下步骤：
步骤S110：提供多场耦合的岩体劣化模拟试验系统。
具体地，首先将岩体试样对称放置于试验箱12的固定器14中，然后将位移监测装置64放置于顶板124下方，数据线通过预先布置的过线孔连接到数据监测装置62，并将预先组装好的加热板32安装在箱体122的内壁上，然后将加热板32连接数据监测装置62，便于试验中调节温度，最后将顶板124通过摩擦滑轮滑动安装于箱体122上，完成试验箱12的组装。模拟试验装置的其他装置预先组装和连接。
在一实施方式中，在组装试验箱12之前，需要进行试样的制备。将岩体试样按照《水利水电工程岩石试验规程》进行预制，并在开始试验之前测试岩体基本力学参数，随后将试样烘干，确保无外界因素影响。
步骤S120：冲刷模拟装置40将溶液输送至箱体122内，并控制溶液流速以冲刷试件。
具体地，将排水孔完全封堵，水泵48连接进水口及外部水源，水泵48将外部水源内的水经进水管42输送至试验箱12内，待试验箱12内水位漫过岩体试样即可，完成后连通排水孔。并根据实际现场调查，调节水泵48压力，以此控制流速，模拟水流对岸坡岩体的冲刷作用。
若需要考虑化学、酸雨作用，在进行试验前先将溶液调整完成，并记录溶液信息，如PH值、离子浓度等，便于试验完成后，对溶液进行对比分析，观察其化学作用。随后将其倒入水槽，利用水泵48将溶液输送至试验箱12内部。
步骤S130：涌浪模拟装置50模拟溶液对试件的涌浪作用。
具体地，根据现场地质调查结果以及科研研究，选择合适的比例系数，通过设置涌浪机功率调整涌浪大小，模拟河流及库水等对岸坡岩体的涌浪作用。
步骤S140：将试验箱12承载于反力架22上，压力施加机构24通过顶板124向箱体122内的试件施加轴向压力。
具体地，将试验箱12放置在反力架22的底座222上，压力施加机构24固定于反力架22的浮动板226上，随后调节反力架22浮动板226位置，使压力施加机构24恰好与试验箱12顶板124接触，随后根据现场数据，对岩体试样施加压力模拟地应力或山体上覆压力。
步骤S150：数据监测装置62控制加热装置30的加热温度，加热装置30对试验箱12进行加热。
具体地，利用数据监测装置62控制加热板32温度，试验箱12进行加热，以此模拟环境温度并排除试验当地温度影响。
步骤S160：加热装置30烘干试件完成干湿循环周期，并在干湿循环周期后，改变试验条件，得到不同应力条件、环境温度、溶液冲刷速度、涌浪大小和化学反应对岩石劣化的影响。
具体地，对试样烘干完成一次干湿循环周期，根据规范《水利水电工程岩石试验规程》，待试样在箱内冲刷48小时后进行烘干24小时，此时利用排水管44将试验箱12内水排除，并提高加热板32温度，对箱内试样进行烘干。
重复前述步骤完成多次干湿循环周期，并在每次干湿循环周期后，改变不同试验条件，重复上述冲刷、涌浪、应力和温度模拟过程，可以得到不同地应力条件、环境温度、水流冲刷速度，涌浪大小，化学反应等参数对岩石劣化的影响。
上述多场耦合的岩体劣化模拟试验系统及试验方法，可以模拟在受上部荷载、水流冲刷、温度及涌浪共同作用下多个岩体试样劣化的过程，以及原位干湿循环中浸泡、冲刷、烘干等多项工作，并具有可视化的特点，可观察其过程，克服了现有技术中不能考虑多场耦合和劣化过程可视化以及干湿循环需更换多个仪器的缺点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，包括：
岩体试验装置，包括试验箱及固定器，所述试验箱包括箱体及顶板，所述固定器安装于所述箱体内，所述顶板与所述箱体滑动连接，并与所述固定器固定的试件抵接；
应力模拟装置，包括反力架及压力施加机构，所述反力架用于承载所述试验箱，所述压力施加机构安装于所述反力架上，所述压力施加机构通过所述顶板向所述箱体内的试件施加轴向压力；
加热装置，安装于所述箱体内，所述加热装置用于加热所述试验箱；
冲刷模拟装置，用于为所述箱体内提供溶液并冲刷试件；
涌浪模拟装置，安装于所述箱体内，模拟溶液对试件的涌浪作用；及
监测装置，包括数据监测装置和位移监测装置，所述数据监测装置用于控制所述压力施加机构和所述加热装置，所述位移监测装置安装于所述顶板上，并将试件轴向应变数值传递回所述数据监测装置。
2.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述顶板通过摩擦滑轮与所述箱体的侧壁滑动连接。
3.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述反力架包括底座、固定柱及浮动板，所述固定柱安装于所述底座上，所述浮动板滑动套设于所述固定柱上，所述压力施加机构安装于所述浮动板上。
4.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述加热装置包括加热板，所述加热板安装于所述箱体的内壁上，所述加热板与所述数据监测装置连接。
5.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述冲刷模拟装置包括进水管、排水管、流量监测器及水泵，所述进水管连接所述箱体和所述水泵，所述排水管连接所述箱体和所述水泵，所述流量监测器安装于所述进水管中。
6.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述涌浪装置包括涌浪机，所述涌浪机安装于所述箱体的底部并位于所述固定器的中间。
7.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述箱体的相对两侧为有机玻璃，所述箱体相对两侧的侧壁设有供数据线通过的过线孔。
8.根据权利要求1所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，其特征在于，所述固定器设有容纳试件的腔体，所述试件插设于所述腔体内，所述固定器的侧壁设有与所述腔体连通的冲刷孔。
9.一种多场耦合的岩体劣化模拟试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验系统，该试验方法包括以下步骤：
提供多场耦合的岩体劣化模拟试验系统；
冲刷模拟装置将溶液输送至箱体内，并控制溶液的流速以冲刷试件；
涌浪模拟装置模拟溶液对试件的涌浪作用；
将试验箱承载于反力架上，压力施加机构通过顶板向箱体内的试件施加轴向压力；
数据监测装置控制加热装置的加热温度，加热装置对试验箱进行加热；
加热装置烘干试件完成干湿循环周期，并在干湿循环周期后，改变试验条件，得到不同应力条件、环境温度、溶液冲刷速度、涌浪大小和化学反应对岩石劣化的影响。
10.根据权利要求9所述的多场耦合的岩体劣化模拟试验方法，其特征在于，提供多场耦合的岩体劣化模拟试验系统的步骤具体为：
将试样放置于固定器内，然后将位移监测装置安装于顶板上，将所述位移监测装置与数据监测装置连接，将加热装置安装于箱体内，将加热装置与数据监测装置连接，最后将顶板滑动安装于所述箱体上，完成试验箱的组装。
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