CN114487349A - 可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置 - Google Patents

可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，包括轴压加载系统、围压加载系统、水供应系统、侧向变形测量系统、轴向变形测量系统、岩土体试件和计算机控制系统。本发明在岩土体浸水膨胀的过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束，从而实现了三向约束和恒定刚度边界条件下的浸水膨胀试验，真实模拟软岩遇水膨胀的现实环境。

Description

可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置
技术领域
本发明属于岩土体物理力学特性室内试验技术领域，尤其涉及一种可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置。
背景技术
膨胀性软岩问题是当今工程地质学和岩石力学领域中最复杂的世界性研究课题之一。软岩膨胀的实质是由所含粘土矿物的亲水性造成的，粘土矿物的亲水能力随成分的不同而不同，其中蒙脱石和伊利石具有显著的膨胀性。
目前，岩土体膨胀指标包括自由膨胀率和约束膨胀率。自由膨胀率是指：岩土体试件浸水后，在没有任何外部约束的情况下，自由膨胀的膨胀率。约束膨胀率是指：在侧向完全刚性约束、轴向不约束条件下（放在钢管内），根据轴向变形计算得到的膨胀率。
在工程现场，岩土体的实际约束状态既不是自由膨胀，也不是侧向完全约束而轴向不约束。一方面，岩土体在三个方向都会受到约束；另一方面，岩土体膨胀变形的过程中会挤压周围岩体，在此过程中又必然受到周围岩体按特定比例（由岩体刚度控制）增加的反作用力，能够产生这种反作用力的边界在本发明中称为恒定刚度边界。现有的岩土体膨胀特性测试装置不能实现三向约束和恒定刚度边界条件，在模拟真实围岩压力方面存在较大局限性。
另外，由于工程现场围岩受力是非均匀的，随埋深的增加受力增大。然而现有的试验机加载时，每个加载面只能施加均匀应力，导致岩石破坏规律不准确，缺乏便捷的非均匀加载装置。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，包括轴压加载系统、围压加载系统、水供应系统、侧向变形测量系统、轴向变形测量系统、岩土体试件和计算机控制系统。本发明在岩土体浸水膨胀的过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束，从而实现了三向约束和恒定刚度边界条件下的浸水膨胀试验，真实模拟软岩遇水膨胀的现实环境。
本发明具体采用以下技术方案：
一种可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于，包括：轴压加载系统、围压加载系统、水供应系统、侧向变形测量系统、轴向变形测量系统、岩土体试件和计算机控制系统：在岩土体浸水膨胀的过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束。
进一步地，所述轴压加载系统，包括第一伺服油源、液压油缸、加载框架、第一蜂窝状垫块、第二蜂窝状垫块、压力传感器和轴压数据采集仪，用于给试件施加轴向压力；所述第一伺服油源用于驱动液压油缸给岩土体试件施加轴向压力；所述液压油缸固定在加载框架上；所述第一蜂窝状垫块，一侧设有进水口与水供应系统相连，另一侧与岩土体试件接触，第一蜂窝状垫块既能传递轴力，又能允许水从中穿过；所述第二蜂窝状垫块，一侧设有出水口，另一侧与岩土体试件接触，第二蜂窝状垫块既能传递轴力，又能允许水从中穿过；所述压力传感器，用于测量试件所受到的轴向压力的大小；所述轴压数据采集仪用于记录试件轴压数据，并将其传递至计算机控制系统。
进一步地，所述围压加载系统，包括第二多通道伺服油源、多层环向压力加载室、密封套、多个液压传感器和围压数据采集仪；所述第二多通道伺服油源用于给多层环向压力加载室的每一层压力室提供油压；所述多层环向压力加载室，包括硬质外套和多层压力囊，用于对圆柱形岩土体试件不同高度处分别加载不同的围压；所述密封套套在岩土体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块周围；所述多个液压传感器，分别用于测量多层环向压力加载室每一层内液压的大小；所述围压数据采集仪用于记录各层液压数据，并将其传递至计算机控制系统。
进一步地，所述水供应系统，包括水供应箱、水压力泵、水管、水压力表和水流量计；用于给试件供水。
进一步地，所述侧向变形测量系统，包括应变数据采集仪和多组应变传感器；所述应变传感器贴在岩土体试件在不同层高位置处，用于测量岩土体试件在不同层高位置的侧向变形；所述应变数据采集仪用于记录岩土体试件侧向变形数据，并将其传递至计算机控制系统。
进一步地，所述轴向变形测量系统，包括位移计和位移数据采集仪；所述位移计用于测量岩土体试件的轴向变形；所述位移数据采集仪用于记录试件轴向变形数据，并将其传递至计算机控制系统。
进一步地，所述岩土体试件的形状为圆柱体。
进一步地，还包括非均匀加载装置，设置在加载岩土体试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面的两侧。加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。
进一步地，在岩土体试件浸水的过程中，由于试件不同位置浸水程度不同，试件在不同位置产生不同的侧向变形，所述计算机控制系统根据监测得到的试件侧向变形计算为了保持该层高位置恒定侧向刚度所需要的围压P，计算公式为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，其中P 0为初始围压，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
为岩石试件发生的侧向变形，K为岩石试件的侧向刚度，计算公式为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，r为岩石试件半径，E为岩石试件弹性模量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为岩石试件泊松比；进而通过计算机控制系统发出指令适时修正各层高位置围压的大小，形成控制循环，在浸水的整个过程中，该控制循环不断进行，从而实现多通道恒定侧向刚度条件下浸水膨胀试验。
进一步地，所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，用于提供人机交互界面，输入初始数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现多通道恒定侧向刚度边界控制，以及显示和输出试验结果；所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据；所述控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载。
进一步地，试验过程包括：首先将岩土体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于多层环向压力加载室中；然后通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使岩土体试件达到工程现场应力状态 ；然后通过水供应系统使水通过岩土体试件，在此过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出岩土体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、水供应压力、水供应量数据。
相比于现有技术，本发明及其优选方案实现了三向约束和恒定刚度边界条件下的浸水膨胀试验，真实模拟软岩遇水膨胀的现实环境。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置整体结构示意图；
图2为本发明实施例恒定侧向刚度控制原理示意图；
图3为本发明实施例非均匀加载装置第一种形式的截面示意图；
图4为本发明实施例非均匀加载装置第二种形式的截面示意图。
图中：1-加载框架；2-液压油缸；3-第一蜂窝状垫块；4-第二蜂窝状垫块；5-进水口；6-出水口；7-多层环向压力加载室；8-压力囊；9-岩土体试件，10-材料一，11-材料二，12-贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供了一种可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置的方案，包括：轴压加载系统、围压加载系统、水供应系统、侧向变形测量系统、轴向变形测量系统、岩土体试件9和计算机控制系统。
其中，轴压加载系统，包括第一伺服油源、液压油缸2、加载框架1、第一蜂窝状垫块3、第二蜂窝状垫块4、压力传感器和轴压数据采集仪，用于给试件施加轴向压力；第一伺服油源用于驱动液压油缸2给岩土体试件9施加轴向压力；液压油缸2固定在加载框架1上；第一蜂窝状垫块3，一侧设有进水口5与水供应系统相连，另一侧与岩土体试件9接触，第一蜂窝状垫块3既能传递轴力，又能允许水从中穿过；第二蜂窝状垫块4，一侧设有出水口6，另一侧与岩土体试件9接触，第二蜂窝状垫块4既能传递轴力，又能允许水从中穿过；压力传感器，用于测量试件所受到的轴向压力的大小；轴压数据采集仪用于记录试件轴压数据，并将其传递至计算机控制系统；
围压加载系统，包括第二多通道伺服油源、多层环向压力加载室7、密封套、多个液压传感器和围压数据采集仪；第二多通道伺服油源用于给多层环向压力加载室7的每一层压力室提供油压；多层环向压力加载室7，包括硬质外套和多层压力囊8，用于对圆柱形岩土体试件9不同高度处分别加载不同的围压；密封套套在岩土体试件9、第一蜂窝状垫块3和第二蜂窝状垫块4周围；多个液压传感器，分别用于测量多层环向压力加载室7每一层内液压的大小；围压数据采集仪用于记录各层液压数据，并将其传递至计算机控制系统；
水供应系统，包括水供应箱、水压力泵、水管、水压力表、水流量计；用于给试件供水；
侧向变形测量系统，包括应变数据采集仪和多组应变传感器；应变传感器贴在岩土体试件9在不同层高位置处，用于测量岩土体试件9在不同层高位置的侧向变形；应变数据采集仪用于记录岩土体试件9侧向变形数据，并将其传递至计算机控制系统；
轴向变形测量系统，包括位移计和位移数据采集仪；位移计用于测量岩土体试件9的轴向变形；位移数据采集仪用于记录试件轴向变形数据，并将其传递至计算机控制系统；
岩土体试件9，由工程现场采集的岩石加工而成，形状为圆柱体；
岩土体试件9，还可以由通过水泥砂浆浇筑而成，表面打磨光滑，形状为圆柱体；
计算机控制系统，包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，用于提供人机交互界面，输入初始数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现多通道恒定侧向刚度边界控制，以及显示和输出试验结果；数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据；控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载；在岩土体试件9浸水的过程中，由于试件不同位置浸水程度不同，试件在不同位置产生不同的侧向变形，根据监测得到的试件侧向变形计算为了保持该层高位置恒定侧向刚度所需要的围压P，计算公式为
Figure 620373DEST_PATH_IMAGE001
，其中P 0为初始围压，
Figure 865409DEST_PATH_IMAGE002
为岩石试件发生的侧向变形，K为岩石试件的侧向刚度，计算公式为
Figure 677770DEST_PATH_IMAGE003
，r为岩石试件半径，E为岩石试件弹性模量，
Figure 338558DEST_PATH_IMAGE004
为岩石试件泊松比；进而通过计算机控制系统发出指令适时修正各层高位置围压的大小，形成控制循环，在浸水的整个过程中，该控制循环不断进行，从而实现多通道恒定侧向刚度条件下浸水膨胀试验。
本发明可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置的一种优选的试验方法是：
首先将岩土体试件9、第一蜂窝状垫块3和第二蜂窝状垫块4套在密封套内，并将其置于多层环向压力加载室7中；然后通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使岩土体试件9达到工程现场应力状态 ；然后通过水供应系统使水通过岩土体试件9，在此过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出岩土体试件9的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、水供应压力、水供应量数据。
如图3、图4所示，为了进一步提升本实施例方案的效果，作为优选，本实施例还可以增加非均匀加载装置。其设置在加载岩石试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，即材料一10、材料二11，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面12的两侧。使加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于，包括：轴压加载系统、围压加载系统、水供应系统、侧向变形测量系统、轴向变形测量系统、岩土体试件和计算机控制系统：在岩土体浸水膨胀的过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束。
2.根据权利要求1所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：所述轴压加载系统，包括第一伺服油源、液压油缸、加载框架、第一蜂窝状垫块、第二蜂窝状垫块、压力传感器和轴压数据采集仪，用于给试件施加轴向压力；所述第一伺服油源用于驱动液压油缸给岩土体试件施加轴向压力；所述液压油缸固定在加载框架上；所述第一蜂窝状垫块，一侧设有进水口与水供应系统相连，另一侧与岩土体试件接触，第一蜂窝状垫块既能传递轴力，又能允许水从中穿过；所述第二蜂窝状垫块，一侧设有出水口，另一侧与岩土体试件接触，第二蜂窝状垫块既能传递轴力，又能允许水从中穿过；所述压力传感器，用于测量试件所受到的轴向压力的大小；所述轴压数据采集仪用于记录试件轴压数据，并将其传递至计算机控制系统。
3.根据权利要求2所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：所述围压加载系统，包括第二多通道伺服油源、多层环向压力加载室、密封套、多个液压传感器和围压数据采集仪；所述第二多通道伺服油源用于给多层环向压力加载室的每一层压力室提供油压；所述多层环向压力加载室，包括硬质外套和多层压力囊，用于对圆柱形岩土体试件不同高度处分别加载不同的围压；所述密封套套在岩土体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块周围；所述多个液压传感器，分别用于测量多层环向压力加载室每一层内液压的大小；所述围压数据采集仪用于记录各层液压数据，并将其传递至计算机控制系统。
4.根据权利要求3所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：所述水供应系统，包括水供应箱、水压力泵、水管、水压力表和水流量计；用于给试件供水。
5.根据权利要求4所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：所述侧向变形测量系统，包括应变数据采集仪和多组应变传感器；所述应变传感器贴在岩土体试件在不同层高位置处，用于测量岩土体试件在不同层高位置的侧向变形；所述应变数据采集仪用于记录岩土体试件侧向变形数据，并将其传递至计算机控制系统；
所述轴向变形测量系统，包括位移计和位移数据采集仪；所述位移计用于测量岩土体试件的轴向变形；所述位移数据采集仪用于记录试件轴向变形数据，并将其传递至计算机控制系统。
6.根据权利要求5所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：所述岩土体试件的形状为圆柱体。
7.根据权利要求6所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：还包括非均匀加载装置，设置在加载岩土体试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面的两侧；加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。
8.根据权利要求6或7所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：在岩土体试件浸水的过程中，由于试件不同位置浸水程度不同，试件在不同位置产生不同的侧向变形，所述计算机控制系统根据监测得到的试件侧向变形计算为了保持该层高位置恒定侧向刚度所需要的围压P，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中P 0为初始围压，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为岩石试件发生的侧向变形，K为岩石试件的侧向刚度，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，r为岩石试件半径，E为岩石试件弹性模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为岩石试件泊松比；进而通过计算机控制系统发出指令适时修正各层高位置围压的大小，形成控制循环，在浸水的整个过程中，该控制循环不断进行，从而实现多通道恒定侧向刚度条件下浸水膨胀试验。
9.根据权利要求8所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，用于提供人机交互界面，输入初始数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现多通道恒定侧向刚度边界控制，以及显示和输出试验结果；所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据；所述控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载。
10.根据权利要求8所述的可模拟现实环境的软岩遇水膨胀特性试验装置，其特征在于：试验过程包括：首先将岩土体试件、第一蜂窝状垫块和第二蜂窝状垫块套在密封套内，并将其置于多层环向压力加载室中；然后通过围压加载系统对试件施加围压，通过轴压加载系统对试件施加轴向压力，以使岩土体试件达到工程现场应力状态 ；然后通过水供应系统使水通过岩土体试件，在此过程中实时测量试件不同层高位置的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持各个位置恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；试验过程中记录和输出岩土体试件的围压、轴压、侧向变形、轴向变形、水供应压力、水供应量数据。
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