CN114609173A

CN114609173A - 软岩控温多级配崩解测定装置及测试方法

Info

Publication number: CN114609173A
Application number: CN202210077495.2A
Authority: CN
Inventors: 王春山
Original assignee: Chengdu Geological Survey Center Of China Geological Survey (southwest Geological Science And Technology Innovation Center)
Current assignee: Chengdu Geological Survey Center Of China Geological Survey (southwest Geological Science And Technology Innovation Center)
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-06-10

Abstract

本发明公开了一种软岩控温多级配崩解测定装置及测试方法，其中，加热部件设置于所述水箱内，其用于对所述水箱内的液体加热；控温系统与所述加热部件连接，其用于对液体加热的控制；水槽设置于所述水箱内；岩石碎屑颗粒筛选系统包括传动杆、筛筒机构和转动装置，所述传动杆和所述筛筒机构横向设置，所述传动杆与所述筛筒机构和所述转动装置连接，所述转动装置带动所述筛筒机构在水平方向旋转。通过本有利于分析研究水下不同流速、不同温度工况下软岩的崩解特征，能够为工程结构设计、地质灾害预测等提供更为全面、准确、可靠的建议。

Description

软岩控温多级配崩解测定装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种软岩控温多级配崩解测定装置及测试方法。

背景技术

在我国软岩分布比较广泛，是土木工程建设中不可避免的一类岩土体，主要有泥岩、粉砂岩、红砂岩、凝灰岩等类型，无论哪类软岩，决定定其物理力学特性的主要是粘土矿物，粘土矿物是粘结不同晶体矿物的胶结物，主要类型有蒙脱石、高岭石、伊利石等。由此组成的岩土体其胶结程度差，胶结物类型多为泥质胶结、砂质胶结，没有很强的抵抗水及抵抗风化的能力，遇水容易崩解软化、膨胀开裂。

对于软岩室内试验开始于1972年英国Franklin和Chandra开发的试验装置，随后Kongcagul与Ulusay（1999年）、Czerewko与Cripps（2001年）、Erugler与Ulusay（2009年）对该试验进行细节上的讨论。国际岩石力学学会(ISRM)在1979年推荐该试验用于岩石耐崩解系数的测试。美国材料实验协会(ASTM)在1990年将该试验作为标准编入土工试验规范中。我国2015年发布的《岩石物理力学性质试验规程》DZ/T 0276.9-2015将该试验编入第9部分。目前该试验的存在以下不足：1）筛筒的孔径仅有2mm一种，难以构建岩石崩解颗粒累计曲线；2）试验设备没有控温装置，试验过程中水温偏差在±2℃，对试样影响较大。

由于上述的不足，使得规程中试验较难进行多级配不同工况的研究。为了能够更为精确、完整地进行岩石崩解试验，亟需研制出一种控温多级配崩解测定装置，实现试验设备制作便捷，试验方法简单、高效，可重复。

发明内容

本发明提供一种软岩控温多级配崩解测定装置及测试方法，旨在解决的技术问题之一是：现有试验系统误差较大，且较难进行在不同工况下进行水流冲刷研究的技术问题。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种软岩控温多级配崩解测定装置，其包括：

水箱，其内用于盛装液体；

加热部件，所述加热部件设置于所述水箱内，其用于对所述水箱内的液体加热；

控温系统，所述控温系统与所述加热部件连接，其用于对液体加热的控制；

水槽，其设置于所述水箱内；

岩石碎屑颗粒筛选系统，所述岩石碎屑颗粒筛选系统包括传动杆、筛筒机构和转动装置，所述传动杆和所述筛筒机构横向设置，所述传动杆与所述筛筒机构和所述转动装置连接，所述筛筒机构内用于盛装岩石试样，且所述筛筒机构设置于所述水槽上，由所述转动装置带动所述筛筒机构在水平方向旋转。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

进一步地，所述筛筒机构包括两个及以上的由内至外孔径依次变小的筛筒构成。

进一步地，所述筛筒机构包括五个筛筒，由外至内依次为0.5mm孔径冲孔筛筒、1mm孔径冲孔筛筒、2mm孔径冲孔筛筒、5mm孔径冲孔筛筒、10mm孔径冲孔筛筒。

进一步地，所述筛筒机构中的各个筛筒分别通过限位装置与传动杆固定连接。

进一步地，所述筛筒机构中的筛筒为不锈钢圆状冲孔筛筒。

进一步地，所述筛筒机构中的筛筒开口端设置挡板。

进一步地，所述水箱内设置用于固定所述水槽的U形槽。

进一步地，还包括：

控制面板，其用于对所述控温系统和所述转动装置的控制。

进一步地，所述控温系统的控温范围为0-50℃，温控精度0.5℃。

本发明还可以是：

一种软岩崩解测试方法，其包括：

步骤（a）：将软岩制成单块质量为40-60g试样，并将其放入105℃-110℃温度下的干燥箱中烘干并恒重，在干燥器内冷却至室温；以及分别称重洁净筛筒的质量m_r，其中r为筛筒半径；

步骤（b）：选用数量不少于10块，其干燥后的总质量为M_d，M_d在450-550g范围内，再将试样放入10mm孔径冲孔筛筒中，然后依次安装5mm孔径冲孔筛筒、2mm孔径冲孔筛筒、1mm孔径冲孔筛筒、0.5mm孔径冲孔筛筒和传动杆，筛筒之间安装限位装置；

步骤（c）：将水箱和水槽内注入水，在控制面板中设定试验温度，待水槽内的水温度达到预设温度并保持恒温；

步骤（d）：将装有岩石试样的筛筒机构放入水槽中，并连接转动装置，使水位在传动杆下1-3cm，设定筛筒转速15-30转/分钟，设定转动时间5-15分钟；

步骤（e）：将停止运动的筛筒机构从水槽中取出，置入105℃-110℃温度下的干燥箱中烘干并恒重，取出孔径为0.5mm、1mm、2mm、5mm和10mm的筛筒并分别称量筛筒加筛筒内残留试样的质量M_idr；

步骤（f）：将含有残留试样的筛筒组装后放入水槽中，重复（d）-（e），试验重复次数3-10次；

步骤（g）：计算耐崩解率系数

，其中i代表循环次数；

步骤（h）：绘制各次循环的级配曲线，得到曲线与x轴包围的颗粒级配面积S_i，其中i为循环次数；

步骤（m）：得到崩解率系数

，其中i为循环次数，S为含量为100%与x轴包围的面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的一种软岩控温多级配崩解测定装置及测试方法，可快速获得软岩在不同循环、不同温度及不同筛筒转速下进行崩解试验过程中颗粒级配曲线，有利于分析研究不同机械破坏和不同温度工况下软岩的崩解特征，能够为工程结构设计、地质灾害预测等提供更为全面、准确、可靠的建议；其中，筛筒系统的多层设计既可以一次性获得不同颗粒级配的残留质量，又可以防止传统人工筛选造成的颗粒破碎而形成的不必要的误差；恒温水箱、自动控温系统、加热部件可最大程度减小试验过程中温度变化对试验结果的影响；本发明装置结构简单、易于产业化、操作方便、高效。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的立体示意图。

图2为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的正视示意图。

图3为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的俯视示意图。

图4为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的左视示意图。

图5为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的岩石碎屑颗粒筛选系统的正视示意图。

图6为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的筛筒结构示意图。

图7为根据本发明一个实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的挡板结构示意图。

其中，附图标记对应的部件名称为：

1-控制面板，2-岩石碎屑颗粒筛选系统，21-传动杆，22-筛筒机构，221-0.5mm孔径冲孔筛筒，222-1mm孔径冲孔筛筒，223-2mm孔径冲孔筛筒，224-5mm孔径冲孔筛筒，23-挡板，24-限位装置，225-10mm孔径冲孔筛筒，3-水槽，4-水箱，5-控温系统，6-加热部件。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1至图7所示，一种软岩控温多级配崩解测定装置，其包括水箱4、加热部件6、控温系统5、水槽3和岩石碎屑颗粒筛选系统2；水箱4内用于盛装液体；所述加热部件6设置于所述水箱4内，其用于对所述水箱4内的液体加热；所述控温系统5与所述加热部件6连接，其用于对液体加热的控制；水槽3置于所述水箱4内；所述岩石碎屑颗粒筛选系统2包括传动杆21、筛筒机构22和转动装置，所述传动杆21和所述筛筒机构22横向设置，所述传动杆21与所述筛筒机构22和所述转动装置连接，所述筛筒机构22内用于盛装岩石试样，且所述筛筒机构22设置于所述水槽3上，由所述转动装置带动所述筛筒机构22在水平方向旋转。

其中，水箱4中的液体一般选择水，通过控温系统5的调整使水箱4保持恒温。水箱4中根据实际需要，也可选择加入其他液体。水箱4可采用亚克力有机玻璃等材料制成。

水槽3可优选采用不锈钢制成，以及为了方便对水槽3的固定，可在所述水箱4内设置用于固定所述水槽3的U形槽。

图1和图2还示出了用于操作的控制面板1的结构，通过控制面板1以对所述控温系统5和所述动力装置的进行控制。控制面板1可包括电子显示器和调控按钮，可进行温度、转速、试验时间的调整。

所述控温系统5与控制面板1连接，将测量温度与预设温度对比，自动调节加热开关，所述加热部件6的材料内部为导热丝，外部为陶瓷保护层，与自动控温系统5连接，对水溶液加热。

控温系统5优选采用自动控温，也可采用其他控温方式。为了较好的进行后期实验，一优选方式是将所述控温系统5的控温范围选择为0-50℃，温控精度选择为0.5℃。

筛筒机构22可采用多层结构，可至少为两个筛筒，每个筛筒上均设置筛孔，其筛孔由内至外孔径依次变小，即内侧筛筒上的筛孔尺寸大于外侧筛筒上的筛孔尺寸。

如图6所示，图6示出了筛筒机构22的一种优选结构，该结构包括了五个筛筒，其由内至外孔径依次为10mm、5mm、2mm、1mm和0.5mm。再如图5所示，所述筛筒机构22中各个筛筒分别通过限位装置24与传动杆21固定连接。即通过限位装置24将各个筛筒进行固定。即筛筒机构22包括但不限于0.5mm孔径冲孔筛筒221、 1mm孔径冲孔筛筒222、2mm孔径冲孔筛筒223、5mm孔径冲孔筛筒224、10mm孔径冲孔筛筒225，筛筒机构22的各筛筒之间设置限位装置以限制各筛筒的位置，防止各筛筒在试验过程中相互碰撞。

所述筛筒机构22中的筛筒可优选不锈钢圆状冲孔筛筒。

所述挡板23可与筛筒采用嵌入式连接。一具体连接方式是，所述筛筒机构22中的筛筒开口端设置挡板23，即在筛筒开口处设置插齿，用于插入挡板23上的插槽231，便于在筛筒22转动时进行固定。

以及可在传动杆21中间段与挡板23、筛筒机构22连接处设置翼状突起，以用于带动筛筒机构22和挡板23转动。

一实施例，一种应用上述实施例的软岩控温多级配崩解测定装置的测试方法，其包括：

步骤（a）：按照试验方案中所需软岩种类进行采样，例如可在在野外或钻孔岩心中选取新鲜软岩，密封包装；将所得软岩制成单块质量为40-60g试样，可将该试样制成浑圆形试样，并将其放入105℃-110℃温度下的干燥箱中烘干并恒重，在干燥器内冷却至室温称重；以及分别称重洁净筛筒的质量m_r，其中r为筛筒半径；

步骤（b）：选用数量不少于10块，其干燥后的总质量为M_d，M_d在450-550g范围内，再将试样放入10mm孔径冲孔筛筒225中，然后依次安装5mm孔径冲孔筛筒224、2mm孔径冲孔筛筒223、1mm孔径冲孔筛筒222、0.5mm孔径冲孔筛筒221和传动杆21，筛筒22之间安装限位装置24；

步骤（c）：将水箱4内注入水，其可以是自来水等；水槽3内也注入水，其可以蒸馏水、自来水、海水、河水等；在控制面板1中设定试验温度，该试验温度可以是20℃；待水槽3内蒸馏水温度达到预设温度并保持恒温；

步骤（d）：将装有岩石试样的筛筒机构22放入水槽3中，并连接转动装置，使水位在传动杆21下1-3cm，优选2cm，设定筛筒转速15-30转/分钟，优选15-30转/分钟，设定转动时间5-15分钟，优选10分钟；

步骤（e）：将停止运动的筛筒机构22从水槽3中取出，置入105℃-110℃温度下的干燥箱中烘干并恒重，取出孔径为0.5mm、1mm、2mm、5mm和10mm的筛筒并分别称量筛筒加筛筒内残留试样的质量M_idr，其中i代表循环次数，r为筛筒半径，d代表烘干；

步骤（f）：将含有残留试样的筛筒组装后放入水槽3中，重复（d）-（e），试验重复次数3-10次，优选5次；

步骤（g）：计算耐崩解率系数

，其中i代表循环次数；

步骤（m）：得到崩解率系数

，其中i为循环次数，S为含量为100%与x轴包围的面积。

另一实施例，基于进行《岩石物理力学性质试验规程（DZ/T 0276.9-215）》中规定的岩石崩解试验，试验步骤与上一实施例基本相同，最大区别在于筛筒机构22中只保留2mm孔径冲孔筛筒223，该试验仅能得到耐崩解系数；

耐崩解系数

，其中M_2dr为第2次循环烘干后筛筒与残余物的总质量，m_r为洁净筛筒质量。

本发明基于不同温度软岩崩解率系数和耐崩解系数测试方法，其测试步骤基本与上述实施例相同，最大区别在于设定15℃、20℃、25℃、30℃、35℃等不同温度，每个温度下进行依次测试试验，该试验可以研究温度对软岩崩解的加速作用。

综上而言，不仅可以进行《岩石物理力学性质试验规程（DZ/T 0276.9-215）》中规定的岩石崩解试验，还可以进行不同水温岩石崩解试验，试验的结果具有更好的对比性和准确性，为工程结构设计、地质灾害预测等提供准确的可靠建议。本装置结构简单、易于产业化、操作方便，不仅可以进行相关规程的崩解试验，还可进行不同工况的科学、生产研究。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于包括：

水箱（4），其内用于盛装液体；

加热部件（6），所述加热部件（6）设置于所述水箱（4）内，其用于对所述水箱（4）内的液体加热；

控温系统（5），所述控温系统（5）与所述加热部件（6）连接，其用于对液体加热的控制；

水槽（3），其设置于所述水箱（4）内；

岩石碎屑颗粒筛选系统（2），所述岩石碎屑颗粒筛选系统（2）包括传动杆（21）、筛筒机构（22）和转动装置，所述传动杆（21）和所述筛筒机构（22）横向设置，所述传动杆（21）与所述筛筒机构（22）和所述转动装置连接，所述筛筒机构（22）内用于盛装岩石试样，且所述筛筒机构（22）设置于所述水槽（3）上，由所述转动装置带动所述筛筒机构（22）在水平方向旋转。

2.根据权利要求1所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述筛筒机构（22）包括两个及以上的由内至外孔径依次变小的筛筒构成。

3.根据权利要求1或2所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述筛筒机构（22）包括五个筛筒，由外至内依次为0.5mm孔径冲孔筛筒（221）、 1mm孔径冲孔筛筒（222）、2mm孔径冲孔筛筒（223）、5mm孔径冲孔筛筒（224）、10mm孔径冲孔筛筒（225）。

4.根据权利要求1或2所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述筛筒机构（22）中的各个筛筒分别通过限位装置（24）与传动杆（21）固定连接。

5.根据权利要求1所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述筛筒机构（22）中的筛筒为不锈钢圆状冲孔筛筒。

6.根据权利要求1所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述筛筒机构（22）中的筛筒开口端设置挡板（23）。

7.根据权利要求1所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述水箱（4）内设置用于固定所述水槽（3）的U形槽。

8.根据权利要求5或6所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于还包括：

控制面板（1），其用于对所述控温系统（5）和所述转动装置的控制。

9.根据权利要求5或6所述的软岩控温多级配崩解测定装置，其特征在于所述控温系统（5）的控温范围为0-50℃，温控精度0.5℃。

10.种应用如权利要求1-9任一项所述软岩控温多级配崩解测定装置的测试方法，其特征在于包括：

步骤（b）：选用数量不少于10块，其干燥后的总质量为M_d，M_d在450-550g范围内，再将试样放入10mm孔径冲孔筛筒（225）中，然后依次安装5mm孔径冲孔筛筒（224）、2mm孔径冲孔筛筒（223）、1mm孔径冲孔筛筒（222）、0.5mm孔径冲孔筛筒（221）和传动杆（21），筛筒（22）之间安装限位装置（24）；

步骤（c）：将水箱（4）和水槽（3）内注入水，在控制面板（1）中设定试验温度，待水槽（3）内的水温度达到预设温度并保持恒温；

步骤（d）：将装有岩石试样的筛筒机构（22）放入水槽（3）中，并连接转动装置，使水位在传动杆（21）下1-3cm，设定筛筒转速15-30转/分钟，设定转动时间5-15分钟；

步骤（e）：将停止运动的筛筒机构（22）从水槽（3）中取出，置入105℃-110℃温度下的干燥箱中烘干并恒重，取出孔径为0.5mm、1mm、2mm、5mm和10mm的筛筒并分别称量筛筒加筛筒内残留试样的质量M_idr；

步骤（f）：将含有残留试样的筛筒组装后放入水槽（3）中，重复（d）-（e），试验重复次数3-10次；

步骤（g）：计算耐崩解率系数

，其中i代表循环次数；

步骤（m）：得到崩解率系数

，其中i为循环次数，S为含量为100%与x轴包围的面积。