CN114609364A - 可消除机械破坏的软岩崩解装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可消除机械破坏的软岩崩解装置及测试方法，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；岩石碎屑颗粒筛选系统包括筛筒机构、升降机构和动力装置，所述筛筒机构内用于盛装岩石试样，所述筛筒机构置于所述容器内并与所述升降机构连接，所述升降机构与所述动力装置连接，由所述动力装置通过所述升降机构带动所述筛筒机构在所述容器的试验溶液中上下移动。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

可消除机械破坏的软岩崩解装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种可消除机械破坏的软岩崩解装置及测试方法。

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）试验过程中筛筒与试样、试样与试样之间碰撞的机械破坏增大了耐崩解系数，较难反应溶液对软岩崩解程度的影响；2）试验结果与试样加工形状有较大的相关性；3）筛筒的孔径仅有2mm一种，难以构建岩石崩解颗粒累计曲线；4）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。

由于上述现有技术的不足，使得按现有规程试验具有较大的系统误差，并且较难进行水流冲刷下不同工况的研究。为了能够更为精确、完整地进行岩石崩解试验，亟需研制出一种可消除机械破坏的软岩崩解测定装置，实现试验设备制作便捷，试验方法简单、高效，可重复的试验方案。

发明内容

本发明提供一种可消除机械破坏的软岩崩解装置及测试方法，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：

一种可消除机械破坏的软岩崩解装置，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；

容器，其设置于所述水箱内，所述容器内用于盛装试验溶液；

岩石碎屑颗粒筛选系统，所述岩石碎屑颗粒筛选系统包括筛筒机构、升降机构和动力装置，所述筛筒机构内用于盛装岩石试样，所述筛筒机构置于所述容器内并与所述升降机构连接，所述升降机构与所述动力装置连接，由所述动力装置通过所述升降机构带动所述筛筒机构在所述容器的试验溶液中上下移动。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

进一步地，所述升降机构包括与所述动力装置连接的可升降支架和与所述筛筒机构连接的杆件，所述可升降支架与所述杆件连接。

进一步地，所述可升降支架和/或所述杆件为金属。

进一步地，所述容器为量杯。

进一步地，所述筛筒机构包括由内至外孔径依次变小的至少两个筛筒构成。

进一步地，所述筛筒机构包括五个筛筒，其由内至外孔径依次为10mm、5mm、2mm、1mm和0.5mm。

进一步地，所述筛筒机构中各个筛筒分别通过限位装置与升降机构固定连接。

进一步地，还包括：

控制面板，其用于对所述控温系统和所述动力装置的控制。

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，质量为M_d；以及分别称重洁净筛筒的质量m_r；

步骤（b）：将10mm、5mm、2mm、1mm和0.5mm的筛筒安装在杆件上，将岩石试样放入孔径为10mm的筛筒内；

步骤（c）：将水箱内注入液体，容器内注入试验溶液，并设定试验温度，待水箱内的液体温度恒定；

步骤（d）：将装有岩石试样的筛筒机构放入容器中，连接杆件与可升降支架，使筛筒机构提升至最高处时岩石试样仍全部浸泡在试验溶液中，设定筛筒机构提升速度60-4000mm/分钟，设定试验时间5-15分钟；

步骤（e）：将停止运动的筛筒机构从容器中取出，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）：将装有残留试样的筛筒依次安装在杆件上并放入容器中，连接杆件与可升降支架，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：

本发明的一种可消除机械破坏的软岩崩解装置及测试方法，其装置结构简单、易于产业化、操作方便，可进行不同工况的科学、生产研究；通过使用本装置可消除机械破坏对试验的影响，并可快速获得不同流速、不同循环、不同温度下软岩崩解试验过程中颗粒级配曲线，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，为工程结构设计、地质灾害预测提供参考。

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可消除机械破坏的软岩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可消除机械破坏的软岩崩解测定装置的俯视示意图。

图3为根据本发明一个实施例的可消除机械破坏的软岩崩解测定装置的正视示意图。

图4为根据本发明一个实施例的可消除机械破坏的软岩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可消除机械破坏的软岩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可消除机械破坏的软岩崩解测定装置的岩石碎屑颗粒筛选系统的内部结构示意图。

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，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，225-10mm孔径冲孔筛筒，3-容器，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6所示，一种可消除机械破坏的软岩崩解装置，其包括水箱4、加热部件6、控温系统5、容器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；容器3设置于所述水箱4内，所述容器3内用于盛装试验溶液；所述岩石碎屑颗粒筛选系统2包括筛筒机构22、升降机构和动力装置，所述筛筒机构22内用于盛装岩石试样，所述筛筒机构22置于所述容器3内并与所述升降机构连接，所述升降机构与所述动力装置连接，由所述动力装置通过所述升降机构带动所述筛筒机构22在所述容器3的试验溶液中上下移动。

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。

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、提升速度、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℃。

所述容器3优先采用量杯，但本发明并不局限于此，也还可采用其他容器。量杯一般采用玻璃制成。容器3外侧一般设置固定装置，该固定装置用于固定在恒温水箱4中，容器3若设置为圆形，则固定装置也设置为圆形固定装置。

对于岩石碎屑颗粒筛选系统2中的升降机构的具体实施方式如图5所示，图5示出了一升降机构的优选结构，其包括与所述动力装置连接的可升降支架24和与所述筛筒机构22连接的杆件23，所述可升降支架24与所述杆件23连接。其杆件23可竖直设置，可升降支架24上端可呈弧形弯曲后与杆件23上端连接，杆件23下端与筛筒机构22连接。杆件23和可升降支架24之间可以采用可拆卸连接，以方便拆卸。

杆件23和可升降支架24的材质，其一般优先采用金属，即金属杆件、可升降金属支架，但其材质并不局限于此。

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21与升降机构固定连接。即通过限位装置21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21以限制各筛筒的位置，防止各筛筒在试验过程中相互碰撞。

对于上述实施例的软岩崩解装置的具体应用，现公开一种软岩崩解测试方法，其包括：

步骤（a）：可选用上述任一实施例的一种可消除机械破坏的软岩崩解测定装置，按照试验方案中所需软岩种类进行采样；一般而言，所得任意形状软岩长宽高一般不大于40mm，并可将试样称重；

将软岩放入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，质量为M_d；以及分别称重洁净筛筒的质量m_r，即包含不同孔径筛筒的质量；

步骤（b）：将10mm、5mm、2mm、1mm和0.5mm的筛筒安装在杆件23上，并可用限位装置21依次固定在杆件23上，将岩石试样放入孔径为10mm的筛筒内，一般选总质量在450-550g试样放入孔径为10mm冲孔筛筒225中；

步骤（c）：将水箱4内注入液体，一般采用水，如自来水，起到保温的作用；容器3内注入试验溶液，并设定试验温度，待水箱4内的液体达到设定温度并恒定，容器3内溶液高度应保证筛筒2提升至最高处软岩试样仍完全浸泡在溶液内；

步骤（d）：将装有岩石试样的筛筒机构22放入容器3中，连接杆件23与可升降支架24，使筛筒机构22提升至最高处时岩石试样仍全部浸泡在试验溶液中，设定筛筒机构22提升速度60-4000mm/分钟进行上下运动，优选200-2000mm/分钟，设定试验时间5-15分钟，优选10分钟；

步骤（e）：将停止运动的筛筒机构22从容器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）：将装有残留试样的筛筒依次安装在杆件23上并放入容器3中，连接杆件23与可升降支架24，重复步骤(d)-(e)中的试验，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（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。

另一实施例，一种软岩崩解测试方法，其包括：

步骤（a）,野外选取新鲜软岩，用黑色塑料袋密封防止风化和水分蒸发；

步骤（b）,室内将软岩加工成长宽高不大于40mm的试样，形状为立方形，称重质量M；

步骤（c）,将加工好的试样放入107℃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，质量为M_d，其中d代表烘干；

步骤（d）,分别称重洁净筛筒的质量m_r，其中r为筛筒半径；

步骤（e）,将10mm孔径冲孔筛筒225、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用限位装置21依次固定在金属杆件23上，将烘干样品放入 10mm孔径冲孔筛筒225；

步骤（f）,向恒温水箱4注入自来水，容器3中注入蒸馏水（海水、河水、自来水），容器3内蒸馏水应保证筛筒提升至最高处时，试验样品仍完全浸泡在溶液内，在控制面板1中设定试验温度（如20℃），待容器3内蒸馏水温度达到预设温度并保持恒温；

步骤（g），将筛筒机构22放入筛筒3中，将杆件23与可升降支架24连接，在控制面板1上设定提升速度2000mm/分钟，试验时间10分钟，开始试验；

步骤（h），提升停止后，将筛筒机构22连同杆件23取下，置入105℃-110℃温度下的干燥箱中烘干并恒重，轻轻取下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（i），将装有残留试样的筛筒依次安装在金属杆件23上并放入容器3中，连接杆件23与可升降支架24，重复步骤（g）-（h）中的试验，试验重复次数10次；

步骤（j），耐崩解系数

，其中i代表循环次数；

步骤（k），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），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。

上述实施例的岩石包括但不限于红层泥岩、粉砂岩、页岩、泥质砂岩、凝灰岩。

综上而言，本发明可以解决《岩石物理力学性质试验规程（DZ/T 0276.9-215）》中岩石崩解试验因筛筒与试样碰撞、试样之间碰撞以及试样形状而产生的误差，可以进行水流冲刷岩石的崩解试验、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。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。本发明的装置结构简单、易于产业化、操作方便、高效。

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 (10)

1.一种可消除机械破坏的软岩崩解装置，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；

容器（3），其设置于所述水箱（4）内，所述容器（3）内用于盛装试验溶液；

岩石碎屑颗粒筛选系统（2），所述岩石碎屑颗粒筛选系统（2）包括筛筒机构（22）、升降机构和动力装置，所述筛筒机构（22）内用于盛装岩石试样，所述筛筒机构（22）置于所述容器（3）内并与所述升降机构连接，所述升降机构与所述动力装置连接，由所述动力装置通过所述升降机构带动所述筛筒机构（22）在所述容器（3）的试验溶液中上下移动。

2.根据权利要求1所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于所述升降机构包括与所述动力装置连接的可升降支架（24）和与所述筛筒机构（22）连接的杆件（23），所述可升降支架（24）与所述杆件（23）连接。

3.根据权利要求2所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于所述可升降支架（24）和/或所述杆件（23）为金属。

4.根据权利要求1所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于所述容器（3）为量杯。

5.根据权利要求1所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于所述筛筒机构（22）包括由内至外孔径依次变小的至少两个筛筒构成。

6.根据权利要求5所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于所述筛筒机构（22）包括五个筛筒，其由内至外孔径依次为10mm、5mm、2mm、1mm和0.5mm。

7.根据权利要求5或6所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于所述筛筒机构（22）中各个筛筒分别通过限位装置（21）与升降机构固定连接。

8.根据权利要求5或6所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，其特征在于还包括：

控制面板（1），其用于对所述控温系统（5）和所述动力装置的控制。

9.根据权利要求5或6所述的可消除机械破坏的软岩崩解装置，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℃。

10.一种软岩崩解测试方法，其特征在于包括：

步骤（a）：将软岩放入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，质量为M_d；以及分别称重洁净筛筒的质量m_r；

步骤（b）：将10mm、5mm、2mm、1mm和0.5mm的筛筒安装在杆件（23）上，将岩石试样放入孔径为10mm的筛筒内；

步骤（c）：将水箱（4）内注入液体，容器（3）内注入试验溶液，并设定试验温度，待水箱（4）内的液体温度恒定；

步骤（d）：将装有岩石试样的筛筒机构（22）放入容器（3）中，连接杆件（23）与可升降支架（24），使筛筒机构（22）提升至最高处时岩石试样仍全部浸泡在试验溶液中，设定筛筒机构（22）提升速度60-4000mm/分钟，设定试验时间5-15分钟；

步骤（e）：将停止运动的筛筒机构（22）从容器（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）：将装有残留试样的筛筒依次安装在杆件（23）上并放入容器（3）中，连接杆件（23）与可升降支架（24），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。

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