CN115980119A - 一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法，涉及岩体性能测试技术领域，用于解决现有技术中冻融试验装置不能真实的还原岩溶区岩体所处的自然环境情况，导致冻融试验得到的结果误差大的问题；包括：底座、斜坡、坡度调节机构、岩体试样、加载机构、砂土盖板、冻融罩、温度调节机构、降雨模拟机构和监测机构。所述斜坡上开设有试样放置槽；所述坡度调节机构调节所述斜坡的倾斜度；所述加载机构固定安装在所述斜坡上；所述温度调节机构包括制冷组件和加热组件，所述制冷组件用于对冻融罩进行制冷，所述加热组件用于对冻融罩进行加热。整个装置能够模拟岩溶区矿山露天边坡岩体所处的自然极端环境，试验结果更准确。

Description

一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩体性能测试技术领域，尤其是涉及一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法。

背景技术

岩溶区矿山露天边坡稳定性影响着岩溶区矿山的安全开采，岩体稳定性又是边坡稳定性的一个重要影响因素。由于地质构造和外部环境等多种因素的影响，岩体可能会出现裂隙、滑动、坍塌等不稳定状况，从而对采矿和生产等活动造成严重威胁。因此，为了保障岩溶区矿山的生产和人员的安全，矿山露天边坡岩体稳定性的研究一直是矿山工程领域的一个热点问题。在岩溶区矿山露天边坡岩体稳定性诸多影响因素中，冻融破坏是边坡岩体失稳的一个重要诱因，边坡连续的冻结-融解过程将导致边坡岩体力学性能劣化、内部裂隙开度增大，进而成为寒区落石、滑坡等地质灾害的潜在诱因。利用冻融试验探索冻融对岩体稳定性的影响具有重要的意义。

然而，传统的冻融试验装置只是简单地将试件置于水域环境中，再反复地冰冻和解冻进行试验；岩溶区矿山露天边坡岩体和试验岩体所处的环境截然不同，试验过程不能真实的还原岩溶区岩体所处的自然环境情况，导致冻融试验得到的结果误差大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法，用于解决现有技术中冻融试验装置不能真实的还原岩溶区岩体所处的自然环境情况，导致冻融试验得到的结果误差大的问题。

为了解决上述问题，本发明提供的一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，包括：底座、斜坡、坡度调节机构、岩体试样、加载机构、砂土盖板、冻融罩、温度调节机构、降雨模拟机构和监测机构。

所述斜坡和所述底座铰接，所述斜坡上开设有试样放置槽；通过所述坡度调节机构调节所述斜坡的倾斜度。所述岩体试样放置在所述试样放置槽内，所述岩体试样部分位于所述试样放置槽外，所述岩体试样和所述试样放置槽之间的间隙填充砂土；所述加载机构固定安装在所述斜坡上，所述加载机构用于对所述砂土施加载荷；所述砂土盖板和所述斜坡固定连接，所述砂土盖板覆盖在所述砂土上；所述冻融罩在所述试样放置槽上形成冻融室；所述温度调节机构包括制冷组件和加热组件，所述制冷组件用于对所述冻融室进行制冷，所述加热组件用于对所述冻融室进行加热；所述降雨模拟机构设在所述冻融罩内部，所述降雨模拟机构用于模拟自然降雨；所述监测机构用于监测所述岩体试样的形变和所述岩体试样周围环境温度和湿度。

由于露天边坡岩体处于的特殊地势，岩体部分位于砂土中，部分裸露在外，裸露在外部的岩体在受到环境温度冷热变化，同时还会受到太阳紫外线、雨水等直接影响，露天边坡岩体处于坡体上，在经受雨水冲刷后，雨水很难长时间留存在岩体周围；砂土中的部分岩体不仅受到自身重力影响，同时还受到沿着边坡向下其他岩体或者边坡上砂土的压力和两侧的压力。因此，为了真实的还原岩体所处的自然环境情况，设置所述坡度调节机构和加载机构，可以模拟露天边坡岩体在不同坡度上受力情况，由于所述加载机构施加载荷在砂土上，通过砂土将载荷传递到所述岩体上，载荷施加更加均匀；能够适用于不同形状的岩体模型；通过降雨模拟机构模拟雨水对岩体表面冲刷，通过制冷组件模拟冰冻环境，加热组件提供热量，模拟解冻状态。

整个装置通过模拟矿山露天边坡岩体所处的自然极端环境，在此基础上进行冻融试验，试验结果更加准确。为矿山露天边坡岩体稳定性的研究提供更精准的数据。

可选地，所述加载机构包括第一加载组件、第二加载组件和第三加载组件，所述第一加载组件、所述第二加载组件和所述第三加载组件均包括伸缩驱动件和加压板，所述伸缩驱动件可以为气缸、油缸或者电动推杆，所述加压板设置在所述试样放置槽中，所述加压板正对所述岩体试样，所述伸缩驱动件和所述斜坡固定连接，所述加压板固定安装在所述伸缩驱动件的自由端；

所述第一加载组件上的所述伸缩驱动件沿着所述斜坡向下伸缩，所述第二加载组件和所述第三加载组件的所述伸缩驱动件的伸缩方向均和所述第一加载组件的所述伸缩驱动件的伸缩方向垂直，所述第二加载组件和所述第三加载组件对称设置。

通过所述伸缩驱动件推动所述加压板运动，所述加压板和所述岩体试样之间填充有砂土，载荷通过所述砂土传递到所述岩体试样。通过所述第一加载组件、所述第二加载组件和所述第三加载组件三个方向对所述岩体试样进行加载。

可选地，制冷组件包括制冷器和换热管道，所述换热管道设置在所述冻融罩内部，所述制冷器产生的负温循环液在所述换热管道中循环传输。通过所述制冷器制冷，负温循环液流向所述换热管道，将所述冻融罩内部温度带走，从而达到制冷的目的，结构简单，制冷效果好。

可选地，加热组件包括若干磁感应线圈，所述磁感应线圈和所述冻融罩固定连接。通过磁感应线圈加热，加热效率高，节能环保。

可选地，所述降雨模拟机构包括喷头、水泵和水槽，所述喷头和所述冻融罩固定连接，所述喷头正对所述岩体试样，所述水泵连通所述喷头和所述水槽。通过所述水泵将所述水槽中抽离再经过所述喷头喷向所述岩体试样。模拟自然环境中雨水冲刷。

可选地，还包括自然风模拟机构和日照模拟机构，所述自然风模拟机构和所述日照模拟机构均固定安装在所述冻融罩内部。所述自然风模拟机构包括循环风机，循环管道，所述冻融罩上开设有进风口和出风口，所述循环风机的出风端连通所述进风口，所述循环风机的进风端连通所述出风口。所述日照模拟机构包括若干紫外线照射灯，所述紫外线照射灯固定安装在所述冻融罩顶部。由于设置所述循环风机和循环管道，使得所述冻融罩中空气能够循环流动，模拟岩体受到风的吹刷。同时由于冻融罩中空气施循环流动，保证所述冻融罩中温度稳定性，降低了所述冻融罩中空气和外界空气的热交换，更加节能。

可选地，所述监测机构包括相机、应变片、温度传感器和湿度传感器，所述相机和所述冻融罩固定连接，所述岩体试样在所述相机的拍摄范围内，所述岩体试样上贴有若干应变片，所述冻融罩内部布置有温度传感器和湿度传感器，所述砂土中设置有温度传感器和湿度传感器。

本发明提供的一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验方法；包括如下步骤：

将所述岩体试样放置到所述试样放置槽中，在所述岩体试样周围填充满砂土，通过所述坡度调节机构将所述斜坡升到设定高度，启动所述加载机构进行加载，盖上所述冻融罩，预设好制冷时间、加热时间和降雨时间，所述制冷组件、所述加热组件和降雨模拟机构根据预设时间分别进行循环制冷、解冻和降雨。

如上所述，本发明的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法，至少具有以下有益效果：

设置所述坡度调节机构和加载机构，可以模拟露天边坡岩体在不同坡度上受力情况，由于所述加载机构施加载荷在砂土上，通过砂土将载荷传递到所述岩体上，载荷施加更加均匀；能够适用于不同形状的岩体模型；通过降雨模拟机构模拟雨水对岩体表面冲刷，通过制冷组件模拟冰冻环境，加热组件提供热量，模拟解冻状态。整个装置通过模拟矿山露天边坡岩体所处的自然极端环境，在此基础上进行冻融试验，试验结果更加准确。为矿山露天边坡岩体稳定性的研究提供更精准的数据。

附图说明

图1为本发明实施例的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的加载机构的布局结构图；

图3为本发明实施例的试样放置槽的结构示意图；

图4为本发明实施例的砂土盖板安装状态示意图；

图5为本发明实施例的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置的外观示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了对本发明进行透彻说明，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的。

请参阅图1-图5，本发明提供一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置及方法的实施例，包括:底座1、斜坡3、坡度调节机构、岩体试样4、加载机构、砂土盖板11、冻融罩6、温度调节机构、降雨模拟机构和监测机构。

所述斜坡3和所述底座1铰接，所述斜坡3上开设有试样放置槽301；通过所述坡度调节机构调节所述斜坡3的倾斜度。所述岩体试样4放置在所述试样放置槽301内，所述试样放置槽301中设施有限位挡块302，从而保证所述岩体试样4位于所述试样放置槽301中间位置，所述岩体试样4部分位于所述试样放置槽301外，所述岩体试样4和所述试样放置槽301之间的间隙填充砂土；所述加载机构固定安装在所述斜坡3上，所述加载机构正对所述岩体试样4，所述加载机构用于对所述砂土施加载荷；所述砂土盖板11和所述斜坡3固定连接，可以通过螺栓、锁扣等零件可拆卸式固定连接。所述砂土盖板11覆盖在所述砂土上；所述冻融罩6在所述试样放置槽301上形成冻融室；所述温度调节机构包括制冷组件和加热组件，所述制冷组件用于对所述冻融室进行制冷，所述加热组件用于对所述冻融室进行加热；所述降雨模拟机构设在所述冻融罩6内部，所述降雨模拟机构用于模拟自然降雨；所述监测机构用于监测所述岩体试样4的形变和所述岩体试样4周围环境温度和湿度。

由于露天边坡岩体处于的特殊地势，岩体部分位于砂土中，部分裸露在外，裸露在外部的岩体在受到环境温度冷热变化，同时还会受到太阳紫外线、雨水等直接影响，露天边坡岩体处于坡体上，在经受雨水冲刷后，雨水很难长时间留存在岩体周围；砂土中的部分岩体不仅受到自身重力影响，同时还受到沿着边坡向下其他岩体或者边坡上砂土的压力和两侧的压力。因此，为了真实的还原岩体所处的自然环境情况，设置所述坡度调节机构和所述加载机构，可以模拟露天边坡岩体在不同坡度上受力情况，由于所述加载机构施加载荷在砂土上，通过砂土将载荷传递到所述岩体上，载荷施加更加均匀；能够适用于不同形状的岩体模型；通过降雨模拟机构模拟雨水对岩体表面冲刷，通过制冷组件模拟冰冻环境，加热组件提供热量，模拟解冻状态。

整个装置通过模拟矿山露天边坡岩体所处的自然极端环境，在此基础上进行冻融试验，试验结果更加准确。为矿山露天边坡岩体稳定性的研究提供更精准的数据。

本实施例中，请参阅图1和图2，所述坡度调节机构包括若干伸缩推动杆201，所述伸缩推动杆201可以为气缸、液压缸或者电动推杆，所述伸缩推动杆201一端和所述底座1铰接，所述伸缩推动杆201另一端和所述斜坡铰接。

本实施例中，请参阅图1-图5，所述加载机构包括第一加载组件51、第二加载组件52和第三加载组件53，所述第一加载组件51、所述第二加载组件52和所述第三加载组件53均包括伸缩驱动件501和加压板502，所述伸缩驱动件501可以为气缸、油缸或者电动推杆，所述加压板502设置在所述试样放置槽301中，所述加压板502正对所述岩体试样4，所述伸缩驱动件501和所述斜坡3固定连接，所述加压板502固定安装在所述伸缩驱动件501的自由端；

所述第一加载组件51上的所述伸缩驱动件501沿着所述斜坡3向下伸缩，所述第二加载组件52和所述第三加载组件53的所述伸缩驱动件501的伸缩方向均和所述第一加载组件51的所述伸缩驱动件501的伸缩方向垂直，所述第二加载组件52和所述第三加载组件53对称设置。

通过所述伸缩驱动件501推动所述加压板502运动，所述加压板502和所述岩体试样4之间填充有砂土，载荷通过所述砂土传递到所述岩体试样4。通过所述第一加载组件51、所述第二加载组件52和所述第三加载组件53三个方向对所述岩体试样4进行加载。

本实施例中，请参阅图1-图5，制冷组件包括制冷器和换热管道701，所述换热管道701设置在所述冻融室中，所述制冷器产生的负温循环液在所述换热管道701中循环传输。通过所述制冷器制冷，负温循环液流向所述换热管道701，将所述冻融室内部温度带走，从而达到制冷的目的，结构简单，制冷效果好。

本实施例中，请参阅图1-图5，所述加热组件包括若干磁感应线圈702，所述磁感应线圈702和所述冻融罩6固定连接。通过磁感应线圈702加热，加热效率高，节能环保。

本实施例中，请参阅图1-图5，所述降雨模拟机构包括喷头1001、水泵和水槽，所述喷头1001和所述冻融罩6固定连接，所述喷头1001正对所述岩体试样4，所述水泵连通所述喷头1001和所述水槽。通过所述水泵将所述水槽中抽离再经过所述喷头1001喷向所述岩体试样4。模拟自然环境中雨水冲刷。

本实施例中，请参阅图1-图5，还包括自然风模拟机构和日照模拟机构，所述自然风模拟机构和所述日照模拟机构均固定安装在所述冻融罩6内部。所述自然风模拟机构包括循环风机901和循环管道902，所述冻融罩6上开设有进风口和出风口，所述循环风机901的出风端连通所述进风口，所述循环风机901的进风端连通所述出风口。所述日照模拟机构包括若干紫外线照射灯，所述紫外线照射灯固定安装在所述冻融罩6顶部。由于设置所述循环风机901和循环管道902，使得所述冻融罩6中空气能够循环流动，模拟岩体受到风的吹刷。同时由于冻融罩6中空气施循环流动，保证所述冻融罩6中温度稳定性，降低了所述冻融罩6中空气和外界空气的热交换，更加节能。

本实施例中，请参阅图1-图5，所述监测机构包括相机8、应变片、温度传感器和湿度传感器，所述相机8和所述冻融罩6固定连接，所述岩体试样4在所述相机8的拍摄范围内，所述岩体试样4上贴有若干应变片，所述冻融罩6内部布置有温度传感器和湿度传感器，所述砂土中设置有温度传感器和湿度传感器。

本发明提供的一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验方法；包括如下步骤：

将所述岩体试样4放置到所述试样放置槽301中，在所述岩体试样4周围填充满砂土，通过所述坡度调节机构将所述斜坡3升到设定高度，启动所述加载机构进行加载，盖上所述冻融罩6，预设好制冷时间、加热时间和降雨时间，所述制冷组件、所述加热组件和降雨模拟机构根据预设时间分别进行循环制冷、解冻和降雨。

最后应说明的是：以上各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)

1.一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于，包括：

底座，

斜坡，所述斜坡和所述底座铰接，所述斜坡上开设有试样放置槽；

坡度调节机构，通过所述坡度调节机构调节所述斜坡的倾斜度；

岩体试样，所述岩体试样放置在所述试样放置槽内，所述岩体试样部分位于所述试样放置槽外，所述岩体试样和所述试样放置槽之间的间隙填充砂土；

加载机构，所述加载机构固定安装在所述斜坡上，所述加载机构用于对所述砂土施加载荷；

砂土盖板，所述砂土盖板和所述斜坡固定连接，所述砂土盖板覆盖在所述砂土上；

冻融罩，所述冻融罩在所述试样放置槽上形成冻融室；

温度调节机构，所述温度调节机构包括制冷组件和加热组件，所述制冷组件用于对所述冻融室进行制冷，所述加热组件用于对所述冻融室进行加热；

降雨模拟机构，所述降雨模拟机构设在所述冻融室，所述降雨模拟机构用于模拟自然降雨；

监测机构，所述监测机构用于监测所述岩体试样的形变和所述岩体试样周围环境温度和湿度。

2.根据权利要求1所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述加载机构包括第一加载组件、第二加载组件和第三加载组件，所述第一加载组件、所述第二加载组件和所述第三加载组件均包括伸缩驱动件和加压板，所述加压板设置在所述试样放置槽中，所述加压板正对所述岩体试样，所述伸缩驱动件和所述斜坡固定连接，所述加压板固定安装在所述伸缩驱动件的自由端；

所述第一加载组件上的所述伸缩驱动件沿着所述斜坡向下伸缩，所述第二加载组件和所述第三加载组件的所述伸缩驱动件的伸缩方向均和所述第一加载组件的所述伸缩驱动件的伸缩方向垂直，所述第二加载组件和所述第三加载组件对称设置。

3.根据权利要求1所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述制冷组件包括制冷器和换热管道，所述换热管道设置在所述冻融罩内部，所述制冷器产生的负温循环液在所述换热管道中循环传输。

4.根据权利要求1所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述加热组件包括若干磁感应线圈，所述磁感应线圈和所述冻融罩固定连接。

5.根据权利要求1所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：还包括自然风模拟机构和日照模拟机构，所述自然风模拟机构和所述日照模拟机构均固定安装在所述冻融罩内部。

6.根据权利要求1所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述降雨模拟机构包括喷头、水泵和水槽，所述喷头和所述冻融罩固定连接，所述喷头正对所述岩体试样，所述水泵连通所述喷头和所述水槽。

7.根据权利要求5所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述自然风模拟机构包括循环风机和循环管道，所述冻融罩上开设有进风口和出风口，所述循环风机的出风端连通所述进风口，所述循环风机的进风端连通所述出风口。

8.根据权利要求5所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述日照模拟机构包括若干紫外线照射灯，所述紫外线照射灯固定安装在所述冻融罩顶部。

9.根据权利要求1所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于：所述监测机构包括相机、应变片、温度传感器和湿度传感器，所述相机和所述冻融罩固定连接，所述岩体试样在所述相机的拍摄范围内，所述岩体试样上贴有若干应变片，所述冻融罩内部布置有温度传感器和湿度传感器，所述砂土中设置有温度传感器和湿度传感器；

所述坡度调节机构包括若干伸缩推动杆，所述伸缩推动杆的一端和所述底座铰接，所述伸缩推动杆的另一端和所述斜坡铰接。

10.一种岩溶区露天边坡岩体冻融试验方法，适用于权利要求1-9任一所述的岩溶区露天边坡岩体冻融试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

将所述岩体试样放置到所述试样放置槽中，在所述岩体试样周围填充满砂土，通过所述坡度调节机构将所述斜坡升到设定高度，启动所述加载机构进行加载，盖上所述冻融罩，预设好制冷时间、加热时间和降雨时间，所述制冷组件、所述加热组件和降雨模拟机构根据预设时间分别进行循环制冷、解冻和降雨。

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