CN116297036A - 一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置及方法，该装置包括模拟箱，其内部填充有待试验的岩堆试样，模拟箱一外侧面上设有坐标网格和标尺；测量组件，其包括若干温度传感器和位移计，其中各温度传感器自上而下依次埋入岩堆试样内，位移计位于模拟箱上方；至少一激光管，每一激光管安装在岩堆试样中石块的内部，且每一激光管发射的激光均射向坐标网格；以及冷热组件，其包括制冷件和制热件，其中制冷件埋入岩堆土样底部，制热件位于模拟箱上方；该方法通过多次模拟冻融过程，以探索岩堆试样中各石块的运移情况。本装置结构简单，可以直观的观察到岩堆试样中石块的移动情况，该方法简单，最大程度上使模拟试验与实际工况相似，有利探索。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程及地质工程技术领域，尤其涉及一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置及方法。
背景技术
寒区岩堆稳定性问题是上去铁路建设过程中常见的工程地质问题之一，也是铁路施工人员密切关注的重要问题之一。寒区岩堆是指在高寒地区分布的一列散体推积，发育于斜坡及沟谷地带，以块石、随时组成为主，无或较少细颗粒填充，结构疏松，是一类特殊的不良工程地质岩组类型。目前我国北方地区存在较大面积的岩堆边坡，其中以辽宁本溪桓仁地区最为突出。从岩堆斜坡表面观察，桓仁地区一些岩堆发现存在反粒序现象，即坡表面块径大，而斜坡内部块径小。这种具有反粒序现象的岩堆是在重力与分选现象相互作用下形成的，其与表流作用为主的坡积物所具有的堆积结构特性是不同的，目前尚不能得到合理解释。
目前，关于岩堆模拟试验装置大多是为了研究岩堆斜坡稳定性，主要是为了在使用或在斜坡上建设时能够及时预测到岩堆斜坡是否会发生滑坡等，以避免造成损失；而针对岩堆斜坡是如何形成的及其形成机制等研究较少，特别是针对具有反粒序现象的岩堆斜坡。
因此，急需一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置及方法以揭示岩堆反粒序结构成因及斜坡变形活动机制，为岩堆斜坡地区开发利用、工程处理及防灾减灾提供科学依据。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置及方法。
本发明的实施例提供一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，包括：
模拟箱，其内部填充有待试验的岩堆试样，所述模拟箱一外侧面上设有坐标网格和标尺；
测量组件，其包括若干个温度传感器和位移计，其中各所述温度传感器自上而下依次埋入所述岩堆试样内，所述位移计位于所述模拟箱上方；
至少一激光管，每一所述激光管均安装在所述岩堆试样中石块的内部，且每一所述激光管发射的激光均射向所述坐标网格；
以及冷热组件，其包括制冷件和制热件，其中所述制冷件埋入所述岩堆土样底部，所述制热件位于所述模拟箱上方。
进一步地，所述模拟箱是由透明的有机玻璃制成的无顶盖箱体，所述模拟箱下方设有试验台，所述模拟箱上端连通设有进水管、下端连通设有排水管。
进一步地，所述岩堆试样包括混合均匀的一级粒径石块、二级粒径石块、三级粒径石块、以及四级粒径石块，其中一级粒径石块尺寸大于6㎝，占比5％；二级粒径石块尺寸为4～6㎝，占比15％；三级粒径石块尺寸为2～4㎝，占比50％；四级粒径石块尺寸为小于2㎝，占比为30％；各所述激光管均设置在所述一级粒径石块内。
进一步地，各所述温度传感器均固定设置在所述模拟箱内部角棱上，且任意相邻的两所述温度传感器之间的距离相等。
进一步地，所述位移计通过转接架与所述模拟箱固定连接。
进一步地，所述测量组件还包括数据采集显示器和相机，其中各所述温度传感器和所述位移计均与所述数据采取显示器电性连接，所述相机用以拍照记录所述岩堆试样运移情况。
进一步地，所述制冷件为若干个首尾相互连通的冻结管，各所述均匀埋入在所述岩堆试样底部，且与外部的液氮源连通。
进一步地，所述制热件为电热辐射灯，所述制热件与所述模拟箱固定连接。
进一步地，一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、确定模拟试验的相似比：通过野外地质勘查，确定模拟试验的相似比；
S2、岩堆试样制备：根据相似比获取满足需求的颗粒级配的试样，随后进行充分混合；
S3、设置各所述温度传感器：将各温度传感器安置在相应的位置处；
S4、填筑模型：利用步骤S2中得到的混合试样先填充2/3部分的所述模拟箱，随后在模拟箱内的土面上选取部分石块进行染色标记形成标记石块，并在所述坐标网格上标出各标记石块的初始位置，随后继续填充至完成，并将装有各激光管的石块放置模拟箱内最上面的土面上，之后对整个模拟箱内的试验进行捣实至设定孔隙度；
S5、设置所述位移计和所述相机；
S6、模拟冻融循环作用：完成填筑后，反复进行多次注水-冻结-融化试验，并记录观察每次试验过程中各标记石块和各带有激光管石块的位置；
进一步地，在步骤S6中，在进行反复多次注水时，以逐次注水，逐次冻结，逐次融化，逐次排水的方式进行，以多次模拟自然中岩堆冻融过程。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明提供的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置及方法有助于揭示岩堆反粒序结果成因及斜坡变形活动机制，可以用来观测模拟岩堆在不同水位冻融循环时岩堆颗粒的运移情况，为岩堆斜坡地区开发利用、工程处理及防灾减灾提供科学依据。也有助于改善现有岩堆多集中在岩堆边坡变形而对岩堆成因机制研究少的现状。同时本装置的测量方法简单，试验过程直观明显，易于实现。
2、本发明装置及试验方法可在试验过程观察记录岩堆颗粒位移、大小颗粒分异、颗粒排列等的结构要素的变化情况，用以分析表明冻融过程对岩堆上部颗粒结构存在影响，在冻融循环作用下，表面细小的颗粒往下方运移，较大的颗粒在表面裸露出来，检验反粒序结构冻融驱动成因(即分选机制)的可能性。
3、依托本发明装置及试验方法开展的试验揭示在冻融循环作用下，岩堆表面发生明显的位移，总体表现为向下沉降的过程，这是因为较小颗粒充填在较大颗粒空隙中，导致上部整体下沉较大。试验发现每一个循环随着水位增加，位移会有所回升，表明冻融厚度对表面颗粒位移有一定的影响，随着循环进行，不同厚度冻融层对上部岩堆颗粒均有影响。当岩堆颗粒密实度增加一定程度时，冻融范围越大，冻融驱动力对上部岩堆颗粒的影响越大。
4、通过比较本发明装置及试验方法设置的模型面的激光点坐标的变化用以表明岩石颗粒的翻转情况。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的侧视图；
图2是本发明实施例中的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的俯视图；
图3是本发明实施例中的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的主视图；
图4是本发明实施例中冻融循环分选作用试验模拟示意图；
图5是本发明实施例中的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的方法流程图。
图中：1-试验台、2-模拟箱、3-温度传感器、4-转接架、5-位移计、6-相机、7-三角架、8-排水管、9-制冷件、10-进水管、11-坐标网格、12-标尺、13-激光管、14-激光光束、15-标记石块、16-注水面、17-结冰面、18-制热件、19-岩堆试样、20-数据采集显示器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1至图4，本发明的实施例提供了一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，该装置包括：模拟箱2、测量组件、至少一激光管13、以及冷热组件。
在本实施例中，模拟箱2的下方设有试验台1，试验台1用以承载模拟箱2以便试验的开展，为了便于观察试验过程，本实施例中的模拟箱2是由透明的有机玻璃制成，且模拟箱2的上端为开口端；进一步地，为了增强模拟箱2底板的承载能力，模拟箱2的底面可以用钢板制成，只需保证模拟箱2是一个无顶盖的箱体即可。
在试验开始前，模拟箱2内填充有试验所需要用到的岩堆试样19，岩堆试样19是由不同级别粒径的石块制成的，在本实施例中，岩堆试样19包括一级粒径石块、二级粒径石块、三级粒径石块、以及四级粒径石块，其中一级粒径石块尺寸大于6㎝，占比5％；二级粒径石块尺寸为4～6㎝，占比15％；三级粒径石块尺寸为2～4㎝，占比50％；四级粒径石块尺寸为小于2㎝，占比为30％；在制成岩堆试样19时，四个级别粒径的石块混合均匀；在这里需要说明的是，本实施例是为了研究实际中具有反粒序现象的岩堆斜坡形成成因和活动机制的，故此试验中的石块可以直接从待研究的实际位置中直接获取，进而最大程度上减小外界干扰。
进一步地，模拟箱2上端连通设有进水管10、下端连通设有排水管8，进水管10和排水管8上均设有控制阀，这样就可以在试验时根据需求向模拟箱2内注水或者将模拟箱2内的水排出。
冷热组件包括制冷件9和制热件18，在本实施例中，制冷件9制冷件为若干个首尾相互连通的冻结管，且与外界的液氮源连通，冷冻件9均匀的埋设在模拟箱2里的岩堆试样19的底部，这样就可以根据试验需求对岩堆试样19进行冻结；在本实施例中，制热件18为电热辐射灯，制热件18位于岩堆试样19的上方，且制热件18与模拟箱2之间固定连接，这样就可以通过制热件18对冻结后的岩堆试样19进行融化，从而达到模拟冻融过程。
测量组件包括若干个温度传感器3，在本实施例中，各温度传感器3自上而下依次埋入在岩堆试样19内，且任意相邻的两温度传感器3之间的距离相等，各温度传感器3主要用以监测岩堆试样19的温度；进一步地，各温度传感器3均固定在模拟箱2内部的一角棱上，这样是为了避免在试验时各温度传感器3发生移动，无法有效的测量出其所处土层界面的温度。
测量组件还包括位移计5，在本实施例中，位移计5的数量为四个，且均匀对称布设在模拟箱2的上方，每一位移计5通过转接架4与模拟箱2固定连接，且每一位移计5的探头竖直朝向模拟箱2内的岩堆试样19的土面，各位移计5的作用主要是为了监测岩堆试样19在冻结或融化时其土面的膨胀高度和沉降量。
测量组件还包括数据采集显示器20，其中数据采集显示器20分别与各温度传感器3和各位移计5电性连接，进而就可以在试验时实时获取监测得到的数据。
模拟箱2一外侧面上设有坐标网格11和标尺12，在本实施例中，坐标网格11和标尺12均是粘接在模拟箱2对应的外侧面上，由于模拟箱2是由透明的有机玻璃制成的，这样就可以在试验时以坐标网格11和标尺12为参照对象，实时观察记录岩堆试样19中的石块的位移量大小。
测量组件还包括相机6，相机6通过三角架7架设在地面上，并朝向坐标网格11，相机6用来拍照记录，在本实施例中，相机6对坐标网格11进行定时拍照，以便记录下试验时岩堆试样19中的石块的位移量大小，优选的，定时拍照时间为每5分钟或者10分钟拍照一次。
在本实施例中，每一激光管13均为半导体激光管，各激光管13均固定安设在岩堆试样19中各级石块内，在这里需要说明的是，每一激光管13在安装时是先将岩堆试样19中的石块钻孔，随后将对应的激光管13安装在该孔内，之后在将混合好的岩堆试样19放入模拟箱2内时，使每一激光管13发射出来的激光光束14均朝向坐标网格11，并在坐标网格11上形成一个亮点，这样就可以通过观察亮点的位移轨迹进而得到岩堆试样19内部颗粒整体的运移情况，同时，为了使每一激光管13发射出来的激光光束14均可以透射在坐标网格11上，故此在将混合好的岩堆试样19放入模拟箱2内时，可以人为的使装有激光管13的石块靠近模拟箱2的壁面。
请参考图5，本实施例还提供一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：
S1、确定模拟试验的相似比：通过野外地质勘查，确定模拟试验的相似比。
具体地，为了使模拟试验结果更加接近待研究的实际环境，首先需要对实际环境进行考察，如实际环境中石块的大小、类型等，从而确定本模拟试验与实际环境的相似比，以提高试验的准确性。
S2、岩堆试样制备：根据相似比获取满足需求的颗粒级配的试样，随后进行充分混合。
具体地，根据步骤S1确定的相似比，来确定本模拟试验所采用的石块的级别，在本实施例中，本模拟试验中的石块是有四个粒径级别，即一级粒径石块、二级粒径石块、三级粒径石块、以及四级粒径石块；在这里需要说明的是，为了提高模拟试验的准确性，本模拟试验所采用的石块均是从待研究的实际环境中获取的，随后按照设定比例进行充分混合，同时还需要说明的是，本模拟试验中各粒径级别的石块的混合比也是通过观察实际环境中确定的。
S3、设置各所述温度传感器：将各温度传感器安置在相应的位置处。
具体地，将各温度传感器3按照要求固定在模拟箱2的内部，在本实施例中，任意相邻的两温度传感器3之间的距离≤10㎝。
S4、S4、填筑模型：利用步骤S2中得到的混合试样先填充2/3部分的所述模拟箱，随后在模拟箱内的土面上选取部分石块进行染色标记形成标记石块，并在所述坐标网格上标出各标记石块的初始位置，随后继续填充至完成，并将装有各激光管的石块放置模拟箱内最上面的土面上，之后对整个模拟箱内的试验进行捣实至设定孔隙度。
具体地，将步骤S2中得到的岩堆试样19填充至模拟箱2内，直至模拟箱2/3位置处，随后将模拟箱2内的岩堆试样19捣实至设定孔隙度，随后在模拟箱2内的部分岩堆试样19的土面上选取部分石块并标记，形成标记石块15，在这里需要说明的是，标记石块15在确定好后，可以人为的将标记石块15挪至靠近模拟箱2的内壁处，以便可以从外面透过模拟箱2看到标记石块15，随后人为的在模拟箱外壁面上标出标记石块15的相对位置，同时，还需要注意的是，标记石块15在放置时是靠近模拟箱2带有坐标网格11的一外侧面的；随后继续填充剩余的岩堆试样19，在这里需要说明的是，当岩堆试样19完全填充好后，人为的使带有各激光管13的石块位于整个模拟箱2中土面的最上方，进而使各激光管13不被掩埋，同时人为的确保各激光管13发射出来的激光光束14朝向坐标网格11，最后再捣实整个岩堆试样19至设定孔隙度。
在这里需要说明的是，标记石块15和带有激光管13的石块的设计均是为了便于在冻融试验时人为观察颗粒的运移情况。
S5、设置所述位移计和所述相机。
具体地，安装位移计5，在本实施例中，各位移计5是两两相互对称固定安装在模拟箱2的上方，这样就可以通过各位移计5来获取在冻融试验时模拟箱2内的岩堆试样19土面的膨胀高度和沉降量，在本实施例中，位移计5也是与数据采集显示器20电性连接的；与此同时，安装相机6，并通过相机6拍照记录下各标记石块15和各激光管13在坐标网格11留下的位置，进而就可以在试验未开始之前记录下各石块的初始地点，以便在试样时进行对比。
S6、模拟冻融循环作用：完成填筑后，反复进行多次注水-冻结-融化试验，并记录观察每次试验过程中各标记石块和各带有激光管石块的位置。
具体地，开始模拟试验，通过进水管10依次向岩堆试样19内注水，注水面16依次控制为1/4、1/3、1/2位置处，每次注入水后就通过制冷件9对岩堆试样19进行冻结，并记录对应的标记石块15和带有激光管13的石块的位置，以及记录整个岩堆试样19最上层土面的膨胀高度，随后再通过制热件18融化岩堆试样19，并记录对应的标记石块15和带有激光管13的石块的位置，以及记录整个岩堆试样19最上层土面的沉降量，此时就完成第一次注水的冻融循环过程；随后排水再注水重复上述操作。
进一步地，在这里对第一次注水试验进行详细说明，通过进水管10向岩堆试样19内注水至1/4位置处，此时的水面为对应的注水面16，随后冻结岩堆试样19使其内的水体在冰冻时发生冻胀形成结冰面17，待模拟箱2内的所有温度传感器3的温度均在0～15℃时，可认为此时的模拟箱2内冻结充分，并记录相应的数据；随后打开制热件18对岩堆试样19进行融冻，待温度传感器3的温度都在15℃以上且无明显冰块时，认为融化结束，并记录相应的数据，随后通过排水管8排水，待岩堆试样19内的水体全部排完后再继续注水至1/3处，重复上述循环；最后发现随着试验的推移粒径较小的石块往岩堆试样19的下部移动，粒径较大的石块往岩堆试样19的上部移动。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，用来揭示岩堆反粒序结构成因及斜坡变形活动机制，其特征在于，包括：
模拟箱，其内部填充有待试验的岩堆试样，所述模拟箱一外侧面上设有坐标网格和标尺；
测量组件，其包括若干个温度传感器和位移计，其中各所述温度传感器自上而下依次埋入所述岩堆试样内，所述位移计位于所述模拟箱上方；
至少一激光管，每一所述激光管均安装在所述岩堆试样中石块的内部，且每一所述激光管发射的激光均射向所述坐标网格；
以及冷热组件，其包括制冷件和制热件，其中所述制冷件埋入所述岩堆土样底部，所述制热件位于所述模拟箱上方。
2.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：所述模拟箱是由透明的有机玻璃制成的无顶盖箱体，所述模拟箱下方设有试验台，所述模拟箱上端连通设有进水管、下端连通设有排水管。
3.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：所述岩堆试样包括混合均匀的一级粒径石块、二级粒径石块、三级粒径石块、以及四级粒径石块，其中一级粒径石块尺寸大于6㎝，占比5％；二级粒径石块尺寸为4～6㎝，占比15％；三级粒径石块尺寸为2～4㎝，占比50％；四级粒径石块尺寸为小于2㎝，占比为30％；各所述激光管均设置在所述一级粒径石块内。
4.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：各所述温度传感器均固定设置在所述模拟箱内部角棱上，且任意相邻的两所述温度传感器之间的距离相等。
5.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：所述位移计通过转接架与所述模拟箱固定连接。
6.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：所述测量组件还包括数据采集显示器和相机，其中各所述温度传感器和所述位移计均与所述数据采取显示器电性连接，所述相机用以拍照记录所述岩堆试样运移情况。
7.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：所述制冷件为若干个首尾相互连通的冻结管，各所述均匀埋入在所述岩堆试样底部，且与外部的液氮源连通。
8.如权利要求1所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置，其特征在于：所述制热件为电热辐射灯，所述制热件与所述模拟箱固定连接。
9.如权利要求1-8所述的任意一项一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定模拟试验的相似比：通过野外地质勘查，确定模拟试验的相似比；
S2、岩堆试样制备：根据相似比获取满足需求的颗粒级配的试样，随后进行充分混合；
S3、设置各所述温度传感器：将各温度传感器安置在相应的位置处；
S4、填筑模型：利用步骤S2中得到的混合试样先填充2/3部分的所述模拟箱，随后在模拟箱内的土面上选取部分石块进行染色标记形成标记石块，并在所述坐标网格上标出各标记石块的初始位置，随后继续填充至完成，并将装有各激光管的石块放置模拟箱内最上面的土面上，之后对整个模拟箱内的试验进行捣实至设定孔隙度；
S5、设置所述位移计和所述相机；
S6、模拟冻融循环作用：完成填筑后，反复进行多次注水-冻结-融化试验，并记录观察每次试验过程中各标记石块和各带有激光管石块的位置。
10.如权利要求9所述的一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的试验方法，其特征在于：在步骤S6中，在进行反复多次注水时，以逐次注水，逐次冻结，逐次融化，逐次排水的方式进行，以多次模拟自然中岩堆冻融过程。
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