CN217180887U - 测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置，包括水槽组件、保水系统、位移采集系统、称量系统和控制系统。水槽组件包括至少一个水槽，用于放置待测量的岩石；所述水槽位于所述温控系统内，用于调节所述水槽的环境温度；保水系统与至少一个所述水槽连接，用于调节所述水槽内的水位；位移采集系统用于测量所述岩石的膨胀位移；称量系统位于在所述温控系统下方，用于测量所述岩石的重量；控制系统分别与所述温控系统、所述保水系统、所述位移采集系统和所述称量系统电连接。本申请的试验装置能够同时测量岩石的膨胀率和吸水率，能够更加准确反映岩石的物理性能。

Description

测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置

技术领域

本申请涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置。

背景技术

传统的岩石膨胀性试验中，是通过膨胀率测试仪来测量岩石的轴向以及径向自由膨胀率，从而判断岩石的膨胀性。由于岩石的膨胀性属于岩石的水理性质，在岩体工程设计和施工中具有非常重要的意义，岩石的膨胀性试验用于测定岩石吸水后的膨胀特性参数，而膨胀率测试仪无法在进行岩石膨胀性试验的同时，也进行岩石的吸水率试验。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置，解决在进行测量岩石膨胀率的同时，无法测量岩石吸水率的问题。

为了达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请实施例一方面公开了一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置，包括：

水槽组件，包括至少一个水槽，用于放置待测量的岩石；

温控系统，所述水槽位于所述温控系统内，用于调节所述水槽的环境温度；

保水系统，与至少一个所述水槽连接，用于调节所述水槽内的水位；

位移采集系统，用于测量所述岩石的膨胀位移；

称量系统，位于在所述温控系统下方，用于测量所述岩石的重量；以及

控制系统，分别与所述温控系统、所述保水系统、所述位移采集系统和所述称量系统电连接。

进一步地，所述水槽组件还包括连接管、开关阀和排水阀，所述水槽的数量至少为两个，相邻两个所述水槽之间用所述连接管连通，所述开关阀设置在所述连接管上，以关闭或者打开所述连接管，至少一个所述水槽上设置所述排水阀，用于排空所述水槽中的水。

进一步地，所述保水系统包括：

蓄水桶，用于储存水；

输水管，连接在所述蓄水桶和至少一个所述水槽之间；

动力泵，设置在所述输水管上，用于将所述蓄水桶中的水泵入所述水槽中；水位传感器，设置在所述水槽内的预设水位处；以及

液位控制器，分别与所述动力泵、所述水位传感器和所述控制系统电连接，所述液位控制器接收所述水位传感器发出的信号，以控制所述动力泵打开或者关闭。

进一步地，所述保水系统包括：

蓄水桶，用于储存水；

输水管，连接在所述蓄水桶和至少一个所述水槽之间；

动力泵，设置在所述输水管上，用于将所述蓄水桶中的水泵入所述水槽中；

水位传感器，设置在所述水槽内的预设水位处，所述水位传感器与所述动力泵电连接，根据监测的水位情况发出信号控制所述动力泵的开关打开或关闭；以及

液位控制器，分别与所述动力泵和所述控制系统电连接，用于控制所述动力泵的开启流量。

进一步地，所述位移采集系统包括：

位移传感器，连接在所述岩石的测量表面，用于测量所述岩石的膨胀位移；

位移采集器，分别与所述控制系统和所述位移传感器电连接，用于采集所述位移传感器测量的膨胀位移，并传回给所述控制系统；

隔离件，设置在所述位移传感器与所述岩石之间的接触处；以及

透水板，设置在所述岩石的上端面和下端面，所述岩石上端面的所述隔离件位于所述透水板上。

进一步地，所述位移传感器上涂有防水涂层。

进一步地，所述温控系统包括：

温控箱，所述水槽位于所述温控箱内，所述称量系统位于所述温控箱下方；

温度传感器，设置在所述温控箱内，用于检测所述温控箱的当前温度；以及

温控器，分别与所述温度传感器和所述控制系统电连接，所述温控器接收到所述控制系统发出的信号，用于将所述当前温度调节至目标温度。

根据上述任意一项的试验装置，所述试验装置还包括监测系统，所述监测系统设置所述水槽上方，与所述控制系统电连接，用于监测所述岩石的状态。

进一步地，所述监测系统为三维激光扫描仪，可旋转设置在所述水槽上方。

本申请实施例公开一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置，通过水槽组件、温控系统、保水系统、位移采集系统和控制系统能够有效测量岩石的膨胀率，通过设置称量系统，能够测量岩石的吸水率，通过测量岩石的膨胀率和吸水率，能够更加精确地反映岩石的物理性质。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种测量岩石膨胀率和吸水率的测试方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种岩石的“时间-膨胀率曲线”示意图；

图5为本申请实施例提供的一种岩石的“时间-吸水率曲线”示意图。

附图标记说明

试验装置1；水槽组件11；水槽111；连接管112；开关阀113；排水阀114；保水系统12；蓄水桶121；输水管122；动力泵123；水位传感器124；液位控制器125；位移采集系统13；位移传感器131；位移采集器132；隔离件133；透水板134；称量系统14；控制系统15；温控系统16；温控箱161；温度传感器162；温控器163；监测系统17；岩石2。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

下面结合附图及具体实施例对本申请再做进一步详细的说明。本申请实施例中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含地包括至少一个特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

岩石的自由膨胀率是岩石物理性能中一项重要指标，是反映岩石膨胀性的重要参数。对于某些膨胀性大的岩石而言，在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能较好，但遇水后该类岩石会短时间内迅速膨胀，力学性质大幅降低。因此对岩石的膨胀性能评判的准确与否，对工程设计、加固、施工方法的确定具有重要的参考价值和意义。

在传统的岩石膨胀性试验中，通过自由膨胀率仪来测量岩石的轴向以及径向自由膨胀率，从而评判岩石的膨胀性，但这种测量仪器只能测量岩石自由膨胀率这一项指标，作用比较单一。

有鉴于此，本申请实施例一方面提供了一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置，请参阅图1，包括水槽组件11、保水系统12、位移采集系统13、称量系统14、控制系统15以及温控系统16。水槽组件11包括至少一个水槽111，用于放置待测量的岩石2。例如，可以同时做三个岩石2的测量取平均值，故水槽组件11可以包括三个水槽111。水槽111位于温控系统16内，用于调节水槽111内的环境温度。保水系统12与至少一个水槽111连接，用于调节水槽111内的水位。例如，如图1所示，保水系统12设置在水槽111的左侧，用于向左侧的第一个水槽111内注水，相邻水槽111之间连通。保水系统12也可以分别为每个水槽111注水，每个水槽111之间可以不连通。位移采集系统13用于测量岩石2的膨胀位移，膨胀位移包括轴向膨胀位移和径向膨胀位移。称量系统14位于温控系统16的下方，用于测量岩石2的重量。控制系统15分别与温控系统16、保水系统12、位移采集系统13和称量系统14电连接，例如控制系统15可以是计算机，与保水系统12、位移采集系统13、称量系统14以及温控系统16电连接，以发出或者接收信号；控制系统15还可以包括软件程序，用于计算岩石2的膨胀率和吸水率，或实时展示“时间-膨胀率曲线”和/或“时间-吸水率曲线”，以方便试验人员实时观察岩石2的变化。

本申请实施例采用水槽组件11放置待测试岩石2，通过保水系统12、位移采集系统13以及控制系统15，能够有效测量岩石2的膨胀率，通过设置称量系统14能够测得岩石2吸水率，通过测量岩石2的膨胀率和吸水率，采用温控系统16能够调节岩石2的环境温度，能够准确反映岩石2物理性质。

在一实施例中，试验装置1可以不包括称量系统14或者位移采集系统13，即可以对岩石2进行单项测试，例如，单独的吸水率试验或者膨胀率试验，减小试验装置1体积，降低成本。

可以理解的是，本申请实施例的试验装置1包括称量系统14或者位移采集系统13，同样可以对岩石2进行单独的吸水试验或者膨胀试验的单项测试，即进行吸水率试验时不连接位移采集系统13即可，进行膨胀率试验时不开启称量系统14即可。

可以理解的是，保水系统12调节的水应理解为广义的概念，即应理解为液体，也可以是纯净水、自来水、海水或其他溶液。例如，可以是酸性或者碱性溶液，测量岩石2的抗腐蚀性能。

在一实施例中，水槽组件11还包括连接管112、开关阀113和排水阀114。水槽111的数量至少为两个，相邻两个水槽111之间用连接管112连通。例如，水槽111的数量为三个，三个水槽111水平放置，每两个相邻的水槽111之间通过连接管112连通，也就是说，三个水槽111通过连接管112形成为一个连通器，只需要一个保水系统12对其中一个水槽111进行注水就可以达到三个水槽111同步注水的效果，以进行多组岩石2测试，提高试验效率。

开关阀113设置在连接管112上，以关闭或者打开连接管112。例如，开关阀113可以是手动或电动止水件，分别设置在每根连接管112上，当只需进行一个或者两个水槽111进行试验时，可以通过关闭开关阀113，此时，注水只注在第一个或者第一个和第二个水槽111中，使得试验装置1更加灵活。至少一个水槽111上设置排水阀114，用于排空水槽111中的水。例如，排水阀114数量为一个，可以设置在末尾的水槽111上；也可以设置在每一个水槽111上，使得排水更加迅速，加快试验节奏。

在一实施例中，保水系统12包括蓄水桶121、输水管122、动力泵123、水位传感器124和液位控制器125。蓄水桶121用于储存水；输水管122连接在蓄水桶121和至少一个水槽111之间。例如，当只需行一个水槽111进行试验时，输水管122一端连接在蓄水桶121上，另一端安装在一个水槽111上；当需要多个水槽111进行试验时，可以使用一根输水管122；也可以使用多根输水管122分别安装在不同的水槽111上，加速试验进行。动力泵123设置在输水管122上，用于将蓄水桶121中的水泵入水槽111中；水位传感器124设置在水槽111内的预设水位处；液位控制器125分别与动力泵123、水位传感器124和控制系统15电连接，液位控制器125接收到水位传感器124发出的信号，以控制动力泵123打开或者关闭。例如，水位传感器124可以是浮球阀，设置在水槽111的预设水位处，当水槽111内的水较少，低于预设水位时，液面会触动浮球，浮球阀向液位控制器125发出信号以打开动力泵123的开关，以使水槽111的水位达到预设水位；当水槽111内的水较多时，水位超过预设水位，液面会触动浮球，浮球阀向液位控制器125发出信号，液位控制器125关闭动力泵123的开关，动力泵123停止往水槽111内注水。

控制系统15与液位控制器125电连接，还可用于给出两种工况指令，第一种工况指令用于保水系统12保持水槽111内的水位，第二工况指令用于在水槽111需要排空水时保水系统12不向水槽111内注水。

本实施例中采用动力泵123、水位传感器124以及液位控制器125，能够自动控制水槽111内的水位保持在预设水位上，使岩石2一直浸泡在水中，避免岩石2浸水不充分造成的测量不准确，提高岩石2测量的精度。

在一实施例中，请参阅图2，与上述实施例不同的是，水位传感器124与动力泵123电连接，水位传感器124根据监测的水位情况发出信号控制动力泵123的开关打开或关闭。液位控制器125分别与动力泵123和控制系统15电连接，用于控制动力泵123的开启流量，能够精确控水流量大小。例如，当前水位离预设水位差距较大，液位控制器125加大动力泵123的开启流量，使水位快速达到预设水位；当快接近预设水位时，液位控制器123减小动力泵123的开启流量，缓慢涓流，精确控制水位，节约水资源。

在一实施例中，水位传感器124也可以是浮筒式或者静压式水位传感器。在一实施例中，位移采集系统13包括位移传感器131、位移采集器132、隔离件133以及透水板134。位移传感器131连接在岩石2的测试表面，用于测量岩石2的膨胀位移。例如，岩石2一般加工为立方体，便于位移传感器131的安装。位移采集器132分别与控制系统15和位移传感器131电连接，用于采集位移传感器131测量的膨胀位移，并传回给控制系统15。例如，位移传感器131可以是光栅尺位移传感器，精度为0.001mm；位移传感器131一端连接在岩石2的测量表面，另一端连接在位移采集器132上，由于岩石2吸水后会发生膨胀，引起位移传感器131的发生变化，位移采集器132每间隔预设时间如每隔1min采集一次，并传回给控制系统15，最后通过控制系统15的软件程序，实时计算出岩石2的自由膨胀率。隔离件133设置在位移传感器131与岩石2之间。例如，隔离件133可以是薄铜片，厚0.2mm，设置在位移传感器131感底部与岩石2的测量表面之间；隔离件133还可以是金属薄板等具有一定刚性的平板。透水板134设置在岩石2的上端面和下端面，岩石2的上端面的隔离件133位于透水板134上，用于岩石2充分浸润和过滤杂质。

可以理解的是，隔离件133与透水板134不同之处在于，隔离件133是用于隔离位移传感器131与岩石2之间，具有一定的刚性，防止位移传感器131底部陷入岩石2内而影响测试精度；透水板134是用于使岩石充分浸润和过滤杂质，阻止泥土等微粒通过，避免杂质堵塞通道。岩石2底部设置透水板134，水从透水板134渗入到岩石2的底部，避免岩石2浸水不均匀。

本实施例通过设置位移传感器131、位移采集器132、隔离板和透水板134，能够进行实时读数，减少人工读数时的误差，保证数据的准确性。

在一实施例中，位移传感器131上涂有防水涂层；避免水汽腐蚀位移传感器131，提高测量精度。

在一实施例中，温控系统16包括温控箱161、温度传感器162和温控器163。水槽111位于温控箱161内，称量系统14位于温控箱161下方；温度传感器162设置在温控箱161内，用于检测温控箱161的当前温度；温控器163分别与温度传感器162和控制系统15电连接，温控器163接收到控制系统15发出的信号，用于将当前温度调节至目标温度。例如，温控箱161中安装有温度传感器162，可以检测温控箱161内的当前温度，测量范围为0-60℃，温度传感器162与温控箱161外的温控器163电连接，人工可以在控制系统15中设定一个目标温度，当温控箱161内的当前温度不满足目标温度时，温控器163会自动调节温控箱161内的温度至目标温度，使之满足要求；还可以模拟岩石2采取时所处的真实环境温度，使试验更加准确反映其物理性能，例如，可以模拟岩石2采取所处地一天的温度变化。

本实施例通过温控系统16不仅能够对试验过程的温度进行精确控制，还能针对岩石2采取时所处的真实环境，对试验设定不同的温度，使得试验能够更加准确地测量岩石2的性能，对工程设计和加固等具有重要的参考价值。

在一实施例中，温控系统16可以是在温控箱161中放入一个空调器，通过设定目标温度，使岩石2处于目标温度中。方便快捷。

在一实施例中，试验装置1还包括监测系统17，监测系统17设置在水槽111的上方，与控制系统15电连接，用于监测岩石2的状态。具体地，监测系统17可以是三维激光扫描仪，可以旋转地设置在水槽111上方。例如，三维激光扫描仪可旋转设置在水槽111上方对应的温控箱161顶部位置，每隔预设时间如每隔1min就对岩石2进行扫描，并且所有扫描的记录能够在控制系统15中实时显现出来。

本实施例中通过在水槽111上方设置监测系统17，并与控制系统15连接，能够实时观察岩石2不同时刻的状态，也可以监测其他装置的运行状态。

在一实施例中，监测系统17还可以是微型摄像机或者其他能够实时对岩石2进行监测的装置。

本申请实施例另一方面公开了一种测量岩石2膨胀率和吸水率的测试方法，请参阅图3，测试方法包括：

S1：标记立方体状岩石2上下两端面和四侧面的中心部位，测量岩石2原高度H和原边长D；

S2：将岩石2放入温控系统16内的水槽111中；

S3：在岩石2的上端面和四侧面的中心部位分别连接位移采集系统13；

S4：打开称量系统14，称量温控系统16内除岩石2外的其余物品的质量m₀，将岩石2放入水槽111内，称量温控系统16内所有物品的质量m_s；

S5：通过控制系统15设定目标温度，打开监测系统17监测岩石2的状态；

S6：打开保水系统12向水槽111内注水，直至淹没岩石2；

S7：打开位移采集系统13，控制系统15记录岩石2的轴向变形△H和径向平均变形△D；

S8：通过控制系统15控制保水系统12的液位控制器125，排出全部水槽111的水，称量此时温控系统16内所有物品的重量m_a；

S9：通过控制系统15内的软件程序，计算岩石2的轴向自由膨胀率、径向自由膨胀率和吸水率。

可以理解的是，上述试验步骤的顺序不做限制，可根据具体试验灵活调整。

本实施例采用的测试方式能够准确计算出岩石2的轴向和径向的自由膨胀率以及吸水率。

下面对测量岩石2膨胀率和吸水率的测试方法进行示例性说明：

步骤一、岩石2的数量为三个，试验取三次平行试验结果的平均值作为岩石2自由膨胀率的结果。

步骤二、对岩石2的名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结性物质、膨胀变形和加荷方向分别与层理、片理以及节理裂隙之间的关系，岩石2加工方法；

步骤三、标记岩石2上、下端面和四侧面的中心部位，使用游标卡尺测量岩石2的原高度H和原边长D；

步骤四、将岩石2放入水槽111内，在岩石2的上、下端面各放置一块透水板134；

步骤五、在岩石2的上端面和四侧面的中心部位分别连接位移传感器131，位移传感器131与岩石2的接触处应垫上一块隔离件133；

步骤六、打开称量系统14，称量温控箱161内除了岩石2外其余物品的质量m₀，将岩石2放入温控箱161内，称量温控箱161内所有物品(包括未浸泡水时岩石2)的质量m_s。

步骤七、通过控制系统15，设定目标温度，打开三维激光扫描仪。通过保水系统12缓慢向水槽111内注水，直至淹没上透水板134。

步骤八、通过控制系统15的计算机设置每隔1min采集一次数据，直至连续3个小时中的每个小时岩石2的变形不大于0.001mm为止，此时岩石2的轴向变形△H和径向平均变形△D。

步骤九、通过控制系统15控制保水系统12，排出全部水槽111中的水，称量此时温控箱161内所有物品的重量m_a。

步骤十、通过控制系统15内的软件程序，计算岩石2的轴向自由膨胀率、径向自由膨胀率和吸水率，公式如下：

轴向自由膨胀率：

径向自由膨胀率：

吸水率：

步骤十一、通过控制系统15计算出的数据绘制出“时间-膨胀率”和“时间-吸水率”曲线。

在一实施例中，岩石2采用干法加工成立方体。例如，岩石2通过干法加工成边长为50mm～60mm的立方体。便于对岩石2进行安装和测量。

在一实施例中，请参阅图4和图5，控制系统15实时显示图像化的岩石2的扫描记录，以观察岩石2不同时刻的状态。例如，控制系统15可以根据试验时间控制保水系统12及时排水，以获得不同时刻岩石2的质量和位移数据，通过控制系统15计算并图形化显示岩石2不同时刻的膨胀率和吸水率，便于对试验进行归纳总结与汇报。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量岩石膨胀率和吸水率的试验装置，其特征在于，包括：

水槽组件，包括至少一个水槽，用于放置待测量的岩石；

温控系统，所述水槽位于所述温控系统内，用于调节所述水槽的环境温度；

保水系统，与至少一个所述水槽连接，用于调节所述水槽内的水位；

位移采集系统，用于测量所述岩石的膨胀位移；

称量系统，位于在所述温控系统下方，用于测量所述岩石的重量；以及

控制系统，分别与所述温控系统、所述保水系统、所述位移采集系统和所述称量系统电连接。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述水槽组件还包括连接管、开关阀和排水阀，所述水槽的数量至少为两个，相邻两个所述水槽之间用所述连接管连通，所述开关阀设置在所述连接管上，以关闭或者打开所述连接管，至少一个所述水槽上设置所述排水阀，用于排空所述水槽中的水。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述保水系统包括：

蓄水桶，用于储存水；

输水管，连接在所述蓄水桶和至少一个所述水槽之间；

动力泵，设置在所述输水管上，用于将所述蓄水桶中的水泵入所述水槽中；

水位传感器，设置在所述水槽内的预设水位处；以及

液位控制器，分别与所述动力泵、所述水位传感器和所述控制系统电连接，所述液位控制器接收所述水位传感器发出的信号，以控制所述动力泵打开或者关闭。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述保水系统包括：

蓄水桶，用于储存水；

输水管，连接在所述蓄水桶和至少一个所述水槽之间；

动力泵，设置在所述输水管上，用于将所述蓄水桶中的水泵入所述水槽中；

水位传感器，设置在所述水槽内的预设水位处，所述水位传感器与所述动力泵电连接，根据监测的水位情况发出信号控制所述动力泵的开关打开或关闭；以及

液位控制器，分别与所述动力泵和所述控制系统电连接，用于控制所述动力泵的开启流量。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述位移采集系统包括：

位移传感器，连接在所述岩石的测量表面，用于测量所述岩石的膨胀位移；

位移采集器，分别与所述控制系统和所述位移传感器电连接，用于采集所述位移传感器测量的膨胀位移，并传回给所述控制系统；

隔离件，设置在所述位移传感器与所述岩石之间的接触处；以及

透水板，设置在所述岩石的上端面和下端面，所述岩石上端面的所述隔离件位于所述透水板上。

6.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述位移传感器上涂有防水涂层。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述温控系统包括：

温控箱，所述水槽位于所述温控箱内，所述称量系统位于所述温控箱下方；

温度传感器，设置在所述温控箱内，用于检测所述温控箱的当前温度；以及

温控器，分别与所述温度传感器和所述控制系统电连接，所述温控器接收到所述控制系统发出的信号，用于将所述当前温度调节至目标温度。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括监测系统，所述监测系统设置所述水槽上方，与所述控制系统电连接，用于监测所述岩石的状态。

9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于，所述监测系统为三维激光扫描仪，可旋转设置在所述水槽上方。

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