CN105424527A - 一种模拟库岸边坡消落带浸泡-风干岩循环作用试验仪 - Google Patents

Abstract

一种模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，包括试验仪器壳体，壳体上部设有盖板，下部设有底座，盖板上设有取样口、放气螺栓、进水管，底座设有出水管并与水箱连接，共同构成水循环***，壳体内设有金属透水板试样托架，压力气囊置于壳体内，压力气囊与压力控制***连接，温控加热装置设-置于底座上。发明同时设置有动、静水循环控制装置，浸泡-风干循环装置，可模拟库水位的升降变化以及在库水压力状态下岩石的溶解特性、冲刷作用。通过模拟试验，可以为研究大型水库库岸边坡防护以及地质灾害评价预测提供可靠的试验数据依据。

Description

一种模拟库岸边坡消落带浸泡-风干岩循环作用试验仪

技术领域

本发明涉及岩石力学试验领域中的水-岩作用试验装置，可用来研究库岸边坡消落带岩体在浸泡-风干循环条件下、不同水压力条件下、以及不同温度条件下的损伤劣化效应和劣化机理。

背景技术

大量岩土工程问题需要了解水-岩作用的特性。库岸边坡由于库水位的变化，水-岩作用是在浸泡-风干循环环境以及一定的水压力条件下进行的，水-岩相互作用将受浸泡-风干循环、水压力以及水温影响，水-岩作用下库岸边坡岩体的物理力学特性劣化规律将直接影响库岸边坡的安全。目前，对水-岩作用的研究着重于不同含水状态或者短期、长期的浸泡，很少考虑浸泡-风干的循环过程，也没有较好的考虑浸泡时水压力的变化，缺少一种仪器可较好模拟库岸边坡消落带岩体的实际赋存环境。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环过程和水压力升降变化的水-岩作用试验仪。

本发明的目的是这样实现的：一种模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置包括试验仪壳体，壳体上部设有盖板，下部设有底座，在壳体内设有金属透水板试样托架，由空心带孔钢管通过轴承支承金属透水板试样托架，盖板上设有进水管，放气螺栓和取样口，压力气囊置于壳体内，压力气囊与气囊进气阀连接;

壳体内的空心带孔钢管由空心支座支承；空心支座内部为空心的，且两侧各空心隔层，并且空心支座顶部具有孔洞；

在空心支座内固定有加热棒和温度传感器，并且在空心支座下端设有通风口和排出余量水兼取水样口，并在通风口处设置鼓风机。

进一步讲，在盖板和底座之间设有由加固螺栓固定的加固杆，并且在盖板和壳体之间、底座与壳体之间均设置有垫圈。

进一步讲，水循环控制***包括进水管、进水阀门、水泵、出水管、出水阀门以及水箱控制阀和水箱，水箱通过出水管与壳体底部连通，在出水管上设有出水阀，水箱通过进水管与壳体上部连通，在进水管上设有进水阀门，水泵将水箱内的水抽入进水管中。

进一步讲，壳体上还设有套在钢管上的隔气套，所述隔气套一端设在壳体内、另一端设在壳体外，设在壳体外的端头上设有盖板，设在壳体内的隔气套上设有多个通气孔。

进一步讲，温度传感器与电源串联，并且由温控开关控制加热棒工作。

进一步讲，压力气囊为中空环状结构。

进一步讲，储气瓶与压力表之间设有放气阀，气压调节阀与压力表连接，气压调节阀通过连接管与气囊进气阀连接，由此共同组成压力控制***。

进一步讲，试样托架由两块有高差的可以自由转动的半圆形金属透水板组成，并且在两块半圆形金属透水板的交界处分别设有限位立柱和孔洞。

还可以，钢管外表面与隔气套内表面之间设有填充物。

还可以，填充物为砂、石或是泥土。

本发明提供模拟库岸边坡消落带浸泡-风干水-岩循环作用试验仪，该仪器的压力室的水压力由外接压力控制器进行控制，可以实现模拟岩石和水在不同水压力条件下的相互作用；同时试验仪设置有动、静水循环控制装置，通过水箱分别与水泵及盖板和底座的连接，模拟库水的扰动；设置取水样口，可以方便获取水样，以便进行水溶液分析；另外，试验仪设置有干、湿循环控制装置，模拟库岸库水上升下降的影响。

本发明还具有结构简单、易操作、安全可靠的特点：可以模拟在库水压力反复作用及温度作用下岩石的溶解特性，为研究大型水库库岸再造机理提供了试验平台；同时还可以模拟岩石在动水压力状态下的崩解过程，配合岩石力学损伤试验研究，进一步明确在动水压条件下岩石力学损伤机理，为库岸防护以及地质预测预报提供可靠的试验数据。

本发明的设计思路如下：考虑到容量及可操作性的要求，将仪器设计为直径一米、高一米的圆柱体；透明壳体方便观察仪器内试验情况；上部取样盖避免了拆卸整个盖板的情况，考虑到进排水情况，分别在盖板与底座设有排气孔、进水管与出水管；试样托盘设计为金属透水板，利于试样与水或空气的接触，同时每层试样托盘设计为有高差的两片半圆形板，便于叠起后取下层试样，另外对应位置设有限位立柱与孔洞，便于进行固定防止滑移打翻试样；支承托盘的中柱由空心带孔钢管构成，与底座中心处的方盒空心支座连接，提高风干效率；仪器底部采用滚轮，方便仪器的搬运与移动。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置的浸泡-风干循环及水温加热***示意图。

图4为本发明模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置的取样盖细部图。

图5为本发明模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置的金属透水板式样托架细部图。

图6为本发明模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置的优选结构示意图。

如图中，壳体1、盖板2、底座3、试样托盘4、钢管5、轴承6、进水管7、放气螺栓8、取样口9、压力气囊10、气囊进气阀11、加固螺栓12、加固杆13、垫圈14、进水阀门15、水泵16、出水管17、出水阀门18、空心支座21、加热棒22、温度传感器23、通风口24、排出余量水兼取水样口25、鼓风机26、电源插头27、温控开关28、气压调节阀29、压力表30、放气阀31、储气瓶32、限位立柱33、孔洞34、进气阀门39、底部阀门40、手把41、岩石试样42、隔气套43。

具体实施方式：

一种模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，包括试验仪体壳体，壳体上部设有盖板，下部设有底座以及水箱，在壳体内设有金属透水板试样托架，盖板上设有取样盖、进水管和放气螺栓，压力气囊置于壳体内，压力气囊通过气囊进气阀与压力控制***连接。温控加热装置安装在壳体下部，与通风口及取水样口连接。在盖板和底座之间设有由加固螺栓固定的加固杆。压力气囊为中空环状结构。压力控制***包括储气瓶，储气瓶与压力表之间设有放气阀，气压调节阀与压力表连接，气压调节阀通过连接管与气囊进气阀连接。温控加热装置设置于底座中心处。以方形支承为主体，包括加热棒、温度传感器、温控开关，在外部与电源连接。

如图1、2、4中，模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置包括壳体1，壳体1上部设有盖板2，下部设有底座3，在壳体1内设有金属透水板试样托架4，底座3设有空心支座21,试样托盘4（见图5中，试样托架4由两块有高差的可以自由转动的半圆形金属透水板组成，并且在两块半圆形金属透水板的交界处分别设有限位立柱33和孔洞34与空心带孔钢管5通过轴承6连接，盖板2上设有进水管7，放气螺栓8和取样口9，下部底座3设有出水管17，气囊进气阀11。压力气囊10置于壳体1内，压力气囊10通过气囊进气阀11与压力控制***连接，排除余量水兼取水样口25与壳体1内部方盒空心支座21相通。通风口24与排除余量水兼取水样口25相连。如图1、3中，壳体1内的空心带孔钢管5由空心支座21支承；空心支座21内部为空心的，且两侧各空心隔层，并且空心支座21顶部具有孔洞；

在空心支座21内固定有加热棒22和温度传感器23，并且在空心支座21下端设有通风口24和排出余量水兼取水样口25，并在通风口24处设置鼓风机26，加热棒22与温度传感器23分别固定在底座3方盒空心支座21侧壁处，底座3外部设有温控开关28与加热棒22、温度传感器23相连接，浸泡-风干循环及水温加热***中温度传感器23与加热棒22连接，并在中间设置温控开关28，温度传感器23和电源插头27直接连接；压力气囊10为中空环状结构。

优选的，在盖板2和底座3之间设有加固螺栓12固定的加固杆13。

压力控制***包括储气瓶32，储气瓶32与压力表30之间设有放气阀31，气压调节阀29与压力表30连接，气压调节阀29通过连接管与气囊进气阀11连接。

水循环***中进水管7与水泵16相连，底座3下部的出水管17设有出水阀门18，水泵16与水箱之间设有水箱控制阀19，水泵16与进水管7之间设有进水阀门15。

优选的，盖板2上设有手把41。

如图6中，壳体1上还设有套在钢管5上的隔气套43，隔气套43一端设在壳体内、另一端设在壳体1外，设在壳体外的端头上设有盖板，工作时盖上盖板，设在壳体内的隔气套上设有多个通气孔。

优选的，钢管5外表面与隔气套内表面之间设有填充物，如果填充物为砂、石或是泥土，可以通过钢管5吹出的气体，将填充物吹出隔气套43，从而模拟更为真实的自然环境，在现实中，水库不仅有水的冲刷，还有水中夹杂的泥、砂的冲击，可以通过加入砂、石、泥土的比例和吹出气体的速度来进行模拟不同环境下的冲刷作用，如果填充物是钢片时，可以阻止钢管5内的气体通过隔气套43吹入壳体1内，通过控制填充物填充的高度，隔气套43上那个位置的通气孔通气。

工作原理如下：

首先将制好的岩石试样42放入由壳体1，盖板2以及底座3等构成的水压力室内，分层摆放，或是如图6中，在壳体1中放入一个整块的岩石试样42；

关闭进气阀门39以及底部阀门40，密封取样口9，打开进水阀门15和水箱控制阀19，将水箱20里的水通过水泵16由进水管7向水压力室内注水，注水期间放气螺栓8打开，将水压力室内空气排出，直至水漫出进水管7后，关闭水箱控制阀19，拧紧放气螺丝8。试验过程中，水泵16持续工作使水处于循环流动状态，通过控制水泵16转速来模拟江河岸边水流动态。

将压力气囊10与外部压力控制***连接，控制***的储气瓶32采用充有氮气的气瓶，开启储气瓶32总开关，气源的压力表30显示储气瓶32的压力值，关闭气囊进气阀11，打开放气阀31检测是否有气流排出，之后关闭放气阀31，缓慢旋转气压调节阀29，当压力表30上显示的压力达到试验所需要的压力后，打开气囊进气阀11向压力气囊10充气，此时通过外部压力***将稳定的试验所需压力通过放置于水压力室底部的压力气囊10传递给水，形成与外部压力***相同的压力，实现了库水压力的模拟。

将加热棒22通电，通过温度传感器23和温控开关28控制加热棒22工作，当水温达到预定温度范围时，此时温度传感器向温度开关28传达指令，温控开关28断开，则加热棒22停止工作；当温度传感器28测到水温低于预定温度范围时，温控开关28自动闭合，从而使加热棒开始工作，实现了浸泡水溶液的温度控制，在浸泡过程中，可以按照要求从取水样口25取水样进行离子成分和浓度分析。

有压浸泡结束之后，关闭储气瓶32总开关，打开压力调节阀29和放气阀31，排除压力气囊中的残余气体；关闭进水阀门7，打开出水阀门18、水泵16和水箱控制阀19，将水泵入水箱20，当装置中的水排尽后，打开排出余水量兼取水样口25排出方盒空心支座中的水；然后关闭底部阀门40，打开进气阀门39，采用加热棒22加热，用鼓风机24向壳体内通风，从而使岩样加快风干，模拟消落带风干过程。

按照设定的试验方案，在浸泡结束或者风干结束阶段可以取出岩样进行物理力学试验，测试相关参数。

需要模拟含泥、砂、石进行冲刷的试验时，可以在隔气套43中加入配制好的泥、砂、石，并启动鼓风机26，关闭底部阀门40，通过鼓风机26使隔气套43中的泥、砂、石吹出。

Claims (10)

1.一种模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，包括试验仪壳体（1），其特征在于：壳体（1）上部设有盖板（2），下部设有底座（3），在壳体（1）内设有金属透水板试样托架（4），由空心带孔钢管（5）通过轴承（6）支承金属透水板试样托架（4），盖板（2）上设有进水管（7），放气螺栓（8）和取样口（9），压力气囊（10）置于壳体（1）内，压力气囊（10）与气囊进气阀（11）连接;

壳体（1）内的空心带孔钢管（5）由空心支座（21）支承；空心支座（21）内部为空心的，且两侧各空心隔层，并且空心支座（21）顶部具有孔洞；

在空心支座（21）内固定有加热棒（22）和温度传感器（23），并且在空心支座（21）下端设有通风口（24）和排出余量水兼取水样口（25），并在通风口（24）处设置鼓风机（26）。

2.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：在盖板（2）和底座（3）之间设有由加固螺栓（12）固定的加固杆（13），并且在盖板（2）和壳体（1）之间、底座（3）与壳体（1）之间均设置有垫圈（14）。

3.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：水循环控制***包括进水管（7）、进水阀门（15）、水泵（16）、出水管（17）、出水阀门（18）以及水箱控制阀（19）和水箱（20），水箱通过出水管与壳体底部连通，在出水管上设有出水阀，水箱通过进水管与壳体上部连通，在进水管上设有进水阀门，水泵将水箱内的水抽入进水管中。

4.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：所述壳体（1）上还设有套在钢管（5）上的隔气套（43），所述隔气套（43）一端设在壳体内、另一端设在壳体（1）外，设在壳体外的端头上设有盖板，设在壳体内的隔气套上设有多个通气孔。

5.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：温度传感器（23）与电源插头（27）串联，并且由温控开关（28）控制加热棒（22）工作。

6.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：压力气囊（10）为中空环状结构。

7.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：储气瓶（32）与压力表（30）之间设有放气阀（31），气压调节阀（29）与压力表（30）连接，气压调节阀（29）通过连接管与气囊进气阀（11）连接。

8.根据权利要求1所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：试样托架（4）由两块有高差的可以自由转动的半圆形金属透水板组成，并且在两块半圆形金属透水板的交界处分别设有限位立柱（33）和孔洞（34）。

9.根据权利要求4所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：所述的钢管（5）外表面与隔气套内表面之间设有填充物。

10.根据权利要求9所述的模拟库岸边坡消落带浸泡-风干循环作用试验装置，其特征在于：所述填充物为砂、石或是泥土。