CN108593515A - 一种岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石力学试验技术领域，公开了一种岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪及测量方法，设置有：试样箱；试验箱由主体框架、承压透水推板、受压透水推板组成；受压透水推板经活塞杆穿过密封盖由压圈和密封圈密封，连接定位帽、位移千分表触板与调节螺栓相连。本发明采用简单方便的注水和排水功能，且能使式样均匀受水膨胀；同时满足膨胀性岩石试样在仪器内部实现湿胀干缩循环，并能量测特定温度下试样的膨胀力；膨胀力较精确，误差小，自动化程度较高；用位移千分表量测的位移量更加精确；同时增加测定试样的三向渗透系数的功能，并能测量其他条件相同、温度不同条件下试样的渗透系数，实现比较同一试样不同温度下渗透系数的变化。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，尤其涉及一种岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪及测量方法。
背景技术
膨胀性岩石(岩石中含有大量粘土质矿物，其中的蒙脱石具有较好的亲水性，即吸水膨胀和失水收缩的特性)是现代工程地质学和土力学研究中极具特殊性质的研究领域。我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一，且膨胀性岩石分布也较广泛。每年都有大量工程建筑遭受膨胀性岩石的严重破坏，由于膨胀性岩石的膨胀特性引起路面波状起伏、护坡及挡土墙等位移滑动、地下洞室破坏等等。造成了极大的经济损失。国内目前已经有膨胀性岩土的三向膨胀力的试验装置，虽然现有的测量仪器可以满足大部分试验的需求，但由于当时技术条件限制，只是单一的考虑测土的膨胀性质，因此仍然存在诸多缺陷。①当前的三向胀缩仪虽然可以测出X、Y、Z方向的膨胀力和变形量，但测量精度不够，无法精确测量。②因为现有设备的加热性能不好，加热速度慢，加热不够均匀。不能实现试样的干缩和测量特定温度下试样的膨胀力。③同时现有的膨胀仪没有测定试样的三向渗透系数功能。④现有仪器大都是通过仪表显示，人工计数的方式，不能通过电脑进行自动收集数据。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的膨胀性岩土的三向膨胀力的试验装置位移量测工具即位移百分表量测误差较大，现由仪器安装精度较高的位移千分表，可以解决测量精度的问题；由于材料的限制，不能实现均匀加热，加热速度慢，解决后可以实现材料的匀速加热，从而提高实验的快速测量；现有仪器只是单纯的膨胀率测定，没有测定试样的三向渗透系数功能，此仪器可以实现膨胀率与渗透率的双向测定；现有仪器不能自动的采集数据，是人工记数，此仪器千分表连接电脑程序可自动计数，解决计数过程中的误差问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪及测量方法。
本发明是这样实现的，一种岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪，所述岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪设置有：
试样箱；
所述试验箱由主体框架、承压透水推板、受压透水推板组成；
所述受压透水推板经活塞杆穿过密封盖由压圈和密封圈密封，连接定位帽、位移千分表触板与调节螺栓相连。
进一步，所述调节螺栓由拉杆和横梁组成的支架进行固定；
所述拉杆固定在密封盖上，承压透水推板经过活塞杆和传力接头与荷载传感器相连。
进一步，加热环布置在6个活塞面板上长度为40mm。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪的岩石三向膨胀的测量方法，所述岩石三向膨胀的测量方法包括以下步骤：
(1)将试样制成尺寸为40mm*40mm*40mm的小正方体，拧开紧固螺栓，打开上方密封盖板，其余5个面上紧挨承压透水推板和受压透水推板放置透水石将；将试样放入试样箱内，紧挨试样放置透水石，盖上密封盖板，拧紧紧固螺栓，调节调节螺栓，使试样、透水石、透水推板三者紧密接触；调节位移千分表使指针指零；打开荷载传感器装置使其读数仪表为零；
(2)通过进水孔倒入少量水，使试样慢慢受水湿润，期间多次加水，使试样受水膨胀。经透水石、承压透水推板、活塞杆传力接头与荷载传感器相连接。通过与荷载传感器连接的读书装置读出三个方向的膨胀力；通过调节每个方向上的调节螺栓，改变每个方向上位移量，通过位移千分表量测出每个方向上的对应的位移量，再观察对应位移量上的膨胀力大小及膨胀力的变化；
(3)在其他环境条件都相同的情况下进行加热，利用温度控制***，通过加热环，将试样加热至设定的温度；再观察试样每个方向上膨胀力的变化。至此完成膨胀岩石的膨胀力测定；
(4)试验结束后，将装置放置在阴凉通风处，对加热环进行自然降温处理，然后拆卸装置，取出膨胀岩石试样。清洗仪器，保证仪器干燥，干净。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述岩石三向膨胀及渗透系数的三向渗透系数的测定方法，所述三向渗透系数的测定方法包括以下步骤：
(1)在室外用体积为80mm*80mm*80mm的上下通孔的取样器取原状土，带回室内浸入水中；砂土浸4—6小时，壤土浸8—12小时，粘土浸24小时；浸水时，保持水面与正方形筒体上口平齐；
(2)将仪器正下方的荷载传感器和传力接头取走，使承压透水版下降至紧密接触下方密封盖；打开仪器正上方的密封盖，在正下方的承压透水推板上方放置透水石，且在透水石边缘再滴加溶蜡粘合与仪器的缝隙，其余四个面放置不透水石再滴加溶蜡粘合与仪器的缝隙；在试样上方放置透水石，盖上密封盖，拧紧紧固螺栓且在下方出水孔处放置烧杯；
(3)用烧杯通过上方进水孔往仪器内部注水，使水加满至进水孔；
(4)加水后，自下面出水孔滴下第一滴水时开始计时，以后每隔2、3、5…分钟更换漏斗下面的烧杯，并分别量渗水量Q1、Q2、Q3……Qn；每更换一次烧杯后将上面进水孔水面加至原来高度，同时记录水温；
(5)计算渗透系数，试验应重复四次，取算术平均数；
(6)换算为10℃时的渗透系数K10，换算公式如下：
K10＝Kt/(0.7+0.03t)；
式中，Kt为温度t℃时的渗透系数，单位为mm/min；t为渗透测定时入渗水的温度；
(7)需比较同一试样在除温度不同，其他条件相同情况下试样的渗透系数，利用温度控制***和加热环对试样加热到预定温度，将注水温度也调到相应温度，在此温度下做试样的渗透实验，换算成温度为10℃时的渗透系数进行比较；
(8)停止试验，使加热环和仪器自然降温，取出试样，清洗仪器内部，晾干。
进一步，所述渗透系数的计算公式为：
K—土壤的渗透系数；
Q—在时间t内渗透过一定截面积A的水量Q；
T—渗透时间；
I—水压梯度，即渗透层中单位距离内的水压降。
本发明的优点及积极效果为：采用简单方便的注水和排水功能使式样均匀受水膨胀；本发明在特定位置用位移千分表量测的位移量更加精确，误差小，自动化程度较高；利用加热装置，可以控制加热温度，可以测定不同温度下试样的膨胀力和渗透系数及其变化，可以和同等条件下，不同温度测定的结果形成对比，使试验结果更具有科学意义和说服力；本发明在节约材料的前提下可以既可以测量热环境条件下膨胀岩土的三向膨胀力，也可以单独研究试样的三向渗透系数，较之前的实验要节约一倍的材料；利用高精度的荷载传感器和数据自动采集终端对膨胀性岩土试样的三向膨胀力进行智能测量，避免手工计数，提高了测量试验的精确度和成功率，操作更加方便快捷。本发明可以测量热环境条件下膨胀岩石的三向膨胀力，也可以单独研究试样的三向渗透系数；还可以实现试样的湿胀干缩循环；利用高精度的荷载传感器和数据自动采集终端对膨胀性岩石试样的三向膨胀力进行智能测量，大大提高了测量试验的精确度和成功率；自动化程度较高，操作更加方便快捷；对注水方式进行改进，使试样受水均匀，排水方便。将荷载传感器移至仪器外部，使传感器不受水环境和高温环境的影响，延长了荷载传感器的使用寿命和测量时的精度。利用加热装置，可以控制加热温度，测定不同温度下试样的膨胀力，且还可以测定不同温度下土样的渗透系数。可以测定不同温度下试样的膨胀力和渗透系数及其变化，可以和同等条件下，不同温度测定的结果形成对比，使试验结果更具有科学意义和说服力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪结构示意图；
图中：1、调节螺栓；2、横梁；3、定位帽；4、拉杆；5、密封螺母；6、压圈；7、受压透水推板；8、透水石或者不透水石；9、传力接头；10、试样箱；11、主体框架；12、加热环；13、支撑；14、荷载传感器；15、位移千分表；16、位移千分表夹具；17、位移千分表支架；18、位移千分表触板；19、进水孔；20、密封圈；21、活塞杆；22、透水推板进水孔；23、承压透水推板；24、密封盖；25、紧固螺栓；26、出水孔；27、摒帽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一，且膨胀性岩石分布也较广泛。每年都有大量工程建筑遭受膨胀性岩石的严重破坏，由于膨胀性岩石的膨胀特性引起路面波状起伏、护坡及挡土墙等位移滑动、地下洞室破坏等等。造成了极大的经济损失。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪包括：试样箱10和上下、左右、前后、三套反力架，加热环12、试验量测荷载传感器14和位移量测千分表15等组成。
试验箱10(内部尺寸为40mm*40mm*40mm)是由主体框架11(尺寸为160mm*160mm*160mm)和三个面上的承压透水推板23，三个面上的受压透水推板7组成。受压透水推板7经活塞杆21穿过密封盖24有压圈6和密封圈20进行密封，外连定位帽3、位移千分表触板18并与调节螺栓1相连。
调节螺栓1由拉杆4和横梁2组成的支架进行固定。拉杆4固定在密封盖24上。承压透水推板23经过活塞杆21和传力接头9与荷载传感器14相连。温度控制***为加热环12，布置在6个活塞面板上长度为40mm，温度读数有二次仪表显示。
本发明实施例提供的岩石三向膨胀的测量方法包括以下步骤：
1)、制样放样。将试样制成尺寸为40mm*40mm*40mm的小正方体，拧开紧固螺栓，打开上方密封盖板，其余5个面上紧挨承压透水推板和受压透水推板放置透水石将，然后将试样放入试样箱内，紧挨试样放置透水石，盖上密封盖板，拧紧紧固螺栓，调节调节螺栓，使试样、透水石、透水推板三者紧密接触。调节位移千分表使指针指零；打开荷载传感器装置使其读数仪表为零；
2)、开始进行三向膨胀力测试，通过进水孔倒入少量水，使试样慢慢受水湿润，期间多次加水(注意记录加水温度和加水质量)，使试样受水膨胀。经透水石、承压透水推板、活塞杆传力接头与荷载传感器相连接。通过与荷载传感器连接的读书装置读出三个方向的膨胀力(注意下方膨胀力应减去水的重力)。通过调节每个方向上的调节螺栓，改变每个方向上位移量，通过位移千分表量测出每个方向上的对应的位移量，再观察于此对应位移量上的膨胀力大小及膨胀力的变化；
3)、在其他环境条件都相同的情况下进行加热。利用温度控制***，通过加热环，将试样加热至设定的温度。再观察试样每个方向上膨胀力的变化。至此完成膨胀岩石的膨胀力测定；
4)、停止试验。试验结束后，将装置放置在阴凉通风处一定时间，对加热环进行自然降温处理，然后拆卸装置，取出膨胀岩石试样。清洗仪器，保证仪器干燥，干净；
5)、如果实验需要对仪器稍加改进还可以测量渗流条件下或热环境和渗流环境双重条件下试样的膨胀力。
本发明实施例提供的土的三向渗透系数的测定方法包括以下步骤：(以测定上下方向的渗透系数为例)
1)、制样。在室外用体积为80mm*80mm*80mm的上下通孔的取样器(正方形筒体)取原状土，带回室内浸入水中；一般砂土浸4—6小时，壤土浸8—12小时，粘土浸24小时。浸水时，保持水面与正方形筒体上口平齐，但勿使水淹到筒体上口的土。到预定时间将试样取出，去掉取样器；
2)、放样。将仪器正下方的荷载传感器和传力接头取走，使承压透水版下降至紧密接触下方密封盖。然后打开仪器正上方的密封盖，在正下方的承压透水推板上方放置透水石，且在透水石边缘再滴加溶蜡粘合与仪器的缝隙，其余四个面放置不透水石再滴加溶蜡粘合与仪器的缝隙，并保证不透水石边缘和试件箱内边缘平齐；然后在试样上方放置透水石，盖上密封盖，拧紧紧固螺栓。且在下方出水孔处放置烧杯；
3)、加水。用烧杯通过上方进水孔往仪器内部注水，使水加满至进水孔，即水层厚度为5cm。
4)、计时。加水后，自下面出水孔滴下第一滴水时开始计时，以后每隔2、3、5…分钟更换漏斗下面的烧杯，并分别量渗水量Q1、Q2、Q3……Qn。每更换一次烧杯后要将上面进水孔水面加至原来高度，同时记录水温。试验一般持续时间约60分钟即开始稳定。如果60分钟仍不稳定，一直延续到单位时间渗水量相等为止；
5)、计算，由公式计算，渗透系数，本试验应重复四次，取算术平均数；
6)、比较，为了使不同温度所测得K值便于比较，应换算为10℃时的渗透系数K10，换算公式如下：
K10＝Kt/(0.7+0.03t)；
式中，Kt为温度t℃时的渗透系数，单位为mm/min；t为渗透测定时入渗水的温度；
7)、如需比较同一试样在除温度不同，其他条件相同情况下试样的渗透系数，利用温度控制***和加热环对试样加热到预定温度，将注水温度也调到相应温度，在此温度下做试样的渗透实验，然后换算成温度为10℃时的渗透系数进行比较；
8)、停止试验，使加热环和仪器自然降温，然后取出试样，清洗仪器内部，晾干。保证仪器内部干净，干燥；如需测量其他两个方向，只需将需要测量的方向转置成上下方向即可。仪器需用活动支撑支起。
本发明实施例的温度控制***为加热环，布置在6个活塞面板上长度4cm，温度有二次仪表显示。三个荷载传感器分别安装在三个反力架拉杆的横梁上。用于量测三个方向的膨胀力。另有三个位移千分表，由支架和夹具固定在活塞杆上的位移触板上，用于量测活塞推板的位移量。
当量测试样的三向渗透系数时用不透水石替换透水石，将其他两个方向封闭，使其水流沿一个方向进行渗透。按照达西公式并进行整理即可计算出一定温度下试样的渗透系数。
K—土壤的渗透系数；
Q—在时间t内渗透过一定截面积A(平方厘米)的水量Q；
T—渗透时间；
I—水压梯度，即渗透层中单位距离内的水压降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪，其特征在于，所述岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪设置有：
试样箱；
所述试验箱由主体框架、承压透水推板、受压透水推板组成；
所述受压透水推板经活塞杆穿过密封盖由压圈和密封圈密封，连接定位帽、位移千分表触板与调节螺栓相连。
2.如权利要求1所述的岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪，其特征在于，所述调节螺栓由拉杆和横梁组成的支架进行固定；
所述拉杆固定在密封盖上，承压透水推板经过活塞杆和传力接头与荷载传感器相连。
3.如权利要求1所述的岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪，其特征在于，加热环布置在6个活塞面板上长度为40mm。
4.一种利用权利要求1所述岩石三向膨胀及渗透系数的测量仪的岩石三向膨胀的测量方法，其特征在于，所述岩石三向膨胀的测量方法包括以下步骤：
(1)将试样制成尺寸为40mm*40mm*40mm的小正方体，拧开紧固螺栓，打开上方密封盖板，其余5个面上紧挨承压透水推板和受压透水推板放置透水石将；将试样放入试样箱内，紧挨试样放置透水石，盖上密封盖板，拧紧紧固螺栓，调节调节螺栓，使试样、透水石、透水推板三者紧密接触；调节位移千分表使指针指零；打开荷载传感器装置使其读数仪表为零；
(2)通过进水孔倒入少量水，使试样慢慢受水湿润，期间多次加水，使试样受水膨胀；经透水石、承压透水推板、活塞杆传力接头与荷载传感器相连接；通过与荷载传感器连接的读书装置读出三个方向的膨胀力；通过调节每个方向上的调节螺栓，改变每个方向上位移量，通过位移千分表量测出每个方向上的对应的位移量，再观察对应位移量上的膨胀力大小及膨胀力的变化；
(3)在其他环境条件都相同的情况下进行加热，利用温度控制***，通过加热环，将试样加热至设定的温度；再观察试样每个方向上膨胀力的变化；至此完成膨胀岩石的膨胀力测定；
(4)试验结束后，将装置放置在阴凉通风处，对加热环进行自然降温处理，然后拆卸装置，取出膨胀岩石试样；清洗仪器，保证仪器干燥，干净。
5.一种利用权利要求1所述岩石三向膨胀及渗透系数的三向渗透系数的测定方法，其特征在于，所述三向渗透系数的测定方法包括以下步骤：
(1)在室外用体积为80mm*80mm*80mm的上下通孔的取样器取原状土，带回室内浸入水中；砂土浸4—6小时，壤土浸8—12小时，粘土浸24小时；浸水时，保持水面与正方形筒体上口平齐；
(2)将仪器正下方的荷载传感器和传力接头取走，使承压透水版下降至紧密接触下方密封盖；打开仪器正上方的密封盖，在正下方的承压透水推板上方放置透水石，且在透水石边缘再滴加溶蜡粘合与仪器的缝隙，其余四个面放置不透水石再滴加溶蜡粘合与仪器的缝隙；在试样上方放置透水石，盖上密封盖，拧紧紧固螺栓且在下方出水孔处放置烧杯；
(3)用烧杯通过上方进水孔往仪器内部注水，使水加满至进水孔；
(4)加水后，自下面出水孔滴下第一滴水时开始计时，以后每隔2、3、5…分钟更换漏斗下面的烧杯，并分别量渗水量Q1、Q2、Q3……Qn；每更换一次烧杯后将上面进水孔水面加至原来高度，同时记录水温；
(5)计算渗透系数，试验应重复四次，取算术平均数；
(6)换算为10℃时的渗透系数K10，换算公式如下：
K10＝Kt/(0.7+0.03t)；
式中，Kt为温度t℃时的渗透系数，单位为mm/min；t为渗透测定时入渗水的温度；
(7)需比较同一试样在除温度不同，其他条件相同情况下试样的渗透系数，利用温度控制***和加热环对试样加热到预定温度，将注水温度也调到相应温度，在此温度下做试样的渗透实验，换算成温度为10℃时的渗透系数进行比较；
(8)停止试验，使加热环和仪器自然降温，取出试样，清洗仪器内部，晾干。
6.如权利要求5所述的三向渗透系数的测定方法，其特征在于，所述渗透系数的计算公式为
K—土壤的渗透系数；
Q—在时间t内渗透过一定截面积A的水量Q；
T—渗透时间；
I—水压梯度，即渗透层中单位距离内的水压降。
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