CN111812303A - 一种多场耦合下的软岩崩解试验仪及崩解试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场耦合下的软岩崩解试验仪及崩解试验方法，包括支撑框架、测试***、压力***、加水‑接水***、制热‑制冷***和摄像分析***；支撑框架为支撑部件，测试***、压力***及制热‑制冷***设置在支撑框架上，加水‑接水***与测试***相连接并提供加水和排水，摄像分析***用于摄像崩解试验过程中试样的微观变化并分析。本发明能够模拟还原软岩崩解的赋存环境，可以进行应力—温度—水化学等多环境耦合下的软岩崩解宏微观试验，便捷地对软岩崩解过程进行微观分析，从而提高软岩耐崩解指数等参数的准确性；本发明具有应用成本低、操作简单、应用便捷、智能化模拟软岩所处环境等优点，更具有推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验仪，具体涉及一种多场耦合下的软岩崩解试验仪及崩解试验方法。
背景技术
软岩崩解试验仪以岩石力学、流体力学、水力学、土力学、液压传动原理等学科的理论为指导，针对实际赋存条件下的软岩遇水软化崩解问题，研制出一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，并提供其试验方法。大量的岩土工程研究领域都涉及软岩工程，特别是露天矿软岩夹层边坡、深部开采及开挖隧道等等，软岩遇水后容易发生软化崩解，造成岩石力学参数的劣化。目前，软岩崩解试验常用的仪器SCL-1型岩石耐崩解试验仪，也有学者研制出常规崩解试验机（CN206281745U）、应力条件下的泥岩干湿循环崩解试验机（CN109001037A、CN106989967B）等。虽然这些设备促进了对软岩崩解试验的进展，但是都很难通过室内崩解试验对真实赋存条件下软岩崩解过程进行模拟研究，而崩解试验仪提供的模拟环境的复杂性，尤其是能提供多场耦合条件下的软岩崩解试验仪，这都将直接影响模拟的软岩崩解试验是否更接近实际情况。以往，尽管人们软岩的崩解特性进行了大量的研究和探索，但主要停留在考虑周期性“干湿”交替、冻融循环作用下软岩试样的崩解试验获得的崩解性变化规律的认识和描述上，缺乏对软岩所处的周期性“干湿”交替、冻融循环和初始应力等共同作用环境的合理考虑和试验真实模拟，由此获得的软岩崩解特性用于工程地质的稳定性分析与评价是不准确的。以往对软岩崩解微观机制的研究，常常都是先对软岩进行遇水崩解后，再对崩解残品进行CT扫描、X射线衍射、SEM电镜扫描分析，这样难以对软岩崩解过程进行细致的研究，且容易耗费大量人力、物力及财力。因此，尽可能的还原软岩崩解的赋存环境，便捷地对软岩崩解过程进行微观分析，故研制应力、冻融循环、干湿循环等多环境耦合下的软岩崩解试验仪是非常有必要。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多场耦合下的软岩崩解试验仪及崩解试验方法，能还原软岩崩解的赋存环境，便捷地对软岩崩解过程进行微观分析。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，包括支撑框架、测试***、压力***、加水-接水***、制热-制冷***和摄像分析***；支撑框架包括上下两块钢板和多根立柱，上下两块钢板通过螺母分别固定在立柱的上部和下部；测试***包括加压板、上下两块透水石、透明环腔和底座，底座设置在下钢板上表面，透明环腔底部嵌入在底座中，透明环腔中由下至上设有两块透水石和加压板；压力***包括液压油缸、液压电动泵、液压油箱和电动机，液压油缸缸座固定在上钢板下表面，液压油缸通过油管与液压电动泵连通，液压电动泵与电动机连接，液压电动泵通过电动机实现对液压油箱内的液压油进行泵油和回油，千分表安装在液压电动泵上；加水-接水***包括加水箱和接水箱，加水箱通过加水管与透明环腔上部连通，接水箱通过接水管与底座内部的接水口连通，加水管上、接水管上分别设有加水箱止水夹、接水箱止水夹；制热-制冷***包括抽风管、抽风机、制冷-制热器、制冷-制热管和崩解环境试验箱，崩解环境试验箱罩在透明环腔外部，崩解环境试验箱侧壁的内部设有制冷-制热管，制冷-制热管与制冷-制热器连接，崩解环境试验箱侧壁上设有抽风管，抽风机与抽风管连接；崩解环境试验箱顶壁开设有供液压油缸穿过的孔；摄像分析***包括防护罩、高速摄像机和计算机，高速摄像机镜头穿过崩解环境试验箱，高速摄像机与计算机连接。
进一步的，所述的加压板上布置有多个透水孔。
进一步的，所述加水管与透明环腔的接口处位于透明环腔上端面往下2cm处，防止加水速度过快溅出透明环腔。
进一步的，所述底座内部是弧形碗状结构且在中心位置设有接水口。
进一步的，所述制热-制冷管呈螺旋盘绕式设置在崩解环境试验箱侧壁的内部。
进一步的，所述高速摄像机的镜头上套有防护罩。
与现有技术相比本发明能够模拟还原软岩崩解的赋存环境，可以进行应力—温度—水化学等多环境耦合下的软岩崩解宏微观试验，便捷地对软岩崩解过程进行微观分析，从而提高软岩耐崩解指数等参数的准确性；本发明具有应用成本低、操作简单、应用便捷、智能化模拟软岩所处环境等优点，更具有推广价值。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构和A-A剖面示意图；
图3为加压板的俯视图；
图4为崩解环境试验箱B-B剖面示意图；
图5为底座接俯视图；
图中：1、螺母；2、钢板；3、立柱；4、液压油缸；5、加压板；6、透水石；7、试样；8、透明环腔；9、底座；10、加水箱；11、加水箱止水夹；12、加水管；13、接水箱止水夹；14、接水管；15、接水箱；16、防护罩；17、高速摄像机；18、抽风管；19、抽风机；20、制冷-制热器；21、制冷-制热管；22、崩解环境试验箱；23、油管；24、千分表；25、液压电动泵；26、液压油箱；27、电动机；28、电源；29、计算机；30、透水孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供一种技术方案：包括支撑框架、测试***、压力***、加水-接水***、制热-制冷***和摄像分析***；
支撑框架为主要的支撑部件，包括上下两块钢板2和多根立柱3，上下两块钢板2通过螺母1分别固定在立柱3的上部和下部，立柱3位于钢板2的边缘位置；
测试***包括加压板5、上下两块透水石6、透明环腔8和底座9，底座9设置在下钢板2上表面，透明环腔8底部嵌入在底座9中，透明环腔8中由下至上设有两块透水石6和加压板5，测试时，试样7放在两块透水石6中间；如图3所示，加压板5上布置有多个透水孔30，有利于加水管12内的水流入透明环腔8内；
压力***包括液压油缸4、液压电动泵25、液压油箱26和电动机27，液压油缸4缸座固定在上钢板2下表面，液压油缸4通过油管23与液压电动泵25连通，液压电动泵25与电动机27连接，液压电动泵25通过电动机27实现对液压油箱26内的液压油进行泵油和回油，千分表24安装在液压电动泵25上，液压油缸4活塞杆轴线与加压板5中心线重合；
加水-接水***包括加水箱10和接水箱15，加水箱10通过加水管12与透明环腔8上部连通，具体的，加水管12与透明环腔8的接口处位于透明环腔8上端面往下2cm处，以此防止加水速度过快溅出透明环腔8；接水箱15通过接水管14与底座9内部的接水口连通，加水管12上、接水管14上分别设有加水箱止水夹11、接水箱止水夹13；加水箱止水夹11用以控制加水箱10往透明环腔8中的加水量，接水箱止水夹13用以控制透明环腔8内水的流出量；如图5所示，为了可以实现透明环腔8内试样7崩解后的水快速汇集到底座9内排出，底座9内部是弧形碗状结构且在中心位置设有接水口。
制热-制冷***包括抽风管18、抽风机19、制冷-制热器20、制冷-制热管21和崩解环境试验箱22，崩解环境试验箱22罩在透明环腔8外部，崩解环境试验箱22侧壁的内部设有制冷-制热管21，如图4所示，制冷-制热管21呈螺旋盘绕式设置在崩解环境试验箱22侧壁的内部，这种结构布置有利于在干湿循环崩解试验、冻融循环崩解试验中试样7受温均匀，制热-制冷管21两端均与制热-制冷器20连通形成一个回路，可以有效保证崩解环境试验箱22内的温度恒定不变；制冷-制热管21在崩解环境试验箱22侧壁中形成回路并与制冷-制热器20连接，崩解环境试验箱22侧壁上设有抽风管18，抽风机19与抽风管18连接；崩解环境试验箱22顶壁开设有供液压油缸4穿过的孔，液压油缸4活塞杆可以穿过该孔后给加压板5施压；
摄像分析***包括防护罩16、高速摄像机17和计算机29，高速摄像机17镜头穿过崩解环境试验箱22，高速摄像机17与计算机29连接。
利用本发明可以完成两种试验，分别为恒定压力下的干湿循环软岩崩解宏微观试验和恒定压力下的冻融循环软岩崩解宏微观试验。
进行恒定压力下的干湿循环软岩崩解宏微观试验时，先称量试样7的质量记为M 0，往透明环腔8内依次放置下部透水石6、试样7、上部透水石6、加压板5；确定所取软岩试样7的上覆岩层应力记为F 0，接通电源28，启动液压电动泵25，电动机27将液压油箱26中的液压油通过油管23供入液压油缸4内部供油，使液压油缸4的活塞杆伸出，压住加压板5进而对试样7施加压力，按照千分表24的示数达到设定值F 0时，停止电动机27实现压力锁定，卸载时按下电动机27的转换按钮，利用负压原理将液压油缸4内部的液压油通过油管23抽回油箱26内，完成卸荷；记录千分表24的初始读数L 0，启动液压电动泵25，当千分表24达到设定的压力后进行压力锁定，记录千分表24的读数变化量ΔL，往加水箱10加入水（或者化学溶液），打开加水箱止水阀11，水（或者化学溶液）通过加水管12流入到透明环腔8内部，同时打开高速摄像机17和计算机29，待水（或者化学溶液）快淹没到加压板5时，关闭加水箱止水阀11，水（或者化学溶液）与试样7发生崩解等物理化学反应，高速摄像机17将崩解过程中试样7的变化摄像传输到计算机29进行分析。待水（或者化学溶液）与试样7反应10分钟后，打开接水箱止水夹13，待水（或者化学溶液）流干后，关闭接水箱止水夹13，然后打开制冷-制热器20和抽风机19，并将温度调到110℃烘干24h，烘干之后取出试样7进行称重和筛分。将粒径大于5mm的试样7重新放入透明环腔8之后，循环进行上述重复试验，第n次试样7烘干称重的质量记为M n ，计算试样7的耐崩解指数：
。
进行恒定压力下的冻融循环软岩崩解宏微观试验时，先称量试样7的质量记为M 0，往透明环腔8内依次放置下部透水石6、试样7、上部透水石6、加压板5；确定所取软岩试样7的上覆岩层应力记为F 0，接通电源28，启动液压电动泵25，电动机27将液压油箱26中的液压油通过油管23供入液压油缸4内部供油，使液压油缸4的活塞杆伸出，压住加压板5进而对试样7施加压力，按照千分表24的示数达到设定值F 0时，停止电动机27实现压力锁定，卸载时按下电动机27的转换按钮，利用负压原理将液压油缸4内部的液压油通过油管23抽回油箱26内，完成卸荷；记录千分表24的初始读数L 0，启动液压电动泵25，当千分表24达到设定的压力后进行压力锁定，记录千分表24的读数变化量ΔL，往加水箱10加入水（或者化学溶液），打开加水箱止水阀11，水（或者化学溶液）通过加水管12流入到透明环腔8内部，同时打开高速摄像机17和计算机29，待水（或者化学溶液）快淹没到加压板5时，关闭加水箱止水阀11。然后打开制冷-制热器20设置冻结温度为-30℃，4小时之后，设置制冷-制热器20的融化温度为15℃并融化2小时。打开接水箱止水夹13，待水（或者化学溶液）流干后，关闭接水箱止水夹13，然后打开制冷-制热器20和抽风机19，并将温度调到110℃烘干24小时，烘干之后取出试样7进行称重和筛分。将粒径大于5mm的试样7重新放入透明环腔8之后，循环进行上述重复试验，第n次试样7冻融循环后烘干称重的质量记为
，计算试样7的耐崩解指数：
。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，其特征在于，包括支撑框架、测试***、压力***、加水-接水***、制热-制冷***和摄像分析***；
支撑框架包括上下两块钢板（2）和多根立柱（3），上下两块钢板（2）通过螺母（1）分别固定在立柱（3）的上部和下部；
测试***包括加压板（5）、上下两块透水石（6）、透明环腔（8）和底座（9），底座（9）设置在下钢板（2）上表面，透明环腔（8）底部嵌入在底座（9）中，透明环腔（8）中由下至上设有两块透水石（6）和加压板（5）；
压力***包括液压油缸（4）、液压电动泵（25）、液压油箱（26）和电动机（27），液压油缸（4）缸座固定在上钢板（2）下表面，液压油缸（4）通过油管（23）与液压电动泵（25）连通，液压电动泵（25）与电动机（27）连接，液压电动泵（25）通过电动机（27）实现对液压油箱（26）内的液压油进行泵油和回油，千分表（24）安装在液压电动泵（25）上；
加水-接水***包括加水箱（10）和接水箱（15），加水箱（10）通过加水管（12）与透明环腔（8）上部连通，接水箱（15）通过接水管（14）与底座（9）内部的接水口连通，加水管（12）上、接水管（14）上分别设有加水箱止水夹（11）、接水箱止水夹（13）；
制热-制冷***包括抽风管（18）、抽风机（19）、制冷-制热器（20）、制冷-制热管（21）和崩解环境试验箱（22），崩解环境试验箱（22）罩在透明环腔（8）外部，崩解环境试验箱（22）侧壁的内部设有制冷-制热管（21），制冷-制热管（21）与制冷-制热器（20）连接，崩解环境试验箱（22）侧壁上设有抽风管（18），抽风机（19）与抽风管（18）连接；崩解环境试验箱（22）顶壁开设有供液压油缸（4）穿过的孔；
摄像分析***包括防护罩（16）、高速摄像机（17）和计算机（29），高速摄像机（17）镜头穿过崩解环境试验箱（22），高速摄像机（17）与计算机（29）连接。
2.根据权利要求1所述的一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，其特征在于：所述的加压板（5）上布置有多个透水孔（30）。
3.根据权利要求1所述的一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，其特征在于：所述加水管（12）与透明环腔（8）的接口处位于透明环腔（8）上端面往下2cm处，防止加水速度过快溅出透明环腔（8）。
4.根据权利要求1所述的一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，其特征在于：所述底座（9）内部是弧形碗状结构且在中心位置设有接水口。
5.根据权利要求4所述的一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，其特征在于：所述制热-制冷管（21）呈螺旋盘绕式设置在崩解环境试验箱（22）侧壁的内部。
6.根据权利要求1所述的一种多场耦合下的软岩崩解试验仪，其特征在于：所述高速摄像机（17）的镜头上套有防护罩（16）。
7.一种利用上述任一权利要求所述的一种多场耦合下的软岩崩解试验方法，其特征在于：
恒定压力下的干湿循环软岩崩解宏微观试验：先称量试样（7）的质量记为M 0，然后将试样（7）放置在两块透水石（6）之间；确定所取软岩试样（7）的上覆岩层应力记为F 0，液压油缸（4）活塞杆伸出，对试样（7）施加压力，按照千分表（24）的示数达到设定值F 0时，锁定压力；记录千分表（24）的初始读数L 0，启动液压电动泵（25），当千分表（24）达到设定的压力后进行压力锁定，记录千分表（24）的读数变化量ΔL，往加水箱（10）加入水，打开加水箱止水阀（11），水通过加水管（12）流入到透明环腔（8）内部，同时打开高速摄像机（17）和计算机（29），水与试样（7）发生崩解等物理化学反应，高速摄像机（17）将崩解过程中试样（7）的变化摄像传输到计算机（29）进行分析；待水与试样（7）反应后，打开接水箱止水夹（13），待水流干后，关闭接水箱止水夹（13），然后打开制冷-制热器（20）和抽风机（19），并将温度调到110℃烘干24h，烘干之后取出试样（7）进行称重和筛分；将粒径大于5mm的试样（7）重新放入透明环腔（8）之后，循环进行上述重复试验，第n次试样（7）烘干称重的质量记为M n ，计算试样（7）的耐崩解指数：
；
恒定压力下的冻融循环软岩崩解宏微观试验：先称量试样（7）的质量记为M 0，然后将试样（7）放置在两块透水石（6）之间；确定所取软岩试样（7）的上覆岩层应力记为F 0，液压油缸（4）活塞杆伸出，对试样（7）施加压力，按照千分表（24）的示数达到设定值F 0时，锁定压力；记录千分表（24）的初始读数L 0，启动液压电动泵（25），当千分表（24）达到设定的压力后进行压力锁定，记录千分表（24）的读数变化量ΔL，往加水箱（10）加入水，打开加水箱止水阀（11），水通过加水管（12）流入到透明环腔（8）内部，同时打开高速摄像机（17）和计算机（29），然后打开制冷-制热器（20）设置冻结温度为-30℃，4小时之后，设置制冷-制热器（20）的融化温度为15℃并融化2小时；打开接水箱止水夹（13），待水流干后，关闭接水箱止水夹（13），然后打开制冷-制热器（20）和抽风机（19），并将温度调到110℃烘干24小时，烘干之后取出试样（7）进行称重和筛分；将粒径大于5mm的试样（7）重新放入透明环腔（8）之后，循环进行上述重复试验，第n次试样（7）冻融循环后烘干称重的质量记为
，计算试样（7）的耐崩解指数：。
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