CN113125274A - 一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩石毛细作用强度试验装置领域，提供了一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置及方法，其包括试验容器以及反应溶液装置，试验容器内设有透水装置、温度调节装置以及环境参数监测装置，环境参数装置用于实时监测试验容器内的温度、湿度以及压力，试验容器分别与压力调节装置和湿度调节装置连接；透水装置包括两端贯通的透水基座，且透水基座的材质为不透水材料，透水基座内设有透水石；解决了现有技术中的岩石含水率测定装置不能用于研究毛细作用对岩石劣化作用的问题，通过压力调节使得岩石通过毛细作用进行吸水和释水，模拟自然环境中岩石试样在毛细水作用下裂隙结构扩张与强度劣化的过程。

Description

一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石毛细作用强度试验装置领域，特别是涉及一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置及方法。
背景技术
非饱和岩土体中的水分变化及迁移是影响非饱和土体工程结构性能的重要因素，降水和地表水产生的滲流，毛细作用下地下水在土体中的扩散，都会导致土体含水率的增大，从而加速工程结构的损坏，产生冻害、翻浆等病害。
在实际工程中，非饱和岩土体会产生初始基质吸力，尽管基质吸力不是很明显，作用也不剧烈，但是会将少量的地下水通过毛细作用渐渐吸入非饱和岩土体中，这个过程耗时较长。但是随着时间的推移，非饱和土体的含水率缓慢增大，特别是由于某些原因导致地下水位出现上升时，毛细作用的路径被大大缩短，加快了毛细作用的速度和强度，从而影响土体稳定，极端情况下甚至会带来危害。
现有技术中的含水率测定装置可通过等间距分布在第一挤压盘上的电极实时反馈土体挤压过程中电阻变化，据此得到挤压面上不同位置处的含水率，实现土体挤压过程中含水率的实时、连续反馈，但该装置只能作为近地表常温状态下简单的水-岩反应装置，无法展开毛细作用对岩石劣化作用的研究。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置及方法，解决了现有技术中的岩石含水率测定装置不能用于研究毛细作用对岩石劣化作用的问题，通过压力调节使得岩体由于毛细作用进行吸水和释水，模拟自然环境下岩石试样由于毛细作用的影响被动吸水或失水的状态。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其包括试验容器以及反应溶液装置，试验容器内设有透水装置、温度调节装置以及环境参数监测装置，环境参数装置用于实时监测试验容器内的温度、湿度以及压力，试验容器分别与压力调节装置和湿度调节装置连接，湿度调节装置用于调节试验容器内的湿度；
透水装置包括两端贯通的透水基座，且透水基座的材质为不透水材料，透水基座内设有透水石；
反应溶液装置包括供液管，供液管的一端位于试验容器内，且供液管位于试验容器的一端与透水石的底端贴合，供液管的另一端通过三通阀分别与供液***以及收液***连接；
压力调节装置包括气体调节***，气体调节***通过管道与试验容器的内部连通。
进一步地，温度调节装置包括电热网。
进一步地，湿度调节装置包括湿度调节泵，湿度调节泵的输入端与水蒸气供应***连接，湿度调节泵的输出端通过管道与试验容器的内部连通。
进一步地，压力调节***包括气源，气源的输出端与监测管的进气端连接，监测管的出气端通过管道与试验容器的内部连通；监测管上设有高压表、低压表、减压阀以及防爆阀。
进一步地，透水基座的材质为不透水的塑料。
进一步地，供液***以及收液***均包括电子天平，电子天平上设有反应溶液杯，且反应溶液杯通过输液管与三通阀连通，输液管上设有速度传感器，且速度传感器与数据采集器连接。
进一步地，试验容器为透明材质，且试验容器上刻有指示刻度
第二方面，本方案还提供一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：
S1、测量干燥状态下的岩石试样质量M1；
S2、使试验容器(1)内的压力、温度以及湿度分别为第一预定压力值、预定温度以及预定湿度；
S3、调节三通阀，使供液***向岩石试样内注入反应溶液，得到供液***内的反应溶液减少的减少质量M2；
S4、使试验沿容器内的压力为第二预定压力值，从而岩石试样内的反应溶液通过三通阀进入收液***，在岩石试样内的反应溶液流向收液***的过程中，从收液***中取出质量M4的岩石试样流出的反应溶液；
S5、当岩石试样内的反应溶液全部进入收液***后，得到收液***内的反应溶液增加的增加质量M3；
S6、根据岩石试样M1、减少质量M2、增加质量M3以及取出质量M4计算出岩石试样的含水率；
Figure BDA0003069409220000031
进一步地，步骤S2中的第一预定压力值小于大气压。
进一步地，步骤S5中的第二预定压力值大于大气压。
本发明的有益效果为：
本发明通过压力调节装置、温度调节装置以及湿度调节装置改变试验容器内的环境压力、温度以及湿度，从而构造出一个温度场-湿度场-压力场多场耦合的试验环境，岩石试样放置在透水石顶端且岩石试样位于透水基座内，压力调节装置使试验容器内的压力低于或大于大气压时，从而试验容器内部与外界大气压存在压力差，岩石试样因毛细作用进行吸水或失水，通过压力调节装置调节压力差的大小，可以使岩石试样在不同强度的毛细作用下进行吸水或失水；
在温度场-湿度场-压力场多场耦合的环境作用下，通过外部环境的调节，使得岩石试样在不同强度的毛细作用下被动吸水，起到人为调节含水率的作用，通过设置在供液***或收液***内的速度传感器(检测反应溶液进出岩石试样的速度)和含水率的测量可以观察毛细作用的强弱；通过对不同强度毛细作用过后的岩石试样进行后续试验可以得到毛细作用对岩石物理力学性质的劣化机制。
附图说明
图1为一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置的示意图。
其中，1、试验容器；2、透水基座；3、透水石；4、供液管；5、电热网；6、湿度调节泵；7、气源；8、监测管；9、电子天平；10、反应溶液杯；11、速度传感器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本方案提供了一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其包括试验容器1以及反应溶液装置，试验容器1内设有透水装置、温度调节装置以及环境参数监测装置，环境参数装置用于实时监测试验容器1内的温度、湿度以及压力，试验容器1分别与压力调节装置和湿度调节装置连接。根据环境参数装置实时监测的温度、压力以及湿度，并结合试验要求，通过压力压力调节装置、温度调节装置以及湿度调节装置使岩石试样在不同试验环境下进行吸水或试水，以此收集岩石试样在不同强度的毛细作用下的情况。
如图1所示，试验容器1为透明材质，可实时观察岩石试样的湿润状况，且试验容器1上刻有指示刻度12，指示刻度12的0刻度与岩石试样的低端对齐，可观察岩石试样内反应溶液的高度，通过透明材质的试验容器1本身，岩石试样可以选择半浸泡或全浸泡试验，观察接触溶液部分岩体与为接触溶液岩体的对比变化。
如图1所示，透水装置包括两端贯通的透水基座2，透水基座2的材质为不透水的塑料，透水基座2可以采用中空筒状结构，透水基座2的底端与试验容器1可拆卸连接，透水基座2的材质为不透水材料，透水基座2内设有透水石3，透水石3将反应溶液的传递至岩石试样内；进行试验时，岩石试样位于透水基座2内，即岩石试样的直径小于或等于透水石3的直径，以确保岩石试样通过毛细作用上下地吸水或释水时，不会从旁边渗漏。
如图1所示，反应溶液装置包括供液管4，供液管4的一端位于试验容器1内，且供液管4位于试验容器1的一端与透水石3的底端贴合，供液管4的另一端通过三通阀分别与供液***以及收液***连接，供液***以及收液***均包括电子天平9，电子天平9上设有反应溶液杯10，且反应溶液杯10通过输液管与三通阀连通，输液管上设有速度传感器11，且速度传感器11与数据采集器连接。三通阀使供液管4单独与供液***或收液***连接，从而得到分别得到岩石试样吸收的反应溶液的质量或者失去的反应溶液的质量。速度传感器11可检测反应溶液的流速，从而判断反应溶液进出岩石试样的速度。数据采集器可以采用PLC。
如图1所示，压力调节装置包括气体调节***，气体调节***通过管道与试验容器1的内部连通，压力调节***包括气源7，气源7的输出端与监测管8的进气端连接，监测管8的出气端通过管道与试验容器1的内部连通；监测管8上设有高压表、低压表、减压阀以及防爆阀。气源7可以采用氮气，通过减压阀调节气源7的输出压力，从而调节试验容器1内的压力。
如图1所示，湿度调节装置包括湿度调节泵6，湿度调节泵6的输入端与水蒸气供应***连接，湿度调节泵6的输出端通过管道与试验容器1的内部连通；温度调节装置包括电热网5，电热网5可对试验容器1内的空气进行加热，从而调节试验容器内的温度。
实施例2
本实施例提供一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：
S1、测量干燥状态下的岩石试样质量M1；
S2、使试验容器1内的压力、温度以及湿度分别为第一预定压力值、预定温度以及预定湿度；第一预定压力值小于大气压，试验容器1内处于负压状态，岩石试样在毛细作用的作用下，通过透水石3吸收从供液***流入的反应溶液；
S3、调节三通阀，使供液***向岩石试样内注入反应溶液，得到供液***内的反应溶液减少的减少质量M2；
S4、使试验沿容器内的压力为第二预定压力值，从而岩石试样内的反应溶液通过三通阀进入收液***，在岩石试样内的反应溶液流向收液***的过程中，从收液***中取出质量M4的岩石试样流出的反应溶液；第二预定压力值大于大气压，试验容器1内部的压力与外界的大气压形成压力差，从而将岩石试样内的反应溶液挤压出，从透水石3流入收液***；收液***上设有取液口(设置在输液管上)，通过取液口可以监测经过毛细作用后的反应溶液前后离子种类和数量的变化；
S5、当岩石试样内的反应溶液全部进入收液***后，得到收液***内的反应溶液增加的增加质量M3；
S6、根据岩石试样质量M1、减少质量M2、取出质量M4以及增加质量M3计算出岩石试样的含水率：
Figure BDA0003069409220000071
岩石试样含水率的大小和速度传感器的读数可以反映此时毛细作用的强弱；通过调节压强变化，可以调节毛细作用的强弱，获得不同含水率的岩石试样，取出岩石试样之后可以进行下一步三轴试验，得出毛细作用对岩体的劣化特征。
试验方法的S1和S2可进行岩石试样的浸润试验，进行浸润试验时，当岩石试样内溶液的高度为预定高度后，通过三通阀，使供液***不再向岩石试样输送反应溶液，随后观察与反应溶液接触的岩石试样部分与未接触岩石试样部分的对比判断；预定高度根据试验需求而定，实现对岩石试样的半浸泡或全浸泡试验。

Claims (10)

1.一种吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，包括试验容器(1)以及反应溶液装置，所述试验容器(1)内设有透水装置、温度调节装置以及环境参数监测装置，所述环境参数装置用于实时监测所述试验容器(1)内的温度、湿度以及压力，所述试验容器(1)分别与压力调节装置和湿度调节装置连接，所述湿度调节装置用于调节所述试验容器(1)内的湿度；
所述透水装置包括两端贯通的透水基座(2)，且所述透水基座(2)的材质为不透水材料，所述透水基座(2)内设有透水石(3)；
所述反应溶液装置包括供液管(4)，所述供液管(4)的一端位于所述试验容器(1)内，且所述供液管(4)位于所述试验容器(1)的一端与所述透水石(3)的底端贴合，所述供液管(4)的另一端通过三通阀分别与供液***以及收液***连接；
所述压力调节装置包括气体调节***，所述气体调节***通过管道与所述试验容器(1)的内部连通。
2.根据权利要求1所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，所述温度调节装置包括电热网(5)。
3.根据权利要求1所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，所述湿度调节装置包括湿度调节泵(6)，所述湿度调节泵(6)的输入端与水蒸气供应***连接，所述湿度调节泵(6)的输出端通过管道与所述试验容器(1)的内部连通。
4.根据权利要求1所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，所述压力调节***包括气源(7)，所述气源(7)的输出端与监测管(8)的进气端连接，所述监测管(8)的出气端通过管道与所述试验容器(1)的内部连通；所述监测管(8)上设有高压表、低压表、减压阀以及防爆阀。
5.根据权利要求1所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，所述透水基座(2)的材质为不透水的塑料。
6.根据权利要求1所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，所述供液***以及所述收液***均包括电子天平(9)，所述电子天平(9)上设有反应溶液杯(10)，且所述反应溶液杯(10)通过输液管与所述三通阀连通，所述输液管上设有速度传感器(11)，且所述速度传感器(11)与数据采集器连接。
7.根据权利要求1所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置，其特征在于，所述试验容器(1)为透明材质，且所述试验容器(1)上刻有指示刻度(12)。
8.一种采用权利要求1-7任一所述的吸力控制下岩石内部毛细作用波动试验装置的试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、测量干燥状态下的岩石试样质量M1；
S2、使试验容器(1)内的压力、温度以及湿度分别为第一预定压力值、预定温度以及预定湿度；
S3、调节三通阀，使供液***向岩石试样内注入反应溶液，得到供液***内的反应溶液减少的减少质量M2；
S4、使试验沿容器内的压力为第二预定压力值，从而岩石试样内的反应溶液通过三通阀进入收液***，在岩石试样内的反应溶液流向收液***的过程中，从收液***中取出质量M4的岩石试样流出的反应溶液；
S5、当岩石试样内的反应溶液全部进入收液***后，得到收液***内的反应溶液增加的增加质量M3；
S6、根据岩石试样M1、减少质量M2、增加质量M3以及取出质量M4计算出岩石试样的含水率：
Figure FDA0003069409210000031
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S2中的第一预定压力值小于大气压。
10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S5中的第二预定压力值大于大气压。
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