CN115266532A - 一种深部损伤岩石吸水量测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部损伤岩石吸水量测试装置，包括测量筒、不透水板、水、不透液球、止液开关、软导管、不透液板、储液桶、液体、架体、硬导管、止液夹和固定试样模具。本发明设计了一种用于测试深部损伤岩石吸水软化作用的实验装置，利用水压自平衡原理体现岩石试样的吸水量，即测量筒中的水与储液桶中的液体在不透液球两侧会有压强平衡，有效放大了实验观察结果。本发明可用于测试研究岩石试样的水理性能，通过实验观察和函数处理得到深部损伤岩体吸水软化的函数变化关系，用于研究深部损伤岩体吸水软化后的岩石物理力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程深部损伤岩石水理特性测试设备领域，具体是一种深部损伤岩石吸水量测试装置。
背景技术
岩石所处的水力环境对于岩石特性有很大的影响，对于吸水后岩石力学特性的研究是目前岩土工程的技术热点，水对岩石软化作用的研究具有重要意义。
现有技术中，通常使用岩石水理作用测试研究岩石的吸水特性，研究地层深部岩石在不同水压力条件下的吸水软化情况，但由于在测量岩石试样的吸水量时，不能准确考虑水分蒸发量对于岩石试样吸水量的影响，尤其不能考虑水压力对岩石试样吸水量的影响，导致现有技术中对于深部损伤岩体的吸水性能的测试准确性较低。
文献《郭宏云,赵健,柳培玉.深部软岩与水作用后的强度软化特性及化学分析[J].岩石力学与工程学报,2018,37(S1):3374-3381.》中存在管壁挂水和水位变化不显著的问题，测量方式为直接测量。文献《何满潮,周莉,李德建,王春光,聂雯.深井泥岩吸水特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008(06):1113-1120.》中通过提高水位产生水压力，受测试方法限制水位提高有限，且提高水位后读数观察困难，水位变化亦不明显，附着在测量管内壁以及蒸发的水分会造成实验误差，影响直接测量结果；通过天平测量重量增加的方法间接测量吸水量会受到试件周围温度及湿度等环境的影响，大大影响测量结果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种深部损伤岩石吸水量测试装置。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，该测试装置包括测量筒、不透水板、水、不透液球、止液开关、软导管、不透液板、储液桶、液体、架体、硬导管、止液夹和固定试样模具；
所述测量筒、储液桶和硬导管固定于架体上，硬导管水平设置，测量筒和储液桶竖直设置；
测量筒的两端开口，上端设置有与测量筒的内壁密封配合的不透水板，下端设置有与测量筒的外壁密封配合的固定试样模具；固定试样模具置于测试台上；测试时，测量筒内具有水，固定试样模具内夹紧有岩石试样，水的上顶面与不透水板接触，测量筒的下端面与岩石试样密封接触，使得水的下底面与岩石试样紧密接触；不透水板用于减少水的蒸发，测试时外接的加压装置作用于不透水板实现对水的加压；测量筒的底端侧壁设置有出水口，出水口上设置有止液开关；出水口的末端通过软导管与硬导管的一端连通；
储液桶的上端开口，上端设置有与储液桶的内壁密封配合的不透液板；测试时，储液桶内具有液体，液体的上顶面与不透液板接触；不透液板用于减少液体的蒸发，测试时外接的加压装置作用于不透液板实现对液体的加压；储液桶的底端侧壁设置有出液口，出液口上设置有止液开关；出液口的末端通过软导管与硬导管的另一端连通；
硬导管两端的软导管上均设置有止液夹；液体与水不互溶；硬导管内设置有不透液球；不透液球的两侧分别为液体和水，用于指示液面变化。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明设计了一种用于测试深部损伤岩石吸水软化作用的实验装置，利用水压自平衡原理体现岩石试样的吸水量，即测量筒中的水与储液桶中的液体在不透液球两侧会有压强平衡，有效放大了实验观察结果。
(2)本发明的测量方式为间接测量，相比现有的通过测量管测量的直接测量方式，可以忽略附着在测量管内壁以及蒸发的水分，提高实验结果的准确性。
(3)本发明中的水环境极大程度上减少了岩石试样表面水分的蒸发，提高了实验的准确性。
(4)本发明通过加压的方式提高实验效率，同时能够提供较高的水压力，较大程度上模拟深部地层可能存在的渗水压力条件。
(5)本发明可用于测试研究岩石试样的水理性能，通过实验观察和函数处理得到深部损伤岩体吸水软化的函数变化关系，用于研究深部损伤岩体吸水软化后的岩石物理力学性能。
(6)本发明利用岩石试样吸水后测量筒内的水压下降，在硬导管中的不透液球的两侧产生的压强差导致的不透液球的移动，最终的移动量通过公式转化为岩石试样的吸水量。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明初始状态下的液位状态图；
图3为本发明的对水和液体分别同时增加相同的外加压强P的初始状态图；
图4为本发明最终状态下的液位状态图；
图中，测量筒1、不透水板2、水3、夹具4、不透液球5、止液开关6、软导管7、不透液板8、固定台9、储液桶10、液体11、架体12、固定试样模具左部分13、硬导管14、止液夹15、密封圈16、固定试样模具右部分17。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种深部损伤岩石吸水量测试装置(简称测试装置)，其特征在于，该测试装置包括测量筒1、不透水板2、水3、不透液球5、止液开关6、软导管7、不透液板8、储液桶10、液体11、架体12、硬导管14、止液夹15和固定试样模具；
所述测量筒1、储液桶10和硬导管14固定于架体12上，硬导管14水平设置，测量筒1和储液桶10竖直设置；
测量筒1的两端开口，上端设置有与测量筒1的内壁密封配合的不透水板2，下端设置有与测量筒1的外壁密封配合的固定试样模具；固定试样模具置于测试台上；测试时，测量筒1内具有水3，固定试样模具内夹紧有岩石试样，水3的上顶面与不透水板2接触，测量筒1的下端面与岩石试样密封接触，使得水3的下底面与岩石试样紧密接触；不透水板2用于减少水3的蒸发，测试时外接的加压装置作用于不透水板2实现对水3的加压；固定试样模具用于放置岩石试样并夹紧岩石试样，进而固定岩石试样的位置；测量筒1的底端侧壁设置有出水口，出水口上设置有止液开关6，用于控制水体的流动；出水口的末端通过软导管7与硬导管14的一端连通；
储液桶10的上端开口，上端设置有与储液桶10的内壁密封配合的不透液板8；测试时，储液桶10内具有液体11，液体11的上顶面与不透液板8接触；不透液板8用于减少液体11的蒸发，测试时外接的加压装置作用于不透液板8实现对液体11的加压；储液桶10的底端侧壁设置有出液口，出液口上设置有止液开关6，用于控制液体的流动；出液口的末端通过软导管7与硬导管14的另一端连通；
硬导管14两端的软导管7上均设置有止液夹15；液体11与水3不互溶；硬导管14内设置有不透液球5；不透液球5的两侧分别为液体11和水3，用于指示液面变化，进而得到岩石试样的吸水量。
优选地，该装置还包括夹具4；测量筒1、储液桶10和硬导管14通过夹具4固定于竖直放置的架体12上。
优选地，测量筒1的下端面与岩石试样的上端面之间设置有密封圈16，实现密封接触。密封圈16的材质采用橡胶。
优选地，该装置还包括固定台9；储液桶10的下端放置于固定台9上，实现储液桶10的竖直位置的进一步固定；固定台9对储液桶10起承托作用。
优选地，所述固定试样模具由固定试样模具左部分13和固定试样模具右部分17组成；固定试样模具左部分13和固定试样模具右部分17对称设置于岩石试样的左右两侧，通过螺纹连接件(本实施例为螺栓)实现对岩石试样的紧固或松开。
优选地，不透水板2和不透液板8的上表面均设置有凸起(本实施例为一个钥匙扣状的环)，便于测试后不透水板2和不透液板8分别从测量筒1和储液桶10内取出。
优选地，不透水板2的直径与测量筒1的内径相同；不透液板8的直径与储液桶10的内径相同；不透液球5的直径与硬导管14的内径相同。
优选地，测量筒1为变截面的筒体，上部的截面半径大于下部的截面半径，上部用于放置不透水板2，下部与固定试样模具配合。在不透液球5向测量筒1移动的过程中硬导管14中有部分水3回流到测量筒1中，这部分水会造成水位回升，为了降低水位回升造成的影响，所以加大上部截面使得水位变化小。
优选地，液体11的密度小于水3的密度，且两者不互溶。
优选地，岩石试样或岩体试样根据《工程岩体试验方法标准GB/T50266-2013》中的规定，岩石试样的尺寸为φ50mm×100mm。
优选地，不透液球5的直径为2～5mm；不透液板8的直径为10～20mm；储液桶10的内径为10～20mm；硬导管14的内径为2～5mm，长度100～600mm。
本发明同时提供了一种深部损伤岩石吸水量测试方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、安装所述测试装置；
(1.1)将不透液球5放入硬导管14中，再将硬导管14的两端分别与一个软导管7连接，然后将水3和液体11同时通过各自的软导管7从硬导管14的左侧和右侧注入硬导管14中，确保不透液球5两侧的水3和液体11不会穿透不透液球5进而发生漏液现象；再用止液夹15关闭软导管7；
将夹具4固定到架体12上，再通过夹具4将测量筒1、储液桶10和硬导管14固定到架体12上；
优选地，不透液球5位于硬导管14中间位置或靠近储液桶10，便于后续实验以及硬导管14整体长度的减小。
(1.2)将测量筒1和储液桶10分别与硬导管14左右两侧的软导管7连接；
(1.3)将固定试样模具左部分13和固定试样模具右部分17通过螺纹连接件连接，组成固定试样模具，并放置于测试台上；再将岩石试样放入固定试样模具中，通过调节螺纹连接件实现固定试样模具对岩石试样的夹紧；再将密封圈16放置在岩石试样的上表面，然后调整固定试样模具的位置使得测量筒1位于岩石试样的正上方；
(1.4)调整架体12的高度，使测量筒1的下端与固定试样模具密封配合，保证不会有水流出；然后拧紧固定试样模具上的螺纹连接件，使得固定试样模具的内壁与岩石试样的外壁以及测量筒1的外壁密封配合；再将足够多的水3和液体11分别倒入测量筒1和储液桶10中，根据水3和液体11的密度确定倒入量；再打开所有的止液开关6和止液夹15，当不透液球5稳定时，再分别将不透水板2和不透液板8放置在水3和液体11的上表面，此时为初始状态；
步骤2、安装好测试装置后，开始测试；
(2.1)在初始状态下，测量不透液球5的中心至储液桶10的内壁的水平距离为L1(mm)、不透液球5的中心至测量筒1的内壁的水平距离为L′1(mm)、测量筒1中自由水面(即水3的上顶面)至与硬导管14中心等高处的距离为H1(mm)且压强为p1(Pa)、储液桶10中自由液面(即液体11的上顶面)至与硬导管14中心等高处的距离为H2(mm)且压强为p2(Pa)；再根据p＝ρgH且p1＝p2，得到：
ρwgH1＝ρfgH2 (1)
式(1)中，ρw为常温下水3的密度(g/cm3)；ρf为常温下液体11的密度(g/cm3)；
(2.2)外置的加压装置通过不透水板2和不透液板8对水3和液体11分别同时增加相同的外加压强P，观察不透液球5在硬导管14中位置；当不透液球5的位置不再发生变化时，认定岩石试样吸水完成，撤掉外加压强，此时为最终状态；
(2.3)在最终状态下，测量不透液球5的中心至储液桶10的内壁的水平距离为L2(mm)、不透液球5的中心至测量筒1的内壁的水平距离为L′2(mm)、测量筒1中自由水面(即水3的上顶面)至与硬导管14中心等高处的距离为H′1(mm)且压强为p′1(Pa)、储液桶10中自由液面(即液体11的上顶面)至与硬导管14中心等高处的距离为H′2(mm)且压强为p′2(Pa)；再根据p＝ρgH且p′1＝p′2，得到：
ρwgH′1＝ρfgH′2 (2)
(2.4)式(1)减去式(2)，得到：
ρwgΔH1＝ρfgΔH2 (3)
式(3)中，ΔΔH1＝H1-H′1，表示水3的液面高度变化；ΔH2＝H2-H′2，表示液体11的液面高度变化；
将式(3)变形，得到：
从初始状态到最终状态，测量筒1中水3的体积变化量ΔV1＝ΔH1·S1，得到：
式(5)中，S1为测量筒1的内径的截面积(mm2)；当测量筒1为变截面的筒体时，S1为测量筒1的上部的内径的截面积(mm2)；
由于从初始状态到最终状态，液体11的总体积不变，因此，硬导管14中液体11的体积增加量等于储液桶10中液体11的体积减少量即ΔL·S3＝ΔH2·S2，变形得到：
式(6)中，ΔL＝L2-L1＝L′1-L′2，表示从初始状态到最终状态硬导管14中液体11的长度变化量(mm)；S2为储液桶10的内径的截面积(mm2)；S3为硬导管14的横截面积(mm2)；
将式(6)代入式(5)，得到：
从初始状态到最终状态，硬导管14中水3的体积变化量ΔV2为：
ΔV2＝S3·ΔL (8)
式(8)中，ΔL＝L′1-L′2＝L2-L1，表示从初始状态到最终状态硬导管14中水3的长度变化量(mm)；
从初始状态到最终状态，水3的液面下降的原因是部分水3被岩石试样吸收，被吸收的水由测量筒1中减少的水和硬导管14中减少的水共同组成，则岩石试样的饱和吸水量Qs(cm3)为：
岩石试样的吸水率包括平均吸水率和时段吸水率；
平均吸水率
为：
式(10)中，t0为测试开始时间点即初始状态，t1为测试结束时间点即最终状态，Qs为岩石试样吸水；
时段吸水率w为：
w＝Q′s/(t″-t′) (11)
式(11)中，t′为某时段内的测试开始时间点，t″为某时段内的测试结束时间点，Q′s为某时段内的岩石试样吸水量。
同时能够得到岩石试样的实时吸水量随时间变化的曲线。
实施例1
本实施例中，测量筒1为变截面的筒体，由两部分组成，上部内径70mm、高度80mm，下部内径46mm、高度50mm；不透水板2的直径70mm，厚度5mm，材质为亚克力板；不透液球5的直径为2mm，材质为聚丙烯；不透液板8的直径20mm，厚度5mm，材质为亚克力板；储液桶10的内径为20mm，高度200mm；硬导管14的内径2mm，长度600mm；密封圈16的外径50mm，内径46mm，厚度1mm。
固定试样模具的材质为亚克力板，内径为50mm，壁厚5mm；固定试样模具的高度为110mm、高度高于岩石试样10mm且高出这部分的内壁与测量筒1的外壁密封连接。在固定试样模具左部分13和固定试样模具右部分17的接缝处，自上而下等距离设置有三个片状物；片状物的厚度2mm，边长为20mm，中心处有直径10mm的圆洞口；在固定试样模具的底部设置有长为10mm、厚度为5mm的半圆环，用于自身稳定。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (9)
1.一种深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，该测试装置包括测量筒、不透水板、水、不透液球、止液开关、软导管、不透液板、储液桶、液体、架体、硬导管、止液夹和固定试样模具；
所述测量筒、储液桶和硬导管固定于架体上，硬导管水平设置，测量筒和储液桶竖直设置；
测量筒的两端开口，上端设置有与测量筒的内壁密封配合的不透水板，下端设置有与测量筒的外壁密封配合的固定试样模具；固定试样模具置于测试台上；测试时，测量筒内具有水，固定试样模具内夹紧有岩石试样，水的上顶面与不透水板接触，测量筒的下端面与岩石试样密封接触，使得水的下底面与岩石试样紧密接触；不透水板用于减少水的蒸发，测试时外接的加压装置作用于不透水板实现对水的加压；测量筒的底端侧壁设置有出水口，出水口上设置有止液开关；出水口的末端通过软导管与硬导管的一端连通；
储液桶的上端开口，上端设置有与储液桶的内壁密封配合的不透液板；测试时，储液桶内具有液体，液体的上顶面与不透液板接触；不透液板用于减少液体的蒸发，测试时外接的加压装置作用于不透液板实现对液体的加压；储液桶的底端侧壁设置有出液口，出液口上设置有止液开关；出液口的末端通过软导管与硬导管的另一端连通；
硬导管两端的软导管上均设置有止液夹；液体与水不互溶；硬导管内设置有不透液球；不透液球的两侧分别为液体和水，用于指示液面变化。
2.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，该装置还包括夹具；测量筒、储液桶和硬导管通过夹具固定于竖直放置的架体上。
3.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，测量筒的下端面与岩石试样的上端面之间设置有密封圈，实现密封接触。
4.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，该装置还包括固定台；储液桶的下端放置于固定台上，实现储液桶的竖直位置的进一步固定。
5.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，所述固定试样模具由固定试样模具左部分和固定试样模具右部分组成；固定试样模具左部分和固定试样模具右部分对称设置于岩石试样的左右两侧，通过螺纹连接件实现对岩石试样的紧固或松开。
6.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，不透水板和不透液板的上表面均设置有凸起，便于测试后取出。
7.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，不透水板的直径与测量筒的内径相同；不透液板的直径与储液桶的内径相同；不透液球的直径与硬导管的内径相同。
8.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，测量筒为变截面的筒体，上部的截面半径大于下部的截面半径，上部用于放置不透水板，下部与固定试样模具配合。
9.根据权利要求1所述的深部损伤岩石吸水量测试装置，其特征在于，液体的密度小于水的密度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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