一种用于测量岩石剪切蠕变特性的试验装置

摘要

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种用于测量干湿循环过程中岩石剪切蠕变特性的试验装置。该试验装置包括对岩石试样进行施压的加载装置、对施压后岩石试样形变进行测量的测量装置，以及对岩石试样做干湿循环处理的干湿循环装置；该试验装置还包括与所述干湿循环装置相通的用于容纳岩石试样的盒体，所述盒体沿着岩石试样的剪切面分离形成第一剪切半盒、第二剪切半盒，所述第二剪切半盒通过固定装置固定，所述的加载装置沿着剪切面、以及与剪切面垂直的方向施压于第一剪切半盒上。该试验装置可以对模拟库水位周期性变化条件下经过不同干湿循环次数后的岩石试样的变形量、抗剪强度参数、破坏模式等进行实时观测和测量。

权利要求

1.一种用于测量岩石剪切蠕变特性的试验装置，其特征在于：包括对岩石试样进行施压的加载装置、对施压后岩石试样形变进行测量的测量装置，以及对岩石试样做干湿循环处理的干湿循环装置；该试验装置还包括与所述干湿循环装置相通的用于容纳岩石试样的盒体，所述盒体沿着岩石试样(29)的剪切面(30)分离形成第一剪切半盒(12)、第二剪切半盒(13)，所述第二剪切半盒(13)通过固定装置固定，所述的加载装置沿着剪切面(30)、以及与剪切面垂直的方向施压于第一剪切半盒(12)上；

所述盒体内岩石试样(29)与盒体之间设有方形结构的渗水层，所述渗水层与盒体之间的间隙构成盒内水或热气的通道(31)，所述渗水层在层厚方向上均匀设有若干圆柱孔(32)；

所述干湿循环装置包括对岩石试样进行饱水处理的注水设备(25)、以及对岩石试样进行热气干燥处理的加热设备(26)，所述注水设备(25)、加热设备(26)与盒体内部相通，所述盒体上还设有水汽出口。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述岩石试样的剪切面(30)位于水平面内，所述第一剪切半盒(12)、第二剪切半盒(13)为方形结构且上下布置；所述加载装置包括垂直加载单元和水平加载单元，所述垂直加载单元包括沿垂直方向作用于第一剪切半盒顶面的垂直千斤顶(20)，所述水平加载单元包括沿水平剪切方向作用于第一剪切半盒(12)侧面的水平千斤顶(6)。

3.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述测量装置包括固定在磁性表座上的垂直位移计(21)和水平位移计(8)，所述垂直位移计(21)的触头与连接在垂直千斤顶(20)上的垂直位移支杆(22)相接触，所述水平位移计(8)的触头与连接在水平千斤顶(6)上的水平位移支杆(7)相接触，所述的垂直位移支杆(22)长度方向与垂直千斤顶(20)的施力方向垂直，所述的水平位移支杆(7)长度方向与水平千斤顶(6)的施力方向垂直。

4.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述注水设备(25)、加热设备(26)通过第一三通与盒体内部相通，所述注水设备(25)与第一三通之间设有进水阀(23)，所述加热设备(26)与第一三通之间设有进气阀(24)；所述第一剪切半盒(12)顶面依次设有沿水平方向布置的垫板(16)、第一传压板(17)，第一传压板(17)通过滚动轴承(18)与垂直千斤顶的活塞端板(19)接触；所述第一传压板(17)、垫板(16)上设有供所述第一三通出口支管与盒体内部相通的孔，其中第一传压板(17)上的孔贯穿第一传压板侧边与下板面。

5.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述水汽出口位于第二剪切半盒(13)的底面，所述水汽出口与第二三通其中一个支管相通，第二三通另外两个支管上分别设有排气阀(27)、排水阀(28)。

6.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述第一剪切半盒(12)侧面依次布置有与所述第一剪切半盒(12)侧面平行的推板(9)、第二传压板(10)，所述第二传压板(10)与所述水平千斤顶(6)接触。

7.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括固定装置，所述固定装置包括底座(3)，以及垂直设立在底座(3)上的刚性立柱(1)、反力框架(4)，所述刚性立柱(1)上设有用于固定垂直加载单元的上横梁(2)，所述反力框架(4)上固定连接有所述水平加载单元，所述底座(3)上还设有用于固定第二剪切半盒(13)的定位件(11)，以及板面相互平行且垂直于底座的挡板(15)、第三传压板(14)，所述挡板(15)、第三传压板(14)从水平剪切作用相反的方向抵靠在第二剪切半盒(13)的侧面上，挡板(15)位于第三传压板(14)与第二剪切半盒(13)之间。

说明书

一种用于测量岩石剪切蠕变特性的试验装置

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种用于测量干湿循环过程中岩石剪切蠕变特性的试验装置。

背景技术

[0002] 库水位周期性变化引起岩土体总是处于“干燥-饱水”作用状态，由此引起的工程地质灾害已经引起了众多学者和工程界的重视，研究水岩相互作用成为岩土工程中的热点问题。水岩相互作用主要表现为：(1)水岩相互作用使得岩土体的矿物成分、孔隙度、胶结物及其排列组合方式发生变化，从而引起岩石损伤，引起其抗剪强度参数发生大幅度降低，导致软岩的破坏，甚至引起库岸边坡的失稳，对岩土工程的长期稳定性产生威胁；(2)赋存于干湿循环过程中岩体长期在应力场作用下会产生“蠕变”现象，岩体的蠕变特性决定岩体在应力作用下，变形会随时间逐渐增加，最终导致岩体蠕变破坏。水岩相互作用使得岩体内部发生变化，致使岩石损伤，更易于发生蠕变。

[0003] 依据《水电水利工程岩石试验规程》(DL/T 5368-2007)，将岩样全部浸入水中自由吸水48小时后取出，将该岩样放入干燥箱，进行45℃下干燥24小时后取出，即为一个“干燥-饱水”循环过程。此方法较为准确的模拟库水位周期变化下处于干湿循环过程中岩石的状态。对于干湿循环作用对岩石的影响研究主要集中于经过不同次数干湿循环作用后岩石力学特性的研究，研究干湿循环作用中岩石蠕变特性目前还处于起步阶段，定量的测定有关重要参数的试验很少，特别是抗剪强度参数，从而限制了岩石流变理论体系的发展。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种用于测量干湿循环过程中岩石剪切蠕变特性的试验装置，该装置结构简单、成本低廉，可以对模拟库水位周期性变化条件下经过不同干湿循环次数后的岩石试样的变形量、抗剪强度参数、破坏模式等进行实时观测和测量。

[0005] 为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

[0006] 一种用于测量岩石剪切蠕变特性的试验装置，包括对岩石试样进行施压的加载装置、对施压后岩石试样形变进行测量的测量装置，以及对岩石试样做干湿循环处理的干湿循环装置；该试验装置还包括与所述干湿循环装置相通的用于容纳岩石试样的盒体，所述盒体沿着岩石试样的剪切面分离形成第一剪切半盒、第二剪切半盒，所述第二剪切半盒通过固定装置固定，所述的加载装置沿着剪切面、以及与剪切面垂直的方向施压于第一剪切半盒上。

[0007] 进一步的技术方案：所述干湿循环装置包括对岩石试样进行饱水处理的注水设备、以及对岩石试样进行热气干燥处理的加热设备，所述注水设备、加热设备与盒体内部相通，所述盒体上还设有水汽出口。

[0008] 进一步的技术方案：所述岩石试样的剪切面位于水平面内，所述第一剪切半盒、第二剪切半盒为方形结构且上下布置；所述加载装置包括垂直加载单元和水平加载单元，所述垂直加载单元包括沿垂直方向作用于第一剪切半盒顶面的垂直千斤顶，所述水平加载单元包括沿水平剪切方向作用于第一剪切半盒侧面的水平千斤顶。

[0009] 进一步的技术方案：所述盒体内岩石试样与盒体之间设有方形结构的渗水层，所述渗水层与盒体之间的间隙构成盒内水或热气的通道，所述渗水层在层厚方向上均匀设有若干圆柱孔。

[0010] 进一步的技术方案：所述测量装置包括固定在磁性表座上的垂直位移计和水平位移计，所述垂直位移计的触头与连接在垂直千斤顶上的垂直位移支杆相接触，所述水平位移计的触头与连接在水平千斤顶上的水平位移支杆相接触，所述的垂直位移支杆长度方向与垂直千斤顶的施力方向垂直，所述的水平位移支杆长度方向与水平千斤顶的施力方向垂直。

[0011] 进一步的技术方案：所述注水设备、加热设备通过第一三通与盒体内部相通，所述注水设备与第一三通之间设有进水阀，所述加热设备与第一三通之间设有进气阀；所述第一剪切半盒顶面依次设有沿水平方向布置的垫板、第一传压板，第一传压板通过滚动轴承与垂直千斤顶的活塞端板接触；所述第一传压板、垫板上设有供所述第一三通出口支管与盒体内部相通的孔，其中第一传压板上的孔贯穿第一传压板侧边与下板面。

[0012] 进一步的技术方案：所述水汽出口位于第二剪切半盒的底面，所述水汽出口与第二三通其中一个支管相通，第二三通另外两个支管上分别设有排气阀、排水阀。

[0013] 进一步的技术方案：所述第一剪切半盒侧面依次布置有与所述第一剪切半盒侧面平行的推板、第二传压板，所述第二传压板与所述水平千斤顶接触。

[0014] 进一步的技术方案：所述试验装置还包括固定装置，所述固定装置包括底座，以及垂直设立在底座上的刚性立柱、反力框架，所述刚性立柱上设有用于固定垂直加载单元的上横梁，所述反力框架上固定连接有所述水平加载单元，所述底座上还设有用于固定第二剪切半盒的定位件，以及板面相互平行且垂直于底座的挡板、第三传压板，所述挡板、第三传压板从水平剪切作用相反的方向抵靠在第二剪切半盒的侧面上，挡板位于第三传压板与第二剪切半盒之间。

[0015] 本发明的有益效果在于：

[0016] (1)通过上述试验，可以模拟库水位周期性变化条件下，经过不同干湿循环次数后的岩石试样的剪切蠕变过程，对岩石试样的变形量、破坏模式等可以进行实时观测和测量，通过相应的压力数据和测量值可以计算得到抗剪强度参数。该试验装置使用、安装过程简单、方便，同时结构简单，易于操作，使用范围广，测量的精度高，使用寿命长。

[0017] (2)该试验装置通过设置盒体不仅可以更为贴切地模拟库水位周期性变化条件下，经过不同干湿循环次数后的岩石试样，而且还实现了在一台装置上完成所有剪切蠕变试验过程。

[0018] (3)渗水层可以使水或热气与岩石试样充分接触，干湿循环结束，也更易于将水或汽进行排出，进一步确保干湿循环处理过程操作的准确性、有效性。

[0019] (4)通过垂直位移计和水平位移计可以得到相应的岩石试样的剪切蠕变变形量，进一步得知岩石试样剪切蠕变过程的规律、特性、破坏模式，并计算得到抗剪强度参数。

附图说明

[0020] 图1是本发明的结构示意图；

[0021] 图2是本发明中盒体的结构示意图。

[0022] 附图中附图标记的具体含义如下：

[0023] 1-刚性立柱  2-上横梁  3-底座  4-反力框架  6-水平千斤顶

[0024] 7-水平位移支杆  8-水平位移计  9-推板  10-第二传压板

[0025] 11-定位件  12-第一剪切半盒  13-第二剪切半盒  14-第三传压板[0026] 15-挡板  16-垫板  17-第一传压块  18-滚珠轴承  19-活塞端板[0027] 20-垂直千斤顶  21-垂直位移计  22-垂直位移支杆  23-进水阀[0028] 24-进气阀  25-注水设备  26-加热设备  27-排气阀  28-排水阀具体实施方式

[0029] 下面结合图1、2对本发明结构和工作过程进行进一步说明：

[0030] 一种用于测量岩石剪切蠕变特性的试验装置，包括对岩石试样进行施压的加载装置、对施压后岩石试样形变进行测量的测量装置，以及对岩石试样做干湿循环处理的干湿循环装置；该试验装置还包括与所述干湿循环装置相通的用于容纳岩石试样的盒体，所述盒体沿着岩石试样29的剪切面30分离形成第一剪切半盒12、第二剪切半盒13，所述第二剪切半盒13通过固定装置固定，所述的加载装置沿着剪切面30、以及与剪切面垂直的方向施压于第一剪切半盒12上。上述试验装置工作过程：首先将盒体安装好，并对第二剪切半盒13进行固定，然后利用加载装置按照预先设定压力值，沿着与剪切面垂直的方向施压于第一剪切半盒12，然后通过干湿循环装置向盒体内岩石试样29进行先注水、后干燥，即完成干湿循环处理过程，最后利用加载装置按照预先设定压力值，沿着剪切面30方向施压于第一剪切半盒12上，保持压力稳定的同时，通过测量装置对岩石试样29的形变进行测量。通过上述试验，可以模拟库水位周期性变化条件下，经过不同干湿循环次数后的岩石试样29的剪切蠕变过程，对岩石试样29的变形量、破坏模式等可以进行实时观测和测量，通过相应的压力数据和测量值可以计算得到抗剪强度参数。该试验装置使用、安装过程简单、方便，同时结构简单，易于操作，使用范围广，测量的精度高，使用寿命长。

[0031] 所述干湿循环装置包括对岩石试样29进行饱水处理的注水设备25、以及对岩石试样29进行热气干燥处理的加热设备26，所述注水设备25、加热设备26与盒体内部相通，所述盒体上还设有水汽出口。即通过注水设备25将水注入盒体内，位于盒体内的岩石试样29被水浸泡，按照试验设定时间，浸泡一段时间，然后关闭进水阀23，打开排水阀28，接着开启加热设备26，通过加热设备向盒体内送热风对岩石试样29进行干燥，干燥的水汽出口排出。该试验装置通过设置盒体不仅可以更为贴切地模拟库水位周期性变化条件下，经过不同干湿循环次数后的岩石试样29，而且还实现了在一台装置上完成所有剪切蠕变试验过程。

[0032] 这里提供一种最佳的试验装置的测量方案：所述岩石试样的剪切面30位于水平面内，所述第一剪切半盒12、第二剪切半盒13为方形结构且上下布置；所述加载装置包括垂直加载单元和水平加载单元，所述垂直加载单元包括沿垂直方向作用于第一剪切半盒顶面的垂直千斤顶20，所述水平加载单元包括沿水平剪切方向作用于第一剪切半盒12侧面的水平千斤顶6。该测量方位更为方便试验装置的安装以及测量，确保试验测量精度。

[0033] 所述盒体内岩石试样29与盒体之间设有方形结构的渗水层，所述渗水层与盒体之间的间隙构成盒内水或热气的通道31，所述渗水层在层厚方向上均匀设有若干圆柱孔32。该渗水层可以使水或热气与岩石试样29充分接触，干湿循环结束，也更易于将水或汽进行排出，进一步确保干湿循环处理过程操作的准确性、有效性。

[0034] 所述测量装置包括固定在磁性表座上的垂直位移计21和水平位移计8，所述垂直位移计21的触头与连接在垂直千斤顶20上的垂直位移支杆22相接触，所述水平位移计8的触头与连接在水平千斤顶6上的水平位移支杆7相接触，所述的垂直位移支杆22长度方向与垂直千斤顶20的施力方向垂直，所述的水平位移支杆7长度方向与水平千斤顶6的施力方向垂直。即垂直千斤顶20、水平千斤顶6作用于盒体上后，位于盒体内的岩石试样29会发生一定的剪切蠕变变形，相应垂直位移支杆22、水平位移支杆7也会发生位移，通过垂直位移计21和水平位移计8可以分别显示垂直位移支杆22、水平位移支杆7的位移量，从而得到相应的岩石试样29的剪切蠕变变形量，进一步得知岩石试样29剪切蠕变过程的规律和特性。

[0035] 所述注水设备25、加热设备26通过第一三通与盒体内部相通，所述注水设备25与第一三通之间设有进水阀23，所述加热设备26与第一三通之间设有进气阀24；所述第一剪切半盒12顶面依次设有沿水平方向布置的垫板16、第一传压板17，第一传压板17通过滚动轴承18与垂直千斤顶的活塞端板19接触；所述第一传压板17、垫板16上设有供所述第一三通出口支管与盒体内部相通的孔，其中第一传压板17上的孔贯穿第一传压板侧边与下板面。注水设备25、加热设备26由第一传压板17、垫板16上设有上的孔与盒体相通，这样的布置使得该试验装置整体布局更为紧凑，另外在做干湿循环处理时，可以确保水或热风可以从岩石试样29的正上方进入盒体内，以使得岩石试样29能充分与水或热风接触。

[0036] 所述水汽出口位于第二剪切半盒13的底面，所述水汽出口与第二三通其中一个支管相通，第二三通另外两个支管上分别设有排气阀27、排水阀28。即做饱水处理时，关闭排气阀27、排水阀28，饱水处理结束，需要进行干燥处理就打开排气阀27、排水阀28，便于水和热汽的排除。

[0037] 所述第一剪切半盒12侧面依次布置有与所述第一剪切半盒12侧面平行的推板9、第二传压板10，所述第二传压板10与所述水平千斤顶6接触。

[0038] 所述试验装置还包括固定装置，所述固定装置包括底座3，以及垂直设立在底座3上的刚性立柱1、反力框架4，所述刚性立柱1上设有用于固定垂直加载单元的上横梁2，所述反力框架4上固定连接有所述水平加载单元，所述底座3上还设有用于固定第二剪切半盒13的定位件11，以及板面相互平行且垂直于底座的挡板15、第三传压板14，所述挡板15、第三传压板14从水平剪切作用相反的方向抵靠在第二剪切半盒13的侧面上，挡板15位于第三传压板14与第二剪切半盒13之间。

[0039] 上述用于测量岩石剪切蠕变特性的试验装置的更为具体工作过程如下：

[0040] 第一步，测量岩石试样29的尺寸并记录，将岩石试样29放入盒体中，然后将盒体放置于底座3上，对第二剪切半盒13进行固定；将第一剪切半盒12顶面安置好带孔的第一传压块17和垫板16，并对齐孔的位置，在将滚珠轴承18与第一传压块17充分接触，垂直千斤顶20加压垂直荷载到预先设定的压力值；安置好盒体两侧沿着剪切方向布置的推板9、第二传压板10，将水平千斤顶6缓慢接触第二传压板10，安置水平位移计8和垂直位移计21，并记录开始的位移值。

[0041] 第二步，安装好注水装置和加热装置，根据试验设计步骤，首先水泵启动，设置好水流速度，关闭进气阀24，打开进水阀23，向盒体中注水，水流速度缓慢，使得水可以充分与岩石试样29接触；岩石试样29浸泡48小时后，关闭进水阀24，打开进气阀24和出气阀27，调节温控装置设置加热温度为45℃，启动加热装置，并设置好气流的流速，让热风在盒体中通过并循环24小时，即完成一个“干湿循环”过程。

[0042] 第三步，剪切试验开始时，通过水平千斤顶6连接的油泵对岩石试样29位于第一剪切半盒12内的部分进行加载，当达到试验设计荷载值时，停止加载，并使系统保持恒压状态，当系统受到环境变化的影响压力有所变化时，稳压装置可对水平荷载及时补压，使得整个系统在任意时刻都保持恒定压力。通过水平位移计8和垂直位移计21的读数变化，可得出岩石试样29在不同干湿循环次数、不同状态下的变形规律和特征，即可模拟赋予在库水位周期变化下岩体的蠕变特性。

[0043] 依据试验设计要求，重复上述步骤，可以获得多组的垂直应力-剪应力(σ-τ)数值，从而绘制出强度包络线，获得岩石的抗剪强度参数。