專利名稱：一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水庫水位周期性變化引起岸坡消落帶內(nèi)巖石地下水滲入和滲出，并帶走巖石孔隙中的部分礦物，使巖石發(fā)生損傷，當(dāng)損傷累積到一定程度，其強(qiáng)度將發(fā)生大幅度降低，甚至導(dǎo)致巖石的開裂破壞，嚴(yán)重者將引起岸坡的失穩(wěn)。因此，為了合理評(píng)價(jià)庫水位周期性變化條件下巖質(zhì)岸坡的穩(wěn)定性，需要通過試驗(yàn)確定庫水位周期變化條件下岸坡消落帶內(nèi)的巖石強(qiáng)度。目前對(duì)庫水位周期變化條件下岸坡消落帶內(nèi)巖石強(qiáng)度的傳統(tǒng)測(cè)試方法，是依據(jù) 《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264-2001)將巖樣全部浸入在水中自由吸水48小時(shí)后取出，將該巖樣放入干燥箱，進(jìn)行40士5°C下干燥M小時(shí)后取出，至此，完成水庫水位一個(gè)周期變化條件下消落帶內(nèi)巖石的“濕干循環(huán)”過程。對(duì)于年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)的水庫岸坡消落帶內(nèi)巖石，在一年當(dāng)中至少經(jīng)歷六個(gè)月的庫水浸泡和六個(gè)月暴露在大氣環(huán)境中，傳統(tǒng)方法顯然不能嚴(yán)格模擬試件的長(zhǎng)期浸泡過程和自然干燥過程，原因在于該方法的浸泡時(shí)間僅為 48小時(shí)、干燥時(shí)間僅為M小時(shí)；一般而言，消落帶內(nèi)巖石需經(jīng)歷幾個(gè)庫水位變化周期后，其強(qiáng)度才發(fā)生明顯變化，如果嚴(yán)格按照年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水庫水位變化周期，進(jìn)行消落帶內(nèi)巖石強(qiáng)度的室內(nèi)測(cè)試，則需要耗時(shí)幾年的時(shí)間，這無疑使室內(nèi)試驗(yàn)的效率極其低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法將庫水位周期性變化條件下消落帶內(nèi)巖石試件置于無圍壓條件下進(jìn)行浸泡和干燥，而不能模擬水庫消落帶岸坡巖石有圍壓狀態(tài)的不足；針對(duì)庫水位周期性變化條件下消落帶內(nèi)巖石強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)效率低下的不足；提供一種可模擬水庫水位周期性變化條件下消落帶巖石原始應(yīng)力狀態(tài)、提高巖石強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)效率的三軸試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。為解決上技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置，包括手動(dòng)油泵，加壓泵，滲流泵，底座，反力架，底座固定安裝在反力架上，反力架上設(shè)軸向變形測(cè)量表；底座上方設(shè)有三軸壓力室，三軸壓力室內(nèi)設(shè)有圍壓室，三軸壓力室外側(cè)設(shè)有加熱裝置；底座設(shè)有輸油管、輸水管，輸油管一端連接手動(dòng)油泵，另一端通向圍壓室，輸水管連接滲流泵，滲流泵連接手動(dòng)油泵；反力架上方設(shè)有千斤頂，千斤頂上固定有活塞，活塞內(nèi)設(shè)有出水管。所述輸油管通過蓄能皿連接手動(dòng)油泵。
所述滲流泵通過加壓泵連接手動(dòng)油泵。所述底座設(shè)有鎖緊圈，鎖緊圈用于鎖緊底座與三軸壓力室。一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)方法，由以下步驟構(gòu)成步驟一用橡膠套把巖石試件包好，放置在三軸壓力室中央，待巖石試件放置合適后，用鎖緊鎖緊底座與三軸壓力室，打開圍壓系統(tǒng)，由手動(dòng)油泵將油液經(jīng)輸油管輸送到巖石試件外圍的圍壓室內(nèi)；步驟二手動(dòng)油泵提供壓力，推動(dòng)滲流泵內(nèi)的水體經(jīng)輸水管連續(xù)不斷地向三軸壓力室輸送，當(dāng)達(dá)到模擬庫水浸泡的時(shí)間時(shí)，停止向巖石試件輸水；步驟三保持巖石試件的圍壓不變，將加熱裝置的開關(guān)打開，以試驗(yàn)設(shè)定的加熱溫度給圍壓室內(nèi)的油加熱，通過熱量傳遞，對(duì)完成浸泡過程的巖石試件進(jìn)行加熱，當(dāng)出水管中的空氣含水量與岸坡空氣中的含水量相等時(shí)，關(guān)閉加熱裝置，停止向巖石試件加熱；步驟四手動(dòng)油泵按應(yīng)力或應(yīng)變加載方式向千斤頂施加壓力，千斤頂推動(dòng)下部活塞向巖石試件施加軸向荷載，由軸向變形測(cè)量表測(cè)出巖石試件在壓縮過程中應(yīng)變值的大小，在保持消落帶內(nèi)巖石原有應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下，壓縮巖石試件至最終破壞；通過上述步驟完成模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)方法。所述步驟一中試驗(yàn)圍壓根據(jù)岸坡巖石的實(shí)際圍壓大小確定后，由手動(dòng)油泵將油液經(jīng)輸油管輸送到巖石試件外圍的圍壓室內(nèi)，通過蓄能皿進(jìn)行穩(wěn)壓。所述步驟二中手動(dòng)油泵向加壓泵內(nèi)提供壓力，推動(dòng)滲流泵內(nèi)的水體經(jīng)輸水管連續(xù)不斷地向三軸壓力室輸送，經(jīng)巖石試件底部向上入滲，滲出的水經(jīng)出水管排出。本發(fā)明一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法的有益效果如下1.將巖石試件放置在有圍壓的壓力室內(nèi)進(jìn)行浸泡和干燥，從而在不改變岸坡巖石環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)情況下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷多次濕干循環(huán)后巖石的強(qiáng)度測(cè)試；2.在保持巖石試件圍壓不變的條件下，以通過巖石試件的滲水量相等為依據(jù)，采用增加試件軸向水壓力的方式，縮短庫水的長(zhǎng)期浸泡引起庫水滲入或滲出巖石的時(shí)間；3.巖石試件圍壓不變的條件下，以烘干后巖石試件的含水量和處于自然干燥環(huán)境中岸坡巖石的含水量相等為依據(jù)，利用加熱裝置對(duì)浸泡后的巖石試件進(jìn)行快速干燥，縮短庫水浸泡后的巖石達(dá)到天然含水狀態(tài)的自然干燥時(shí)間。4、巖石試件從開始注水浸泡、加溫干燥、直至受壓完全破壞全過程，圍壓系統(tǒng)始終向壓力室提供恒定圍壓，實(shí)現(xiàn)水庫消落帶巖石試件在原有環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)保持不變的情況下，進(jìn)行庫水位周期性變化條件下的濕干循環(huán)過程模擬。5通過增大巖石試件軸向水壓力的方式，縮短庫水的長(zhǎng)期浸泡引起庫水滲入或滲出岸坡巖石試件的時(shí)間，以提高實(shí)驗(yàn)效率；滲流泵內(nèi)的水經(jīng)加壓泵加壓處理后，經(jīng)輸水管從巖石試件的底部向上入滲，滲出的水由巖石試件上部的出水管自由排出。6、利用加熱升溫的方式使巖石試件快速干燥，縮短庫水浸泡后的巖石試件達(dá)到岸坡巖石天然含水狀態(tài)所需的自然干燥時(shí)間，以提高實(shí)驗(yàn)效率。通過三軸壓力室外包加熱裝置，對(duì)壓力室內(nèi)提供圍壓的油進(jìn)行加熱，通過熱量傳遞，對(duì)完成浸泡過程的巖石試件進(jìn)行加熱，使巖石試件的快速干燥至天然含水狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明“水量相等”原理圖；圖2為本發(fā)明試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置，包括手動(dòng)油泵 1，加壓泵2，滲流泵3，輸水管4，三軸壓力室5，巖石試件6，出水管7，活塞8，IOT的千斤頂 9，鎖緊圈10，底座11，橡膠套12，加熱裝置13，圍壓室14，輸油管15，蓄能皿16，反力架17， 軸向測(cè)量表18。底座11上方設(shè)有三軸壓力室5，三軸壓力室5內(nèi)設(shè)有圍壓室14，三軸壓力室5外側(cè)設(shè)有加熱裝置13。底座11設(shè)有輸油管15、輸水管4，輸油管15 —端連接手動(dòng)油泵1，輸油管15另一端通向圍壓室14，輸水管4連接滲流泵3，滲流泵3連接手動(dòng)油泵1。反力架 17上方設(shè)有千斤頂9，千斤頂9上固定有活塞8，活塞8內(nèi)設(shè)有出水管7。所述輸油管15通過蓄能皿16連接手動(dòng)油泵1。所述滲流泵3通過加壓泵2連接手動(dòng)油泵1。所述底座11設(shè)有鎖緊圈10，鎖緊圈10用于鎖緊底座11與三軸壓力室5。一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)方法，由以下步驟構(gòu)成步驟一用橡膠套12把巖石試件6包好，放置在三軸壓力室5中央，待巖石試件6 放置合適后，用圓形鎖緊圈10鎖緊底座11與三軸壓力室5，打開圍壓系統(tǒng)，由裝置左側(cè)手動(dòng)油泵1將油液經(jīng)輸油管15輸送到巖石試件6外圍的圍壓室14內(nèi)，試驗(yàn)圍壓根據(jù)岸坡巖石的實(shí)際圍壓大小確定后，可由手動(dòng)油泵1施加相應(yīng)的壓力，并由蓄能皿16進(jìn)行穩(wěn)壓，以實(shí)現(xiàn)消落帶內(nèi)岸坡巖石試件原始應(yīng)力狀態(tài)的模擬。步驟二 圍壓穩(wěn)定后，按公式③換算過的水壓大小P，由裝置右側(cè)的手動(dòng)油泵1向加壓泵2內(nèi)提供壓力P，推動(dòng)滲流泵3內(nèi)的水體經(jīng)輸水管4連續(xù)不斷地向三軸壓力室5輸送，經(jīng)巖石試件6底部向上入滲，滲出的水經(jīng)出水管7排出，當(dāng)達(dá)到模擬庫水浸泡的時(shí)間t 時(shí)，停止向巖石試件6輸水。通過這種方式可以快速模擬庫水滲入和滲出消落帶內(nèi)巖石的過程。步驟三保持巖石試件6所受的圍壓不變，將加熱裝置13的開關(guān)打開，以試驗(yàn)設(shè)定的加熱溫度給圍壓室14內(nèi)的圍壓油加熱，通過熱量傳遞，對(duì)完成浸泡過程的巖石試件6進(jìn)行加熱，當(dāng)出水管7中的空氣含水量與岸坡空氣中的含水量相等時(shí)，關(guān)閉加熱裝置13，停止向巖石試件6加熱。通過這種方式，使巖石試件6的快速干燥至天然含水狀態(tài)。至此，就完成了水庫消落帶內(nèi)巖石的一次濕干循環(huán)過程的模擬。步驟四按上述做法對(duì)巖石試件6進(jìn)行若干次濕干循環(huán)后，使用裝置左上端的手動(dòng)油泵1按應(yīng)力或應(yīng)變加載方式向千斤頂9施加壓力，千斤頂9推動(dòng)下部活塞8向巖石試件6施加軸向荷載，由軸向測(cè)量表18隨之測(cè)出巖石試件6在壓縮過程中應(yīng)變值的大小，在保持消落帶內(nèi)巖石原有應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下，壓縮巖石試件6至最終破壞，以獲得消落帶巖石在經(jīng)歷庫水若干次濕干循環(huán)作用下的強(qiáng)度變化情況。壓縮完成后，卸掉圍壓，取出巖石試件6，至此試驗(yàn)結(jié)束。
對(duì)于增加軸向水壓力來縮短巖石試件6浸泡引起庫水滲入或滲出巖石試件6的時(shí)間，其原理表述如下圖1中(a)為水庫正常蓄水位狀態(tài)下巖石試件6承受的軸向水壓Ptl，圖1中(b) 為試驗(yàn)狀態(tài)下增大的軸向水壓P，則(a)和(b)兩種狀態(tài)下通過巖石試件6的水量％和Q， 二者的表達(dá)式見式①和式②。Q0 = kP0At0/l ①Q(mào) = kPAt/Ι②式中，k為巖石試件6的軸向滲透系數(shù)，A為巖石試件6的橫截面積，t0為軸向水壓Ptl狀態(tài)下巖石試件6經(jīng)受庫水浸泡的時(shí)間，t為軸向水壓P狀態(tài)下巖石試件6經(jīng)受庫水浸泡的時(shí)間，1為巖石試件6的長(zhǎng)度，令= Q，則t = P0t0/P③從式③可以看出對(duì)于特定的水庫而言，Pot0為定值，可以通過增大試驗(yàn)狀態(tài)下軸向水壓P來減小巖石試件6經(jīng)受庫水浸泡的時(shí)間t。
權(quán)利要求
1.一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置，包括手動(dòng)油泵(1)，加壓泵 (2)，滲流泵⑶，底座(11)，反力架(17)，底座(11)固定安裝在反力架(17)上，反力架(17) 設(shè)有軸向測(cè)量表(18)；其特征在于底座(11)上方設(shè)有三軸壓力室(5)，三軸壓力室(5)內(nèi)設(shè)有圍壓室(14)， 三軸壓力室( 外側(cè)設(shè)有加熱裝置(13)；底座(11)設(shè)有輸油管(15)、輸水管G)，輸油管(1 一端連接手動(dòng)油泵(1)，輸油管 (15)另一端通向圍壓室(14)，輸水管(4)連接滲流泵(3)，滲流泵(3)連接手動(dòng)油泵⑴；反力架(17)上方設(shè)有千斤頂(9)，千斤頂(9)上固定有活塞(8)，活塞(8)內(nèi)設(shè)有出水管⑵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述1一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置，所述輸油管(15)通過蓄能皿(16)與手動(dòng)油泵(1)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述1一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置，所述滲流泵( 通過加壓泵( 連接手動(dòng)油泵(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述1一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置，所述底座(11)設(shè)有鎖緊圈(10)，鎖緊圈(10)用于鎖緊底座(11)與三軸壓力室(5)。
5.由權(quán)利要求1所述的模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于由以下步驟構(gòu)成步驟一用橡膠套(1 把巖石試件(6)包好，放置在三軸壓力室( 中央，待巖石試件(6)放置合適后，用鎖緊圈(10)固定好底座(11)，打開圍壓系統(tǒng)，由手動(dòng)油泵⑴將油液經(jīng)輸油管(15)輸送到巖石試件(6)外圍的圍壓室(14)內(nèi)；步驟二 手動(dòng)油泵(1)提供壓力，推動(dòng)滲流泵(3)內(nèi)的水體經(jīng)輸水管(4)連續(xù)不斷地向三軸壓力室( 輸送，當(dāng)達(dá)到模擬庫水浸泡的時(shí)間時(shí)，停止向巖石試件(6)輸水；步驟三巖石試件(6)所受的圍壓不變，將加熱裝置(13)的開關(guān)打開，以試驗(yàn)設(shè)定的加熱溫度給圍壓室(14)內(nèi)的圍壓油加熱，通過熱量傳遞，對(duì)完成浸泡過程的巖石試件(6)進(jìn)行加熱，當(dāng)出水管(7)中的空氣含水量與岸坡空氣中的含水量相等時(shí)，關(guān)閉加熱裝置(13)， 停止向巖石試件(6)加熱；步驟四手動(dòng)油泵(1)按應(yīng)力或應(yīng)變加載方式向千斤頂(9)施加壓力，千斤頂(9)推動(dòng)下部活塞(8)向巖石試件(6)施加軸向荷載，由軸向測(cè)量表(18)測(cè)出巖石試件(6)在壓縮過程中應(yīng)變值的大小，在保持消落帶內(nèi)巖石原有應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下壓縮巖石試件(6) 至最終破壞；通過上述步驟完成模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)方法，其特征在于 所述步驟一中試驗(yàn)圍壓根據(jù)岸坡巖石的實(shí)際圍壓大小確定后，由手動(dòng)油泵(1)將油液經(jīng)輸油管(15)輸送到巖石試件(6)外圍的圍壓室(14)內(nèi)，通過蓄能皿(16)進(jìn)行穩(wěn)壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)方法，其特征在于 所述步驟二中手動(dòng)油泵(1)向加壓泵O)內(nèi)提供壓力，推動(dòng)滲流泵(3)內(nèi)的水體經(jīng)輸水管 (4)連續(xù)不斷地向三軸壓力室( 輸送，經(jīng)巖石試件(6)底部向上入滲，滲出的水經(jīng)出水管(7)排出。
全文摘要
一種模擬水庫消落帶巖石濕干循環(huán)的三軸試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，包括手動(dòng)油泵，加壓泵，滲流泵，底座，反力架，底座固定安裝在反力架上，反力架設(shè)有軸向測(cè)量表。底座上方設(shè)有三軸壓力室，三軸壓力室內(nèi)設(shè)有圍壓室，三軸壓力室外側(cè)設(shè)有加熱裝置。底座設(shè)有輸油管、輸水管，輸油管一端連接手動(dòng)油泵，輸油管另一端通向圍壓室，輸水管連接滲流泵，滲流泵連接手動(dòng)油泵。反力架上方設(shè)有千斤頂，千斤頂上固定有活塞，活塞內(nèi)設(shè)有出水管。本發(fā)明在保持巖石試件圍壓不變的條件下，采用巖石試件軸向水壓力的方式，縮短庫水的長(zhǎng)期浸泡引起庫水滲入或滲出巖石的時(shí)間；利用加熱裝置對(duì)浸泡后的巖石試樣進(jìn)行干燥，縮短庫水浸泡后的巖石達(dá)到天然含水狀態(tài)的自然干燥時(shí)間。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102435480SQ20111030084
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者劉心庭, 周創(chuàng)兵, 姜清輝, 孫錢程, 張振華, 薛晶晶 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)