一种模拟岩石遇水软化的试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，具体而言，涉及一种模拟岩石遇水软化的试验装置及其试验方法。

背景技术：

地下工程在开挖过程中会不可避免的遇到断层破碎带或岩性分界处的破碎夹层等岩体破碎带，此类洞段岩性较差、承载能力及抗变形能力较弱，且遇水易软化，属于地下工程中的薄弱部位。工程实践表明，该类部位的围岩稳定性直接决定了地下工程的建设速度与工程质量。因此，为保证地下工程岩体破碎带支护设计的可靠度以及工程建设质量，准确评估地下工程破碎带岩体的物理力学性能就具有了重要的意义。

由于现场破碎岩体很难成样，难以运用已有的室内试验方法对其物理力学性质展开研究。目前，工程技术人员主要依据《工程岩体分级标准》和《水利水电工程地质勘察规范》等相关规范对开挖后破碎岩体的物理力学性质进行定量评价。由于地下工程岩体中或多或少存在地下水的影响，现有方法无法准确反映施工现场经水软化后的破碎岩体的物理力学性质。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种模拟岩石遇水软化的试验装置，旨在通过模拟破碎岩石在不同水压下遇水软化的情况，以进一步通过检测分析得到准确度更高的岩石物理力学性能参数。

本发明的第二目的在于提供一种模拟岩石遇水软化的试验方法，通过该试验方法，能够准确的模拟并反映工程岩体中岩石在地下水的影响下软化的现场实际情况。

本发明是这样实现的：

一种模拟岩石遇水软化的试验装置，其包括密封缸、水压调节系统和用于放置岩石样品的试样盒，密封缸具有相对密闭的试验腔，试样盒设置于试验腔内并具有多个与试验腔相连通的通孔，水压调节系统与密封缸连接并用于调节试验腔内的水压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，密封缸开设有进水口和出水口，密封缸具有相互配合的缸体和盖体，进水口与出水口均设置于盖体，出水口处设置有止水阀。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，水压调节系统包括进水管道和驱动装置，进水管道与进水口连接，驱动装置与进水管道连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，试验装置还包括支撑架，支撑架设置于密封缸的底部，试样盒设置于支撑架上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，试样盒包括相对设置的第一盒体和第二盒体，第一盒体与第二盒体可拆卸连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，试样盒和密封缸由透明材料制成。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，密封缸内还设置有缓冲板，缓冲板设置于进水口相对的位置，并与试样盒间隔设置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，密封缸的侧壁设置有凸台，缓冲板设置于凸台上，缓冲板开设有多个透水孔。

一种模拟岩石遇水软化的试验方法，该试验方法采用上述模拟岩石遇水软化的试验装置，其包括：

将岩石样品放置于试样盒中，再将放置有岩石样品的试样盒放置于密封缸内并使试验腔呈相对密闭状态，随后利用水压调节系统来调节试验腔内的水压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，试样盒为圆柱形，岩石样品与试样盒为间隙配合，间隙配合的间隙小于3cm。

本发明的有益效果是：

本发明通过上述设计得到的模拟岩石遇水软化的试验方法，使用时，通过水压调节系统将水注入到密封缸中，密封缸中的水通过试样盒上的通孔进入试样盒，与放置在试样盒内的岩石样品相互作用。同时，也可通过调节密封缸中的注水量来调节试验腔内的水压，以此来模拟岩石样品在不同水压下遇水软化的情况，得到更加贴合实际情况的软化后的岩石样品，有利于满足工程技术人员准确的了解地下工程中破碎岩体在施工及运营全过程中物理力学性质的需求。该试验装置能够满足在室内进行模拟破碎岩石遇水软化的试验，且结构合理、简单，易于制造，实用性强，可普遍用于岩体工程中破碎岩石不同水压下的遇水软化试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式实施例1提供的模拟岩石遇水软化的试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式实施例1提供的模拟岩石遇水软化的试验装置中密封缸的结构示意图；

图3是本发明实施方式实施例1提供的模拟岩石遇水软化的试验装置中试样盒在第一视角的结构示意图；

图4是本发明实施方式实施例1提供的模拟岩石遇水软化的试验装置中试样盒在第二视角的结构示意图。

标号：100-试验装置；110-密封缸；111-试验腔；112-进水口；113-出水口；114-缸体；115-盖体；116-止水阀；117-支撑架；118-缓冲板；119-透水孔；120-凸台；121-密封件；122-凹槽；123-螺栓；124-螺母；125-垫片；140-试样盒；141-容纳腔；142-通孔；143-第一盒体；144-第二盒体；145-顶壁；146-弧形壁；147-底壁；148-第一端；149-第二端；150-铰接件；151-锁扣件；160-水压调节系统；161-进水管道；162-驱动装置；163-出水管道；164-水压传感器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1，参照图1至图4所示

本实施例提供一种模拟岩石遇水软化的试验装置100，如图1所示，该试验装置100包括密封缸110、试样盒140和水压调节系统160。利用该试验装置100可以模拟破碎岩石在不同水压下遇水软化的情况，有利于得到更加贴合实际情况的软化后的岩石样品，以满足工程技术人员准确的了解地下工程中破碎岩体在施工及运营全过程中物理力学性质的需求。

该试验装置100包括密封缸110，如图2所示，密封缸110为中空结构，密封缸110具有一个用于模拟岩石遇水软化情况的试验腔111，试验腔111在试验过程中呈相对密闭状态。密封缸110的形状可以为圆筒形，也可以为柱体形。密封缸110开设有进水口112和出水口113，通常进水口112与进水管道相连通，出水口113与出水管道相连通，且进水口112与出水口113处均设置有止水阀116，通过关闭或打开止水阀116，可调节密封缸110中的注水量。

进水口112与出水口113可以设置在密封缸110的同一侧壁，也可分别设置与密封缸110的不同侧面，例如可以是进水口112设置于密封缸110的顶部，出水口113设置于密封缸110的底部。较为优选的，进水口112和出水口113均设置于密封缸110的顶部，通过进水口112给试验腔111内注水时，当观察到出水口113处有水流出，即表明试验腔111内的水已注满；随后，关闭出水口113处的止水阀116即可。

密封缸110具有相互配合的缸体114和盖体115，进水口112与出水口113均设置于盖体115。缸体114和盖体115为可拆卸连接，二者之间可以为两个完全独立的结构，也可以为一端铰接式的结构。可拆卸连接的方式有多种，比如螺纹连接、卡扣连接等。在本发明中，缸体114和盖体115之间通过相互配合的螺栓123和螺母124连接。为了避免螺栓123与螺母124在水压的作用下逐渐松动，可在盖体115与螺栓123的接触位置设置垫片125，比如钢垫片。

为了保证在整个试验过程中，试验腔111内能够保持较好的密封状态，在本实施例中，在盖体115与缸体114之间设置有密封件121。该密封件121为密封垫或者弹性橡胶圈。为了进一步增强密封效果，缸体114与盖体115相接触的表面设置有凹槽122，将密封件121设置于凹槽122中。

在本实施例中，为了使工作人员更加方便的观察到试验腔111内的情况，密封缸110是由透明材料加工的，比如采用树脂或者钢化玻璃等材质制成。通常，为了增强密封缸110的抗压强度，在加工时可以适当的增加密封缸110侧壁的厚度。

进一步优选的，密封缸110内还设置有缓冲板118，缓冲板118设置于进水口112相对的位置，且缓冲板118不与装有岩石样品的试样盒140相接触。通过缓冲板118的设置，能够降低注水时进水口112处的水流冲击力，以此缓解注水阶段水流对岩石样品的冲刷。在本实施例中，密封缸110的侧壁设置有凸台120，缓冲板118设置于凸台120上，缓冲板118的横截面为圆形，其直径与密封缸110的内径大致相当，缓冲板118上开设有多个透水孔119。

该试验装置100还包括试样盒140，如图3和图4所示，试样盒140为中空结构，试样盒140具有放置待测的岩石样品的容纳腔141，试样盒140开设有多个通孔142，通过该通孔142，可使容纳腔141与试验腔111相连通。在进行试验时，位于试验腔111内的水可穿过通孔142与位于容纳腔141内的岩石样品相接触。

为了便于使岩石样品能够方便安装在试样盒140内，试样盒140具有相互配合的第一盒体143和第二盒体144，第一盒体143与第二盒体144的每个侧壁均开设有多个与容纳腔141相连通的通孔142。

进一步的，由于在实际取样过程中，通常采用电钻机进行采样，所采集的样品呈圆柱形。为了使岩石样品与试样盒140为间隙配合，试样盒140的容纳腔141与圆柱形的样品形状相匹配。在实际生产过程中，会加工不同规格的试样盒140以配合不同体积的岩石样品，比如试样盒140的直径为100mm、长度为150mm。为了达到更好的配合效果，配合间隙小于3mm，即岩石样品的外径与试样盒140的内径之间的距离最大为3mm。

这种试样盒140能够确保岩石样品在遇水软化崩解的过程中依然能够大致保持其崩解前的形状，从而避免样品崩解后呈无序散落状态，有利于工作人员能够依据岩石崩解前的形状取得具有代表性的软化岩石样品，以进一步依据有关规范采用现有方法对其物理力学性质进行定量评价，得到更具代表性和准确性的结论。

第一盒体143与第二盒体144相互对称且相对设置。在本实施例中，第一盒体143与第二盒体144均为中空的半圆体，第一盒体143的长度方向以及第二盒体144的长度方向均与试样盒140的轴线平行。在放置岩石样品时，可将岩石样品先放置在第一盒体143中，岩石样品的长度与第一盒体143基本一致，随后将第二盒体144扣合在第一盒体143上，共同形成圆柱状的试样盒140。

第一盒体143与第二盒体144均具有依次连接的顶壁145、弧形壁146和底壁147，顶壁145和底壁147的横截面积相等。弧形壁146的横截面为弧形面(图未标)，弧形面的圆心角为160～200度。当第一盒体143的弧形面的圆心角为160度时，第二盒体144的弧形面的圆心角为200度，两个弧形面拼合呈一个完整的圆形面；相反地，当第一盒体143的弧形面的圆心角为200度时，第二盒体144的弧形面的圆心角为160度。更为优选的，第一盒体143和第二盒体144的圆心角均为180度，有利于岩石样品的装样，同时也能避免崩解后的岩石样品在取出时的形状被破坏。

第一盒体143具有相对的两端，即第一端148和第二端149，第一端148与第二盒体144相铰接、第二端149与第二盒体144可拆卸连接。可拆卸连接为螺蚊连接、卡扣连接或者法兰连接。在本实施例中，第一盒体143的第一端148与第二盒体144通过铰接件150相铰接，第一盒体143和第二盒体144以第一端148为轴线转动，来实现打开或闭合试样盒140；第一盒体143的第二端149通过锁扣件151与第二盒体144连接，以此使岩石样品相对静止的位于试样盒140中。

在本发明的其他实施例中，第一盒体与第二盒体均为一端开口的圆柱形，第一盒体可拆卸连接于第二盒体，优选为第一盒体与第二盒体通过螺纹连接。当取得圆柱形的岩石样品后，可将岩石样品放置于第一盒体中，随后使第二盒体相对于第一盒体做相向运动，并通过螺纹进行扣合。

在本实施例中，优选的，将试样盒140也采用透明材料加工，比如采用树脂或者钢化玻璃等材质制成。同时采用由透明材料制成的试样盒140和密封缸110，有利于技术人员能够在岩石样品的遇水软化试验中进行实时观察，使其能够准确直观的研究岩石遇水软化的演化规律。

如图2所示，密封缸110的试验腔111底部还设置有支撑架117，装有岩石样品的试样盒140位于支撑架117上。试样盒140的底部与密封缸110的底部之间留有间隙，即试样盒140底部的通孔142不与密封缸110的底部相接触，使得岩石样品在遇水软化过程中产生的粉末状碎屑能够顺利从试样盒140底部的通孔142排出，避免堵塞试样盒140的底部通孔142。

如图1所示，该试验装置100还包括水压调节系统160，水压调节系统160包括进水管道161，进水管道161与密封缸110的进水口112相连通；水压调节系统160还包括驱动装置162，驱动装置162为水泵等动力装置，在本实施例中，驱动装置162为伺服泵，驱动装置162与进水管道161连接，用于给水提供动力使其注入密封缸110中。为了更好的调控密封缸110内的水压，优选的在进水管道161靠近进水口112的一端设置水压传感器164。

本实施方式还提供一种模拟岩石遇水软化的试验系统(图未示)，这种试验系统包括模拟岩石遇水软化的试验装置100和自动化控制系统(图未示)。通过这种自动化控制系统可以实现试验装置100的自动化控制，使得试验腔111内的水压控制的更加精准。

利用试验装置100进行模拟岩石遇水软化的试验方法，包括以下步骤：

S1:将现场钻取的岩石样品装入试样盒140中，该试样盒140的内径与岩石样品的直径相配合。

S2:将支撑架117放置于密封缸110的底部，将装有岩石样品的试样盒140放置在支撑架117上；随后将缓冲板118放置于密封缸110内壁的凸台120上，关闭密封缸110使其形成相对密闭的试验腔111。

S3:打开位于密封缸110的进水口112和出水口113处的两个止水阀116，通过驱动装置162往密封缸110内注水，待密封缸110内的水注满，且密封缸110的出水口113有水外流时，关闭出水口113处的止水阀116。

S4:再利用驱动装置162将水继续注入密封缸110中，以此来将密封缸110内的水压调节至预设值，以模拟岩石遇水软化情况。

在试验过程中，实时观察破碎岩体试样的遇水软化情况，统计岩石样品遇水软化后的崩解数量，并依据《工程岩体分级标准》和《水利水电工程地质勘察规范》等相关规范，采用现有方法定量评价按预设时间和水压浸泡后的破碎岩体试样的物理力学性质。

综上所述，本发明提供的模拟岩石遇水软化的试验方法，通过调节密封缸110中的注水量来调节试验腔111内的水压，以模拟破碎岩石在不同水压下遇水软化的情况，得到更加贴合实际情况的软化后的岩石样品，有利于满足工程技术人员准确的了解地下工程中破碎岩体在施工及运营全过程中物理力学性质的需求。该试验装置100能够满足在室内进行模拟破碎岩石遇水软化的试验，且结构合理、简单，易于制造，实用性强，可普遍用于岩体工程中破碎岩石不同水压下的遇水软化试验。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。