一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置及试验方法

本发明涉及岩石力学试验技术领域，特别涉及一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置及试验方法。

背景技术：

典型高铁软岩路基受水文地质环境变化影响大，大量降雨导致岩层含水情况发生改变。水影响下诱发并加速岩体蠕变变形，以及地下水位的升降是引起高填方路段高铁软岩路基发生沉降的主要原因。岩体在浸水作用下表现出了不同的蠕变特性，而岩体围压应力的不同又会影响岩体在浸水作用下的蠕变特性。

目前，实验室的压缩蠕变装置一般采用液压或气压加载，虽然自动化程度高、操作简单，但在岩石长期稳定性及蠕变损伤破坏试验中需要长期提供加载，对动力泵要求很高，长时间提供压力导致动力泵和缸体容易损坏，并且设备成本较高。因此，急需用于研究在不同围压不同浸水条件下路基软岩蠕变力学特性的试验装置和方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置及试验方法，其利用杠杆和轮组传动原理，使用砝码对岩样施加长期稳定的压力，能够用于研究岩体在不同围压不同浸水条件下的蠕变力学特性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置，包括：

试验箱，其设置于试验平台的顶部，所述试验箱内部设置有通过轮组传动装置与其连接的可张紧的试验槽；

轴压装置，其包括设置于试验箱顶部的压杆，所述压杆的一端与固设于所述试验平台的长立杆铰接，所述压杆的另一端与用于放置砝码的托盘一铰接，所述压杆的中部下方设置有用于向软岩试样施加轴压的压头；

围压装置，其包括设置于试验箱顶部的横梁，所述横梁的一端与轮组传动装置连接，所述横梁的另一端与用于放置砝码的托盘二铰接，所述横梁的中部下方与固设于所述试验平台的短立杆铰接；

数据采集系统，其包括设置于轮组传动装置的围压传感器以及设置于压头的轴压传感器和电子千分表，所述围压传感器、轴压传感器和电子千分表均通过采集仪与控制计算机连接。

进一步的，所述试验槽由柔性钢带两端交叉围合而成。

进一步的，所述柔性钢带上设置有若干个渗水孔，所述柔性钢带的两端分别设置有若干个连接孔，所述柔性钢带两端交叉处的内部设置有柔性树脂筛板，所述柔性树脂筛板上设置有若干个渗水孔。

进一步的，所述轮组传动装置包括钢丝绳一、钢丝绳二、钢丝绳三、动滑轮、定滑轮一和定滑轮二，所述定滑轮一和定滑轮二均固设于试验箱内壁，所述钢丝绳一绕过定滑轮一与柔性钢带的一端连接；所述钢丝绳二的一端与所述横梁的一端连接，所述钢丝绳二的另一端绕过定滑轮二与动滑轮固连，所述钢丝绳三绕过动滑轮与柔性钢带的另一端连接。

进一步的，所述压杆的中部下方固设有转接头，所述转接头的下方依次设置有导柱和所述压头，所述导柱和压头部分设置于试验箱正上方的导筒内部，所述导筒通过导筒梁与试验平台固连。

进一步的，所述转接头与导柱的接触面为球面，所述导柱与转接头的接触面为凹面，所述导柱的凹面半径大于转接头的球面半径。

进一步的，所述电子千分表设置有两个，两个电子千分表分别设置于所述导筒的两侧并顶在压头上，两个电子千分表均与导筒梁固连；所述轴压传感器设置于导柱与压头之间；所述围压传感器设置于定滑轮一的轴线处。

进一步的，所述试验槽的外部设置有限位槽，所述限位槽由两个圆弧结构组成，所述限位槽的直径为20cm，高为30cm。

进一步的，所述试验平台放在水平地面上，试验平台的底部设置有四个调平螺母，用于调平。

一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验方法，采用上述软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置，包括以下步骤：

s1、将试验平台放置于地面平整处调平，将安装好轮组传动装置的试验箱放置试验平台上，调整好位置，利用夹紧扣将试验箱固定在试验平台上；

s2、将软岩试样通过岩芯重加工方式分层加入到试验槽中，采用击实锤进行人工夯实，软岩试样装好后平整待压面，依次安装好轴压装置和围压装置；

s3、打开采集仪和控制计算机，打开控制计算机上轴压、围压和电子千分表的显示界面，通过控制计算机显示的数据将电子千分表调到可测量范围内(即量程范围内)，然后将轴压数据、围压数据以及电子千分表的位移数据调零，向试验箱内加入溶液；

s4、向托盘二增加砝码，并通过控制计算机显示进行调整，向软岩试样施加设定的围压；再向托盘一增加砝码，并通过控制计算机显示进行调整，向软岩试样施加设定的轴压；控制计算机记录并存储电子千分表采集的软岩试样位移变化数据，待电子千分表采集的位移数据保持不变后，停止试验；

s5、试验结束后依次卸去轴压装置和围压装置上所加的砝码，再关闭数据采集系统及控制计算机，最后卸下试验箱进行清理。

本发明的有益效果：

1)本发明利用杠杆和轮组传动原理，使用砝码对岩样施加长期稳定的压力，岩样上所加的荷载比较稳定，能够用于研究岩体(路基软岩)在不同围压不同浸水条件下的蠕变力学特性；

2)本发明试验装置结构紧凑、操作简单、成本低廉、测量效果好，可在不同围压、水环境下，相似模拟软岩静三轴压缩蠕变过程，软岩是指全风化软岩或泥质砂岩，其抗压强度低，在围压和侵水状态下易产生流变，采用本发明装置能够模拟相似环境对软岩蠕变的力学特性进行研究。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置的全剖主视图；

图2是本发明实施例提供的一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置的俯视图；

图3是本发明图2中ⅱ处的局部放大视图；

图4是本发明实施例提供的柔性钢带的主视图；

图5是本发明实施例提供的柔性树脂筛板的主视图；

图6是本发明图1中ⅰ处的局部放大视图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-调平螺母，2-试验平台，3-导筒梁，4-试验箱，5-限位槽，6-控制计算机，7-采集仪，8-传感器数据线，9-长立杆，10-轴承，11-压杆，12-定滑轮一，13-围压传感器，14-钢丝绳一，15-螺栓，16-夹板，17-转接头，18-导柱，19-轴压传感器，20-压头，21-电子千分表，22-柔性钢带，23-横梁，24-短立杆，25-导筒，26-托盘一，27-砝码，28-钢丝绳二，29-定滑轮二，30-动滑轮，31-钢丝绳三，32-排水口，33-夹紧扣，34-托盘二，35-固定板，36-柔性树脂筛板，37-连接孔，38-渗水孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。此外，术语“一”、“二”、“三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图6所示，本发明提供了一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置，包括：

试验箱4，其设置于试验平台2的顶部，试验箱4内部设置有通过轮组传动装置与其连接的可张紧的试验槽，轮组传动装置用于实现试验槽的张紧；

轴压装置，其包括设置于试验箱4顶部的压杆11，压杆11的一端与固设于试验平台2的长立杆9通过轴承10铰接，压杆11的另一端与用于放置砝码27的托盘一26通过轴承10铰接，压杆11的中部下方设置有用于向软岩试样施加轴压的压头20；

围压装置，其包括设置于试验箱4顶部的横梁23，横梁23的一端与轮组传动装置连接，横梁23的另一端与用于放置砝码27的托盘二34铰接，横梁23的中部下方与固设于试验平台2的短立杆24铰接；

数据采集系统，其包括设置于轮组传动装置的围压传感器13以及设置于压头20的轴压传感器19和电子千分表21，围压传感器13、轴压传感器19和电子千分表21均通过采集仪7与控制计算机6连接。

如图1至图5所示，试验槽由柔性钢带22两端交叉围合而成。本实施例中，柔性钢带22要求极限抗拉强度不小于420mpa，厚度为1mm，有极好的韧性。柔性钢带22上设置有若干个渗水孔38，柔性钢带22的两端分别设置有若干个连接孔37，柔性钢带22两端交叉处的内部设置有柔性树脂筛板36，柔性树脂筛板36上设置有若干个渗水孔38。柔性钢带22围成的试验槽，在试验槽的张紧收缩处存在缝隙，在该处设置柔性树脂筛板36，保护岩样不外漏，柔性钢带22和柔性树脂筛板36上的渗水孔38的直径均为1mm，便于岩样充分侵泡在试验箱4的溶液内。

作为优选实施例，轮组传动装置包括钢丝绳一14、钢丝绳二28、钢丝绳三31、动滑轮30、定滑轮一12和定滑轮二29，定滑轮一12和定滑轮二29均固设于试验箱4内壁，钢丝绳一14绕过定滑轮一12与柔性钢带22的一端连接；钢丝绳二28的一端与横梁23的一端连接，钢丝绳二28的另一端绕过定滑轮二29与动滑轮30固连，钢丝绳三31绕过动滑轮30与柔性钢带22的另一端连接。具体的，柔性钢带22一端的连接孔37通过螺栓15和夹板16与钢丝绳一14连接，柔性钢带22另一端的连接孔37通过螺栓15和夹板16与钢丝绳三31连接，钢丝绳二28通过动滑轮30牵引钢丝绳三31移动，以向试验槽内的软岩试样施加围压，定滑轮一12和定滑轮二29保证围压施加均匀，受力平稳，本实施例中，钢丝绳一14、钢丝绳二28和钢丝绳三31的直径均为2.1mm，极限抗拉强度均不小于140kg/mm²。

如图6所示，压杆11的中部下方固设有转接头17，转接头17的下方依次设置有导柱18和压头20，导柱18和压头20部分设置于试验箱4正上方的导筒25内部，导筒25通过导筒梁3与试验平台2固连。本实施例中，转接头17与压杆11焊接连接，转接头17、导柱18、轴压传感器19和压头20依次接触，设置导柱18便于轴压传感器19的安装和工作，导筒梁3跨过试验箱4与试验平台2焊接连接，导筒25用于导正轴向力平稳施加，导柱18和压头20的外壁与导筒25内壁光滑接触，压头20与岩样的接触面光滑平整。转接头17与导柱18的接触面为球面，导柱18与转接头17的接触面为凹面，导柱18的凹面半径大于转接头17的球面半径，本发明通过凹面半径略大于球面半径使接触方式为点接触，减少摩擦力，有利于力的传导。

作为优选实施例，电子千分表21设置有两个，两个电子千分表21分别设置于导筒25的两侧并顶在压头20上，两个电子千分表21均与导筒梁3固连，轴压传感器19设置于导柱18与压头20之间，围压传感器13设置于定滑轮一12的轴线处。本实施例中，两个电子千分表21(lvdt)均通过支架架设于导筒25的两侧，用于监测压头20的轴向位移，即监测软岩试样的轴向轴向压缩变形量，围压传感器13、轴压传感器19和电子千分表21均通过采集仪7与控制计算机6连接分别通过传感器数据线8与采集仪7相连，采集仪7通过传感器数据线8与控制计算机6相连。

作为优选实施例，试验槽的外部设置有限位槽5，限位槽5由两个圆弧结构组成，限位槽5的直径为20cm，高为30cm。本实施例中，试验箱4中心处固设有限位槽5，限位槽5中设置由不锈钢柔性钢带22围成的试验槽，试验槽内放一片柔性树脂筛板36。

本发明中，试验平台2放在水平地面上，试验平台2的底部设置有四个调平螺母1，用于调平。试验箱4的底部设置有四个固定板35，试验箱4在试验平台2上的位置调整好后，通过夹紧扣33用螺栓15夹紧试验箱4底面上的四个固定板35使其固定在试验平台2上，长立杆9和短立杆24与试验平台2连接处进行加固处理，比如长立杆9和短立杆24与试验平台2连接处设置加固平台、方钢架等结构，以保证在施加荷载时平稳坚固，长立杆9和短立杆24利用杠杆原理架设轴压装置和围压装置。

一种软岩压缩蠕变相似环境模拟试验方法，采用上述软岩压缩蠕变相似环境模拟试验装置，包括以下步骤：

s1、将试验平台2放置于地面平整处调平，将安装好轮组传动装置的试验箱4放置试验平台2上，调整好位置，利用夹紧扣33将试验箱4固定在试验平台2上；

s2、将软岩试样通过岩芯重加工方式分层加入到试验槽中，采用击实锤进行人工夯实，软岩试样装好后平整待压面，依次安装好轴压装置和围压装置；

s3、打开采集仪7和控制计算机6，打开控制计算机6上轴压、围压和电子千分表21的显示界面，通过控制计算机6显示的数据将电子千分表21调到可测量范围内，然后将轴压数据、围压数据以及电子千分表21的位移数据调零，向试验箱4内加入溶液；

s4、向托盘二34增加砝码27，并通过控制计算机6显示进行调整，向软岩试样施加设定的围压；再向托盘一26增加砝码27，并通过控制计算机6显示进行调整，向软岩试样施加设定的轴压；控制计算机6记录并存储电子千分表21采集的软岩试样位移变化数据，待电子千分表21采集的位移数据保持不变后，停止试验；

s5、试验结束后依次卸去轴压装置和围压装置上所加的砝码27，再关闭数据采集系统及控制计算机6，最后卸下试验箱4进行清理。

本发明步骤s3中，加入的溶液可以是水溶液、酸性溶液或碱性溶液，根据试验要求进行选择即可，当然，如果不需要进行浸水软岩试样的试验，也可以不向试验箱4内加入溶液，试验箱4的底部设置有排水口32，用于将溶液排出。

本发明步骤s4中，电子千分表21采集的位移数据保持不变后，可以根据试验要求，继续向托盘一26增加砝码27，进行轴压的逐级加载，通过控制计算机6显示来调整，再通过电子千分表21采集的软岩试样位移变化数据，比如，将轴压装置加载端加的砝码27，分为4个加载水平，借鉴分级加载的“陈氏加载法”，通过控制计算机6显示来调整，每级荷载加载48h，加载期间维持该级应力水平不变，待加载完或试样破坏后停止试验；如果需要改变围压，可以重复步骤s2-s4，进行试验。本发明在实际使用时，试验的过程、顺利和加载量根据具体的试验要求进行设定即可。

本发明在试验前，可以先通过软岩做成标准规格的试件，通过其他方法和手段，将试件分别浸水0、1、3、5天，并测其质量，计算试件的平均含水率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。