一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备的制作方法

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备。

背景技术

在干湿循环条件下，泥岩通常表现出明显的遇水崩解、溶蚀、泥化、失水干裂等特性，极易引发相应的工程问题，因而引起人们的广泛关注。泥岩干湿循环崩解试验研究已经较为普遍，国内外不少学者均开展过相关研究，不仅从宏观和微观层面揭示了泥岩崩解机理，还提出系列量化指标用于定量表征泥岩崩解机制及崩解程度，服务工程实践。目前该类试验的操作方法存在一个共同特点，即首先将泥岩切割成块状，然后在无侧限压力下进行干湿循环。

然而，纵观三峡库区巴东段的红层泥岩岸坡失稳事件可以发现，泥岩库岸经受库水位周期性升降而长期处于干湿循环状态，崩解、泥化等现象十分突出，由于原生裂隙的存在，干湿循环可逐步向纵深方向发展，导致表层以下的泥质岩亦遭受崩解软化，并最终可在重力及外部环境作用下形成深部软弱面从而诱发库岸滑坡。表明库岸泥岩的干湿循环过程并非完全是在无侧限压力条件下进行的。尤其就泥岩库岸滑坡来看，其滑带、滑床部位的岩体必然是在原有地应力条件下经历周期性干湿循环，并逐步发生弱化，从而构成库岸边坡独特的演化过程机制。显然，现有的无侧限干湿循环崩解试验方法已经难以符合库岸泥岩的真实力学条件。

因此，基于目前试验方法与所需试验条件之间的矛盾，需要在实现泥岩试样干湿循环的基础上，设计出一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备，以弥补以往试验方法的不足。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备。

本发明的实施例提供一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备，包括试验平台、试验箱和试验箱外罩，所述试验箱外罩为无底面的长方体且下端嵌于所述试验平台上，所述试验箱由六加压板拼接成一长方体构成，所述试验箱设置于所述试验箱外罩内且所述试验箱除底面的五个面与所述试验箱外罩的五个面一一相对，每一所述加压板外表面垂直连接一加压杆一端，每一加压杆另一端连接一液压缸，且所述试验箱除底面之外的其他各面所连接的加压杆均贯穿与该面相对的所述试验箱外罩的面，每一所述加压杆上均安装有压力传感器和位移传感器，所述试验箱外罩上方安装有ct扫描仪，所述试验装备还包括注水管道和计算机，所述注水管道一端接入所述试验箱外罩，另一端连接水泵，所述计算机连接所述水泵、所有液压缸、所有压力传感器、所有位移传感器和所述ct扫描仪，所述试验箱内填充泥岩试样，所述计算机控制所述水泵对所述试验箱外罩内注水，所述计算机控制所有液压缸对所述试验箱施压，所有压力传感器和所有位移传感器分别监测各加压杆的压力和位移并将压力和位移数据传输至所述计算机，所述ct扫描仪对泥岩试样的各个截面进行扫描并将扫描信息传输至所述计算机，所述计算机拼凑该扫描信息形成泥岩试样崩解裂纹发展图。

进一步地，所述试验平台上表面设有电热管且所述电热管位于所述试验箱外罩内。

进一步地，所述加压板上设有若干均匀分布的蒸发孔。

进一步地，包括底座，所述底座上表面铺设有若干条平直滑轨，所述滑轨上安装有滑动滚珠，所述试验平台通过滚珠接触放置于所有平直滑轨上。

进一步地，包括排水管道，所述排水管道一端接入所述试验箱外罩底部，另一端设有控制阀。

进一步地，所述试验箱外罩顶面设有若干环状分布的排气孔。

进一步地，所述试验箱外罩四侧面外围的四所述液压缸为侧向液压缸，每一所述侧向液压缸下端固定于一载台上，所有载台均固定于所述试验平台上，两相对的所述侧向液压缸与另外两相对的所述侧向液压缸正交。

进一步地，所述试验平台上固定有框架柱，所述试验箱顶面连接的液压缸固定于所述框架柱上。

进一步地，所述试验箱外罩内所述试验平台上设有立脚，所述试验箱底面连接的液压缸固定于所述立脚上。

进一步地，所述试验箱外罩包括四罩壳，所述罩壳包括三罩板，三所述罩板中两两相互垂直连接，且所述罩壳的侧边缘和上边缘均为卯榫结构，四所述罩壳之间通过卯榫连接形成所述试验箱外罩，所述试验平台上表面设有镶嵌槽，所述试验箱外罩下端嵌入所述镶嵌槽内将所述试验箱外罩密封。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备，试验箱外罩为泥岩试验提供干湿循环条件，试验箱模拟泥岩真实受力情况，ct扫描仪对泥岩试样各断面进行实时扫描，记录各环次数下泥岩的崩解碎裂状况及程度，研究崩解后碎裂样粒径级配的变化，揭示崩解机理，方便研究崩解后试样颗粒级配的变化。且干湿循环崩解试验结束后，装备可对泥岩试样继续加载，实现泥岩在循环崩解过程中的三轴试验，配合ct扫描技术亦可揭示试样在压缩变形过程中的裂纹扩展规律和破碎状况，便于从微观层面解释试样在干湿循环崩解过程中的三轴压缩宏观力学特性，对于揭示库区泥岩岸坡在库水升降，即干湿循环条件下的力学响应具有积极意义。

附图说明

图1是本发明一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备的示意图；

图2是本发明一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备图1中的a-a剖视图；

图3是本发明一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备图1中的b-b剖视图；

图4是本发明一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备图1中的c-c剖视图；

图5是图1中试验箱外罩16的示意图。

图中：1-ct扫描仪、2-轴向液压缸、3-加压杆、4-框架柱、5-加压板、6-侧向液压缸、7-位移传感器、8-载台、9-电热管、10-平直滑轨、11-排水管道、12-控制阀、13-试验箱、14-压力传感器、15-底座、16-试验箱外罩、17-竖向轴承、18-滑动滚珠、19-试验平台、20-注水管道、21-计算机、22-水泵、23-蒸发孔、24-立脚、25-排气孔、26-罩壳、27-竖向榫外板、28-竖向榫内板、29-水平榫底板、30-水平榫盖板、31-侧向轴孔、32-竖向轴孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1～图5，本发明的实施例提供了一种提供真实应力条件的泥岩干湿循环崩解试验装备，包括底座15和试验平台19、试验箱5和试验箱外罩16。

所述底座15上表面铺设有若干条平直滑轨10，所述滑轨上安装有滑动滚珠18，所述试验平台19通过滚珠接触放置于所有平直滑轨10上，所述试验平台19上固定有框架柱4，所述框架柱4上安装有竖向轴承17，所述试验平台19上设有立脚24。

所述试验箱外罩16为无底端面的长方体且嵌于所述试验平台19上，所述试验箱外罩16包括四罩壳26，所述罩壳26顶面设有若干环状分布的排气孔25，所述罩壳26包括三罩板，三所述罩板中两两相互垂直连接，所述罩壳26的侧边缘设有竖向榫外板27或竖向榫内板28，所述竖向榫外板27中部和所述竖向榫内板28中部均设有半圆孔，所述罩壳26上端面的边缘均设有水平榫盖板30和水平榫底板29，所述水平榫盖板30靠内一端和所述水平榫底板29靠内一端均设有圆弧孔，相邻两所述罩壳26之间竖直方向通过所述竖向榫外板27和所述竖向榫内板28配合卯榫连接且两所述半圆孔合并为侧向轴孔27，该两所述罩壳26之间水平方向通过所述水平榫盖板30和所述水平榫底板29配合卯榫连接，四所述罩壳26之间通过卯榫连接形成所述试验箱外罩16且四所述圆弧孔在所述试验箱外罩16顶面合并为竖向轴孔32，所述试验平台19上表面设有镶嵌槽，所述试验箱外罩16下端嵌入所述镶嵌槽内将所述试验箱外罩16密封。

所述试验箱13由六加压板5拼接成一长方体构成，所述加压板5上设有若干均匀分布的蒸发孔23，所述试验箱13设置于所述试验箱外罩16内且所述试验箱13除底面的五个面与所述试验箱外罩16的五个面一一相对，每一所述加压板5外表面垂直连接一加压杆3一端，所述试验箱13底部连接的加压杆3的另一端连接一轴向液压缸2且该轴向液压缸2固定于所述立脚24上，其他的每一所述加压杆3另一端穿过所述试验箱外罩16的侧向轴孔31或竖向轴孔32并连接一液压缸，杆孔之间均设有加强密封效果的光滑橡胶圈，每一所述加压杆3上均安装有压力传感器14和位移传感器7，所述试验箱外罩16四侧面外围的四所述液压缸为侧向液压缸6，每一所述侧向液压缸6下端固定于一载台8上，所有载台8均固定于所述试验平台19上，两相对的所述侧向液压缸6与另外两相对的所述侧向液压缸6正交，所述试验箱13顶面连接的液压缸为轴向液压缸2且该轴向液压缸2固定于所述框架柱4上，该轴向液压缸2所连接的加压杆3穿过所述竖向轴承17，所述框架柱4的上方安装有ct扫描仪1，所述试验箱外罩16内所述试验平台19上表面设有o型电热管，主要用于升温提高所述试验箱13内温度，加快泥岩试样的干燥速率。

所述试验装备还包括注水管道20、排水管道11和计算机21，所述注水管道20一端接入所述试验箱外罩16，另一端连接水泵22，所述排水管道11一端接入所述试验箱外罩16底部，另一端设有控制阀12。

所述计算机21连接所述水泵22、所有液压缸、所有压力传感器14、所有位移传感器7和所述ct扫描仪1，所述试验箱13内放置泥岩试样，所述计算机21控制所述水泵对所述试验箱外罩16内注水，所述电热管9对试验箱13进行升温加热，所述计算机21控制所有液压缸对所述泥岩试样施压，所有压力传感器14和所有位移传感器7分别监测各加压杆3的压力和位移并将压力和位移数据传输至所述计算机21，所述实验平台19在所述平直滑轨10上滑动，可保证泥岩试样的各个垂直截面均能被所述ct扫描仪1扫描，扫描信息可传输至所述计算机21，所述计算机21拼凑该扫描信息形成泥岩试样崩解裂纹发展图。

使用上述泥岩干湿循环崩解试验装备进行干湿循环试验的基本过程如下：

(1)制作泥岩试样及装样

根据加压板3尺寸切割泥岩制成与加压板相匹配的泥岩试样，将泥岩试样放置于底部的加压板3上，然后开启计算机21操控各液压缸，选择速率控制，使位于顶部的加压板3和位于侧面加压板3缓慢地靠近泥岩试样表面，当加压板将要贴近泥岩试样表面时，则计算机21控制液压缸放慢加压板3行进速度，并时刻观察所有压力传感器14反馈给计算机21的监测数据。当压力监测值超过零时，说明加压板3已经与试样表面相接触，此时通过计算机21发出指令停止液压缸继续加压，使加压板保持不动。

(2)泥岩试样加载并安装试验箱

选择预定的荷载，通过计算机21对所有轴向液压缸2及所有侧向液压缸6进行指令性操控，采用应力控制模式使顶部的加压板3和侧面的加压板3分别对试样进行轴向和侧向加载，直到所有压力传感器14反馈给计算机21的监测数值均为指定的压力值，并维持荷载不变化。然后拼接试验箱外罩16并将试验箱外罩16嵌入试验平台形成密封性较好的试验空间。

(3)干湿循环试验及ct扫描

首先利用本发明的试验装备测定泥岩试样被水体完全浸润所需的标准时长记为t1，以及在某一温度下由湿样完全干燥所需的标准时长记为t2，然后参照标准时长，正式开始干湿循环试验。即首先通过计算机21控制水泵22将水抽入试验箱外罩16，水位需漫过泥岩试样顶面，当浸润时长超过t1，即可打开排水管道11上的控制阀12，将水排出试验箱外罩16，然后将电热管9调到指定温度，即可对泥岩湿样进行为时t2的烘干。烘干后，即可开启ct扫描仪1，通过试验平台19沿平直滑轨10的前后移动定位，可使泥岩试样各个截面均可被ct扫描仪1实时扫描，信息反馈给计算机21后即可拼凑形成立体的泥岩试样崩解裂纹发展图，揭示崩解机制，以及方便进行崩解颗粒级配分析。重复上述注水、排水、烘干、ct扫描等步骤，即可对泥岩开展干湿循环崩解试验研究。

(4)三轴试验及ct扫描

作为干湿循环崩解试验的拓展，本发明还可进行泥岩在干湿循环过程中的三轴试验研究，即在每次干湿循环结束后，维持泥岩试样侧向荷载不变，控制顶部的轴向液压缸2，选择速率控制，继续对试样进行轴向加载，直到试样完全破坏。三轴试验过程中，通过所有压力传感器14和所有位移传感器7实时记录轴压、轴位移、侧向位移，侧压等数据，反馈给计算机即可形成三轴试验过程中的压力-变形曲线，反映出试样的力学性质。通过对不同干湿循环次数下的泥岩试样进行三轴试验，即可研究干湿循环条件对于泥岩力学性质的影响。在三轴试验过程中也可利用ct扫描仪1实时扫描试样各个截面在压缩变形过程中的裂纹扩展规律和破碎状况，从微观层面解释泥岩试样在干湿循环崩解过程中的三轴压缩宏观力学特性。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。