一种动水循环与荷载条件下的岩石泥化过程模拟装置及试验方法与流程

本发明涉及岩土工程、地质工程、矿业工程等的试验测试领域，尤其是一种动水循环与荷载条件下的岩石泥化过程模拟装置及试验方法。

背景技术：

大量工程岩体在水的作用下会发生泥化，特别是软岩遇水极易泥化。工程岩体一旦发生泥化，将会造成严重的工程安全事故，甚至灾难事件。大量大型顺层岩质斜坡的破坏多是由于软弱岩层的泥化造成的，如三峡库区的杉树槽滑坡、安乐寺滑坡，四川省的天台乡滑坡等，以及隧道等地下工程中因软岩泥化造成的顶板坍塌、冒顶等灾害事件。

软岩泥化过程模拟试验，多是将岩石样品置于水溶液中自然或真空浸泡。这种泥化模拟环境，与实际中的工程岩体的泥化环境不同。工程岩体多处于动态的地下水环境中，而非静水条件。动、静水环境的差异可能会因为溶液饱和度的不同而影响泥化速率。现有室内模拟试验的试样是在无荷载作用下的自由泥化，而工程岩体是在上覆岩土体压力的长期作用下发生的泥化，力的作用也会影响到泥化的速率。并且，现有泥化试验装置的实验过程不利于试验的连续进行与实时观察。

基于此，需要设计能够真实模拟岩石的泥化过程而又方便经济的进行岩石泥化试验的装置及试验方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种动水循环与荷载条件下的岩石泥化过程模拟装置及试验方法，可以解决现有装置进行岩石泥化过程模拟试验中不能真实模拟工程岩体所处环境条件的缺陷，提高试验结果的准确性，还可提高试验的效率、便捷性和规范性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种动水循环与荷载条件下的岩石泥化过程模拟装置，包括水流控制装置，水流控制装置通过泥化模拟装置与循环装置连通；

泥化模拟装置包括顶端开口的外仓体，外仓体底部安装有至少一个内仓体，外仓体的外壁上设置有标尺；

内仓体包括顶端和底端敞开的容器体，容器体内设置有与岩石试样相配合的上透水石和下透水石，带有加载装置的固定挡板与上透水石相配合，内仓体的侧壁上均匀布设有多个透水孔；

循环装置包括过滤器，循环管一端与外仓体一侧下部连通，循环管另一端通过过滤器依次与第二流速控制器、收集器连通。

水流控制装置包括第一流速控制器，进水管一端与外仓体上部连通，进水管另一端连接第一流速控制器后再通过水泵与液体容器连通。

进水管与外仓体的连接处设置有缓冲网。

加载装置包括放置于上透水石上的承压板，承压板通过压力传感器与传力块连接，传力块上安装有砝码。

一种采用上述的装置进行岩石泥化试验的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：装样：将试验所需数量的内仓体放入外仓体内部，在内仓体底部安装下透水石，然后将岩石试样放入内仓体的容器体中，在岩石试样上部安装上透水石；

步骤2：加载：在上透水石上部安装带有加载装置的固定挡板，使承压板安装在上透水石上，砝码的加载数量、加载速率、各级载荷作用时间根据试验要求进行施加；

施加在岩石试样上的荷载p的确定方法如下：

其中，p为作用在岩石试样上的荷载；p’为压力传感器的压力值；gb为承压板的重力；s为承压板的底面积；

步骤3：岩石泥化过程模拟：在液体容器内灌入一定体积的水溶液，调整第一流速控制器，开启水泵，向外仓体灌入水溶液至指定刻度，进行岩石与水溶液的相互作用；

步骤4：成果记录与指标测试：分别记录泥化过程作用时间t、施加荷载p、压力传感器的压力值p’、第一流速控制器的流速v1和第二流速控制器的流速v2，，采集收集器中的水溶液进行ph值测定；泥化过程试验结束后采集过滤器中的泥化物质进行质量测定，即完成岩石泥化试验。

步骤3中加入的水溶液为蒸馏水或雨水或长江水或酸雨或特定离子浓度的化学溶液。

试验条件为动态水条件或静水条件或循环水条件。

步骤4中的采集次数由试验总时间确定，每小时采集1次。

本发明提供的一种动水循环与荷载条件下的岩石泥化过程模拟装置，有益效果如下：

1、真实地模拟工程岩体的泥化环境条件，并将泥化试验进一步简单、便捷和规范化，提高了试验结果的准确性。

2、操作简单，节约了实验时间；第一流速控制器和第二流速控制器的设计保障了仪器内整体的稳定流速；过滤器的设计方便测量泥化土体质量以及循环水的取样。

3、试验方法简单便捷，更利于过程数据的观测与记录，效率更高。

4、试验过程中，如需进行不同作用时间的泥化试验数据测量，可直接拆卸单个独立内仓，无需停止整个试验过程，大大提高了效率。

可以解决现有装置进行岩石泥化过程模拟试验中不能真实模拟工程岩体所处环境条件的缺陷，不仅提高试验结果的准确性，还可提高试验的效率、便捷性和规范性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置内仓体的示意图；

图3为本发明装置内仓体的侧壁上透水孔的布置示意图；

图4为本发明装置外仓体的俯视图。

具体实施方式

实施例一

如图1和图2所示，

一种动水循环与荷载条件下的岩石泥化过程模拟装置，包括水流控制装置，水流控制装置通过泥化模拟装置与循环装置连通；

泥化模拟装置包括顶端开口的外仓体5，外仓体5底部安装有至少一个内仓体6，外仓体5的外壁上设置有标尺，便于读取仓内的水位；

内仓体6包括顶端和底端敞开的容器体17，容器体17内设置有与岩石试样18相配合的上透水石15和下透水石19，带有加载装置的固定挡板16与上透水石15相配合，内仓体6的侧壁上均匀布设有多个透水孔10，多个透水孔10呈梅花形布置，如图3所示；

循环装置包括过滤器7，循环管20一端与外仓体5一侧下部连通，循环管20另一端通过过滤器7依次与第二流速控制器21、收集器8连通。

过滤器7为一两头联通的高强度玻璃钢质瓶，瓶内布设有两层过滤网；收集器8为一容量为50l、带刻度尺的透明水箱，并可根据试验需要，自由决定是否与控制部中的液体容器1合二为一形成闭合回路。

外仓体5为一内部中空、有底无盖的高强度玻璃钢圆柱状容器，壁厚5cm、高55cm、内直径90cm、外直径100cm；

水流控制装置包括第一流速控制器4，进水管2一端与外仓体5上部连通，进水管2另一端连接第一流速控制器4后再通过水泵3与液体容器1连通。

液体容器1为容量为50l、带刻度尺的透明水箱；水泵3优选为微型水泵，为试验装置的动力源，提供动力使得水在装置内部流动。

进水管2与外仓体5的连接处设置有缓冲网9。

加载装置包括放置于上透水石15上的承压板14，承压板14通过压力传感器13与传力块12连接，传力块12上安装有砝码11，传力块12通过固定挡板16的中间圆孔放入，与压力传感器13完全接触。

在外仓体5底部设置有深度1cm的圆形凹槽22，圆形凹槽22直径为24cm，便于内仓体6的嵌入安装，如图4所示。

实施例二

一种采用上述装置进行岩石泥化试验的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：装样：将试验所需数量的内仓体6放入外仓体5内部，在内仓体6底部安装下透水石19，然后将岩石试样18放入内仓体6的容器体17中，在岩石试样18上部安装上透水石15；

步骤2：加载：在上透水石15上部安装带有加载装置的固定挡板16，使承压板14安装在上透水石15上，砝码11的加载数量、加载速率、各级载荷作用时间根据试验要求进行施加；

施加在岩石试样18上的荷载p的确定方法如下：

其中，p为作用在岩石试样18上的荷载；p’为压力传感器13的压力值；gb为承压板14的重力；s为承压板14的底面积；

步骤3：岩石泥化过程模拟：在液体容器1内灌入一定体积的水溶液，调整第一流速控制器4，开启水泵3，向外仓体5灌入水溶液至指定刻度，进行岩石与水溶液的相互作用；

步骤4：成果记录与指标测试：分别记录泥化过程作用时间t、施加荷载p、压力传感器13的压力值p’、第一流速控制器4的流速v1和第二流速控制器21的流速v2，，采集收集器8中的水溶液进行ph值测定；泥化过程试验结束后采集过滤器7中的泥化物质进行质量测定，即完成岩石泥化试验。

步骤4中的采集次数由试验总时间确定，每小时采集1次。

步骤3中加入的水溶液为蒸馏水或雨水或长江水或酸雨或特定离子浓度的化学溶液。

试验条件为动态水条件或静水条件或循环水条件，具体为：

第一种：动态水条件，即试验过程中，液体容器1中持续供水，水泵3持续运转，第一流速控制器4不关闭，保持试验过程中的水溶液处于动态流动状态。

第二种：静水条件，即在步骤3中，待外仓体5中水溶液灌至指定刻度后，关闭第一流速控制器4，停止水泵3运转，保持试验过程中的水溶液处于静止状态。

第三种：循环水条件，即将水流控制装置的液体容器1与循环装置的收集器8合二为一，形成闭合的回路，试验过程中，水泵3持续运转，第一流速控制器4和第二流速控制器21不关闭，保持水溶液处于循环流动状态。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。