一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备及使用方法

1.本发明属于岩石蠕变试验设备技术领域，具体涉及一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备及使用方法。


背景技术：

2.工程岩体大多处于流变变形中，岩体的流变特征与岩土工程的长期稳定性和安全性密切相关。在影响流变性的各个因素中，水是一个重要因素，它会弱化岩石的力学性质，增大其蠕变性，进而影响岩体的长期强度和稳定性，诱发岩石边坡的破坏失稳。这一现象在水岸边坡中尤为明显。
3.目前，国内外学者主要从饱和度、含水状态以及水-荷载共同作用下研究岩石的蠕变力学特性，研究方法多采用研究方法多采用力学实验或数值模拟的方式，当进行力学实验时，采用的试验设备为单轴蠕变机或三轴蠕变机。虽然相关学者的研究取得了非常丰硕的成果，但是并未充分考虑水岸边坡的实际浸水环境及受力状态。
4.现已见文献([1]姚强岭.朱柳.黄庆享.杨朴.许铮.含水率对细粒长石岩屑砂岩蠕变特征影响试验研究[j].采矿与安全工程学报，2019，36(05):1034-1042+1051.)中含水试件荷载作用下蠕变特性试验方案，如图1所示，其中1-加湿器，2-密封箱，3-渗水板，4-塑料软管，5-水量调节开关，6-湿度测定仪，7-喷雾口，8-岩样，试件进行无损浸水直至饱和，为了在制备不同含水率岩石试样的过程中避免岩样直接浸水发生泥化崩解，通过自制无损浸水试件加湿设备对岩样进行无损浸水试验。
[0005]
文献中蠕变试验机采用机械加载的加载方式，如图2所示，在试验仪器的右侧增加砝码，通过连续杠杆将砝码的重力放大250倍并作用到试件上。机械加载的优点是加载过程不需要电子设备，不受电力的影响。对于蠕变试验来说，试验历经的时间比较长，必须保持长时间的稳定加载，电子加载的仪器设备对其性能要求比较高，并且要长时间稳定供电，在试验过程中很难保证没有意外的情况发生，而这种煤岩蠕变仪不受此条件的限制，且煤岩蠕变试验机通过增加或减少砝码控制载荷，试验力调节范围大，可以适应低强度的岩样压缩试验。
[0006]
文献中选用的煤岩蠕变试验机数据采集系统由压力表和千分表2部分组成，试验系统示意图，如图3所示，1-岩石试样，2-压力传感器，3-千分表，4-压力显示器，5-砝码。试样底部有压力传感器与压力表相连，实时监测试样受到的载荷大小。在试样一旁尽可能贴近试样位置放置千分表，实时测量试样轴向变形。将载荷与轴向变形通过公式计算得到岩石试样在蠕变试验的过程中应力应变的大小。
[0007]
当前研究充水边坡岩体蠕变性质的试验机在以下三方面与实际工况存在差异：
[0008]
(1)充水边坡岩体长期处于饱水状态，水对岩石的损失是长期存在的；而在常规实验过程中，随着时间的推移，岩石会由饱水状态转为干燥状态，水对岩石的损伤则是短暂的。
[0009]
(2)若把岩石边坡视为一个六面体，岩石试件的受力状态应该简化为1面受水压作
用，其余5面受围压作用，且随着深度增加，围压和水压相继增大；在常规实验中，不论是三轴和单轴蠕变加载中，并未考虑水压的作用。
[0010]
(3)在研究干湿交替对蠕变特性的影响时，岩石试件应始终处于围压加载状态，常规试验机也无法做到这点。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的在于提出了一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备及使用方法，该方法充分考虑不同水压条件下，岩石所处的受力状态，使得岩石试件长期处于饱水状态，可以随意进行围压和水压组合加载。该方法不仅可以充分模拟充水边坡岩石的力学蠕变变形规律、也可以对岩石强度浸水弱化规律、干湿交替条件下的力学弱化规律及变形影响规律进行研究，对水利水电工程以及矿山工程的浸水边坡稳定性、变形预测和防控问题的研究具有很好的借鉴意义。
[0012]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0013]
一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备，包括上加载杆、下加载杆、左加载杆、右加载杆、后加载杆、主体支撑框架、主体基座、水压箱体、高清摄像头、增水压机、卸载水压机、应力监测设备及应变片；所述主体支撑框架为长方形框架，用于支撑上下加载方向的受力，所述主体基座安装在主体支撑框架内腔的底板上表面中心处，所述主体基座上表面处安装有水压箱体，所述上加载杆固定安装于主体支撑框架顶板的下表面上，不主动提供加载力，所述水压箱体顶板上安装有传力杆，传力杆顶端设置有圆盘垫片且位于水压箱体顶板外侧，用于限制传力杆的位置，传力杆底端穿过水压箱体顶板进入水压箱体内腔，圆盘垫片顶部安装有应力监测设备，应力监测设备用于监测岩石试件在上下方向加载过程中的应力变化，所述下加载杆固定安装于主体基座上表面中心处，且加载端穿过水压箱体底板进入水压箱体内腔设置，提供上下方向的加载力，所述水压箱体的左侧板、右侧板及后侧板的几何中心处分别安装有左加载杆、右加载杆及后加载杆，且左加载杆、右加载杆及后加载杆的加载端穿过水压箱体的左侧板、右侧板及后侧板进入水压箱体内腔设置，提供左、右、后向的加载力，所述水压箱体顶端的增水压口和卸水压口分别与所述增水压机和卸载水压机连接，用于给所述水压箱体增加和卸载水压，所述水压箱体的摄像孔内安装高清摄像头，用于监测岩石试件在不同水压条件下的动态蠕变变形发展过程，所述水压箱体的应变监测孔内安装应变片，应变片和应力监测设备共同组成应力应变监测设备，上加载杆、下加载杆、左加载杆、右加载杆及后加载杆通过其上加载压头组成的腔体内放置有岩石试件，所述应变片的监测端安装于水压箱体内部岩石试件未加载侧表面处，用于监测岩石试件在不同水压状态下的动态蠕变变形发展过程。
[0014]
所述下加载杆、左加载杆、右加载杆及后加载杆均为液压加载杆。
[0015]
所述水压箱体为正方体密封箱体，其左上部、左下部共安装有3个pu管快速接头，所述增水压机、卸载水压机以及出水口通过pu管快速接头与水压箱体连接，实现增、卸水压以及出水功能；所述水压箱体右上部安装有摄像孔及应变监测孔，所述高清摄像头位于水压箱体内腔且其输出端通过所述摄像孔穿出；所述水压箱体的顶板、底板、左侧板、右侧板及后侧板的几何中心处分别开设有加载杆密封孔，传力杆、下加载杆、左加载杆、右加载杆及后加载杆分别穿过对应的加载杆密封孔进入水压箱体内；所述水压箱体的前侧板中心处
安装圆形窗口，通过拆卸圆形窗口，将岩石试件放入水压箱体内部。
[0016]
所述圆形窗口通过螺栓与水压箱体安装在一起；所述圆形窗口与水压箱体之间的接缝处装有密封圈。
[0017]
所述圆形窗口分为可视窗和不可视窗；所述可视窗口为透明亚克力板，用于正面观察无水压状态下的岩石蠕变破坏过程；所述不可视窗为金属铁板，用于保证有水压状态下的密封性和安全性。
[0018]
为了平衡水压箱体前后重量，在所述水压箱体的前侧板上安装圆形窗口时同时在主体基座上表面通过螺栓固定安装配重块。
[0019]
一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备的使用方法，包括以下步骤：
[0020]
步骤1、将岩石试件制作成的标准件，实验要求选择不同围压和水压组合进行蠕变实验；
[0021]
步骤2、将岩石试件受力加载的五侧面涂抹憎水剂，放入水压箱体，将在应变片的外表面涂抹防水胶，进行防水处理后，贴在未加载表面即浸水的岩石表面；将圆形窗口通过螺钉安装在水压箱体的前侧板上；
[0022]
步骤3、打开应力应变监测设备，首先通过上加载杆和下加载杆进行竖向加载施加轴压，待岩石试件稳定后，其次通过左加载杆和右加载杆对岩石试件的左右两侧施加围压，最后通过后加载杆对岩石试件的后侧施加围压；
[0023]
步骤4、施加轴压和围压后，打开高清摄像头开始录像；
[0024]
步骤5、进行水压设置，启动增水压机通过增水压口进行注水并使水压箱体的水压达到特定值；
[0025]
步骤6、随后进行蠕变加载实验，直至岩石试件破坏，在此过程记录并保存岩石破坏的应力应变曲线；
[0026]
步骤7、试件破坏后，关闭应力应变监测设备，通过卸载水压机进行卸压，并通过出水口将水排完，之后关闭高清摄像头，将下加载杆、左加载杆、右加载杆及后加载杆退回原位；
[0027]
步骤8、松拧螺栓，打开圆形窗口，对岩石试件破坏形态进行拍照、保存和记录；
[0028]
步骤9、将新的岩样试件放入水压箱体内，重复步骤2～步骤8；进行不同围压和水压条件下的破坏实验，根据最终实验数据分析，岩石力学特性变化规律和蠕变变形特征。依此为基础，可以更好的分析充水边坡不同深度下的岩体力学特性变化和蠕变变形规律。
[0029]
本发明相比于现有技术的技术效果为：
[0030]
1、本发明通过五向压力加载杆和水压箱体，模拟充水边坡受力和浸水实际工况，解决了实验室缺少模拟充水边坡单侧浸水条件下的岩石蠕变试验设备问题。
[0031]
2、本发明提出了一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变力学试验设备及使用方法，该发明充分考虑不同水深条件下，岩石所处的受力状态，使得岩石试件长期处于饱水状态，可以随意进行围压和水压组合加载。该发明不仅可以充分模拟充水边坡岩石的力学蠕变变形规律、也可以对岩石强度浸水弱化规律、干湿交替条件下的力学弱化规律及变形影响规律进行研究，对水利水电工程以及矿山工程的浸水边坡稳定性、变形预测和防控问题的研究具有很好的借鉴意义。
[0032]
3、本发明通过应力应变监测设备与高清摄像头的结合可以全程动态观察岩石变
形到破坏的过程，保证岩石变形到破坏过程中数据采集的准确性，提高后期实验数据的精准性，对实际工程有指导意义。
附图说明
[0033]
图1为现有技术的无损浸水试件加湿设备；
[0034]
图2为现有技术的蠕变试验机；
[0035]
图3为现有技术的蠕变试验机线框示意图；
[0036]
图4为本发明不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备整体示意图；
[0037]
图5为本发明不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备侧视图；
[0038]
图6为本发明不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备水压箱体主视图；
[0039]
图7为本发明不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备水压箱体侧视图；
[0040]
图8为本发明不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备实物图；
[0041]
1、上加载杆；2、应力监测设备；3、摄像孔；4、应变监测孔；5、卸水压口；6、增水压口；7、出水口；8、左加载杆；9、右加载杆；10、下加载杆；11、主体基座；12、水压箱体；13、加载压头；14、加载杆密封孔；15、主体支撑框架；16、后加载杆；17、圆形窗口；18、配重块；19、增水压机；20、卸载水压机；21、应变片；22、高清摄像头；23、传力杆。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0043]
如图3-图8所示，一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备，包括上加载杆1、下加载杆10、左加载杆8、右加载杆9、后加载杆16、主体支撑框架15、主体基座11、水压箱体12、高清摄像头22、增水压机19、卸载水压机20、应力监测设备2及应变片21；所述主体支撑框架15为长方形框架，用于支撑上下加载方向的受力，所述主体基座11安装在主体支撑框架15内腔的底板上表面中心处，所述主体基座11上表面处通过螺栓安装有水压箱体12，所述上加载杆1固定安装于主体支撑框架15顶板的下表面中心处，不主动提供加载力，所述水压箱体12顶板上安装有传力杆23，传力杆23顶端设置有圆盘垫片且位于水压箱体12顶板外侧，用于限制传力杆23的位置，传力杆23底端穿过水压箱体12顶板进入水压箱体12内腔，圆盘垫片顶部安装有应力监测设备2，型号为sk-z011，应力监测设备2用于监测岩石试件在上下方向加载过程中的应力变化，所述下加载杆10固定安装于主体基座11上表面中心处，且加载端穿过水压箱体12底板进入水压箱体12内腔设置，提供上下方向的加载力，下加载杆10、传力杆23及上加载杆1轴线重合，所述水压箱体12的左侧板、右侧板及后侧板的几何中心处分别安装有左加载杆8、右加载杆9及后加载杆16，且左加载杆8、右加载杆9及后加载杆16的加载端穿过水压箱体12的左侧板、右侧板及后侧板进入水压箱体12内腔设置，提供左、右、后向的加载力，左加载杆8和右加载杆9轴线重合，所述水压箱体12顶端的增水压口6和卸水压口5分别与所述增水压机19和卸载水压机20连接，用于给所述水压箱体12增加和卸载水压，所述水压箱体12的摄像孔3内安装高清摄像头22，用于监测岩石试件在不同水压条件下的动态蠕变变形发展过程，所述水压箱体12的应变监测孔4内安装应变片21，应变片21型号为bx120-3aa，应变片21和应力监测设备2共同组成应力应变监测设备，上加载杆1、下加载杆10、左加载杆8、右加载杆9及后加载杆16通过其上加载压头13组成的腔体内放置有
岩石试件，所述应变片21的监测端安装于水压箱体12内部岩石试件未加载侧表面处，用于监测岩石试件在不同水压状态下的动态蠕变变形发展过程。
[0044]
所述下加载杆10、左加载杆8、右加载杆9及后加载杆16均为液压加载杆。
[0045]
所述水压箱体12为正方体密封箱体，其左上部、左下部共安装有3个pu管快速接头，所述增水压机19、卸载水压机20以及出水口7通过pu管快速接头与水压箱体12连接，实现增、卸水压以及出水功能；所述水压箱体12右上部安装有摄像孔3及应变监测孔4，所述高清摄像头22位于水压箱体12内腔且其输出端通过所述摄像孔3穿出；所述水压箱体12的顶板、底板、左侧板、右侧板及后侧板的几何中心处分别开设有加载杆密封孔14，传力杆23、下加载杆10、左加载杆8、右加载杆9及后加载杆16分别穿过对应的加载杆密封孔14进入水压箱体12内；所述水压箱体12的前侧板中心处安装圆形窗口17，通过拆卸圆形窗口，将岩石试件放入水压箱体12内部。
[0046]
所述圆形窗口17通过螺栓与水压箱体12安装在一起；所述圆形窗口17与水压箱体12的前侧板之间的接缝处装有密封圈。
[0047]
所述圆形窗口17分为可视窗和不可视窗；所述可视窗口为透明亚克力板，用于正面观察无水压状态下的岩石蠕变破坏过程；所述不可视窗为金属铁板，用于保证有水压状态下的密封性和安全性。
[0048]
为了平衡水压箱体12前后重量，在所述水压箱体12的前侧板上安装圆形窗口17时同时在主体基座11上表面通过螺栓固定安装配重块18。
[0049]
一种不同水压条件充水边坡岩石蠕变试验设备的使用方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1、将岩石试件制作成50
×
50
×
100mm的标准件，实验要求选择不同围压和水压组合进行蠕变实验；
[0051]
步骤2、将岩石试件受力加载的五侧面涂抹憎水剂，放入水压箱体12，将在应变片21的外表面涂抹防水胶，进行防水处理后，贴在未加载表面即浸水的岩石表面，由于应变片21的尺寸很小，只会覆盖岩石试件表面很小一部分，因此不会影响岩石试件单侧的浸水效果；将圆形窗口17通过螺钉安装在水压箱体12的前侧板上；
[0052]
步骤3、打开应力应变监测设备，通过下加载杆10进行竖向加载施加轴压，使应力监测设备顶端与上加载杆1底端接触，待岩石试件稳定后，通过左加载杆8和右加载杆9对岩石试件的左右两侧施加围压，最后通过后加载杆16对岩石试件的后侧施加围压；
[0053]
步骤4、施加轴压和围压后，打开高清摄像头22开始录像；
[0054]
步骤5、进行水压设置，启动增水压机19通过增水压口6进行注水并使水压箱体12的水压达到特定值；
[0055]
步骤6、随后进行蠕变加载实验，直至岩石试件破坏，在此过程通过数据采集仪采集后经过计算机记录并保存岩石破坏的应力应变曲线；
[0056]
步骤7、试件破坏后，关闭应力应变监测设备，通过卸载水压机20进行卸压，并通过出水口7将水排完，之后关闭高清摄像头22，将下加载杆10、左加载杆8、右加载杆9及后加载杆16退回原位；
[0057]
步骤8、松拧螺栓，打开圆形窗口17，通过照相机对岩石试件破坏形态进行拍照、保存和记录；
[0058]
步骤9、将新的岩样试件放入水压箱体12内，重复步骤2～步骤8；进行不同围压和
水压条件下的破坏实验，根据最终实验数据分析，岩石力学特性变化规律和蠕变变形特征。依此为基础，可以更好的分析充水边坡不同深度下的岩体力学特性变化和蠕变变形规律。