一种可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置

1.本实用新型涉及岩石物理性质试验设备技术领域，尤其是涉及一种可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置。


背景技术：

2.水岩相互作用导致岩石劣化是水利工程事故中常见的诱发因素。目前，对水岩相互作用下岩石劣化规律的研究主要借助于室内岩石力学试验，通过对岩石试样在浸水条件下开展干湿循环处理，来模拟工程岩体实际水岩环境。
3.随着我国多座300米级的高坝水库投入运营，坝基岩体在高水压高应力环境下的水岩相互作用规律是工程安全及水工岩石力学研究共同关心的课题。目前室内岩石力学试验都是在对岩样不施加水压的条件下开展的，难以模拟高坝坝基岩体在高水压条件下的膨胀及性质劣化过程，从而难以分析高坝坝基岩体的岩石膨胀及劣化规律。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要提供一种可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置，用以解决现有的室内岩石力学试验装置难以模拟高坝坝基岩体在高水压条件下的膨胀及性质劣化过程、从而难以分析高坝坝基岩体的岩石膨胀及劣化规律的技术问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置，包括饱水容器、反力压紧机构、注水机构、膨胀性检测机构及劣化特征测试机构，其中，所述饱水容器具有一密闭的饱水腔，所述饱水腔内用于放置岩样，当所述岩样置于所述饱水腔内后，所述反力压紧机构压设于所述岩样上，所述注水机构向所述饱水腔内注水且使所述饱水腔内的水压保持在预设压力值，所述膨胀性检测机构检测所述岩样的膨胀率，所述劣化特征测试机构检测所述岩样的劣化程度。
6.优选地，所述膨胀性检测机构包括水平膨胀率检测组件及竖向膨胀率检测组件，所述水平膨胀率检测组件与所述岩样连接且用于检测所述岩样的水平膨胀率，所述竖向膨胀率检测组件与所述岩样连接且用于检测所述岩样的竖向膨胀率。
7.优选地，所述水平膨胀率检测组件包括至少一水平位移传感器，所述水平位移传感器的感应杆与所述岩样的侧壁抵接。
8.优选地，所述竖向膨胀率检测组件包括垫板及竖向位移传感器，所述垫板夹设于所述岩样与所述反力压紧机构之间，所述竖向位移传感器的感应杆与所述垫板抵接。
9.优选地，所述劣化特征测试机构包括两个超声波换能器，两个所述超声波换能器分别贴合于所述岩样的两端。
10.优选地，所述饱水容器包括饱水容器主体及盖板，所述盖板与所述饱水容器主体可拆卸密封连接，所述盖板上开设有与所述饱水腔连通的让位孔；所述反力压紧机构包括立柱、紧固件、横梁及传力杆，所述立柱固定于所述饱水容器的底板上，所述横梁经由所述紧固件固定于所述立柱上，所述传力杆的一端与所述横梁固定连接，所述传力杆的另一端
穿过所述让位孔后压设于所述垫板上。
11.优选地，所述反力压紧机构还包括压力传感器，所述压力传感器夹设于所述横梁与所述传力杆之间且用于检测所述岩样受到的竖向压力。
12.优选地，所述反力压紧机构还包括第一密封圈，所述第一密封圈套设于所述传力杆上，所述第一密封圈与所述让位孔的内侧壁贴合。
13.优选地，所述注水机构包括抽真空管、真空泵、注水管、水箱、施压管及水压伺服加载器，所述抽真空管的一端与所述饱水腔连通，所述抽真空管的另一端与所述真空泵的出口连通，所述抽真空管上设置有抽真空阀，所述注水管的一端与所述饱水腔连通，所述注水管的另一端与所述水箱连通，所述注水管上设置有注水阀，所述施压管的一端与所述饱水腔连通，所述施压管的另一端与所述水压伺服加载器的出口连通，所述施压管上设置有施压阀。
14.优选地，所述盖板上开设有与所述饱水腔连通的排气孔，所述排气孔内设置有用于控制所述排气孔开启或关闭的排气阀。
15.与现有技术相比，本实用新型提出的技术方案的有益效果是：通过注水机构向所述饱水腔内注水且使所述饱水腔内的水压保持在预设压力值，从而使饱水腔内的岩样处于设定水压条件下，通过反力压紧机构使岩样的位置保持稳定，通过膨胀性检测机构检测岩样在设定水压条件下的膨胀率，通过劣化特征测试机构检测岩样在设定水压条件下的劣化程度，从而为高坝坝基岩体的岩石膨胀及劣化规律研究提供数据支撑。
附图说明
16.图1是本实用新型提供的可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置的一实施例的结构示意图；
17.图2是图1中的反力压紧机构、膨胀性检测机构及劣化特征测试机构的结构示意图；
18.图3是图1中的注水机构的结构示意图；
19.图4是图1中的饱水容器及反力压紧机构的俯视图；
20.图中：1
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饱水容器、2
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岩样、3
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反力压紧机构、4
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注水机构、5
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膨胀性检测机构、6
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劣化特征测试机构、7
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处理器、8
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显示器、11
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饱水容器主体、12
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盖板、121
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排气阀、13
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板扣、14
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第二密封圈、31
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立柱、32
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紧固件、321
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螺栓、322
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螺母、33
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横梁、34
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传力杆、35
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压力传感器、36
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第一密封圈、41
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抽真空管、42
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真空泵、43
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注水管、44
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水箱、45
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施压管、46
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水压伺服加载器、47
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抽真空阀、48
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注水阀、49
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施压阀、51
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水平膨胀率检测组件、511
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水平位移传感器、52
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竖向膨胀率检测组件、521
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垫板、522
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竖向位移传感器、61
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超声波换能器。
具体实施方式
21.下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
22.请参照图1，图1为本实用新型提供的可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置的一实施例的结构示意图，所述可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置包括
饱水容器1、反力压紧机构3、注水机构4、膨胀性检测机构5及劣化特征测试机构6，其中，所述饱水容器1具有一密闭的饱水腔，所述饱水腔内用于放置岩样2，当所述岩样2置于所述饱水腔内后，所述反力压紧机构3压设于所述岩样2上，所述注水机构4向所述饱水腔内注水且使所述饱水腔内的水压保持在预设压力值，所述膨胀性检测机构5检测所述岩样2的膨胀率，所述劣化特征测试机构6检测所述岩样2的劣化程度。
23.在实验时，先将岩样2放置在饱水容器1内，再通过反力压紧机构3压紧于岩样2上，接着通过注水机构4向所述饱水容器1内注水且使所述饱水容器1内的水压保持在预设压力值，再按照设定的时间间隔，通过膨胀性检测机构5检测岩样2的膨胀率，并通过劣化特征测试机构6检测岩样2的劣化程度，从而为高坝坝基岩体的岩石膨胀及劣化规律研究提供数据支撑。
24.本实用新型的有益效果是：通过注水机构4向所述饱水腔内注水且使所述饱水腔内的水压保持在预设压力值，从而使饱水腔内的岩样2处于设定水压条件下，通过反力压紧机构3使岩样2的位置保持稳定，通过膨胀性检测机构5检测岩样2在设定水压条件下的膨胀率，通过劣化特征测试机构6检测岩样2在设定水压条件下的劣化程度，从而为高坝坝基岩体的岩石膨胀及劣化规律研究提供数据支撑。
25.为了对岩样2在设定水压条件下的膨胀过程进行全面的检测，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述膨胀性检测机构5包括水平膨胀率检测组件51及竖向膨胀率检测组件52，所述水平膨胀率检测组件51与所述岩样2连接且用于检测所述岩样2的水平膨胀率，所述竖向膨胀率检测组件52与所述岩样2连接且用于检测所述岩样2的竖向膨胀率。
26.为了具体实现水平膨胀率检测组件51的功能，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述水平膨胀率检测组件51包括至少一水平位移传感器511，所述水平位移传感器511的感应杆与所述岩样2的侧壁抵接，本实施例中，水平位移传感器511的数量为四个，分别抵接与岩样2的四个侧壁上，从而可对岩样2在四个侧壁方向的膨胀量进行检测。
27.为了具体实现竖向膨胀率检测组件52的功能，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述竖向膨胀率检测组件52包括垫板521及竖向位移传感器522，所述垫板521夹设于所述岩样2与所述反力压紧机构3之间，所述竖向位移传感器522的感应杆与所述垫板521抵接，当岩样2在竖向发生膨胀时，垫板521上升，垫板521上升的位移等于岩样2在竖向上的膨胀量，因此，可以通过竖向位移传感器522检测垫板521上升的位移来确定岩样2在竖向上的膨胀量。
28.为了具体实现劣化特征测试机构6的功能，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述劣化特征测试机构6包括两个超声波换能器61，两个所述超声波换能器61分别贴合于所述岩样2的两端，本实施例中，两个所述超声波换能器61均为收发一体的超声波换能器，其中一个超声波换能器61向岩样2发射超声波，另一个超声波换能器61接收该超声波，从而可测试岩样2在设定水压条件下纵波波速，通过纵波波速的衰减表征岩样2的劣化程度。
29.为了具体实现反力压紧机构3的功能，请参照图1、图2及图4，在一优选的实施例中，所述饱水容器1包括饱水容器主体11及盖板12，所述盖板12与所述饱水容器主体11可拆卸密封连接，本实施例中，所述盖板12与所述饱水容器主体11通过板扣13可拆卸连接，所述盖板12上开设有与所述饱水腔连通的让位孔；所述反力压紧机构3包括立柱31、紧固件32、
横梁33及传力杆34，所述立柱31固定于所述饱水容器1的底板上，所述横梁33经由所述紧固件32固定于所述立柱31上，所述传力杆34的一端与所述横梁33固定连接，所述传力杆34的另一端穿过所述让位孔后压设于所述垫板521上。本实施例中，紧固件32包括螺栓321及螺母322，其中，螺栓321固定于立柱31上，螺栓321穿过横梁33，螺母322螺纹连接于螺栓321上，从而将横梁33固定于螺栓321上，通过调节螺母322的旋紧度，可调节传力杆34施加于岩样2上的压力，从而模拟实际的坝基岩体受力情况。
30.为了测量传力杆34施加于岩样2上的压力值，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述反力压紧机构3还包括压力传感器35，所述压力传感器35夹设于所述横梁33与所述传力杆34之间且用于检测所述岩样2受到的竖向压力。
31.为了提高饱水容器1的密封效果，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述反力压紧机构3还包括第一密封圈36，所述第一密封圈36套设于所述传力杆34上，所述第一密封圈36与所述让位孔的内侧壁贴合，通过第一密封圈36可实现传力杆34与让位孔之间的密封连接，从而提高饱水容器1的密封效果，为饱水腔内的高水压提供必要条件。
32.为了具体实现注水机构4的功能，请参照图1和图3，在一优选的实施例中，所述注水机构4包括抽真空管41、真空泵42、注水管43、水箱44、施压管45及水压伺服加载器46，所述抽真空管41的一端与所述饱水腔连通，所述抽真空管41的另一端与所述真空泵42的出口连通，所述抽真空管41上设置有抽真空阀47，所述注水管43的一端与所述饱水腔连通，所述注水管43的另一端与所述水箱44连通，所述注水管43上设置有注水阀48，所述施压管45的一端与所述饱水腔连通，所述施压管45的另一端与所述水压伺服加载器46的出口连通，所述施压管45上设置有施压阀49。
33.为了便于将饱水腔内的气体排出，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述盖板12上开设有与所述饱水腔连通的排气孔，所述排气孔内设置有用于控制所述排气孔开启或关闭的排气阀121。
34.为了具体实现饱水容器主体11及盖板12的密封连接，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述饱水容器主体11及盖板12的连接处设置有第二密封圈14。
35.为了便于对本装置进行自动化控制，请参照图1，在一优选的实施例中，所述可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置还包括处理器7及显示器8，所述处理器7与所述显示器8、所述压力传感器35、所述真空泵42、所述水压伺服加载器46、所述抽真空阀47、所述注水阀48、所述施压阀49、所述水平位移传感器511、所述竖向位移传感器522及所述超声波换能器61均通信连接，从而方便通过处理器7对各个部件进行控制。
36.为了更好地理解本实用新型，以下结合图1
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图4来对本实用新型提供的可控饱水压力的岩石膨胀性及劣化特征测试装置的工作过程进行详细说明：
37.(1)将圆柱形的岩样2放置在饱水容器主体11内的中心，岩样2上下放置超声波换能器61；
38.(2)在上方的超声波换能器61上放置垫板521，将水平位移传感器511的感应杆与岩样2的侧壁直接接触，将竖向位移传感器522的感应杆与垫板521接触；
39.(3)放置盖板12，并拧紧板扣13，将传力杆34穿过盖板12的让位孔后与岩样2顶部的垫板521接触，然后安装横梁33，通过调节螺母322在螺栓321上的旋紧度，给岩样2施加一定的接触力；
40.(4)关闭盖板12上的排气阀121，关闭施压阀49及注水阀48，开启抽真空阀47及真空泵42，对饱水容器1内进行抽真空，持续4小时；
41.(5)抽真空完成之后，关闭抽真空阀47及真空泵42，打开注水阀48，使水箱44内的水被吸入到饱水容器1内；
42.(6)待饱水容器1内的水位没过岩样2之后，关闭注水阀48，打开排气阀121，打开施压阀49，开启水压伺服加载器46，采用位移驱动的形式驱动水压伺服加载器46向饱水容器1内继续加水，直至排气阀121内有水排出，停止加水，并关闭排气阀121；
43.(7)采用压力控制方式驱动水压伺服加载器46，使饱水容器1内加载至预设水压，并保持水压稳定；
44.(8)记录在预设水压条件下，岩样2的自由膨胀变形值，并在显示器8上实时显示各个位移传感器的测量值；
45.(9)通过两个超声波换能器61发射和接收超声波，测试岩样2在预设水压条件下纵波波速，通过纵波波速的衰减表征岩样2的劣化程度；
46.(10)开始时每隔10min记录一次位移值及纵波波速值，连续三次位移读数差小于0.001mm时，改为每小时读数一次，连续三次读数差小于0.001mm时，即可认为稳定,有压浸泡总的试验时间不得少于48h。
47.通过本装置还可进行预设水压条件下侧限和膨胀压力测试，具体方法是将试样放在金属套中，金属套侧壁上有透水孔，测试过程参考现有的常规试验。
48.本实用新型提供的技术方案的有益效果是：可模拟库水变化条件下的坝基岩体的水压环境，使岩样处于水压变化环境下，并能够测试试样在水压变化环境下的侧向变形及膨胀压力，具体来说，通过注水机构4向所述饱水腔内注水且使所述饱水腔内的水压保持在预设压力值，从而使饱水腔内的岩样2处于设定水压条件下，通过反力压紧机构3使岩样2的位置保持稳定，通过膨胀性检测机构5检测岩样2在设定水压条件下的膨胀率，通过劣化特征测试机构6检测岩样2在设定水压条件下的劣化程度，从而为高坝坝基岩体的岩石膨胀及劣化规律研究提供数据支撑。
49.以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。