一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置及方法与流程

1.本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置及方法。


背景技术：

2.工程建设过程中穿越山区要修建隧道，隧洞洞口的岩土体在车辆振动作用和降水干湿循环的作用下会发生崩解，产生的掉块会影响行车安全，当洞口岩土体崩解严重时甚至会影响隧道的正常使用和结构的耐久性。
3.发明人发现，目前在岩土体崩解特性检测的装置及方法上，大部分采取的还是崩解实验，或是加入单一变量进行耦合模拟，例如将试样浸入水中进行崩解试验，未考虑多因素耦合的影响，例如振动、温度、干湿循环对岩土体崩解的影响，检测结果与实际工程不符。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置及方法，在实验舱内设置了加热板和振动臂，并在实验舱上设置了进水口和排水管，振动臂通过轮轴与试样盒连接，能够测定不同状况下岩土体的崩解特性，可根据需求设定不同的温度梯度进行干湿循环，更加贴近现实环境中温度变化的实际，解决了现有岩土体崩解测定装置检测结果与实际不符的问题。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明提供了一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置，包括放置在承重架上的实验舱和试样盒，所述实验舱为顶部开合结构，实验舱的顶部固定设有用于改变温度的加热板，实验舱的侧部设有进水口，实验舱的底部设有排水管，所述实验舱的底部还通过负压管与实验舱下方的粒径分析仪连通，所述粒径分析仪与计算机连接，所述试样盒放置在实验舱内，所述实验舱的内侧壁上固定设有两个相对设置的振动臂，振动臂通过轮轴与试样盒端部的连接件连接，轮轴用于带动试样盒转动或将振动臂上的振动传递到试样盒上。
7.作为进一步的实现方式，所述试样盒由金属网制成，试样盒由盒体及其两端的端盖组成，端盖与盒体之间可拆卸连接，所述连接件固定设置在端盖上。
8.作为进一步的实现方式，所述连接件由同轴设置的连接环、橡胶卡扣组成，连接环的内径大于橡胶卡扣的外径，连接环与橡胶卡扣之间形成环状的第一接口，橡胶卡扣的中心位置处设有第二接口，第二接口为齿轮形状的凹槽。
9.作为进一步的实现方式，振动臂靠近试样盒的侧部固定设有电动伸缩臂，轮轴固定设置在电动伸缩臂上，轮轴由同轴设置的马达、连接轴组成，连接轴为圆筒结构，连接轴的尺寸与所述第一接口相同，马达的转轴上固定设有与第二接口配合的齿轮。
10.作为进一步的实现方式，所述振动臂的底部固定设有振动器，振动器的顶部通过连接板与振动臂固定连接，振动臂的顶部固定设有超声波振动器。
11.作为进一步的实现方式，所述实验舱的底部具有朝向其中心倾斜的坡度，实验舱的底部中心处具有排水孔，所述排水管通过连接座与排水孔连通，所述连接座内设有可拆卸的滤网以用于阻挡土体颗粒进入排水管，所述进水口、排水管处均设有阀门。
12.作为进一步的实现方式，所述连接座还与负压管连通，所述负压管上设有用于将负压管内空气抽出的负压吸引器。
13.作为进一步的实现方式，所述实验舱由透明材料制成，表面设有若干刻度线。
14.第二方面，本发明提供了一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的方法，具体如下：
15.将试样装入试样盒中，并将试样盒放在称重器上称重；
16.称重结束后，将试样盒放置在实验舱内，控制电动伸缩臂伸出，使得轮轴伸至试样盒侧部的接口内，关闭排水管上的阀门，通过进水口向实验舱内注入设定高度的水；
17.启动马达，使得试样盒按设定旋转速度转动，旋转到设定时间后停止转动，打开排水管上的阀门将水排出；
18.开启加热板，待试样干燥后，通过负压管将试样崩解下来的颗粒吸入粒径分析仪，进行粒径分析后将其取出；
19.启动振动器，试样盒按照设定频率振动，通过负压管将试样崩解下来的颗粒吸入粒径分析仪，进行粒径分析后将其取出；
20.将试样盒从实验舱内取出并放到称重器上称取质量。
21.作为进一步的实现方式，改变设定参数重复试验，所述设定参数为岩土体试样类型、液体类型、干湿循环温度、转动速率、振动频率。
22.上述本发明的有益效果如下：
23.(1)本发明在实验舱内设置了加热板和振动臂，并在实验舱上设置了进水口和排水管，振动臂通过轮轴与试样盒连接，可带动试样盒转动、振动，能够测定不同状况下岩土体的崩解特性，同时，可根据需求设定不同的温度梯度进行干湿循环，更加贴近现实环境中温度变化的实际，大大提高了测定结果的准确性。
24.(2)本发明实验舱的底部具有朝向其中心倾斜的坡度，从而从试样盒中坠落的颗粒可沿着实验舱底部的坡度向中心自动汇集，大大保证了测量结果的准确性、
25.(3)本发明连接座内设有开拆卸的的滤网，该滤网能够允许水体通过而阻挡土体颗粒穿过，防止土体颗粒进入排水管内而被排出，保证了结构的准确性。
26.(4)本发明在振动臂上设置了振动器和超声波振动器，能够根据不同工况选用不同的振动部件，保证了不同工况下的振动需求，同时，橡胶卡扣能够缓冲连接件与马达转轴之间的振动传递，避免了马达的损坏。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置的整体结构示意图；
29.图2是本发明根据一个或多个实施方式的试样盒的侧视结构示意图；
30.图3是本发明根据一个或多个实施方式的振动臂的结构示意图(连接轴部分为剖视)；
31.图4是本发明根据一个或多个实施方式的轮轴的横截面结构示意图；
32.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
33.其中，1、实验舱；2、加热板；3、轮轴；4、振动臂；5、试样盒；6、进水口；7、排水管；8、负压管；9、连接座；10、粒径分析仪；11、计算机；12、承重架；13、连接环；14、橡胶卡扣；15、第一接口；16、第二接口；17、电动伸缩臂；18、振动器；19、连接板；20、超声波振动器；21、马达；22、齿轮；23、连接轴。
具体实施方式
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.正如背景技术所介绍的，目前在岩土体崩解特性检测的装置及方法上，大部分采取的还是崩解实验，或是加入单一变量进行耦合模拟，例如将试样浸入水中进行崩解试验，未考虑多因素耦合的影响，例如振动、温度、干湿循环对岩土体崩解的影响，检测结果与实际工程不符的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置及方法。
36.实施例1
37.本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提出一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的装置，包括，实验舱1，实验舱1固定设置在承重架12上，实验舱1由透明材料制成，表面设有若干刻度线。
38.其中，实验舱1的顶板具有开合功能，即，顶板与实验舱1的舱身之间铰接，实验舱1的顶板内壁上固定设有加热板2，可通过加热板2对试样进行烘干，以改变实验舱1内试样的干燥度；实验舱1的内侧壁上固定设有两个相对设置的振动臂4，振动臂4通过轮轴3与试样盒5连接，轮轴3可带动试样盒5转动或是将振动臂4上的振动传递到试样盒5上。
39.试样盒5为由金属网制成的圆柱状结构，由盒体及其两端的端盖组成，其中，端盖与盒体之间采用螺纹连接的方式可拆卸连接，以便于土体的盛装。
40.试样盒5的两个端盖上分别固定设有一个连接件，如图2所示，连接件由连接环13、橡胶卡扣14组成，连接环13和橡胶卡扣14同轴设置，其中，连接环13为不锈钢材质，连接环13的内径大于橡胶卡扣14的外径，连接环13与橡胶卡扣14之间形成环状的第一接口15，橡胶卡扣14的中心位置处设有第二接口16，第二接口16为齿轮形状的凹槽。
41.如图3所示，振动臂4的底部固定设有振动器18，振动器18为现有的机械式振动器结构，振动器18的顶部固定设有连接板19，连接板19与振动臂4固定连接，从而振动器18所产生的振动可通过连接板19传递给振动臂4。
42.振动臂4的顶部固定设有小型的超声波振动器20，可以理解的是，超声波振动器20、振动器18均为现有结构，具体的结构类型这里不再过多的赘述。
43.振动臂4靠近试样盒5的侧部固定设有电动伸缩臂17，轮轴3固定设置在电动伸缩臂17的端部，从而可通过电动伸缩臂17驱动轮轴3的移动，进而实现轮轴3与试样盒5的拆
装。
44.具体的，电动伸缩臂17靠近试样盒5的一端固定设有马达21和连接轴23，马达21与连接轴23同轴设置，其中，连接轴23为圆筒结构，连接轴23由不锈钢材料制成，连接轴23的尺寸与第一接口15的尺寸相同，马达21位于连接轴23的内部。
45.马达23的转轴上固定设有齿轮22，齿轮22的形状以及尺寸与第二接口16相同，在进行试样盒5与转轴3之间的连接时，连接轴23可插装在第一接口15内，齿轮22可插装在第二接口16内。
46.由于橡胶卡扣14是由橡胶材料制成，能够缓冲连接件与马达21转轴之间的振动传递，避免了马达21的损坏。
47.实验舱1的侧壁上设有进水口6，实验舱1的底部具有朝向其中心倾斜的坡度，从而从试样盒5中坠落的颗粒可沿着实验舱1底部的坡度向中心自动汇集，实验舱1的底部中心处具有排水孔。
48.排水孔的正下方设有排水管7，排水管7通过连接座9与排水孔连通，主要用于将实验舱1内的水体向外排出，排水管7上设有止水阀，可控制排水管7的通断。
49.连接座9为圆筒状结构，连接座9内设有开拆卸的的滤网，该滤网能够允许水体通过而阻挡土体颗粒穿过，防止土体颗粒进入排水管7内，具体的，连接座9的侧部开设有用于滤网拆装的安装孔，使用时，可通过安装孔将滤网插装在连接座9内，当不使用滤网时，可将滤网从安装孔内抽出。
50.可以理解的是，在实际应用中，还可在安装孔处进行密封处理，例如设置橡胶密封垫等，以保证滤网安装到位后水体不会从安装孔处向外流出。
51.连接座9的正下方设有负压管8，负压管8与连接座9的内部连通，负压管8上设有负压吸引器，负压吸引器可将负压管8内的空气抽出，进而将连接座9内的颗粒抽入负压管8内。
52.可以理解的是，负压吸引器为现有结构，具体的结构形式这里不再过多的赘述。
53.负压管8的底部与粒径分析仪10连通，负压管8内的土体颗粒可进入粒径分析仪10内进行粒径分析。
54.还设有计算机11，计算机11与粒径分析仪10连接，用于接收粒径分析仪10传输的数据并收集，可将分析结果进行展示。
55.可以理解的是，加热板2、电动伸缩臂17、振动器18、超声波振动器20以及负压吸引器也可与计算机11连接，从而通过计算机11远程控制各功能部件工作的启停。
56.实施例2
57.本发明的另一种典型的实施方式中，提出一种测定多因素耦合条件下岩土体崩解的方法，具体如下：
58.步骤1：打开实验舱1，取出试样盒5；
59.步骤2：将试样装入试样盒5中，并将试样盒5放在称重器上称重；
60.步骤3：称重结束后，将试样盒5放置在实验舱1内，控制电动伸缩臂17伸出，使得轮轴3伸至试样盒5侧部的接口内；
61.具体的，电动伸缩臂17伸出，带动马达21和连接轴23朝向靠近试样盒5的方向移动，使得齿轮22插入第二接口16内，连接轴23插入第一接口15内，实现试样盒5与振动臂4的
连接。
62.步骤4：关闭实验舱1和排水管7上的出水阀，打开进水口6上的进水阀，加入实验所需要高度的水量，关闭进水阀；
63.步骤5：启动马达21，使得试样盒5按设定旋转速度转动，以保证试样盒5内的试样能够均匀的被实验舱1内的水体浸湿；
64.步骤6：旋转到设定时间后停止转动，打开排水管7上的出水阀将水排出；
65.步骤7：开启加热板2，按照设定温度干燥试样；
66.步骤8：试样干燥后，通过负压管8将试样崩解下来的颗粒吸入粒径分析仪10，进行粒径分析后将其取出；
67.其中，在通过负压管8将颗粒吸入前，需将连接座9上的滤网抽出，以防止滤网对颗粒抽吸的阻碍。
68.步骤9：启动振动器18，试样盒5按照设定频率振动；
69.步骤10：振动结束后，通过负压管8将试样崩解下来的颗粒吸入粒径分析仪10，进行粒径分析后将其取出，试样完成一次“干-湿-干-振动”循环；
70.步骤11：轮轴3从接口内抽出，与试样盒5缓慢分离，将试样盒5从实验舱1内取出并放到称重器上称取质量；
71.步骤12：改变设定参数重复步骤2-11，完成多因素耦合条件下岩土体崩解能力测定。
72.步骤12中的设定参数为岩土体试样类型、液体类型、干湿循环温度、转动速率、振动频率，在重复试验时，可改变其中一个参数的数值进行定量关系以及变化规律的实验分析，例如；针对同样的岩土体试样，进行相同崩解液体、干湿循环温度、振动频率，不同转动速率的崩解实验，得到岩土体崩解过程与不同转动速率的定量关系及其变化规律。
73.需要注意的是，当需要模拟雨天情况下行车对岩土体的影响时，可在试样盒5转动的过程中通过超声波振动器20对试样盒5施加振动，以避免水体对振动器18机械振动频率的影响，保证测量结果的准确性。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。