一种综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于室内岩石试验技术领域，涉及一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的试验装置，本发明还涉及了上述试验装置的试验方法。

背景技术

库水周期性浸泡与季节性冻融破坏及两者交替往复作用，是制约西部水电工程库区涉水开挖边坡长期稳定性的关键问题。依托室内试验手段研究动态承压浸泡与冻融循环及两者交替往复环境下岸坡开挖岩体的物理力学特性，可为西部季冻区水库开挖岸坡工程设计与变形分析及长期稳定性评价提供理论参考，有助于借助试验手段揭示西部季冻区水库消落带岸坡开挖岩体产生冻融破坏与水驱失稳的力学机理。

目前，针对岩体反复遭受承压浸泡与冻融循环赋存环境的模拟，多数采用先进行承压浸泡、再进行冻融循环的试验方法。既没有结合库水位变化考虑岸坡开挖岩体所遭受的动态渗透潜蚀问题，也没有结合季节性冻融环境考虑浸泡与冻融的交替往复侵蚀问题，从而难以准确模拟西部季冻区水库岸坡开挖岩体的真实赋存环境。

本发明在考虑库水位变化及衍生高渗压的基础上，借助布置在试验缸侧面的两台液压泵实现渗透压差，迫使试验缸内形成动态承压水流，以模拟库水骤降影响下涉水岸坡开挖岩体所遭受的动态承压浸泡环境。以遭受动态渗透压力作用的试件为对象，利用液氮与电热丝及温控系统营造冻融环境，以综合模拟动态承压浸泡与冻融环境以及两者的交替往复作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的试验装置，解决了现有设备无法同时模拟动态承压浸泡与冻融环境的技术难题，减小了试验过程人为因素对试件细观结构特征的影响，可为西部水库岸坡岩体多场耦合试验提供思路。

本发明的另一个目的是提供一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的室内试验方法。

本发明所采用的技术方案是，一种综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的试验装置，包括承放装置的支座，试验装置依托支座放于地面，支座与地面之间采用螺栓相连；底盘上设有排液管，底盘上设有多个环形凹槽。钢壳和多个缸体，均内嵌于底盘的环形凹槽内；钢壳内设有四个试验缸和一个液氮缸，各缸顶部设有进液管；钢壳设有顶盖，且高度低于各缸体；以钢壳内充满的导温盐水为传导介质，实现以液氮为低温源头的试件冻结。试验缸内设有置样台和L型槽，置样台沿L型槽放入试验缸内固定；试验缸外侧均设有两台液压泵，试验缸内设有温度传感器和电热丝，温度传感器和电热丝与升温控制系统相连，液氮缸与降温控制系统相连。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

其中试验缸内设有置样台，置样台上设有四个Ω形夹具，可同时放置四个试件进行试验。Ω形夹具用钢片焊接于置样台上，距离置样台面有一定高度，Ω形夹具内侧设有海绵垫。

其中试验缸内壁留有L型槽，置样台沿L型槽放入试验缸。

其中试验缸外侧设有两台液压泵，通过导管与试验缸连通。

其中试验缸内设有电热丝和温度传感器。

其中试验缸顶盖留有进液管道，底部留有排液管道。

其中液氮缸顶盖留有进液管道，底部留有排液管道。

其中钢壳顶盖留有进液管道，底部留有排液管道。

本发明所采用的另一个技术方案是，用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的室内试验方法，具体操作步骤如下：

步骤一、选取试件利用Ω形夹具固定在置样台上，置样台通过L型槽放入试验缸内固定。先向试验缸内缓慢加满水，再安装顶盖。

步骤二、通过液压泵设置目标压力值，然后对试验缸内水体加压；为试验缸外侧两台液压泵设置压差，使之达到目标压差；利用液压泵的吸液、排液功能，通过水体上压下出和下压上出的方式，模拟动态承压浸泡环境。。

步骤三、试验缸内设电热丝，连通电源加热缸内水体；缸内设有温度传感器，与升温控制系统相连；温度达到目标值后，根据需要维持稳定。

步骤五、试验缸外部充满导温盐水，以钢壳内充满的导温盐水为传导介质，实现以液氮为低温源头的试件冻结；通过降温控制系统达到目标温度之后，根据需要维持稳定。

步骤六、根据需要确定压力目标值、冻融温度幅值和冻融循环次数，开展相应试验。试验完成后，先恢复钢壳和试验缸内的温度至室温，再卸除试验缸内压力，而后解封顶盖，取出置样台拆除试件。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

其中Ω形夹具用钢片焊接在置样台上，距离置样台表面有一定距离。

其中Ω形夹具内侧设有海绵垫，以保护试件不受外力影响。

本发明一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境下的试验装置，其优势在于通过液压泵与升温控制系统及降温控制系统，能够在一台设备上实现动态承压浸泡与冻融环境的综合模拟，解决了现有设备无法同时模拟动态承压浸泡与冻融环境的技术难题，减小了试验过程人为因素对试件细观结构特征的影响，可为西部水库岸坡岩体多场耦合试验提供分析思路。

附图说明

图1是装置整体俯视图；

图2是图1中1-1方向剖面图；

图3是图1中2-2方向剖面图；

图4是试验缸剖面图；

图5是置样台主视图。

其中：1、进液管，2、螺栓，3、顶盖，4、液压泵，5、电热丝，6、置样台，7、钢壳，8、温度传感器，9、试验缸，10、液氮缸，11、底盘，12、排液管，13、支座，14、降温控制系统，15、升温控制系统，16、Ω形夹具，17、L形槽，18、钢壳顶盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体操作方法，对本发明一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的试验装置以及试验方法进行详细说明。

本发明一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的试验装置，其结构如图1-3所示，包括承放装置的支座13，试验装置依托支座放于地面，支座与地面之间采用螺栓相连；底盘11上设有排液管，底盘11上设有多个环形凹槽。钢壳7和多个缸体，均内嵌于底盘的环形凹槽内；钢壳7内设有四个试验缸9和一个液氮缸10，各缸顶部设有进液管1；钢壳7设有顶盖18，且高度低于各缸体；以钢壳内充满的导温盐水为传导介质，实现以液氮为低温源头的试件冻结。试验缸9内设有置样台6(如图4所示)和L型槽17，置样台6沿L型槽17放入试验缸9内固定；试验缸9外侧均设有两台液压泵4，试验缸9内设有温度传感器8和电热丝5，温度传感器8和电热丝5与升温控制系统15相连，液氮缸10与降温控制系统14相连。

试件用Ω形夹具16固定在置样台上，Ω形夹具16的高度为50mm；Ω形夹具16内侧设有海绵垫，可以保证夹具位置试件充分接触水体。

其中置样台沿L型槽放入试验缸内后逆时针转动，如图4所示，保证置样台平稳放置在试验缸内、且不产生晃动。

其中试验缸、液氮缸以及钢壳底部均以螺栓与底盘紧密相连。

本发明一种用于综合模拟动态承压浸泡与冻融环境的室内试验方法，其具体步骤如下：

步骤一、打开试验缸顶盖，取出置样台(见图5)，利用Ω形夹具将试件固定在置样台上，试件底部接触置样台，Ω形夹具仅起到固定试件作用、不对试件产生外力干扰。

步骤二、先将置样台沿特定轨道(见图4)放入试验缸内固定，而后向缸内缓慢加满水，再安装顶盖；通过液压泵设置目标压力值，然后对试验缸内水体加压；为试验缸外侧两台液压泵设置压差，使之达到目标压差；利用液压泵的吸液、排液功能，通过水体上压下出和下压上出的方式，模拟动态承压浸泡环境。

步骤三、对于需要模拟冻融环境的试件，升温时连通加热设备(见图2)，对试验缸内水体加热；试验缸内部设有温度传感器，当温度达到目标值时根据需要维持稳定或调温。

步骤四、对于需要模拟冻结环境的试件，降温时向液氮缸(见图2)内注入液氮；以钢壳内充满的导温盐水为传导介质，实现以液氮为低温源头的试件冻结；试验缸内部设有温度传感器，当温度达到目标值时，根据需要维持稳定或调温。

步骤五、对于需要模拟动态承压浸泡环境的试件，在完成步骤二时，即可将试件从试验缸内取出，取出试件的详细步骤为：(1)先将试验缸内温度恢复至室温后，再卸除液压泵压力，而后从缸内吸液；(2)打开排液管螺栓(见图2)，将缸内水全部排出；(3)打开顶盖(见图2)，缓慢提出置样台置(见图5)，松开Ω形夹具，取出试件。

步骤六、对于需要模拟冻融循环环境的试件，需提前确定冻融温度幅值和冻融循环次数，在完成步骤三和步骤四之后，先将钢壳和试验缸的温度恢复至室温，而后打开顶盖取出试件。

步骤七、对于需要综合模拟动态承压浸泡和冻融环境的试件，根据试验需要，依次完成步骤二、步骤三和步骤四之后，先将钢壳和试验缸的温度恢复至室温，卸除液压泵压力，而后打开顶盖取出试件。