干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石损伤与劣化检测技术领域，具体涉及一种干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验装置及方法。

背景技术

自然条件下，边坡体内地下水位附近的部分岩体经常处于干湿交替状态；特别地，对于库岸边坡，由于降雨及库水位升降等原因，岩体也往往处于干湿周期性交替的状态。这种干湿周期交替作用比长期浸泡对岩体的劣化要严重，属于“疲劳损伤”，其会随循环次数累积性发展。

当岩体处于干湿循环条件下且遭受围压作用时，劣化作用会显著降低岩体的整体强度及稳定性，并且会加剧应力波在岩体中的衰减。岩体强度的降低及对波能的大量耗散会使得岩体更快的达到崩裂临界状态，从而发生地质灾害。而现有研究只是单纯对干湿循环条件下岩石宏观力学参数进行研究或采用CT扫描技术在常规环境作用下进行岩石损伤检测，并没有专门针对边坡进行细致研究的方案，因此，如何准确地评估边坡岩体或库岸边坡在疲劳损伤和围压作用下的损伤性能对于这些地区的地质安全性来讲非常重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验装置及方法，该装置能够对岩体进行干湿循环作用的同时施加围压，模拟实际情况中的边坡岩体所处环境及受力，从而更真实的反映边坡岩体随时间的损伤情况；该方法能够将边坡岩体的实际损伤过程量化，为边坡岩体的损伤机理及该处地质灾害的研究提供重要依据。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验装置，包括上端开口的试验箱，所述试验箱的上端可拆卸安装有箱盖；

所述试验箱内放置有待测岩样，所述待测岩样的上端水平设置有隔离板，所述隔离板将试验箱分为上部加压区和下部试验区，所述隔离板与试验箱的内侧壁连接；所述试验箱的侧壁上分别对应开设有加压口和进水口；所述试验箱的底部还开设有通气孔；

所述加压口连接有加压部件，所述进水口通过输水管连接有供水部件。

本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：

进一步地，所述待测岩样的中部套设有支撑板，所述支撑板与试验箱的内侧壁固定连接，且所述支撑板上开设有透水孔。

更进一步地，所述支撑板为网状支撑板。

进一步地，所述隔离板为软橡胶板或硅胶板。

更进一步地，所述隔离板的厚度为5-10mm。

进一步地，所述通气孔通过连接管连接有气泵。

更进一步地，所述连接管上设置有排水口。

更进一步地，所述试验箱的底部还开设有排水口，所述排水口连接有排水管。

进一步地，所述加压部件包含增压泵和油箱，所述加压口与油箱之间设置增压泵，所述加压口、增压泵和油箱通过输油管依次连通。

进一步地，所述供水部件包含水箱和水泵，所述进水口与水箱之间设置水泵，所述进水口、水泵和水箱通过输水管依次连通。

进一步地，所述输水管、输油管、连接管和排水管上分别设置有开关阀。

进一步地，所述输水管和输油管上分别设置有压力表。

(二)干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验方法，基于上述试验装置，包括以下步骤：

步骤1，将待测岩样放置于试样箱中，安装箱盖密封试样箱；

步骤2，向试验箱的试验区注满水，保持一段时间；然后将水排空，向试验区内持续通入空气，期间保持试验箱内外空气流通，完成一次干湿循环；

步骤3，根据试验所需的围压试验条件，向试验箱的加压区施加相应压力，同时，向试验箱的试验区注入相应压力的水，进行岩样的围压作用；

步骤4，根据试验所需的干湿循环次数n，重复n次步骤2-步骤3，即可得到n次干湿循环耦合围压作用后的岩样；

步骤5，将围压作用后的试验箱置于CT机中进行扫描，得到围压作用后岩样的二维断面扫描图像；基于所述围压作用后岩样的二维断面扫描图像，计算干湿循环耦合围压作用后的岩样损伤度。

进一步地，所述计算干湿循环耦合围压作用后的岩样损伤度的具体公式为：

其中，H

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明可以较为真实的模拟边坡岩石所处的干湿循环和围压环境，从而更真实的反映边坡岩石的损伤演变过程和损伤机理；

(2)本发明的试验箱轻便可手持，可在试验进行的任意阶段将整个试验箱放置于CT扫描机中进行岩石损伤的微观监测，试验过程中无需将岩样取出，试验过程简单快捷，且真实性高，能够揭示干湿循环耦合围压作用下岩石劣化的微观劣化机理。

(3)本发明通过CT扫描研究干湿循环次数耦合围压作用对岩石损伤的劣化规律，通过设计将岩样的损伤度量化，能够制作随时间及干湿循环次数与损伤度的曲线关系，进而揭示边坡岩样的损伤规律。与传统试验相比，无需准备多组试样，可直接在同一试样上开展多组对比试验，因此大大减少试验成本和时间。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的一种干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验装置的整体结构图；

图2为本发明中试验箱及其内部的三维结构示意图；

图3为本发明一种实施例的支撑板的结构图；

以上图中，1试验箱；101箱盖；2待测岩样；3隔离板；4加压口；401油箱；402增压泵；5进水口；501水箱；502水泵；6通气孔；601气泵；602连接管；603排水口；7支撑板；701透水孔；8压力表。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

实施例1

参考图1-3，本发明提供一种干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验装置，包括上端开口的试验箱1，所述试验箱1的上端可拆卸安装有箱盖101；所述试验箱1内放置有待测岩样2，所述待测岩样2的上端水平设置有隔离板3，所述隔离板3将试验箱1分为上部加压区和下部试验区，所述隔离板3与试验箱1的内侧壁连接；所述试验箱1的侧壁上分别对应开设有加压口4和进水口5；所述试验箱1的底部还开设有通气孔6；所述加压口4连接有加压部件，所述进水口5通过输水管连接有供水部件。

以上实施例中，试验箱1为圆筒状，上端开口便于放样和取样，试验箱1上端具有外边沿，其上有螺孔，箱盖101上对应开设有螺孔，通过螺栓将箱盖101与试验箱1箱体固定连接。本发明中为了保证试验箱1内的密封性，在连接处设置密封圈。加压部件和供水部件分别通过接头与试验箱1连接。

在进行干湿循环试验时，供水部件提供的水从进水口5进入试验箱1的试验区，直至水淹没待测岩样2即可，待待测岩样2在水中淹没一定时间(如24h)，从通气孔6排水，然后再从通气孔6中通入空气一定时间(如24h)，使试验箱1内岩样风干，至此完成一次干湿循环试验；将以上过程重复多次，即可进行多次干湿循环试验，以模拟自然环境中边坡岩石的常年干湿交替侵蚀过程。围压试验：由进水口5向试验箱1内注入具有一定压力的水，使待测岩样2处于一定侧向压力中，再通过加压口4向试验箱1的加压区注入具有一定压力的介质，使待测岩样2处于一定竖向压力下，这样就形成了围压作用，以模拟自然环境中岩石所处的围压环境。试验过程中的压力大小根据具体试验需求进行设定。本装置的试验箱1轻便可手持，可在试验进行的任意阶段将整个试验箱1放置于CT扫描机中进行岩石损伤的微观监测，试验过程中无需将岩样取出，试验过程简单快捷，且真实性高，能够揭示干湿循环耦合围压作用下岩石劣化的微观劣化机理。

参考图2和图3，根据本发明的一个实施例，所述待测岩样2的中部套设有支撑板7，所述支撑板7与试验箱1的内侧壁固定连接，且所述支撑板7上开设有透水孔701。

参考图2和图3，根据本发明的一个实施例，所述支撑板7为网状支撑板7。

以上实施例中，试验箱1的试验区具有一个中心开孔的支撑板7，待测试样穿过支撑板7的中心孔放置于试验箱1底板上，支撑板7为待测试样提供侧向支撑，使其在围压过程保持竖直状态，支撑板7上设置透水孔701或/和设为网状，使其在具有支撑作用的同时，不影响待测试样的浸水过程。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，所述隔离板3为软橡胶板或硅胶板。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，所述隔离板3的厚度为5-10mm。

以上实施例中，在竖向加压过程中，隔离板3为较薄的软橡胶或硅胶板，能够保证加压区施加的竖向压力传递至待测试样，保证待测试样的围压作用。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述通气孔6通过连接管602连接有气泵601。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述连接管602上设置有排水口603。

以上实施例中，通气孔6作为试验箱1的排水孔和进气孔，在排水阶段试验箱1内的水通过通气孔6经连接管602从排水口603排出。在风干阶段，气泵601通过通气孔6向试验箱1内输入空气，模拟自然界的风干过程。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述试验箱1的底部还开设有排水口603，所述排水口603连接有排水管。

以上实施例中，将试验箱1的排水口603和进气孔分开，在试验箱1底部另设排水口603，使得在风干阶段该排水口603可以作为出气口，加快内部空气流通。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述加压部件包含增压泵402和油箱401，所述加压口4与油箱401之间设置增压泵402，所述加压口4、增压泵402和油箱401通过输油管依次连通。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述供水部件包含水箱501和水泵502，所述进水口5与水箱501之间设置水泵502，所述进水口5、水泵502和水箱501通过输水管依次连通。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述输水管、输油管、连接管602和排水管上分别设置有开关阀。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述输水管和输油管上分别设置有压力表8。

以上实施例中，加压介质选用油，采用增压泵402将油箱401内的油以一定压力抽至试验箱1的加压区，以向待测试样施加竖向压力。同理，水泵502用于施加侧向压力；压力表8用于监测压力。开关阀用于控制各种介质的流入。

实施例2

干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验方法，基于上述试验装置，本实施例研究1次、5次、10次、15次干湿循环耦合围压作用下砂岩的损伤规律和劣化机理。岩石材料选用同一产地且质地良好的砂岩，加工成直径50mm，高度100mm的圆柱形试件。

试验方法包括以下步骤：

步骤1，将待测岩样放置于试样箱中，安装箱盖密封试样箱；

步骤2，向试验箱的试验区注满水，保持24h；然后将水排空，向试验区内持续通入空气24h，期间保持试验箱内外空气流通，完成一次干湿循环；

步骤3，根据试验所需的围压试验条件，向试验箱的加压区施加5MPa压力，同时，向试验箱的试验区注入相应压力(5MPa)的水，进行岩样的围压作用；

步骤4，根据试验所需的干湿循环次数n，重复n次步骤2-步骤3，即可得到n次干湿循环耦合围压作用后的岩样；

步骤5，将围压作用后的试验箱置于CT机中进行扫描，得到围压作用后岩样的二维断面扫描图像；基于所述围压作用后岩样的二维断面扫描图像，计算干湿循环耦合围压作用后的岩样损伤度。

将初始待测岩样及1次、5次、10次、15次干湿循环耦合围压作用下的岩样分别放置于东芝Aquilion16螺旋CT机中进行扫描，再通过图像处理软件MIMICS进行三维重构，直观显示岩石中孔隙的发育状况，存储砂岩试样的三维图像。并记录每次干湿循环耦合围压作用后东芝Aquilion16螺旋CT机自动显示的CT数均值，依据下式计算对应的损伤度：

其中，H

对比1次、5次、10次、15次干湿循环耦合围压作用后砂岩岩样的三维图像定性分析干湿循环耦合围压作用对岩石孔隙的劣化机理。获得1次、5次、10次、15次干湿循环耦合围压作用后砂岩岩样的损伤度D

实施例3

干湿循环耦合围压作用下岩体损伤的试验方法，基于上述试验装置，本实施例本实施例研究1次、10次、20次、30次干湿循环耦合围压作用下充填节理岩石的微观劣化机理。采用人工制备的充填节理岩石，岩石材料选用同一产地且质地良好的花岗岩，填充材料选用石灰砂浆(比例为水∶石灰∶砂＝1∶1∶3)，充填厚度为5mm。加工成直径50mm，高度100mm的圆柱形试件。

试验方法包括以下步骤：

步骤1，将待测岩样放置于试样箱中，安装箱盖密封试样箱；

步骤2，向试验箱的试验区注满水，保持36h；然后将水排空，向试验区内持续通入空气36h，期间保持试验箱内外空气流通，完成一次干湿循环；

步骤3，根据试验所需的围压试验条件，向试验箱的加压区施加8MPa压力，同时，向试验箱的试验区注入相应压力(5MPa)的水，进行岩样的围压作用；

步骤4，根据试验所需的干湿循环次数n，重复n次步骤2-步骤3，即可得到n次干湿循环耦合围压作用后的岩样；

步骤5，将围压作用后的试验箱置于CT机中进行扫描，得到围压作用后岩样的二维断面扫描图像；基于所述围压作用后岩样的二维断面扫描图像，计算干湿循环耦合围压作用后的岩样损伤度。

将初始待测岩样及1次、10次、20次、30次干湿循环耦合围压作用下的岩样分别放置于东芝Aquilion16螺旋CT机中进行扫描，再通过图像处理软件MIMICS进行三维重构，直观显示岩石中孔隙的发育状况，存储砂岩试样的三维图像。并记录每次干湿循环耦合围压作用后东芝Aquilion16螺旋CT机自动显示的CT数均值，依据下式计算对应的损伤度：

其中，H

对比1次、10次、20次、30次干湿循环耦合围压作用后砂岩岩样的三维图像定性分析干湿循环耦合围压作用对岩石孔隙的劣化机理。获得1次、10次、20次、30次干湿循环耦合围压作用后砂岩岩样的损伤度D

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。