一种体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量系统和方法

技术领域

本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其涉及一种体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量系统和方法。

背景技术

膨胀岩是一种吸水软化膨胀、失水收缩开裂的地质体，对周围水分变化极为敏感。我国是世界上膨胀岩土分布范围最广、类型最多、性质最复杂的国家之一，许多工程都不得不面对膨胀岩吸水膨胀的特性所带来的诸多问题，因此，对膨胀岩开展膨胀性试验是研究膨胀岩工程性质必不可少的重要工作。

目前，岩石膨胀性试验主要包括膨胀率试验及膨胀压力试验两部分。其中，膨胀压力试验主要以体积不变条件下岩石膨胀压力试验为主。传统的体积不变岩石膨胀压力试验是将岩石试样固定于仪器中，并将其浸没在水中，通过监测其竖向膨胀变形并以持续加荷的方式将竖向膨胀变形控制在较小范围内以确保岩石试样的体积保持不变，再测量和记录试样不同时间点所产生的膨胀压力，直至试样膨胀压力稳定时，记录其最大膨胀压力。该试验过程中，既要测量试样膨胀压力，又要测量试样的竖向膨胀变形，仪器较为复杂。试验员需要监测岩石试样的竖向膨胀变形并调整所需施加的荷载，操作较为繁琐，而且该试验过程中无法测量不同时间点试样的吸水量。另外，为了测量岩石吸水量与其膨胀压力之间的关系，也有人提出了控制注水量的方法，随后测得其膨胀压力，以此注水量作为岩石的吸水量，进而实现对岩石吸水量及膨胀压力关系的研究，但这种方法需要不断地注水并测量膨胀压力，且难以保证所注入的水量完全被岩石吸收，因此也存在较大误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、易操作、准确性高的体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量系统，其特征在于：该系统包括反力支架、膨胀装置、主容器、副容器和两个电子天平；两个所述电子天平上分别对应放置所述主容器与所述副容器，该主容器与副容器的上部开口，并分别覆盖不透水膜；所述主容器内的底部均布有数块垫块，其一侧设有突出的细管口Ⅰ；所述副容器的一侧设有突出的细管口Ⅱ，该细管口Ⅱ通过软管与所述细管口Ⅰ相连；所述膨胀装置包括置于数块所述垫块上的大透水板、小透水板、刚性荷载体和刚性套管；所述大透水板上设有所述刚性套管，该刚性套管内设有置于所述大透水板上的岩石试样、置于所述岩石试样上的所述小透水板、置于所述小透水板上的所述刚性荷载体；所述大透水板与所述岩石试样之间、所述小透水板与所述岩石试样之间均设有滤纸；所述刚性荷载体穿过所述主容器上部的所述不透水膜，并与所述反力支架相接触。

所述反力支架包括横梁、竖杆、底座和合金夹座；所述横梁的一端与所述刚性荷载体相接触，其另一端设有所述合金夹座；所述合金夹座上设有紧固旋钮，中心插有所述竖杆，并通过紧固旋钮将合金夹座和竖杆固定在一起；所述竖杆的底部固定在所述底座上。

所述电子天平精确度数值不大于0.1g。

所述主容器与所述副容器均为尺寸相同的有机玻璃圆筒容器，且所述细管口Ⅰ与所述细管口Ⅱ均位于靠近容器底部并与容器底部距离相等，管内径为5mm。

所述主容器的底面内径比所述大透水板的直径大10~20mm，高度比所述刚性套管高20~30mm。

所述垫块是指高度及长度、宽度尺寸为5mm的小型规则刚性物体。

所述小透水板与所述大透水板均为均匀分布有许多穿透小孔的圆形钢板，小孔直径不大于1mm。

所述大透水板的直径比所述刚性套管的外径大10~20mm，厚度为2~3mm。

所述刚性荷载体的顶面高于所述主容器的顶面，且其质量为1~2kg。

所述刚性荷载体、所述小透水板、所述大透水板和所述滤纸的横截面为圆形。

所述小透水板和所述滤纸的直径与所述岩石试样的直径相等，均为50mm。

所述岩石试样的形状为表面平整的圆柱体，其直径为50mm、高度为20~50mm。

所述刚性套管为刚性中空圆管，其厚度为2~3mm，内径与所述岩石试样的直径相同，高度比所述岩石试样高20mm以上。

一种采用如上所述之一的测量系统进行体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量方法，包括以下步骤：

①将岩石制成直径50mm、高度20~50mm的圆柱体试样，称量其质量并记录；

②将主容器、副容器通过软管形成连通，并分别放置于两个电子天平上；将岩石试样、大透水板、刚性套管、小透水板、刚性荷载体及滤纸组成的膨胀装置，通过数块垫块架空放置于主容器内，在主容器和副容器上部开口覆盖不透水膜，并在主容器上部的不透水膜开口让刚性荷载体穿过；

③调整反力支架的横梁，使其与刚性荷载体的顶部接触，锁紧横梁；

④掀开主容器上的不透水膜并加水直至主容器内水面超过刚性套管顶面10~12mm；盖好不透水膜，记录两个电子天平的读数；

⑤加水后一个小时内每隔10min记录一次两个电子天平的读数，一小时后每隔1h记录一次两个电子天平的读数，并通过下式计算膨胀压力

膨胀压力计算公式为：

式中：

吸水量计算公式为：

式中：

所述步骤⑤中主容器和副容器的水面面积

式中：

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中主容器内的一侧设有突出的细管口Ⅰ，副容器的一侧设有突出的细管口Ⅱ，该细管口Ⅱ通过软管与所述细管口Ⅰ相连，且主容器内设置膨胀装置，通过连通器原理自动测量岩石吸水量，从而得到岩石吸水量与膨胀压力的实时变化关系。

2、相比于控制注水量研究岩石吸水量与膨胀力关系的方法，本发明利用连通器原理，无需控制注水量便可测定岩石试样不同时间点的吸水量，简化了试验过程，同时也减少了直接把注水量当成岩石吸水量所造成的误差，提高了试验结果的准确性。

3、相比传统的体积不变岩石膨胀压力试验，本发明试验过程中岩石试样体积保持不变，无需测量岩石试样的竖向膨胀变形，从而无需膨胀压力和膨胀变形监测设备，大大简化了实验设备和试验过程。

4、本发明操作简单方便，且对吸水量的监测准确便捷，能够有效地解决传统体积不变岩石膨胀压力试验的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中膨胀装置半结构图。

图3为本发明中主容器半结构图。

图4为本发明中副容器半结构图。

图5为本发明中大透水板结构图。

图6为本发明中小透水板结构图。

图中：1-反力支架；2-膨胀装置；3-不透水膜；4-垫块；5-主容器；6-软管；7-副容器；8-电子天平；9-刚性荷载体；10-小透水板；11-大透水板；12-滤纸；13-岩石试样；14-刚性套管；15-横梁；16-竖杆；17-底座；18-合金夹座。

具体实施方式

如图1~6所示，一种体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量系统，该系统包括反力支架1、膨胀装置2、主容器5、副容器7和两个电子天平8。两个电子天平8上分别对应放置主容器5与副容器7，用于测量岩石试样13的膨胀压力及吸水量。该主容器5与副容器7的上部开口，并分别覆盖不透水膜3，以避免水分自然蒸发。主容器5内的底部均布有数块垫块4，其一侧设有突出的细管口Ⅰ；副容器7的一侧设有突出的细管口Ⅱ，该细管口Ⅱ通过软管6与细管口Ⅰ相连，形成连通器。

膨胀装置2包括置于数块垫块4上的大透水板11、小透水板10、刚性荷载体9和刚性套管14；大透水板11上设有刚性套管14，该刚性套管14内设有置于大透水板11上的岩石试样13、置于岩石试样13上的小透水板10、置于小透水板10上的刚性荷载体9；大透水板11与岩石试样13之间、小透水板10与岩石试样13之间均设有滤纸12；刚性荷载体9穿过主容器5上部的不透水膜3，并与反力支架1相接触，从而限制岩石试样13的竖向膨胀变形，进而保证岩石试样13的体积不变。

其中：反力支架1包括横梁15、竖杆16、底座17和合金夹座18；横梁15的一端与刚性荷载体9相接触，其另一端设有合金夹座18；合金夹座18上设有紧固旋钮，中心插有竖杆16，并通过紧固旋钮将合金夹座18和竖杆16固定在一起；竖杆16的底部固定在底座17上。

合金夹座18在竖杆16上可上下移动，通过调节合金夹座18上的紧固旋钮将竖杆16与合金夹座18进行放松或锁定并调整合金夹座18高度，在指定高度处再调节紧固旋钮将竖杆16与合金夹座18锁定，锁定后具有较大的稳定性，能有效限制岩石试样13的竖向膨胀变形。

电子天平8精确度数值不大于0.1g，量程应按岩石试样13的预期最大膨胀压力值选用。

主容器5与所述副容器7均为尺寸相同的有机玻璃圆筒容器，且细管口Ⅰ与细管口Ⅱ均位于靠近容器底部并与容器底部距离相等，管内径为5mm。

主容器5的底面内径比大透水板11的直径大10~20mm，高度比刚性套管14高20~30mm。

垫块4是指高度及长度、宽度尺寸为5mm的小型规则刚性物体。

小透水板10与大透水板11均为均匀分布有许多穿透小孔的圆形钢板，小孔直径不大于1mm。

大透水板11的直径比刚性套管14的外径大10~20mm，为不易变形的刚性材料，厚度为2~3mm。

刚性荷载体9的顶面高于主容器5的顶面，且其质量为1~2kg。

刚性荷载体9、小透水板10、大透水板11和滤纸12的横截面为圆形。

小透水板10和滤纸12的直径与岩石试样13的直径相等，均为50mm。

岩石试样13的形状为表面平整的圆柱体，其直径为50mm、高度为20~50mm。

刚性套管14为刚性中空圆管，以此限制岩石试样13的侧向膨胀变形。其厚度为2~3mm，内径与岩石试样13的直径相同，高度比岩石试样13高20mm以上。

一种采用该测量系统进行体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量方法，包括以下步骤：

①将岩石制成直径50mm、高度20~50mm的圆柱体试样，称量其质量并记录；

②将主容器5、副容器7通过软管6形成连通，并分别放置于两个电子天平8上；将岩石试样13、大透水板11、刚性套管14、小透水板10、刚性荷载体9及滤纸12组成的膨胀装置2，通过数块垫块4架空放置于主容器5内，在主容器5和副容器7上部开口覆盖不透水膜3，并在主容器5上部的不透水膜3开口让刚性荷载体9穿过；

③调整反力支架1的横梁15，使其与刚性荷载体9的顶部接触，锁紧横梁15；

④掀开主容器5上的不透水膜3并加水直至主容器5内水面超过刚性套管14顶面10~12mm；盖好不透水膜3，记录两个电子天平8的读数；

⑤加水后一个小时内每隔10min记录一次两个电子天平8的读数，一小时后每隔1h记录一次两个电子天平8的读数，并通过下式计算膨胀压力

膨胀压力计算公式为：

式中：

吸水量计算公式为：

式中：

其中：主容器5和副容器7的水面面积

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式中：

【工作原理】

本发明通过反力支架1和刚性套管14限制岩石试样13的竖向和侧向膨胀变形，从而确保试样吸水时保持体积不变，利用力的相互作用原理，将膨胀压力传递到试样装置底部的电子天平8上，从而实现在无需监控试样竖向膨胀变形的条件下，准确测量岩石试样的膨胀压力。

当主容器5内岩石试样吸水后，主容器5中水量减少，副容器7内的水会自动流进主容器5，以保持主容器5、副容器7内水位平衡，通过记录副容器7下方的电子天平8示数的变化，就可以确定岩石试样13的吸水量。通过记录的实时岩石试样13的膨胀压力数据和岩石试样13的吸水量数据，就可以确定岩石膨胀压力与吸水量的变化关系。

实施例一种体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量系统，其中：岩石试样13是直径为50mm，高度为25mm的圆柱体泥岩，其横截面面积

刚性套管14是壁厚为2mm的不锈钢圆管，其内径为52mm，高度为60mm。

滤纸12横截面为直径为50mm的圆形。

刚性荷载体9采用M1标准圆柱状1kg砝码，其直径为47.5mm，横截面积

大透水板11和小透水板10均为厚度是2mm的不锈钢地漏圆形盖板，盖板上有直径为1mm的小孔；小透水板10的直径为50mm，大透水板11直径为66mm。

垫块4为四枚公称直径为5mm，厚度为5mm的不锈钢六角螺母。

主容器5与副容器7均为材质透明的有机玻璃圆筒，主容器5和副容器7的内径为76mm，厚度为5 mm，高度为80 mm，内表面面积

一种采用该测量系统进行体积不变条件下岩石吸水膨胀压力测量方法，包括以下步骤：

①将泥岩岩块削制成直径50mm、高度25mm的圆柱体试样，称量其质量为106g。

②将主容器5、副容器7通过软管6形成连通，并分别放置于两个电子天平8上。

将岩石试样13放在大透水板11中间并套上刚性套管14，在岩石试样13上表面放置小透水板10及刚性荷载体9，在大透水板11和小透水板10与试样上下表面放置滤纸12，即组成膨胀装置2。

膨胀装置2通过四块垫块4架空放置于主容器5内。

主容器5与副容器7各自置于精确度为0.1g、量程为10kg的电子天平8上。

在主容器5和副容器7上部开口覆盖不透水膜3，并在主容器5上部的不透水膜3开口让刚性荷载体9穿过。

③调整反力支架1的横梁15，使其与刚性荷载体9的顶部接触，锁紧横梁15。

④暂时掀开主容器5上的不透水膜3并加水直至主容器5内水面超过刚性套管14顶面10~12mm；盖好不透水膜3，记录两个电子天平8的读数，分别为216.4g和351.6g。

⑤加水后一个小时内每隔10min记录一次两个电子天平8的读数，一小时后每隔1h记录一次两个电子天平8的读数。通过公式计算膨胀压力

表1 试验结果

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