一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩石性质测试装置及方法，特别是一种可以开展岩石在侧向约束、轴向荷载作用下伴随风化过程的蠕变变形试验装置。

背景技术：

目前，我国高速铁路运营里程达到2.2万公里，位居世界首位。同时，还有大量线路正在建设，到2020年将达到3.0万公里。高速铁路已经成为我国的一张亮丽名片，在“一带一路”建设中扮演着举足轻重的地位。高速铁路的建设涉及到大量岩石工程，包括岩质深路堑开挖、深埋隧道开挖、桥梁深基础开挖等等，这些都必须建立在清楚认识相关岩石物理力学性能的基础上。这其中，岩石在外部环境作用下出现的风化现象和荷载作用下随时间推移产生的蠕变变形是影响高速铁路工程结构稳定性的关键因素。如何有效评价岩石的风化特性和蠕变特性，已经成为高速铁路工程建设的一项重要课题。

自然界中的天然岩石，其赋存状态随着工程施工而改变，所处的应力状态和外部环境都会发改变，从而使岩石物理力学性能发生变化，并产生短期和长期的变形，岩石的这些变形是影响高速铁路工程结构稳定性的重要因素，特别是长期持续变形，将严重威胁高速铁路线路运营安全。风化作用是造成岩石物理力学性能改变的主要原因，目前，岩石风化特性的研究一般通过室内干湿循环或者冷热循环来模拟自然界中环境的变化，岩石的长期变形特征则采用室内蠕变试验进行模拟，获得特定岩石在长期荷载作用下的变形特征。也就是说，现有研究是将岩石的风化和蠕变两个过程独立研究，分别进行试验获得各自的物理力学特征及其变化规律，这显然与岩石的实际状态是不符的。实际的情况是，赋存于自然界中的岩石，在外部环境作用下风化作用和蠕变变形是同时发生的。长期稳定荷载作用下岩石的变形过程是伴随着岩石本身的风化过程的，风化过程造成岩石物理力学性质的改变，反映到岩石长期变形特性的改变上，也即岩石在外部环境改变干湿循环、冷热循环和荷载耦合作用下产生长期变形的过程。因此，更为合理的试验应该是在岩石蠕变试验过程中同时进行岩石的风化试验，即岩石“风化-蠕变”试验，这样获得的试验成果与工程中岩石的实际长期变形特征更加吻合，试验成果可以用于岩石工程结构长期稳定性的评价与预测。另外，现有岩石蠕变试验装置要实现长时间的恒荷载作用，往往通过电液伺服系统来实现，并且对系统控制精度和稳定性要求很高，从而也使试验设备造价昂贵，试验费用高昂，而由于试验条件与实际情况的差异，试验成果又很难直接用于高速铁路路堑、隧道、桥梁基础等的开挖引起的结构长期变形评价。因此，准确掌握岩石伴随风化作用下的蠕变变形特性具有重要意义，并且有必要开发一种简易岩石风化-蠕变一体化试验系统。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置，该装置可以用于开展稳定恒荷载作用下岩石的蠕变试验，并且在蠕变试验过程中同时进行岩石的风化试验，实现“稳定恒荷载-干湿循环或冷热循环”耦合作用下岩石的长期蠕变试验。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置，其特征是：它包括试样容器系统、杠杆加载机构、水循环系统和鼓风系统；所述试样容器系统具有对岩石试样形成侧向约束的带孔圆柱形桶和对岩石试样进行加热的加热装置，所述水循环系统对岩石试样进行加湿，所述鼓风系统对岩石试样进行干燥和冷却，使岩石试样实现干湿循环和冷热循环；所述杠杆加载机构竖向作用于岩石试样，对其进行恒重加载、卸载。

本实用新型的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、采用杠杆加载机构对岩石试样施加稳定竖向压力，与传统手动液压千斤顶加载方式相比，配重杆杠加载压力不会随着岩石试样变形而出现增大或者减小的情况，实现恒重加载；而与电液伺服控制系统相比，本实用新型加载及试验过程控制非常简单，设备造价低廉，并且可以同时开展若干组平行试验，大大提高了蠕变试验的效率，获得更为准确的试验结果；

2、通过简单改变试验过程，还可以实现对岩石试样在侧向约束下竖向卸载蠕变试验、岩石一定压力下的风化试验、岩石竖向卸载下的风化试验等与岩石荷载作用下风化和蠕变相关的试验；

3、结构简单，拆卸组装方便，造价低廉，非常适合于条件较为简陋的工程现场试验室，同时开展大量岩石风化、蠕变试验，大大提高试验效率，具有广阔的推广前景。

附图说明

本实用新型包括如下五幅附图：

图1是本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置的立体图；

图2是本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置的主视图；

图3是本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置中试样容器系统的剖视图；

图4是本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置中试样容器系统的俯视图；

图5是本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置中杠杆加载机构的结构示意图；

图中构件、部位及所对应的标记：门式框架10、立柱11、试样容器系统20、方形盒体21、注水孔22、排水孔23、进气孔24、方形加热板 25、方形透水石26、带孔圆柱形桶27、带孔圆柱形加热板28、上圆形透水石29、下圆形透水石30、圆形钢垫块31、杠杆加载机构40、横梁41、 U形活动压头42、轴承43、弧形槽垫块44、实心圆柱形滚轴45、千分表 46、吊杆47、配重砝码48、水循环系统51、鼓风系统52。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本实用新型作一步的描述。

参照图1和图2，本实用新型的一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置包括试样容器系统20、杠杆加载机构40、水循环系统51和鼓风系统 52。所述试样容器系统20具有对岩石试样形成侧向约束的带孔圆柱形桶27和对岩石试样进行加热的加热装置，所述水循环系统51对岩石试样进行加湿，所述鼓风系统52对岩石试样进行干燥和冷却，使岩石试样实现干湿循环和冷热循环；所述杠杆加载机构40竖向作用于岩石试样，对其进行恒重加载、卸载。

参照图1，所述门式框架10、杠杆加载机构40、试样容器系统20横向间隔设置，各门式框架10通过横杆构件连接形成整体机架，可同时开展多组岩石风化、蠕变试验，大大提高试验效率。

参照图2和图5，所述杠杆加载机构40包括一端铰接于门式框架10 立柱11上的横梁41，横梁41的另一端与用于承载配重砝码48的吊杆47 铰接，横梁41上通过轴承43铰接设置U形活动压头42，U形活动压头 42通过其下的实心圆柱形滚轴45、弧形槽垫块44竖向作用于岩石试样。参照图5，所述轴承43内孔上安装横向穿过横梁41的销轴，于横梁41 的横向两侧各设置一只千分表46，千分表46由磁性表座固定于门式框架 10上，其测量头顶抵在销轴上，通过两只千分表46采集岩石试样竖向压缩变形量值。由杠杆加载机构40对岩石试样施加稳定竖向压力，与传统手动液压千斤顶加载方式相比，配重杆杠加载压力不会随着岩石试样变形而出现增大或者减小的情况，实现恒重加载。而与电液伺服控制系统相比，加载及试验过程控制非常简单，设备造价低廉，并且可以同时开展若干组平行试验，大大提高了蠕变试验的效率，并获得更为准确的试验结果。

参照图3和图4，所述试样容器系统20设置于U形活动压头42的下方，除对岩石试样形成侧向约束的带孔圆柱形桶27外，还包括具有上端开口的方形盒体21，该方形盒体21的侧壁上设置与鼓风系统52相连接的进气孔24，底壁上间隔设置与水循环系统51相连接的注水孔22、排水孔23。方形盒体21的底部由下而上依次放置方形加热板25、方形透水石 26。所述带孔圆柱形桶27坐落在方形透水石26上，其内由下而上依次放置下圆形透水石30、岩石试样、上圆形透水石29和圆形钢垫块31，带孔圆柱形桶27的环形外壁上设置带孔圆柱形加热板28。所述加热装置由方形加热板25和带孔圆柱形加热板28组成。试验时，弧形槽垫块44放置于圆形钢垫块31上，杠杆加载机构40的加载经过U形活动压头42、实心圆柱形滚轴45、弧形槽垫块44、圆形钢垫块31和上圆形透水石29施加于被侧向约束在带孔圆柱形桶27内的岩石试样上。

所述的水循环系统51通过注水孔22向方形盒体21内注水，通过排水孔23将水从方形盒体21内排除，并储存于水循环系统51中，供下一次干湿循环试验使用。

所述的鼓风系统52可以持续泵送常温空气和冷空气，并配合试样容器系统20内的加热装置(方形加热板25、带孔圆柱形加热板28)使用。干燥岩石试样过程中，开启鼓风系统52通过进气孔24向方形盒体21内泵送常温空气，同时开启加热装置，并将温度调至试验设定温度，加热后的空气携带从岩石试样蒸发的水蒸气从方形盒体21顶部端口排除，烘干岩石试样，实现岩石试样的干湿循环作用。

实现岩石试样的冷热循环的方法是，将方形盒体21内的水排尽后，开启加热装置(方形加热板25、带孔圆柱形加热板28)，将温度调至试验设计高温值，加热试验设计时间，然后关闭加热装置，同时开启鼓风系统 52通过进气孔24向方形盒体21内持续泵送冷空气，冷却岩石试样。

参照图1，本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置按如下步骤进行试验：

①将圆柱状岩石试样置于烘箱内烘干至少24小时至恒重，烘干温度为50℃；

②将岩石试样置于试样容器系统20中，由坐落于方形盒体21中央位置的带孔圆柱形桶27对岩石试样提供侧向约束；

③基于杠杆原理根据试验设计竖向加载压力值，将所需配重砝码48 数量挂载于吊杆47上，对岩石试样进行稳定恒重竖向加载；自挂配重砝码48开始通过两只千分表46采集岩石试样竖向压缩变形量值，每隔 10min记录一次，直至连续3次记录数值不变为止；

④对岩石试样开展干湿循环风化作用，开启水循环系统51向方形盒体21内注水，直到淹没岩石试样顶部的上圆形透水石29，停止注水并将岩石试样浸泡在水中24小时；开启水循环系统51将水从方形盒体21中排尽；开启鼓风系统52向方形盒体21内泵送常温空气，同时开启加热装置，并将温度调至试验设定温度，烘干岩石试样24小时；

⑤对岩石试样开展冷热循环风化作用，将方形盒体21中的水排尽，开启加热装置，将温度调至试验设计高温值，对岩石试样加热24小时，然后关闭加热装置，同时开启鼓风系统52向方形盒体21内持续泵送冷空气，冷却岩石试样24小时；

⑥根据试验设计，对岩石试样开展设定次数的干湿循环和冷热循环作用；

⑦完成设定风化试验后，继续持续记录两只千分表46读数，直至变形稳定，停止试验，卸除配重砝码48，取出岩石试样。

所述步骤④岩石试样浸水和烘干过程中和步骤⑤岩石加热和冷却过程中，开始时每10min记录一次两只千分表46读数，若连续3次读数差小于0.001mm，改为1h记录一次。

所述步骤①至⑦的试验，每次同时开展4个相同岩石试样的平行试验，取均值作为试验结果。

需要指出的是，上面所述只是用图解说明本实用新型一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置的具体结构，由于对相同技术领域的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动。因此，本说明书并非是要将实用新型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。