一种岩石膨胀试验设备的制作方法

1.本实用新型涉及膨胀岩试验技术领域，具体涉及一种岩石膨胀试验设备。

背景技术：

2.膨胀性岩石是指岩石矿物成分中含有膨胀性矿物的岩石，由于膨胀矿物成分的不同，膨胀遵循不同膨胀机制，根据膨胀过程是否涉及化学反应将膨胀分为物理膨胀和化学膨胀，对膨胀岩的膨胀特性有正确认识和充分了解才能在遭遇膨胀岩的工程中进行合理的工程设计以及保障隧道施工和运营的安全，膨胀特性试验是判断膨胀能力和建立岩石膨胀本构模型以及正确选取数值计算参数的必要技术手段。
3.目前，物理膨胀岩的膨胀特性和试验研究较为完善，国际岩石力学学会(isrm)与国内有关膨胀岩试验规范亦推荐了物理膨胀岩试验适用性较好的岩石膨胀仪，规范规定的膨胀力测试方法为恒定体积法，实际操作采用加载平衡法即通过不断对试样施加轴向荷载，保持其轴向变形不变，计算累积荷载从而求岀膨胀力，该方法通过不断加载来控制试样的轴向变形，操作繁琐，同时很难保证试样体积恒定，此外，目前对于物理膨胀适用性较好的岩石膨胀仪特点在于测试过程繁琐，仪器测试功能及试验控制方式单一，无法测试特定膨胀力下的膨胀应变或者特定膨胀应变下的膨胀力；仪器自动化程度低，试验过程中需要测试人员旁站读取记录试验数据，物理膨胀岩吸水膨胀快速、膨胀能力较弱，旁站读取记录试验数据尚可操作，而化学膨胀岩的特点在于膨胀能力强且膨胀持续时间长，试验时间往往持续数天，导致试验人员劳动强度极大，测试效率低，同时自动化程度低导致人为操作误差加大。
4.因此，开发一种岩石膨胀试验设备，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本实用新型得以完成的动力所在和基础。

技术实现要素：

5.为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本实用新型人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本实用新型。
6.具体而言，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种岩石膨胀试验设备，以解决现有膨胀性岩石测试控制方式单一，无法测试特定膨胀力下的膨胀应变或者特定膨胀应变下的膨胀力，以及自动化程度低，人为操作误差大的技术问题。
7.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
8.一种岩石膨胀试验设备，包括主结构框架及主体试样舱，所述主结构框架为支撑及安置平台，主体试样舱由底座、顶盖及筒体组成密闭舱室，还包括：
9.工况模拟机构，设置于主结构框架之上，提供试件竖向不同等级既定压力及边界条件；
10.水压控制及监测机构，提供主体试样舱不同等级试验水压，实时监测及反馈水压微小改变信号并进行水压稳定调节；
11.数据采集及控制系统，发出岩石膨胀试验过程中所需的动作指令，采集传感器试验数据，并实时监测、记录试验参数。
12.在本实用新型中，作为一种改进，所述工况模拟机构包括压力加载及边界控制部件；
13.所述压力加载部件设置于主体试样舱上方，所述压力加载部件中的砝码盘安装于穿入顶盖的活塞杆上，所述砝码盘内放置砝码；
14.所述边界控制部件包括横梁及连接横梁与主结构框架基座的竖向杆，所述横梁置于活塞杆上方，所述竖向杆与横梁连接处具有螺栓调节件，所述螺栓调节件控制横梁在竖向杆上的高度。
15.在本实用新型中，作为一种改进，所述主体试样舱的底座安装三通阀，阀体分别连通电动注排水装置、水压控制及监测机构及筒体内腔，所述水压控制及监测机构包括水压传感器、注射装置及流量传感器。
16.在本实用新型中，作为一种改进，所述数据采集系统包括：
17.压力传感器，安装于横梁，其下部信号接收端位于活塞杆正上方；
18.位移传感器，设置在所述主体试样舱顶盖，监测所述活塞杆位移；
19.数据采集模块，与所述试验控制系统相连，向所述试验控制系统传送压力及位移数据。
20.在本实用新型中，作为一种改进，所述数据控制系统接收水压、流量、压力及位移数据反馈，控制所述注射装置向主体主体试样舱输出调节至目标压力。
21.在本实用新型中，作为一种改进，所述螺栓调节件包括穿过横梁的螺柱段及位于横梁上、下两侧螺柱上的螺母，所述下侧螺母为调节螺母，上侧螺母为定位螺母。
22.在本实用新型中，作为一种改进，所述数据采集系统包括计算机pc端及数据主机，所述计算机pc端集显示终端、输入终端于一体，所述数据主机与压力传感器、位移传感器、水压传感器及流量传感器相连，采集实验数据。
23.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
24.(1)本膨胀试验装置模拟膨胀岩石所处的地下水环境，以测试膨胀岩真实环境数据。
25.(2)本装置通过同一实验设备实现多边界条件控制，其中包括恒体积、恒压力、恒水压，实现一种或者多种试验工况组合的膨胀岩膨胀特性试验，通过多种边界条件组合，测试不同实验参数。
26.(3)试验控制系统通过高精度水压传感器装置、水压注射装置、流量传感装置、压力传感器、位移传感器等仪器实时感知水压变化及调整水压，实时监测记录试验过程数据，整个试验过程设置试验参数后，自动控制相关组件运转，试验过程自动化程度高、测试精度高。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例
绘制。
28.图1为本实用新型的结构示意图；
29.图2为图1中a-a方向的结构剖视图；
30.图3为本实用新型三通阀的结构示意图；
31.图4为本实用新型活塞杆结构示意图；
32.图5为本实用新型主体试验舱顶盖结构示意图；
33.图6为本实用新型主体试验舱底座结构示意图；
34.图7为本实用新型试验工况示意图；
35.图中：2、操作平台，3、水压传感器，4、水压注射装置，5、流量传感器，6、压力传感器，7、位移传感器，8、系统主机，9、计算机pc端，10、筒体，11、底座，12、试件，13、三通阀，14、顶盖，15、压杆，16、螺栓一，17、活塞杆，18、活塞套，20、排气排液孔，22、侧限环，23、多孔金属板，24、试件帽，25、横梁，27、电动注排水装置，28、砝码盘，29、砝码，30、竖向杆，31、a方向，32、b方向，33、c方向，34、d方向，36、基座，38、定位螺母，39、调节螺母。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
37.一种岩石膨胀装置，包括主结构框架及主体试样舱，所述主体试样舱放置于主结构框架的基座36上，主结构框架还包括操作平台2，所述操作平台2作为数据采集及控制系统中的计算机pc端9及水压注射等装置的安置平台，计算机pc端9置于操作平台2上部，将显示终端与输入终端集成于一体，与所述数据采集及控制系统中的系统主机8相连，由试验控制与数据采集软件对系统主机发出操作者指令；处理测试数据，实时绘制、显示膨胀力-时间、膨胀变形-时间、入渗量-时间、水压-时间等试验曲线。
38.所述主体试样舱由底座11、顶盖14及筒体10组成密闭舱室，三者之间通过压杆15与螺栓一16连接为整体，所述主体试样舱内试件安置于侧限环22中，试件上下两侧设置多孔金属板23。
39.所述主体试样舱的顶盖14开设通孔，通孔中安装由低摩阻移动密封活塞套18握裹的活塞杆17，所述顶盖上安装用于监测活塞杆17位置的位移传感器7，所述顶盖14上还设有排气排液孔20及插装于孔内的密封塞。
40.所述膨胀装置包括工况模拟机构、水压控制及监测机构以及数据采集及控制系统，所述工况模拟机构模拟试验中不同边界条件，包括压力加载及边界控制部件。
41.所述压力加载部件包括砝码盘28和砝码29，所述砝码盘28设置于主体试样舱上方，所述砝码盘28与主体试样舱外侧的活塞杆17相连，所述活塞杆17穿过砝码盘28中部的孔，并通过连接件使砝码盘28与活塞杆17连接，砝码29放置于砝码盘中，砝码29及砝码盘28对活塞杆17施加竖向压力。
42.所述边界控制部件包括横梁25及连接横梁25与主结构框架基座36的竖向杆30，所述横梁25置于活塞杆17上方，所述竖向杆30与横梁25连接处具有螺栓调节件，所述螺栓调节件控制横梁25在竖向杆30上的高度，所述螺栓调节件包括穿过横梁25的螺柱段及位于横
梁25上、下两侧螺柱上的螺母，所述下侧螺母为调节螺母39，上侧螺母为定位螺母38。
43.所述横梁25中部安装压力传感器6，压力传感器6、活塞杆17及试件同轴设置，所述活塞杆17下移，可按压于试件上侧安装的试件帽24上。
44.恒体积边界条件调整步骤为：安装膨胀岩试件，调节活塞杆17接触试件帽，下旋调节螺母39，使横梁25上的压力传感器5刚好接触活塞杆17上端，旋紧定位螺母38，此时横梁25、压力传感器6、活塞杆17、试件12竖向位置固定，加之试件环22对试件12完全径向约束，试件恒定体积边界条件达成。
45.恒压力边界条件调整步骤为：安装膨胀岩试件，调节活塞杆17接触试件帽，活塞杆17上放置砝码盘28；根据预设的恒定压力向砝码盘28中添加砝码29，砝码29施加的力通过活塞杆17传至试件12，试件恒定压力边界条件达成。
46.所述主体试样舱的底座安装三通阀13，阀体分别连通电动注排水装置27、水压控制及监测系统及筒体内腔，阀门置于a方向31，主体试样舱、电动注排水装置、水压控制及监测系统相互连通，阀门置于b方向32，电动注排水装置与水压控制及监测系统连通，阀门置于c方向33，电动注排水装置与主体试样舱连通，阀门置于d方向34，主体试样舱与水压控制及监测系统连通。
47.所述水压控制及监测系统包括水压传感器3、水压注射装置4及流量传感器5，所述水压传感器3内置反馈模块，感知试验过程中主体试样舱微小水压变化，通过控制电路与系统主机8相连将水压变化电信号反馈至试验控制系统，所述水压注射装置4内置电气化注水器以及控制模块，接收调节水压的电气模拟信号后向主体试验舱输出可调节至目标压力的试验用水以保证主体试验舱水压稳定，所述流量传感器5实时监测水压注射装置与主体试验舱间流量变化，同时将流量变化信号转化为电信号反馈至智能控制系统。
48.恒水压边界条件实现包括：
49.一、将三通阀置于b方向32，水压注射装置4排尽空气后注满水；
50.二、将三通阀置于a31或c方向33，主体试验舱内注满试验用水；
51.三、将三通阀置于d方向34，主体试样舱与水压注射装置4形成密封环境；
52.预设水压信号经试验控制系统传至水压注射装置4向主体试验舱注水35，水压增至预设值后水压传感器3监测水压变化，水压微小变化后试验控制系统反馈调节稳定水压，试件恒定水压边界条件达成。
53.所述膨胀装置中不同边界条件下的参数测定包括如下几种：
54.1)不施加边界条件时，结合位移传感器7可进行侧限自由膨胀变形测试；
55.2)仅施加一种边界条件包括：
56.仅施加恒定体积边界条件时，可进行侧限膨胀力测试(施加恒定体积边界条件时荷载传感器6已安装完成)；
57.仅施加恒定水压边界条件时，结合位移传感器7可进行水压条件下侧限自由膨胀变形测试；
58.先施加恒定体积边界条件达到既定膨胀力后取消该边界条件时，再利用位移传感器7可进行既定膨胀力下膨胀变形测试；
59.先不施加边界条件达到既定膨胀变形(采用位移传感器6)后施加恒定体积边界条件，可进行既定膨胀变形下膨胀力测试。
60.3)施加两种边界条件包括：
61.同时施加恒定体积、恒定水压边界条件时，可进行水压条件下侧限膨胀力测试；
62.同时施加恒定体积、恒定压力边界条件时，可进行轴向压力条件下侧限膨胀力测试；
63.先施加恒定体积、恒定水压边界条件达到既定膨胀力后取消恒定体积边界条件时，再结合位移传感器可进行水压条件下的既定膨胀力下膨胀变形测试；
64.先施加恒定水压边界条件达到既定膨胀变形(采用位移传感器)后施加恒定体积边界条件，可进行水压条件下的既定膨胀变形下膨胀力测试。
65.4)施加三种边界条件包括：
66.施加恒定体积、恒定压力、恒定水压边界条件时，可进行轴向压力条件下水压作用的侧限膨胀力测试。
67.所述岩石膨胀实验的具体步骤包括：
68.(1)基于岩石膨胀机制，制备不同含水率试件；
69.所述岩石根据膨胀机制分为物理性膨胀岩及化学性膨胀岩，所述物理性膨胀岩和化学性膨胀岩的膨胀特性及膨胀速率均不相同，因此，在制备试件时要加以区分；
70.(2)根据测试需要选取测试参数，由测试参数确定试验工况；
71.岩石膨胀特性测试需要将岩石设置在不同的测试条件下，而测试条件的选择根据岩石所要测定的参数决定，该测试条件即试验工况，由所需测定参数决定岩石的试验工况；
72.(3)安装试件，调整测试单元，由单一或组合测试单元模拟试验工况；
73.(4)记录及分析实验数据，有试验控制系统记录测试单元传输的试验数据，分析后可通过相应的软件实时绘制数据曲线，显示膨胀力-时间、膨胀变形-时间、入渗量-时间、水压-时间等试验曲线。
74.所述岩石根据膨胀机制分为物理性膨胀岩及化学性膨胀岩。
75.所述步骤(1)中，试件的制备方法如下：
76.1)为避免水对试件的影响，原岩试块采用干钻法采取，干法加工，上述过程中保证含水率变化不超过1％，称量试件质量，为m0，量测试件尺寸，高度为h，直径为d；
77.2)根据化学膨胀岩和物理膨胀岩的特性，分别采用不同的烘干方法；
78.①
化学膨胀岩试件在220℃高温下烘干结晶水，试件质量不再变化时烘干停止；
79.②
物理膨胀岩试件在60℃高温下烘干自由水，试件质量不再变化时烘干停止；
80.3)烘干后称重试件质量，为m1；
81.4)烘干完成的试件可根据测试需要制备不同含水率w的试件，试件此时的质量m'0＝m1×
(1+w)。
82.试件的安装如下：
83.(1)侧限环22内壁涂抹润滑物，减少试件12与侧限环22的摩擦；
84.(2)自下而上在侧限环内安装下部多孔金属板、试件12、上部多孔金属板及试件帽24；
85.(3)根据测试需要选择试验工况后，进行装置各基本单元安装。
86.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当
理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：

1.一种岩石膨胀试验设备，包括主结构框架及主体试样舱，所述主结构框架为支撑及安置平台，主体试样舱由底座、顶盖及筒体组成密闭舱室，其特征在于，还包括：工况模拟机构，设置于主结构框架之上，提供试件竖向不同等级既定压力及边界条件；水压控制及监测机构，提供主体试样舱不同等级试验水压，实时监测及反馈水压微小改变信号并进行水压稳定调节；数据采集及控制系统，发出岩石膨胀试验过程中所需的动作指令，采集传感器试验数据，并实时监测、记录试验参数；所述工况模拟机构包括压力加载及边界控制部件；所述压力加载部件设置于主体试样舱上方，所述压力加载部件中的砝码盘安装于穿入顶盖的活塞杆上，所述砝码盘内放置砝码；所述边界控制部件包括横梁及连接横梁与主结构框架基座的竖向杆，所述横梁置于活塞杆上方，所述竖向杆与横梁连接处具有螺栓调节件，所述螺栓调节件控制横梁在竖向杆上的高度。2.根据权利要求1所述的一种岩石膨胀试验设备，其特征在于：所述主体试样舱的底座安装三通阀，阀体分别连通电动注排水装置、水压控制及监测机构及筒体内腔，所述水压控制及监测机构包括水压传感器、注射装置及流量传感器。3.根据权利要求1所述的一种岩石膨胀试验设备，其特征在于，所述数据采集系统包括：压力传感器，安装于横梁，其下部信号接收端位于活塞杆正上方；位移传感器，设置在所述主体试样舱顶盖，监测所述活塞杆位移；数据采集模块，与所述试验控制系统相连，向所述试验控制系统传送压力及位移数据。4.根据权利要求2所述的一种岩石膨胀试验设备，其特征在于：所述数据控制系统接收水压、流量、压力及位移数据反馈，控制所述注射装置向主体试样舱输出调节至目标压力。5.根据权利要求1所述的一种岩石膨胀试验设备，其特征在于：所述螺栓调节件包括穿过横梁的螺柱段及位于横梁上、下两侧螺柱上的螺母，所述下侧螺母为调节螺母，上侧螺母为定位螺母。6.根据权利要求1所述的一种岩石膨胀试验设备，其特征在于：所述数据采集系统包括计算机pc端及数据主机，所述计算机pc端集显示终端、输入终端于一体，所述数据主机与压力传感器、位移传感器、水压传感器及流量传感器相连，采集实验数据。

技术总结

本实用新型涉及膨胀岩试验技术领域，具体涉及一种岩石膨胀试验设备，包括主结构框架及主体试样舱，所述主结构框架为支撑及安置平台，主体试样舱由底座、顶盖及筒体组成密闭舱室，还包括：工况模拟机构，设置于主结构框架之上，提供试件竖向不同等级既定压力及边界条件；水压控制及监测机构，提供主体试样舱不同等级试验水压，实时监测及反馈水压微小改变信号并进行水压稳定调节，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本膨胀试验装置模拟膨胀岩石所处的地下水环境，以测试膨胀岩真实环境数据。数据。数据。