一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置及试验方法

1.本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置及试验方法。


背景技术：

2.岩体因其所处自然环境的原因，会长期受到不同压力水流的干湿循环的作用，岩体结构面作为岩体的薄弱环节，其物理力学性质可能会产生劣化，并导致进一步的地质灾害与工程失稳。因此，干湿循环对于岩体尤其是岩体结构面的影响不可忽视。
3.近年来，已有一些关于干湿循环作用下岩块试样与岩体结构面试样的试验装置及科学研究。但现有研究多基于静水压力条件开展，鲜有考虑动水压力下岩体结构面物理力学特性尤其是其不同开度影响的研究。试验过程中，多将有限数量的试样静置于储水容器中进行饱和，这种方式存在着试样开度难以维持恒定、饱和时间长、饱和程度不一的问题。此外，试验周期通常较长，且缺乏保证饱和过程中水温恒定的措施。
4.因此，如何实现批量的岩体结构面试样在动水压力下的饱干湿循环过程是岩土工程领域有待深入研究的理论与技术难题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置及试验方法，该装置可以独立控制各岩体结构面试样的开度，并控制饱和过程中的动水压力。
6.该试验装置适用于研究干湿循环条件下岩体结构面试样的岩土力学性质。
7.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，包括用于放置试样的试验箱、动水控制单元、烘干单元、开度控制单元和数字控制系统，所述试验箱包括箱体、在竖向方向上自下而上将箱体分割为多层放置腔的多个水平隔板以及设于对应所述放置腔中的试样架，试样架包括固设在在对应水平隔板上表面的下固定架以及通过竖向滑轨结构设于箱体侧壁上的上固定架，上、下固定架之间具有试验箱出风口和试验箱出水口，所述动水控制单元包括水箱、设于水箱中的电加热器、水泵以及与各个所述放置腔连接的水箱出水管，各个所述水箱出水管上具有第一电磁阀，所述烘干单元包括烘干机以及与各个所述放置腔连接的烘干机出风管，所述烘干机出风管中设有第二电磁阀，所述水箱通过试验箱排水管与试验箱出水口相连，试验箱排水管上设有第三电磁阀，试验箱出风口上设置第四电磁阀，开度控制单元固定在上固定架上方的箱体侧壁上且开度控制单元的下端固定在上固定架上，所述数字控制系统包括控制器、设于各放置腔中的用于监测烘干温度以及循环水温度的温度传感器、压力传感器以及流速传感器，所述温度传感器位于对应的水箱出水管和烘干机出风管前方，所述控制器分别与温度传感器、压力传感器、流速传感器、开度控制单元、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、电加热器、水泵以及烘干机连接。
8.优选的，所述下固定架包括固定在对应所述水平隔板上表面上的下板以及固定在下板上的下卡接单元，下卡接单元包括下固定板、固设于下固定板上的第一左卡块以及通过横向下滑轨结构滑动设置在下固定板上的第一右卡块；所述上固定架包括通过竖向滑轨结构固定在箱体侧壁上的上板以及固定在上板下表面的上卡接单元，上卡接单元包括上固定板、固设于上固定板上的第二左卡块以及通过横向上滑轨结构滑动设置在上固定板上的第二右卡块。
9.优选的，第一左卡块和第一右卡块的相对面上以及第二左卡块和第二右卡块的相对面上均具有用于卡紧试样的卡齿。
10.优选的，所述开度控制单元为固定在箱体侧壁上的电子式游标卡尺，电子式游标卡尺的卡尺下部固定在上固定架上。
11.优选的，所述开度控制单元包括开度传感器和固定在上固定架上的导杆的上端与开度传感器正对设置。
12.优选的，所述开度控制单元包括固定在上固定架上方箱体侧壁上的位移传感器，位移传感器的测杆下端固定在上固定架上，优选的，每层放置腔通过竖向隔板隔成至少两个独立的放置腔。
13.利用所述试验装置进行岩体结构面干湿循环试验的试验方法，包含以下步骤：s1、首先设计好具体的试验方案，包括试验过程中需要的动水压力大小、动水流速、动水温度、一次饱和时间、烘干温度、一次烘干时间和干湿循环次数，在动水控制单元中加入试验要求的水样；s2、将切割好的岩体结构面试样固定在试样架上，然后通过调整上固定架的高度控制试样上下两部分之间的开度，通过螺钉将上固定架固定在竖向滑轨结构上，控制器通过开度控制单元记录的开度数据；s3、根据试验方案对岩体结构面试样进行饱水处理：通过数字控制系统关闭烘干单元，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀和第四电磁阀，开启动水控制单元，使试验需要的动水水流从水箱出水管流入进入试验箱，对岩体结构面试样进行饱水处理，经试验箱排水管流入水箱中，实现动水水流循环；s4、根据试验方案对岩体结构面试样进行烘干干燥处理：通过数字控制系统关闭动水控制单元，打开第二电磁阀和第四电磁阀，关闭第一电磁阀，开启烘干单元，首先进行剩余水分烘干，可根据需要设置此额外烘干时间，待水排完，关闭第三电磁阀，对岩体结构面试样进行烘干处理；s5、根据试验方案，通过数字控制系统重复步骤s3-s4至试验要求干湿循环试验次数，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。
14.本发明的试验装置在使用的时候，将各个试样放在放置腔中的试样架上进行固定，然后通过调整上固定架的高度控制试样上下两部分之间的开度，通过螺钉将上固定架固定在竖向滑轨结构上，控制器通过开度控制单元记录的开度数据，然后进行循环水的饱和以及空气干燥的干湿循环过程，该干湿循环过程中，控制器能够通过温度传感器、压力传感器和流速传感器监测循环水的流速、水压、水温等参数以及空气的温度，并通过第一电磁阀、第二电磁阀、电加热器、水泵以及烘干机来控制水的温度、压力、流速等参数，控制干燥空气的温度和流速，同时有多组试样进行试验。
15.与现有试验装置相比，本发明的有益效果在于如下：（1）本发明在岩体结构面试样干湿循环试验的过程中，可通过数字系统控制设定，定量模拟不同的动水水压、动水流速、动水水温及岩体结构面开度，进行多次干湿循环；（2）本发明将各试样分隔，单独设置各试样的放置腔，单个的放置腔体积更小，需水量小，且可根据需要对所需放置腔进行供水和干燥，减少了动水压力、水温、流速的损失，使岩体结构面试样受预定的动水作用。
16.（3）本发明提供的试验装置结构简单、易于调节、操作方便，可同时对多组岩体结构面试样进行干湿循环试验，节省重复试验所需时间。
附图说明
17.图1为本发明动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置的结构示意图；图2为本发明试验箱内单个放置腔的结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。
19.实施例1一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，如图1-2所示，包括用于放置试样的试验箱、动水控制单元、烘干单元、开度控制单元和数字控制系统，试验箱包括箱体1、在竖向方向上自下而上将箱体分割为多层放置腔的多个水平隔板15以及设于对应放置腔中的试样架，本实施例中，每层放置腔通过竖向隔板25隔成至少两个独立的放置腔。试样架包括固设在在对应水平隔板上表面的下固定架以及通过竖向滑轨结构6设于箱体侧壁上的上固定架，上、下固定架之间具有试验箱出风口7和试验箱出水口8，本实施例中，下固定架包括固定在对应水平隔板上表面上的下板10’以及固定在下板上的下卡接单元，下卡接单元包括下固定板11’、固设于下固定板上的第一左卡块12’以及通过横向下滑轨结构14’滑动设置在下固定板上的第一右卡块27’；上固定架包括通过竖向滑轨结构6固定在箱体侧壁上的上板10以及固定在上板下表面的上卡接单元，上卡接单元包括上固定板11、固设于上固定板上的第二左卡块12以及通过横向上滑轨结构14滑动设置在上固定板上的第二右卡块27，第一左卡块和第一右卡块的相对面上以及第二左卡块和第二右卡块的相对面上均具有用于卡紧试样21的卡齿13。
20.本实施例的动水控制单元包括水箱20、设于水箱中的电加热器、水泵以及与各个放置腔连接的水箱出水管19，各个水箱出水管上具有第一电磁阀3，烘干单元包括烘干机以及与各个放置腔连接的烘干机出风管18，烘干机设于一个罩体2中，罩体上具有烘干单元入风口24，烘干机出风管中设有第二电磁阀17，水箱通过试验箱排水管9与试验箱出水口相连，试验箱排水管上设有第三电磁阀22，试验箱出风口上设置第四电磁阀，开度控制单元为固定在箱体侧壁上的机械式游标卡尺4和摄像头5，机械式游标卡尺的卡尺下部固定在上固定架10上。
21.数字控制系统包括控制器26、设于各放置腔中的用于监测烘干温度以及循环水温度的温度传感器16、压力传感器23以及流速传感器28，温度传感器16位于对应的水箱出水管和烘干机出风管前方，控制器26设置在箱体的顶部，控制器分别与温度传感器、压力传感
器、流速传感器、开度控制单元、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、电加热器、水泵以及烘干机连接。摄像头读取机械式游标卡尺的读数，并上传给控制器，得到试样开度数据。
22.在其他实施例中，与上述实施例不同的是，开度控制单元包括开度传感器和固定在上固定架上的导杆的上端与开度传感器正对设置；在其他实施例中，与上述实施例不同的是，开度控制单元包括固定在上固定架上方箱体侧壁上的位移传感器，位移传感器的测杆下端固定在上固定架上；在其他实施例中，与上述实施例不同的是，开度控制单元为电子式游标卡尺，电子式游标卡尺的卡尺下部固定在上固定架10上。
23.实施例2使用上述实施例的试验装置进行试验的具体实施步骤如下：s1、首先设计好具体的试验方案，包括试验过程中需要的动水压力大小、动水流速、动水温度、一次饱和时间、烘干温度、一次烘干时间和干湿循环次数，在动水控制单元中加入试验要求的水样；s2、将切割好的岩体结构面试样固定在试样架上，然后通过调整上固定架的高度控制试样上下两部分之间的开度，通过螺钉将上固定架固定在竖向滑轨结构上，控制器通过开度控制单元记录的开度数据；s3、根据试验方案对岩体结构面试样进行饱水处理：通过数字控制系统关闭烘干单元，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀和第四电磁阀，开启动水控制单元，使试验需要的动水水流从水箱出水管流入进入试验箱，对岩体结构面试样进行饱水处理，经试验箱排水管流入水箱中，实现动水水流循环；s4、根据试验方案对岩体结构面试样进行烘干干燥处理：通过数字控制系统关闭动水控制单元，打开第二电磁阀和第四电磁阀，关闭第一电磁阀，开启烘干单元，首先进行剩余水分烘干，可根据需要设置此额外烘干时间，待水排完，关闭第三电磁阀，对岩体结构面试样进行烘干处理；s5、根据试验方案，通过数字控制系统重复步骤s3-s4至试验要求干湿循环试验次数，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。

技术特征：
1.一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：包括用于放置试样的试验箱、动水控制单元、烘干单元、开度控制单元和数字控制系统，所述试验箱包括箱体、在竖向方向上自下而上将箱体分割为多层放置腔的多个水平隔板以及设于对应所述放置腔中的试样架，试样架包括固设在在对应水平隔板上表面的下固定架以及通过竖向滑轨结构设于箱体侧壁上的上固定架，上、下固定架之间具有试验箱出风口和试验箱出水口，所述动水控制单元包括水箱、设于水箱中的电加热器、水泵以及与各个所述放置腔连接的水箱出水管，各个所述水箱出水管上具有第一电磁阀，所述烘干单元包括烘干机以及与各个所述放置腔连接的烘干机出风管，所述烘干机出风管中设有第二电磁阀，所述水箱通过试验箱排水管与试验箱出水口相连，试验箱排水管上设有第三电磁阀，试验箱出风口上设置第四电磁阀，开度控制单元固定在上固定架上方的箱体侧壁上且开度控制单元的下端固定在上固定架上，所述数字控制系统包括控制器、设于各放置腔中的用于监测烘干温度以及循环水温度的温度传感器、压力传感器以及流速传感器，所述温度传感器位于对应的水箱出水管和烘干机出风管前方，所述控制器分别与温度传感器、压力传感器、流速传感器、开度控制单元、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、电加热器、水泵以及烘干机连接。2.根据权利要求1所述的动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：所述下固定架包括固定在对应所述水平隔板上表面上的下板以及固定在下板上的下卡接单元，下卡接单元包括下固定板、固设于下固定板上的第一左卡块以及通过横向下滑轨结构滑动设置在下固定板上的第一右卡块；所述上固定架包括通过竖向滑轨结构固定在箱体侧壁上的上板以及固定在上板下表面的上卡接单元，上卡接单元包括上固定板、固设于上固定板上的第二左卡块以及通过横向上滑轨结构滑动设置在上固定板上的第二右卡块。3.根据权利要求1所述的动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：第一左卡块和第一右卡块的相对面上以及第二左卡块和第二右卡块的相对面上均具有用于卡紧试样的卡齿。4.根据权利要求2或3所述的动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：所述开度控制单元为固定在箱体侧壁上的电子式游标卡尺，电子式游标卡尺的卡尺下部固定在上固定架上。5.根据权利要求2或3所述的动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：所述开度控制单元包括开度传感器和固定在上固定架上的导杆的上端与开度传感器正对设置。6.根据权利要求2或3所述的动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：所述开度控制单元包括固定在上固定架上方箱体侧壁上的位移传感器，位移传感器的测杆下端固定在上固定架上。7.根据权利要求1所述的动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置，其特征在于：每层放置腔通过竖向隔板隔成至少两个独立的放置腔。8.利用权利要求1-7所述的试验装置进行岩体结构面干湿循环试验的试验方法，其特征在于包含以下步骤：s1、首先设计好具体的试验方案，包括试验过程中需要的动水压力大小、动水流速、动水温度、一次饱和时间、烘干温度、一次烘干时间和干湿循环次数，在动水控制单元中加入试验要求的水样；
s2、将切割好的岩体结构面试样固定在试样架上，然后通过调整上固定架的高度控制试样上下两部分之间的开度，通过螺钉将上固定架固定在竖向滑轨结构上，控制器通过开度控制单元记录的开度数据；s3、根据试验方案对岩体结构面试样进行饱水处理：通过数字控制系统关闭烘干单元，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀和第四电磁阀，开启动水控制单元，使试验需要的动水水流从水箱出水管流入进入试验箱，对岩体结构面试样进行饱水处理，经试验箱排水管流入水箱中，实现动水水流循环；s4、根据试验方案对岩体结构面试样进行烘干干燥处理：通过数字控制系统关闭动水控制单元，打开第二电磁阀和第四电磁阀，关闭第一电磁阀，开启烘干单元，首先进行剩余水分烘干，可根据需要设置此额外烘干时间，待水排完，关闭第三电磁阀，对岩体结构面试样进行烘干处理；s5、根据试验方案，通过数字控制系统重复步骤s3-s4至试验要求干湿循环试验次数，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。

技术总结
本发明涉及一种动水压力下岩体结构面干湿循环试验装置及试验方法，其中，试验装置包括用于放置试样的试验箱、动水控制单元、烘干单元、开度控制单元和数字控制系统，试验箱包括箱体、多个水平隔板以及设于对应所述放置腔中的试样架，试样架包括固设在在对应水平隔板上表面的下固定架以及通过竖向滑轨结构设于箱体侧壁上的上固定架，上、下固定架之间具有试验箱出风口和试验箱出水口。本发明的试验装置，通过开度控制单元记录的开度数据，该干湿循环过程中，数字控制系统能够监测循环水的流速、水压、水温等参数以及空气的温度，并控制水的温度、压力、流速等参数，控制干燥空气的温度和流速，同时有多组试样进行试验。同时有多组试样进行试验。同时有多组试样进行试验。


技术研发人员：姚文敏 朱森淼 梁埔禛 张菁 段淑倩 吕一鸣 张鑫 范一博
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/6