一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置

1.一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置，它包括底板（1）、第一底座（2a）、框架（3）、紧固支座（4）、紧固螺栓（5）、紧固挡块（7）、第一定位挡块（8a）、第一测点固定腹板（9a）、导线敷设板（10）、滑块（12）、应变片（14）、应变片敷设条（15）、温度补偿应变片（18）、导线（19），其特征在于：底板（1）采用Q235钢材制作，底板（1）底部通过螺孔安装第一底座（2a）、第二底座（2b）、第三底座（2c）、第四底座（2d），框架（3）采用角钢焊接制作，框架（3）焊接在底板（1）上，底板（1）上焊接紧固支座（4）和紧固挡块（7），紧固支座（4）上安装紧固螺栓（5），紧固螺栓（5）末端设置橡胶垫片（6），采用Q235钢材制作第一定位挡块（8a）、第二定位挡块（8b ），第一定位挡块（8a）、第二定位挡块（8b）分别焊接在底板（1）上，第一定位挡块（8a）、第二定位挡块（8b）分别焊接在第一底座（2a）、第三底座（2c）一侧的底板（1）上；紧固挡块（7）焊接在第三底座（2c）、第四底座（2d）一侧的底板（1）上；紧固支座（4）焊接在第一底座（2a）、第二底座（2b）一侧的底板（1）上，采用Q235钢材制作第一测点固定腹板（9a）、第二测点固定腹板（9b），第一测点固定腹板（9a）、第二测点固定腹板（9b）两端分别焊接在底板（1）和框架（3）上，在第一测点固定腹板（9a）、第二测点固定腹板（9b）上开10 15个滑槽（11）和一个补偿块~
放置槽（17），在应变片敷设条（15）两端设置滑块（12），滑块（12）嵌在滑槽（11）内，滑块（12）上设置测点定位螺钉（13），应变片（14）粘贴在应变片敷设条（15）上，石英玻璃片（16）放在补偿块放置槽（17）内，应变片（14）与导线（19）连接，温度补偿应变片（18）粘贴在石英玻璃片（16）上，导线敷设板（10）安装在底板（1）与框架（3）之间，导线（19）经由导线敷设板（10）引出。
2.根据权利要求1所述的一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置，其特征在于，所述的应变片敷设条（15）为10 15个。
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3.根据权利要求1所述的一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置，其特征在于：所述的在第一测点固定腹板（9a）、第二测点固定腹板（9b）上开设10 15个滑槽（11），对应每个滑槽~
（11）布置一个应变片敷设条（15），其上粘贴应变片（14 ）。

一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种岩石力学试验技术领域，更具体涉及一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置，它适用于花岗岩、砂岩等硬岩和中硬岩原生裂隙、混凝土等人工材料预制裂隙的冻胀变形测量。\n背景技术\n[0002] 冻害问题严重威胁寒区工程岩体与混凝土结构的安全稳定。诱发岩体冻害的主要因素是裂隙中的水分在低温环境下产生冻胀作用，引起岩体损伤。研究不同岩石类型、不同开度裂隙冻胀变形规律，对于揭示岩体冻融损伤机理，以及岩体工程冻害防御设计十分重要。\n[0003] 目前关于岩体裂隙冻胀变形的研究多采用理论和数值模拟的分析方法，缺少有效的室内试验数据支撑。急需研发可准确反映不同岩性、不同特征裂隙的冻胀位移变化规律，为理论分析与数值计算提供试验依据。\n[0004] 一种研究岩石裂隙冻胀变形量的方法是：采用含原生裂隙(大致平直)的天然岩块切割成15cm×15cm×15cm的标准试件，或用混凝土等人工材料预制含裂隙的标准试件，人工饱水后置于冻融温度控制箱。采用高韧性的塑料薄片制作应变片附条，其上粘贴有耐低温应变片，应变片附条两端设置定位螺钉，依靠外力将其两端分别固定在裂隙两侧。应变片连接多通道应变仪，可实时自动监测应变变化，并转化为位移数据。通过控制温度箱温度测出不同冻结条件，以及不同岩性、裂隙开度条件下的冻胀变形特征。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是在于针对目前低温岩体力学领域试验设备现状，提供了一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置。该装置结构简单，易于加工，成本低廉，易于操作、测试精度高，可准确、连续测试冻胀过程中岩体裂隙的冻胀变形，得出不同冻胀阶段的裂隙变形特征。\n[0006] 为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：\n[0007] 一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置，它包括底板、底座、框架、紧固支座、紧固螺栓、橡胶垫片、紧固挡块、定位挡块、测点固定腹板、导线敷设板、滑槽、滑块、测点定位螺钉、应变片、应变片敷设条、石英玻璃片、温度补偿应变片、导线、岩块、裂隙(岩块、裂隙不属于装置主体结构)。其特征在于：底板采用Q235钢材制作，底板底部开螺孔，安装第一底座、第二底座、第三底座、第四底座组成。框架采用角钢焊接制作，框架焊接在底板上。底板上焊接紧固支座和紧固挡块，紧固支座上安装紧固螺栓，紧固螺栓末端设置橡胶垫片。采用Q235钢材制作第一定位挡块、第二定位挡块，第一定位挡块、第二定位挡块分别焊接在底板上。采用Q235钢材制作第一测点固定腹板、第二测点固定腹板，第一测点固定腹板、第二测点固定腹板两端分别焊接在底板和框架上。在第一测点固定腹板、第二测点固定腹板上开10～15个滑槽和一个补偿块放置槽。应变片敷设条由滑槽、滑块、测点定位螺钉、应变片组成，用高韧性塑料薄片制作应变片敷设条，在应变片敷设条两端设置滑块，滑块嵌在滑槽内，滑槽与滑块间涂抹润滑黄油，滑块可在滑槽间自由滑动，滑块上设置测点定位螺钉，应变片粘贴在应变片敷设条上，应变片与导线连接。温度补偿应变片粘贴在石英玻璃片上，导线敷设板安装在底板与框架之间，导线经由导线敷设板引出。\n[0008] 所述的石英玻璃片放在两个测点固定腹板上的补偿块放置槽内。\n[0009] 所述的在测点固定腹板上设有10～15个应变片敷设条；\n[0010] 所述的在测点固定腹板上开设10～15个滑槽，对应每个滑槽布置一个应变片敷设条，其上粘贴应变片，用于测量该点对应位置的冻胀位移。\n[0011] 所述的测点固定腹板上设置滑槽。\n[0012] 所述的滑块间有应变片敷设条。\n[0013] 所述的钢质底板厚10～15mm，边长25～30cm。底板底部安装四个底座。框架由3#等边角钢制成，高15～20cm，长宽尺寸与底板尺寸一致，焊接在底座上。定位挡块由钢制成，焊接在底板上、长宽高分别为3～5cm、2～3cm、2～3cm。定位挡块可限定岩块位置。紧固支座和紧固挡块对称焊接在底板近中央靠左位置，由厚10～15mm的钢板制成，宽高尺寸40～50mm。\n紧固螺栓杆体直径10～12mm。末端粘贴橡胶垫片厚2～4mm，紧固螺栓可将岩块夹紧。\n[0014] 所述的测点固定腹板Q235钢材制作，边缘厚8～10mm，其上沿竖向设置10～15个滑槽，滑槽深2～3mm，宽3～5mm，滑槽两翼部位厚3～4mm。滑块由硬质塑料制成，表面光滑，厚3～5mm，边长4～6mm。滑槽与滑块间涂抹润滑黄油，滑块可在滑槽间自由滑动。滑块上设置测点定位螺钉，直径3mm，定位螺钉可旋紧使尖端牢牢固定在岩块上。\n[0015] 所述的测点固定腹板上的补偿块放置槽的空间尺寸大于石英玻璃片3mm以上，厚度大于石英玻璃片2mm以上，以保证石英玻璃片热胀冷缩空间。\n[0016] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：\n[0017] 1)可连续测量岩体裂隙不同部位的冻胀变形；\n[0018] 2)测试精度高(冻胀位移可精确到0.01mm)；\n[0019] 3)结构简单，易于加工，成本低廉，易于操作。\n[0020] 预想的不同冻结温度下的冻胀位移随时间变化曲线，请见图4、5。\n[0021] 此发明的试验装置测试精度高，加工简单、成本低廉，有望为裂隙岩体冻胀机理的研究提供有效支持。\n[0022] 图4和图5即为理想的试验所得曲线。\n[0023] 如图4所示，在不同冻结温度下裂隙冻胀变形发生速率有所不同。在冻结温度下，裂隙中的水分相变结冰，产生约9％的体积膨胀而使裂隙产生张开位移，随着时间延长，冻胀位移趋于某定值，称为冻胀极限位移。冻结温度越低，冻胀位移增长速率越快，冻胀位移越大，达到极限冻胀位移时间越短。理论解释为：冻结温度越低，相变发生速率越快，参与冻结的水分越多，冻结率(即参与冻结的水分比率)越高，从而冻胀位移越大。另一方面，冻结温度越低，裂隙开口端迅速冻结，形成“冰塞”效应，有利于防止裂隙内部水分在冻结膨胀压力下渗出。寒区岩体工程野外勘察已发现这类现象，但缺乏量化分析结论，需要室内试验数据支撑。\n[0024] 如图5所示，在某冻结温度和某冻结时刻，裂隙不同位置处的冻胀位移可能不同。\n从冻胀裂隙细观力学机制上分析，作用在裂隙面的法向冻胀应力产生的冻胀位移与该点到裂隙尖端的距离相关。依据弹性力学和断裂力学理论分析，越靠近尖端冻胀位移越小，数值模拟计算结果也证明这一推断，如图6所示。这种现象使裂隙尖端产生应力集中，反复冻胀作用可能使得尖端发生破坏从而实现裂隙扩展。分析裂隙不同位置的冻胀位移变化规律，尤其是尖端附近的位移陡变区域变化特征，对于揭示裂隙岩体冻融损伤机理十分重要。目前该研究领域此方面多为理论和数值分析，尚无此类试验研究的报道，需要研发此方面的试验装置。\n附图说明\n[0025] 图1为一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置的主视图。\n[0026] 图2为一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置的俯视图。\n[0027] 图3为A1-A1截面的剖视图。\n[0028] 图4为理想的不同冻结温度下裂隙某位置处的冻胀位移—时间曲线示意图。\n[0029] (图中：T为冻结温度，均小于0℃；fu为极限冻胀位移)\n[0030] 图5为理想的某冻结温度下裂隙不同位置处冻胀位移—时间曲线示意图。\n[0031] 图6为砂岩-20℃冻结温度下裂隙不同位置处冻胀位移位移矢量有限单元数值计算图。\n[0032] 其中1.底板、2a.第一底座、2b.第二底座、2c.第三底座、2d.第四底座、3.框架、4.紧固支座、5.紧固螺栓、6.橡胶垫片、7.紧固挡块、8a.第一定位挡块、8b.第二定位挡块、9a.第一测点固定腹板、9b.第二测点固定腹板、10.导线敷设板、11.滑槽、12.滑块、13.测点定位螺钉、14.应变片、15.应变片敷设条、16.石英玻璃片、17.补偿块放置槽、18.温度补偿应变片、19.导线、20.岩块、21.裂隙。\n具体实施方式\n[0033] 实施例1：\n[0034] 下面结合图1、图2、图3和实施例对本发明的进行详细的描述。\n[0035] 一种岩石裂隙冻胀变形量的测试装置，它由底板1、第一底座2a、第二底座2b、第三底座2c、第四底座2d、框架3、紧固支座4、紧固螺栓5、橡胶垫片6、紧固挡块7、第一定位挡块\n8a、第二定位挡块8b、第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b、导线敷设板10、滑槽11、滑块12、测点定位螺钉13、应变片14、应变片敷设条15、石英玻璃片16、补偿块放置槽17、温度补偿应变片、18、导线19、岩块20、裂隙21构成。\n[0036] 其连接关系是：底板1采用Q235钢材制作，底板1底部通过螺孔安装第一底座2a、第二底座2b、第三底座2c、第四底座2d。框架3采用角钢焊接制作，框架3焊接在底板1上。底板1上焊接紧固支座4和紧固挡块7，紧固支座4上安装紧固螺栓5，紧固螺栓5末端设置橡胶垫片\n6。采用Q235钢材制作第一定位挡块8a、第二定位挡块8b，第一定位挡块8a、第二定位挡块8b分别焊接在底板1上。采用Q235钢材制作第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b，第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b两端分别焊接在底板1和框架3上。在第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b上开10～15个滑槽11和1个补偿块放置槽17。应变片敷设条15由滑槽11、滑块12、测点定位螺钉13、应变片14组成，用高韧性塑料薄片制作应变片敷设条\n15，在应变片敷设条15两端设置滑块12，滑块12嵌在滑槽11内，滑槽11与滑块12间涂抹润滑黄油，滑块12可在滑槽11间自由滑动，滑块12上设置测点定位螺钉13，应变片14粘贴在应变片敷设条15上，应变片14与导线19连接。温度补偿应变片18粘贴在石英玻璃片16上，导线敷设板10安装在底板1与框架3之间，导线19经由导线敷设板10引出。\n[0037] 石英玻璃片16放在第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b上的补偿块放置槽\n17内。\n[0038] A1—A1为截面剖视图位置，为了更清楚的描述滑槽和滑块的空间位置关系，即图3剖视位置。\n[0039] 在第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b上设有10～15个应变片敷设条15；\n[0040] 在第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b上开设10～15个滑槽11，对应每个滑槽11布置一个应变片敷设条15，其上粘贴应变片14，用于测量该点对应位置的冻胀位移。\n[0041] 所述的第一测点固定腹板9a、第二测点固定腹板9b上设置滑槽11。\n[0042] 所述的滑块12间有应变片敷设条15。\n[0043] 试验时，采用含原生裂隙21(大致平直)的天然岩块切割成15cm×15cm×15cm的标准岩块20，或用混凝土等人工材料预制含裂隙21的岩块20，裂隙21位于岩块20中央且垂直分布。将岩块人工饱水后放在底板1上，裂隙21开放一端向上，岩块20边缘紧贴第一定位挡块8a、第二定位挡块8b和紧固挡块7，旋紧紧固支座4上的紧固螺栓5。\n[0044] 采用高韧性的塑料薄片制作应变片附条15，其上粘贴有耐低温应变片14，应变片附条15两端设置定位螺钉13，将定位螺钉13旋紧使其尖端分别固定在裂隙21两侧。导线19连接应变片14，经导线敷设板10穿出温度补偿块由石英玻璃片16制成，放在第一测点固定腹板9a和第二测点固定腹板9b之间的补偿块放置槽17上。\n[0045] 然后将装置放入温度控制箱中，导线端口引出温度控制箱，连接多通道应变仪，可实时自动监测应变变化，并转化为位移数据。初始冻结温度设置为0℃，维持温度2小时后，应变仪读数初始化。之后每5℃逐级降温至-30℃，每个温度维持2小时。由应变仪自动采集应变数据，按照式(1)、(2)处理数据得出实际冻胀变形量。\n[0046] 可通过控制温度箱温度测出不同冻结条件，以及不同岩性、裂隙开度条件下的冻胀变形特征。\n[0047] 本发明的关键部件是测点定位螺钉之间的应变片及其依附结构。应变片采用耐低温类型，粘附在高韧性的塑料材质的应变片敷设条上，本身刚度低，对冻胀位移影响极其微弱。\n[0048] 应变片含高灵敏度电阻丝，环境温度变化时自身会产生阻值变化，测试时须采用桥路补偿消除温度应变误差。一般而言，补偿片应粘贴在与试块相同的材料上，并置于相同的温度环境下，工作片加荷载而补偿片不加载。但在测试温度应变时，因工作片也不加载，且岩石类材料内部结构十分复杂，不同岩块的热膨胀系数离散性较大，这种离散性对所测数据影响极大，因而用岩块做补偿块不合理。本发明采用石英玻璃片的热膨胀系数极低且十分稳定，其热膨胀系数值比一般的岩石材料低一个数量级，采用的石英玻璃片热膨胀系数αc为已知，αc＝5.3×10-7。\n[0049] 假设εu为应变仪直接测量得到的值，ΔT为某一时刻冻结温度与初始温度的差值，则实际应变值可表示为：\n[0050] ε＝εu+αcΔT        (1)\n[0051] 式中：αc—石英玻璃片的热膨胀系数，为已知量，取5.3×10-7；ΔT—温度变化量；\nεu由应变仪测得。\n[0052] 测点定位螺钉尖端固定在裂隙两侧，且位置与裂隙面仅3～4mm，其间岩石的冻胀变形可忽略不计。假设两测点之间的距离为l0，则所测裂隙位置的冻胀位移可表示为：\n[0053] f＝ξl0     (2)\n[0054] 以上为基于理论推理的冻胀位移变化规律，对于考察岩体裂隙细观冻胀机制具有重要作用。此方面研究有待通过室内试验验证，对多种不同冻结条件下的冻胀变形规律进行测试研究，得出冻胀变形规律。而目前缺乏有效的裂隙冻胀测量装置。