恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及使用方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010488825.8 (22)申请日 2020.06.02 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路 三巷11号 (72)发明人 徐涛付腾飞杨天鸿于庆磊 朱万成张鹏海袁阳薛彦超 衡振 (74)专利代理机构 沈阳优普达知识产权代理事 务所(特殊普通合伙) 21234 代理人 俞鲁江 (51)Int.Cl. G01N 1/28(2006.01) G01N 1/36(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 3/08(200。

2、6.01) (54)发明名称 一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验 装置及使用方法 (57)摘要 本发明公开了一种恒湿环境下非饱和岩石 单轴蠕变试验装置及使用方法， 涉及岩土工程技 术领域。 恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装 置包括： 密封缸、 恒湿控制组件、 单轴蠕变试验 机。 溶液放置在缸体内， 生物半透膜包裹岩石试 样侧面， 约束环用于锁紧密封生物半透膜和缸体 底面下柱塞接触部位， 湿度测试仪和温度测试仪 分别设于缸盖上、 并与缸体连通， 分别用于检测 密封缸内湿度和温度； 单轴蠕变试验机包括压力 伺服控制与应力位移记录系统， 用于控制施加载 荷和记录岩石试样轴向位移变形。 该试验装置。

3、可 以对在不同恒湿环境下非饱和岩体的物理力学 性质进行准确评价， 结构简单合理， 易于操作。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 111487106 A 2020.08.04 CN 111487106 A 1.一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置， 其特征在于： 所述恒湿环境下非饱 和岩石单轴流变试验装置包括密封缸、 恒湿控制组件、 单轴蠕变试验机； 所述密封缸包括缸体和缸盖； 所述缸体与所述缸盖可拆卸连接， 缸体为圆柱形， 缸体内 部设有搅拌机， 用于搅拌缸体内的溶液； 缸体底面设有下柱塞； 所述缸盖的中心部位设置通 孔， 单轴蠕变试验机的上固定块穿过所述通孔， 所述通孔套有O型。

4、橡胶圈以保证上固定块与 所述缸盖之间密封滑动； 圆柱体岩石试样的外径大小和所述上柱塞和下柱塞直径大小相适 应， 圆柱体岩石试样设置在上柱塞和下柱塞之间， 生物半透膜包裹所述上柱塞的侧表面、 圆 柱体岩石试样的侧表面及下柱塞的侧表面， 约束环锁紧所述下柱塞与所述生物半透膜接触 的位置， 防止溶液自下柱塞和圆柱体岩石试样之间的间隙流入； 所述恒湿控制组件包括溶液、 生物半透膜、 约束环、 湿度检测仪和温度检测仪， 所述溶 液放置在所述缸体内， 所述溶液浸没所述圆柱体岩石试样； 所述湿度测试仪和所述温度测 试仪分别设于所述缸盖上并与所述缸体连通， 分别用于检测所述密封缸内湿度和温度； 所述单轴蠕变试。

5、验机包括下固定块， 缸体底面下柱塞与下固定块抵接； 单轴蠕变试验 机的压头与上柱塞的上端抵接； 压头上设置位移传感器； 所述位移传感器与压力伺服控制 与应力位移记录系统连接。 2.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置， 其特征在于： 所述 搅拌机包括设置在单轴蠕变试验机的框架上的支架， 所述支架上设置工作头， 工作头上设 置电机， 电机驱动不锈钢搅拌桨转动。 3.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置， 其特征在于： 所述 生物半透膜包裹所述上柱塞的从下端面往上10-11mm侧表面， 所述生物半透膜包裹所述下 柱塞的从上端面往下18-20mm侧表面。 4.。

6、根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置， 其特征在于： 所述 溶液为聚乙二醇溶液， 所述溶液液面高度低于生物半透膜的高度并高于所述岩石试样上端 面5mm， 所述聚乙二醇溶液由蒸馏水与分子量为20000的聚乙二醇混合制备而成， 所述聚乙 二醇溶液的不同浓度对应不同饱和度， 为制备高饱和度岩石试样提供恒湿环境。 5.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置， 其特征在于： 所述 缸体底部注入不同的过饱和溶液， 所述不同种类的过饱和溶液液面高度小于所述下柱塞高 度， 所述不同种类的过饱和溶液对应着不同湿度的环境， 为制备低饱和度岩样提供恒湿环 境。 6.一种恒湿环境。

7、下非饱和岩石单轴蠕变试验装置的使用方法， 其特征在于， 包括如下 步骤： 步骤一， 将缸体放置于单轴蠕变试验机的下固定块上， 缸体底面下柱塞与下固定块接 触； 步骤二， 将与下柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间； 步骤三， 将生物半透膜包裹在圆柱体岩石试样、 上柱塞和下柱塞侧面， 并利用约束环将 生物半透膜与固定块接触的部位锁紧密封； 步骤四， 在缸体内的空间注入聚乙二醇溶液， 溶液液面高于圆柱体岩石试样上端面； 步骤五， 利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液， 防止溶液发生沉淀； 步骤六， 待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后， 通过单轴蠕变试验机的压头对上 权利要求书 1/2 。

8、页 2 CN 111487106 A 2 柱塞加恒定压力， 直至岩石试样破碎； 根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的应变变 形数据， 分析高饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。 7.根据权利要求6所述的使用方法， 其特征在于： 为制备低饱和度岩石试样， 步骤四中 溶液为过饱和盐溶液， 溶液的液面高度小于所述下柱塞高度。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111487106 A 3 一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及使用方法 技术领域 0001 本发明涉及岩土工程技术领域， 具体而言， 涉及一种恒湿环境下非饱和岩石单轴 蠕变试验装置及其使用方法。 背景技术 0002 在岩土力学与工程的。

9、试验研究中， 往往需要考虑水对岩石力学性质的影响， 水与 岩石长期作用可能会导致岩石的泥化、 崩解或者岩体承载能力及抗变形能力等物理力学性 能的降低。 因此， 为了研究非饱和状态下岩体的力学特性， 进而判别边坡、 隧道、 大坝修筑、 地下洞室等工程的长期稳定性， 就必须对非饱和岩石进行时效变形力学试验。 然而， 要制备 不同饱和度的岩石试样并使岩石试样饱和度在蠕变试验中保持恒定并非易事。 目前， 为了 得到不同饱和度的岩石试样， 通常采用的方法是： 将烘干的岩样浸水不同时间使其吸水程 度有差异， 从而得到不同饱和度的岩样， 然后用保鲜膜包裹试样或试样表面涂抹隔水剂防 止试样内部水分的蒸发。 显。

10、然， 这样得到的样品是不合格的。 这是因为水是按传导原理通过 自然渗透进入岩样的， 在岩样中的分布不均匀， 外部含水较多， 内部含水较少， 不符合试验 要求， 而且， 在流变试验过程中保鲜膜或隔水剂并不能完全阻止岩样内部水分的减少。 当要 求不同饱和度岩样的流变试验过程精确度较高时， 这种方法不能满足要求。 有鉴于此， 需要 一种恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置， 既能精确制备不同饱和度岩石试样， 又能 保证流变试验过程中岩石试样处于恒湿环境， 其含水饱和度恒定。 发明内容 0003 本发明的目的在于提供一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及其使用 方法， 可以方便室内精确制备不同高饱。

11、和度岩石试样， 同时可以有效保证单轴蠕变试验过 程中岩石试样含水饱和度的恒定。 0004 本发明的目的还在于提供另一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及其 使用方法， 能精确制备不同低饱和度岩石试样， 同时为单轴蠕变试验过程中提供恒湿环境 保证试验过程中岩石试样内部恒定的含水饱和度。 0005 本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的： 0006 一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置， 所述恒湿环境下非饱和岩石单轴 流变试验装置包括密封缸、 恒湿控制组件、 单轴蠕变试验机； 0007 所述密封缸包括缸体和缸盖； 所述缸体与所述缸盖可拆卸连接， 缸体为圆柱形， 缸 体内部设有搅拌。

12、机， 用于搅拌缸体内的溶液； 缸体底面设有下柱塞； 所述缸盖的中心部位设 置通孔， 单轴蠕变试验机的上固定块穿过所述通孔， 所述通孔套有O型橡胶圈以保证上固定 块与所述缸盖之间密封滑动； 圆柱体岩石试样的外径大小和所述上柱塞和下柱塞直径大小 相适应， 圆柱体岩石试样设置在上柱塞和下柱塞之间， 生物半透膜包裹所述上柱塞的侧表 面、 圆柱体岩石试样的侧表面及下柱塞的侧表面， 约束环锁紧所述下柱塞与所述生物半透 膜接触的位置， 防止溶液自下柱塞和圆柱体岩石试样之间的间隙流入； 说明书 1/4 页 4 CN 111487106 A 4 0008 所述恒湿控制组件包括溶液、 生物半透膜、 约束环、 湿度。

13、检测仪和温度检测仪， 所 述溶液放置在所述缸体内， 所述溶液浸没所述圆柱体岩石试样； 所述湿度测试仪和所述温 度测试仪分别设于所述缸盖上并与所述缸体连通， 分别用于检测所述密封缸内湿度和温 度； 0009 所述单轴蠕变试验机包括下固定块， 缸体底面下柱塞与下固定块抵接； 单轴蠕变 试验机的压头与上柱塞的上端抵接； 压头上设置位移传感器； 所述位移传感器与压力伺服 控制与应力位移记录系统连接。 0010 所述搅拌机包括设置在单轴蠕变试验机的框架上的支架， 所述支架上设置工作 头， 工作头上设置电机， 电机驱动不锈钢搅拌桨转动。 0011 所述生物半透膜包裹所述上柱塞的从下端面往上10-11mm侧。

14、表面， 所述生物半透 膜包裹所述下柱塞的从上端面往下18-20mm侧表面。 0012 所述溶液为聚乙二醇溶液， 所述溶液液面高度低于生物半透膜的高度并高于所述 岩石试样上端面5mm， 所述聚乙二醇溶液由蒸馏水与分子量为20000的聚乙二醇混合制备而 成， 所述聚乙二醇溶液的不同浓度对应不同饱和度， 为制备高饱和度岩石试样提供恒湿环 境。 0013 所述高饱和度岩石试样的制备和其恒湿环境的控制主要通过渗析技术完成。 圆柱 体岩石试样与溶液由半透膜隔离开， 半透膜对溶液中的水分子是可透的， 而对溶液里的大 分子溶质是不透的。 当岩石试样中的基质吸力与溶液中吸力不一致时， 在吸力差的作用下， 水分子。

15、在半透膜的两侧移动， 直到岩石试样与溶液中的吸力达到平衡， 制得相应高饱和度 岩石试样(岩石饱和度高于40， 相应的基质吸力小于10MPa)。 0014 为制备低饱和度岩石试样(岩石饱和度低于40)， 所述溶液液面高度小于所述下 柱塞高度， 这样， 根据化学-热力学原理精确控制岩样最终稳定时组分水的逸度。 由于恒湿 环境中水蒸气的逸度是恒定的， 当环境中水蒸气的逸度与岩样中组分水的逸度不同时， 所 述缸体内的恒湿环境中的水蒸气与岩样中组分水形成逸度差， 当环境中水蒸气逸度小于岩 样中组分水的逸度时， 岩样中组分水渗出； 反之， 则水渗入岩样， 最终岩样中组分水的逸度 达到与所述缸体内恒湿环境相。

16、同的状态， 制得相应低饱和度的岩样。 0015 所述缸体底部注入不同的过饱和溶液所述不同种类的过饱和溶液对应着不同湿 度的环境， 为制备低饱和度岩样提供恒湿环境。 0016 本发明进一步公开了一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置的使用方法， 包括如下步骤： 0017 步骤一， 将缸体放置于单轴蠕变试验机的下固定块上， 缸体底面下柱塞与下固定 块接触； 0018 步骤二， 将与下柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间； 0019 步骤三， 将生物半透膜包裹在圆柱体岩石试样、 上柱塞和下柱塞侧面， 并利用约束 环将生物半透膜与固定块接触的部位锁紧密封； 0020 步骤四， 在缸体。

17、内的空间注入聚乙二醇溶液， 溶液液面高于圆柱体岩石试样上端 面； 0021 所述生物半透膜是再生纤维素膜(RC膜)， 用于截留分子量大于7000的溶剂分子， 所述生物半透膜的内径大小(49mm)与所述圆柱体岩石试样的外径大小(47.5mm)和所述上 说明书 2/4 页 5 CN 111487106 A 5 柱塞和下柱塞直径大小相适应， 所述生物半透膜包裹所述圆柱体岩石试样的全部侧表面， 所述生物半透膜包裹所述上柱塞的从下端面往上10-11mm侧表面， 所述生物半透膜包裹所 述下柱塞的从上端面往下18-20mm侧表面， 所述约束环锁紧所述下柱塞与所述生物半透膜 接触的位置， 防止溶液流入。 00。

18、22 所述缸体中注入分子量为20000的聚乙二醇溶液， 所述聚乙二醇溶液直接与所述 生物半透膜接触， 所述聚乙二醇溶液由蒸馏水与分子量为20000的聚乙二醇混合制备而成， 所述聚乙二醇溶液的不同浓度对应不同饱和度， 为制备高饱和度(相对应的岩石试样内部 基质吸力小于10MPa)岩石试样提供恒湿环境； 0023 步骤五， 利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液， 防止溶液发生沉淀； 0024 步骤六， 待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后， 通过单轴蠕变试验机的压头 对上柱塞加恒定压力， 直至岩石试样破碎； 根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的应 变变形数据， 分析高饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。

19、。 0025 为测量低饱和度岩石试样， 步骤四中溶液为过饱和盐溶液， 溶液的液面高度小于 所述下柱塞高度。 0026 本发明的优点： 可以对在不同恒湿环境下非饱和岩体的物理力学性质进行准确评 价， 结构简单合理， 易于操作。 附图说明 0027 图1为本发明具体实施例提供的恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置的整体 结构示意图； 0028 图2为图1中I处的局部放大视图； 0029 图标： 1-单轴蠕变试验机； 2-缸体； 3-缸盖； 4-O型橡胶密封圈； 5-下柱塞； 6-上柱 塞； 7-不锈钢搅拌浆； 8-支架； 9-工作头； 10-温度计； 11-湿度计； 12-圆柱体岩石岩样； 13-。

20、生 物半透膜； 14-约束环； 15-压头； 16-上固定块； 17-下固定块； 18-位移传感器； 19-压力伺服 控制与应力位移记录系统； 20-溶液。 具体实施方式 0030 下面结合附图具体说明本发明， 如图1、 图2所示， 本发明的恒湿环境下非饱和岩石 单轴蠕变试验装置， 包括有： 密封缸、 恒湿控制组件、 单轴蠕变试验机； 0031 密封缸包括可拆卸地连接的缸体2和缸盖3， 缸体侧面凸设有搅拌机， 所述搅拌机 包括设置在单轴蠕变试验机的框架上的支架8， 所述支架8上设置工作头9， 工作头9上设置 电机， 电机驱动不锈钢搅拌桨7转动； 搅拌机是悬臂式恒速电动搅拌机， 缸体底面设有下柱。

21、 塞5， 用于可拆卸地连接单轴蠕变试验机下部固定块17和放置岩石试样12； 缸盖的中心部位 有一个直径80mm的通孔， 单轴蠕变试验机1中直径为79mm的上固定块16穿过该通孔， 缸盖上 的孔套有O型橡胶圈4， 上固定块16与所述缸盖3之间可以密封滑动。 0032 所述缸体采用树脂材料制成， 所述缸盖采用树脂材料制成， 以便于观察所述岩石 试样。 缸体与下柱塞一体成型。 0033 恒湿控制组件包括溶液20、 生物半透膜13、 约束环14、 湿度检测仪11和温度检测仪 10， 溶液20为分子量20000的聚乙二醇溶液， 溶液20放置在缸体2内并浸没岩石试样， 高于岩 说明书 3/4 页 6 CN。

22、 111487106 A 6 石试样上端面5mm， 生物半透膜13的内径大小与岩石试样12的外径大小和上柱塞6和下柱塞 5直径大小相适应， 生物半透膜13完全包裹岩石试样12侧表面， 生物半透膜13包裹下柱塞5 的从上端面往下20mm侧表面， 生物半透膜13包裹所述上柱塞6的从下端面往上10mm侧表面， 约束环14用于使生物半透膜13和缸体底部下柱塞5紧密接触， 防止液体自下柱塞5与岩石试 样12之间的间隙流入， 进而保证水从生物半透膜13渗透至岩石试样12； 湿度测试仪11和温 度测试仪10分别设于缸盖3， 并与缸体连通， 分别用于检测所述密封缸内湿度和温度。 0034 单轴蠕变试验机1包括。

23、压力伺服控制与应力位移记录系统19， 用于控制施加载荷 和记录岩石试样轴向位移。 0035 所述一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置的使用方法， 包括以下步骤： 0036 步骤一， 将缸体2放置于单轴蠕变试验机的下固定块17， 缸体底面下柱塞5与下固 定块17接触； 0037 步骤二， 将与下柱塞5相同直径的圆柱体岩石试样12放置在上柱塞6和下柱塞5之 间； 0038 步骤三， 将生物半透膜13包裹在圆柱体岩石试样12、 上柱塞6和下柱塞5侧面， 并利 用约束环14将生物半透膜与下柱塞接触的部位锁紧密封， 防止溶液流入； 0039 步骤四， 在缸体内的空间注入聚乙二醇溶液， 溶液20液面高。

24、度圆柱体岩石试样上 端面5mm； 0040 步骤五， 利用搅拌机匀速搅拌缸体2内的溶液20， 防止溶液20发生沉淀； 0041 步骤六， 等待圆柱体岩石试样12内饱和度达到预定值后， 通过单轴蠕变试验机1的 压头对上柱塞加恒定压力， 直至岩石试样破碎。 根据试验机的压力实验结果以及岩石试样 的应变变形数据， 分析高饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。 0042 本发明提供的另一种恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置， 恒湿环境下岩石 单轴流变试验装置包括密封缸、 恒湿控制组件、 单轴蠕变试验机， 恒湿控制组件包括溶液 20、 湿度检测仪11和温度检测仪10， 溶液20放置在所述缸体内， 溶液液。

25、面高度低于所述下柱 塞5的高度， 该溶液为不同的过饱和溶液例如： NaNO2、 (NH4)SO4、 NaH2PO4， 不同种类的过饱和 溶液对应着不同湿度的环境例如： NaNO2、 (NH4)SO4、 NaH2PO4对应的湿度分别为58、 78、 98， 湿度测试仪11和温度测试仪10分别设于缸盖3， 并与缸体2连通， 分别用于检测所述密 封缸内湿度和温度。 0043 另一种恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置的使用方法， 包括以下步骤： 0044 步骤一， 将缸体2放置于单轴蠕变试验机的下固定块17， 缸体底面下柱塞5与下固 定块17接触； 0045 步骤二， 将与下柱塞5相同直径的圆柱体岩石试样12放置在上柱塞6和下柱塞5之 间； 0046 步骤三， 在缸体2内的空间注入过饱和溶液， 溶液20液面高度45mm； 0047 步骤四， 利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液20， 防止溶液发生沉淀； 0048 步骤五， 等待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后， 通过单轴蠕变试验机的压 头对上柱塞加恒定压力， 直至岩石试样破碎。 根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的 应变变形数据， 分析低饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。 说明书 4/4 页 7 CN 111487106 A 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 111487106 A 8 。