软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置及实验方法

摘要

本发明涉及一种软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置，其包括支撑装置、加卸载装置和量测装置，加载装置设置于支撑装置上面，支撑装置和加卸载装置之间设有材料试件，材料试件上和加卸载装置下部设置有量测装置。同时本发明还公开了利用上述设备的实验方法。本发明具有结构紧凑，操作方便，价格低廉，量测准确等优点。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种软弱岩土材料蠕变实验装置及实验方法，尤其是一种软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置及实验方法。

背景技术

蠕变是指在常值应力的持续作用下，材料变形随时间增长而不断增大的现象。大量的现场实测和室内力学实验研究表明，所有的岩土工程材料都具有一定的蠕变性质，尤其是对于软弱岩石以及含有泥质充填物和夹层破碎带的松散岩体，其蠕变特性更为显著。即使较为坚硬的岩体，当埋藏深度达到一定值、处于高地应力条件下，其蠕变也会达到可观的程度。由于蠕变效应是影响岩土工程长期稳定的重要因素，因此开展软弱岩土材料蠕变特性研究，对工程的设计、施工具有重要的理论意义和工程意义。由于岩土介质通常处于受压状态，因此通过单轴压缩蠕变实验装置来研究岩土介质的压缩蠕变力学特性十分重要。目前，国内外蠕变实验装置的研究现状如下：

《岩石力学与工程学报》1989年第1期介绍了一种多功能岩石三轴流变实验仪，该三轴仪是由稳压器、压力增压柜、恒温干燥箱以及三轴室等主要部分组成，其最大轴向应力可施加到1000MPa，最大围压可施加到200MPa，其特点设备构思新颖、操作简单、造价低廉。但该流变仪主要针对强度较高的硬岩进行流变实验，对强度较低的软弱岩土材料无法进行蠕变实验。

《分析测试仪器通讯》1993年第1期介绍了一种单轴流变仪，该装置采用砝码-杠杆进行加载，具有结构简单易行、造价低廉、性能比较稳定，可通过砝码数量的增减改变加载值，从百分表中读取试件所受压力与流变值。该加载系统易受外界环境干扰，难以提供稳定的荷载值，同时对强度较低的软弱岩土材料达不到蠕变实验精度要求。

《实验技术与实验机》2002年第1、2期介绍了一种岩石双轴流变实验机。该装置是一种功能比较齐全的流变实验机，可进行不同尺寸试件的岩石蠕变和松弛实验，具有液压波动小、出力稳定的特点。但是，该装置最大轴向加载力为500KN力，测量精度为±1%，主要针对强度较高的硬岩进行流变实验，对强度较低的软弱岩土材料无法进行蠕变实验。

《力学与实践》2002年第4期介绍了一种蠕变-松弛耦合实验仪。该装置主要由外框架、测力计、加载转盘及螺栓、传力薄钢板及框架底座等组成，通过旋转螺栓来施加轴向荷载。但是，该实验装置难以消除试件不平整对实验结果所造成的影响，不能线性、准确地施加轴向荷载，操作也非常不方便。同时，该装置对强度较低的软弱岩土材料达不到蠕变实验精度要求。

《岩土力学》2005年第4期介绍了一种岩石全自动流变伺服装置。该装置由加压系统、恒定稳压装置、液压传递系统、压力室装置、水压系统、恒温系统、降温系统以及自动采集系统组成，可实行全计算机控制与分析、操作全自动化，围压可达60MPa，最大偏压可达到200MPa。但是，该实验装置主要针对强度较高的硬岩进行流变实验，对强度较低的软弱岩土材料无法进行蠕变实验。

《长江科学院院报》2006年第4期介绍了一种岩石三轴蠕变实验仪。该装置具有能自动平衡、自动记录、加载精确平稳、自动化程度高的特点。但是，它的造价较高、操作过程复杂，同时其轴向荷载高达2000KN，围压高达50MPa，主要针对强度较高的硬岩进行流变实验，对强度较低的软弱岩土材料无法进行蠕变实验。

《岩石力学与工程学报》2009年第11期介绍了一种三轴流变仪，它由轴向加载部分、围压加载部分、孔隙水加载部分和控制部分组成，最大轴向实验力可达到20KN，精度为0.1%。该装置具有结构简单，稳定性好，精度高的特点，能够很好地研究岩石渗流–应力耦合流变力学特性，但针对强度较低的软弱岩土材料无法进行蠕变实验。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑，操作方便，价格低廉，量测准确的软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置及实验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置，包括支撑装置、加卸载装置和量测装置，加载装置设置于支撑装置上面，支撑装置和加卸载装置之间设有材料试件，材料试件上和加卸载装置下部设置有量测装置。

所述支撑装置包括承压板，承压板的四个角上分别设有一承压板定位孔，每个承压板定位孔中均穿过一支撑杆，支撑杆通过调平螺栓固定于承压板定位孔中，支撑杆上部穿过加载装置，加载装置与承压板之间的支撑杆上套有活动柔性保护装置；承压板上部中间位置设有一球面盘。

所述承压板是一块经过精加工的、四个角部均带有一个承压板定位孔的轻质高强度合金矩形板。

所述活动柔性保护装置为上部带有柔性塑料圈的套筒。

所述加卸载装置包括加压板，加压板的四个角上均设有一个加压板定位孔，加压板定位孔中固定有直线减摩轴承，支撑杆的上部穿过直线减摩轴承，加压板上设有水箱，水箱内左右两侧分别对称地布置有注水管和排水管，注水管和排水管上分别设有注水控制阀门和排水控制阀门。

所述加压板为一矩形板。

所述加压板定位孔的孔径大于承压板定位孔的孔径。

所述水箱为带有体积刻度的轻质玻璃箱。

所述量测装置包括插送式电子千分表和电阻应变片，插送式电子千分表沿着试件中轴线对称固定于加压板下表面上，且插送式电子千分表通过线路与数据采集系统相连接；电阻应变片粘贴在试件表面中间位置，且电阻应变片通过线路与应变采集仪相连接。

所述电阻应变片包括横向电阻应变片和纵向电阻应变片。

一种软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置的实验方法，包括以下步骤：

第一步，先将支撑杆穿过承压板定位孔，然后采用调平螺栓固定支撑杆与承压板，并调节调平螺栓使承压板处于水平状态；

第二步，将球面盘放置于承压板的中心处，然后将材料试件放置于球面盘的中心处，并通过调节球面盘使材料试件的上端部表面处于水平；

第三步，将直线减摩轴承穿过加压板定位孔并固定，然后将加压板整体穿过支撑杆并作用于材料试件上，把水箱放置于加压板上并置中；

第四步，将插送式电子千分表对称固定于加压板下表面的左、右两边并与数据采集系统相连，将粘贴于材料试件表面中间位置的电阻应变片与应变采集仪连接；

第五步，将插送式电子千分表与电阻应变片的初始实验数据清零，根据实验设计要求向水箱中注水，注水过程中通过注水控制阀门控制注水速率；

第六步，采用分级加载进行单轴压缩蠕变实验，每级轴向荷载施加等级为0.02MPa，在每级荷载作用下，待轴向应变稳定之后，开始记录实验数据，记录完毕再施加下一级荷载直至试件完全破坏；

第七步，实验过程中，借助排水管和排水控制阀门可进行分级卸载流变实验。

本发明中，承压板是一块经过精加工的、四个角部带有四个定位孔的轻质高强度合金矩形板，其尺寸为350mm×350mm×20mm。支撑杆由直径15mm、长度500mm的高强度不锈钢加工而成，用来支撑整个实验装置。将支撑杆穿过承压板的定位孔，然后采用调平螺栓将二者固定。通过调节调平螺栓，可以调节承压板的水平角度。活动柔性保护装置可以防止试件突然破坏时加压板对千分表造成损害。球面盘用来调平试件，减少试件不平整所造成的实验误差。

加卸载装置中的加压板的形状、尺寸均与承压板的一致，不同的是它的四个定位孔的直径略大于承压板。直线减摩轴承穿过并固定在定位孔上，用来减小加压板与支撑杆之间的摩擦力，以便将加载系统的荷载有效地施加到试件上。水箱为带有体积刻度、尺寸为250mm×250mm×500mm的轻质玻璃箱。注水管与排水管尺寸一致，且对称布置在水箱左、右面，通过注水管向水箱中注水实现加载过程，通过注水管上的阀门控制注水速率，实现高精度地线性加载。通过排水管排水实现卸载过程，通过排水管上的阀门控制排水速率，实现高精度地线性卸载过程。

量测装置的插送式电子千分表通过数据采集系统（即计算机）可以实现轴向位移自动采集。为了提高量测精度，同时在试件表面中间位置粘贴横向应变片与纵向应变片，并将它们与应变采集仪相连接，并自动记录轴向应变。

本发明具有如下优点：

（1）实验装置结构紧凑，操作方便，价格低廉。

（2）实验装置采用调平螺栓固定承压板和支撑杆，通过调节调平螺栓可以使得下部承压板处于水平。

（3）在加压板与承压板之间添加了弹性保护装置，防止试件破坏时加载系统砸坏千分表，起到保护实验装置的作用。

（4）在加压板定位孔处添加了直线减摩轴承，急剧减小了加压板与支撑杆间的摩擦力，使荷载有效地传递到试件上面。另外，直线减摩轴承也起到固定加压板的作用，防止试件偏心受压。

（5）通过向水箱中注水与排水实现加载与卸载过程，通过注排水阀门控制注入与排水速率，高精度实现了加载与卸载的线性变化过程。

（6）量测装置采用插送式千分表测位移和应变片测应变，实验过程中自动记录轴向位移与轴向应变，自动化程度高，量测准确性强。

附图说明

图1是实验装置结构示意图；

图2是加压板结构示意图；

图3是材料试件在不同轴向荷载作用下的单轴压缩蠕变曲线；

图4是材料试件的单轴压缩蠕变破坏曲线；

图中:1．调平螺栓，2.承压板，3.球面盘，4.活动柔性保护装置，5.插送式电子千分表，6.材料试件，7.电阻应变片，8.直线减摩轴承，9.加压板，10.支撑杆，11.水箱，12.注水管，13.注水控制阀门，14.排水管，15.排水控制阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、2所示，一种软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置，包括支撑装置、加卸载装置和量测装置，加载装置设置于支撑装置上面，支撑装置和加卸载装置之间设有材料试件6，材料试件6上和加卸载装置下部设置有量测装置。

支撑装置包括承压板2，承压板2的四个角上分别设有一承压板定位孔，每个承压板定位孔中均穿过一支撑杆10，支撑杆10通过调平螺栓1固定于承压板定位孔中，支撑杆10上部穿过加载装置，加载装置与承压板2之间的支撑杆2上套有活动柔性保护装置4；承压板2上面中间位置设有一球面盘3。承压板2是一块经过精加工的、四个角部均带有一个承压板定位孔的轻质高强度合金矩形板。活动柔性保护装置4为上部带有柔性塑料圈的套筒。

承压板2是一块经过精加工的、四个角部带有四个定位孔的轻质高强度合金矩形板，其尺寸为350mm×350mm×20mm。支撑杆10由直径15mm、长度500mm的高强度不锈钢加工而成，用来支撑整个实验装置。将支撑杆10穿过承压板定位孔，承压板2与每根支撑杆10采用两个调平螺栓1固定，通过调节调平螺栓1，可以调节承压板2的水平角度，使承压板2处于水平。活动柔性保护装置4可以防止试件突然破坏时加压板9对插送式电子千分表5造成损害。球面盘3用来调平材料试件6，减少材料试件6不平整所造成的实验误差。

加卸载装置包括加压板9，加压板9的四个角上均设有一个加压板定位孔，加压板定位孔中固定有直线减摩轴承8，支撑杆10的上部穿过直线减摩轴承8，加压板9上设有水箱11，水箱11内左右两侧分别对称地布置有注水管12和排水管14，注水管12和排水管14上分别设有注水控制阀门13和排水控制阀门15。加压板9为一矩形板。

加卸载装置中的加压板9的形状、尺寸均与承压板2的一致，不同的是它的四个定位孔的直径略大于承压板定位孔。直线减摩轴承8穿过并固定在定位孔上，用来减小加压板9与支撑杆10之间的摩擦力，以便将加载系统的荷载有效地施加到材料试件6上。水箱11为带有体积刻度、尺寸为250mm×250mm×500mm的轻质玻璃箱。注水管12与排水管14尺寸一致，且对称布置在水箱11左、右面，通过注水管12向水箱11中注水实现加载过程，通过注水管12上的阀门控制注水速率，实现高精度地线性加载。通过排水管14排水实现卸载过程，通过排水管14上的阀门控制排水速率，实现高精度地线性卸载过程。加卸载装置采用加压板9、水箱11以及水箱11中的水体自重来实施轴向加、卸载。整个实验过程中，轴向荷载处于完全稳定状态，通过注水控制阀门13与排水控制阀门15控制注水、排水速率，高精度地实现了轴向荷载的线性加卸载过程。

量测装置包括插送式电子千分表5和电阻应变片7，插送式电子千分表5沿着材料试件6中轴线对称固定于加压板9下表面上，且插送式电子千分表5通过线路与数据采集系统相连接；电阻应变片7粘贴在材料试件6表面中间位置，且电阻应变片7通过线路与应变采集仪相连接。电阻应变片7包括横向电阻应变片和纵向电阻应变片。

量测装置的插送式电子千分表5通过数据采集系统（即计算机）可以实现轴向位移自动采集。为了提高量测精度，同时在材料试件6表面中间位置粘贴横向应变片与纵向应变片，并将它们与应变采集仪相连接，自动记录轴向应变。

本申请中的材料试件6即铁晶砂胶结岩土相似材料是由精铁粉、重晶石粉、石英砂和松香酒精溶液配制而成的一种强度较低的模型材料，该材料主要用于模拟软岩的流变力学特性。由于铁晶砂胶结岩土相似材料的抗压强度（最大抗压强度仅0.12Mpa）非常低，难于采用其它流变实验装置获得其压缩蠕变变形曲线。下面结合材料蠕变实验具体介绍一下该实验装置的实验方法。

一种软弱岩土材料的单轴压缩蠕变实验装置的实验方法，包括以下步骤：

第一步，先将支撑杆10穿过承压板定位孔，然后采用调平螺栓1固定支撑杆10与承压板2，并调节调平螺栓1使承压板2处于水平状态；

第二步，将球面盘3放置于承压板2的中心处，然后将材料试件6放置于球面盘3的中心处，并通过调节球面盘3使材料试件6的上端部表面处于水平；

第三步，将直线减摩轴承8穿过加压板定位孔并固定，然后将加压板9整体穿过支撑杆10并作用于材料试件6上，把水箱11放置于加压板9上并置中；

第四步，将插送式电子千分表5对称固定于加压板9下表面的左、右两边并与数据采集系统相连，将粘贴于材料试件6表面中间位置的电阻应变片7与应变采集仪连接；

第五步，将插送式电子千分表5与电阻应变片7的初始实验数据清零，根据实验设计要求向水箱11中注水，注水过程中通过注水控制阀门13控制注水速率；

第六步，采用分级加载进行单轴压缩蠕变实验，每级轴向荷载施加等级为0.02MPa，在每级荷载作用下，待轴向应变稳定之后，开始记录实验数据，记录完毕再施加下一级荷载直至材料试件6完全破坏；

第七步，实验过程中，借助排水管14和排水控制阀门15可进行分级卸载流变实验。

采用本上述技术对铁晶砂胶结岩土相似材料进行了单轴压缩蠕变实验，有效获得铁晶砂胶结岩土相似材料在不同轴向荷载作用下的单轴压缩蠕变曲线（图3示）和单轴压缩蠕变破坏曲线（图4示）。