一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法

摘要

本发明涉及一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。其技术方案是：(1)按照《GB/T50266‑99工程岩体试验方法标准》制作自然含水率的岩石试样；(2)将自然含水率的岩石试样烘干，记录烘干后的岩石试样在空气中的质量m

说明书

技术领域

本发明属于特定含水率岩石试样技术领域。具体涉及一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。

技术背景

水的含量对岩石物理力学性质有着极其重要的影响，不同含水率的同一种岩石常常表现出有较大差别的物理力学特性。实际工程中，岩石在干燥条件下的强度和硬度都符合工程要求，而遇水后的岩石强度明显降低的现象屡见不鲜。一方面，水对岩石颗粒有一定的粘结作用，尤其是含粘土矿物较多的岩石，遇水软化，直接影响岩石的变形和强度；另一方面，岩石矿物颗粒在遇水的情况下会解离出离子和分子与水以及其他矿物质发生化学反应，导致岩石被腐蚀而强度降低。通过岩石力学试验，研究不同含水率下的岩石物理力学性质对岩石力学、隧道工程、地下硐室、岩石边坡工程等具有重要的意义。目前制作饱水岩石试样的方法较多，如自然浸水法、煮沸法和真空饱和法等；但是非饱水状态下的某一特定含水率岩石试样的制备方法多是通过测定多种含水率未知的岩石试样，从而选择满足要求的含水率试样，其不确定性较大、效率较低，且岩石试样的含水率难以控制。上述常规的某一特定含水率岩石试样制备方法虽然在一定程度上可以达到制备要求，但其不确定性大和效率较低，该类方法逐渐被淘汰，非饱水状态下特定含水率岩石试样制备的新方法还在不断的探索之中。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的是提供一种方法简单、操作方便、效率较高、精度较高的非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、制作自然含水率的岩石试样

按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作自然含水率的岩石试样。

步骤二、称量烘干后的岩石试样在空气中的质量

将所述自然含水率的岩石试样放入烤箱，在115～120℃条件下烘干20～25小时，制得烘干后的岩石试样；再将烘干后的岩石试样放在精密天平上称量，记录烘干后的岩石试样在空气中的质量m₁。

步骤三、称量烘干后的岩石试样在水中时的质量

将所述烘干后的岩石试样放在“一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置”的底盘上，调节所述测试装置的移动平台使挂篮的底盘与烧杯底部的距离为2～3cm；然后向烧杯中加入蒸馏水，当蒸馏水的水面高于烘干后的岩石试样3～5cm时，称量并记录烘干后的岩石试样在水中时的质量m₂。

步骤四、称量特定含水率岩石试样在空气中的质量

继续步骤三，每隔0.5～1小时观察一次浸没水中的岩石试样在精密天平上的质量读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃时，取出后擦干，得到符合理论值的特定含水率岩石试样；然后称量并记录所述符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量m₄。

所述特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃

m₃＝m₂+m₁×ω>

式(1)中：m₂表示烘干后的岩石试样在水中时的质量；

m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率。

步骤五、符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率ω'

$>{\omega }^{\prime }=\frac{m_4-m_1}{m_1}\times 100\%---\left(2\right)$>

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率ε

$>ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%---\left(3\right)$>

式(2)和式(3)中：m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量；

m₄表示符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量；

ω'表示符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率。

步骤六、非饱水状态下特定含水率岩石试样的确定

当所述误差率ε＞5％时，则符合理论值的特定含水率岩石试样不合格，重复步骤二～步骤五。

当所述误差率ε≤5％时，则符合理论值的特定含水率岩石试样合格，即得非饱水状态下特定含水率岩石试样；将所述非饱水状态下特定含水率岩石试样表面进行封蜡，保存。

所述非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置包括支架、精密天平、挂篮、烧杯和移动平台。

支架由矩形框架、顶板和底板组成，矩形框架的上部和下部对应地固定有顶板和底板。支架的底板上设置有移动平台，移动平台由平板、丝杆和底座组成，丝杆的上端固定在平板下平面的中心位置处，丝杆的下端与底座螺纹连接。顶板的中心位置处开有通孔，顶板上放置有精密天平，精密天平的挂钩位于所述通孔中心处，挂篮挂在挂钩上。

烧杯放置在移动平台上，挂篮的底部位于烧杯中。

精密天平的挂钩、挂篮的底部中心、烧杯的中心线和移动平台的中心线位于同一铅垂线上。

所述挂篮由挂绳和底盘组成，底盘为圆形网状结构；底盘的直径小于烧杯的直径。

所述精密天平的量程为2～3Kg，精度为0.01g。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

①方法简单、操作方便

本发明只涉及到自然含水率的岩石试样制备和烘干以及精密天平称量的基本操作，特定含水率岩石试样制备过程中只需将烘干后的岩石试样浸没在蒸馏水中，每隔0.5～1小时观察一次精密天平读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量时，及时取出浸没在水中的岩石试样，然后进行分析即可，具有方法简单、操作方便的特点。

②效率较高

本发明采用一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置测定浸没在水中的岩石试样的含水量，即用精密天平能实时观察到浸没在水中的岩石试样的质量的细微变化，即含水率的变化；克服了一般方法通过测定岩石试样含水率进行筛选的不确定性，节省了大量的筛选时间，非饱水状态下特定含水率岩石试样制备效率较高。

③精度较高

本发明采用精度为0.01g的精密天平称量岩石试样的质量，使用蒸馏水浸泡岩石试样，并对符合理论值的特定含水率岩石试样进行合格检验，所制备的非饱水状态下特定含水率岩石试样的含水率精度较高。

因此，本发明具有方法简单、操作方便、效率较高和精度较高的特点，适用于遇水不崩解、不溶解和不干缩膨胀的非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备。

附图说明

图1为本发明所采用的“一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置”的结构示意图；

图2为采用图1所示装置测试特定含水率岩石试样的示意图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。

本具体实施方式中，所述非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置如图1所示，包括支架1、精密天平3、挂篮4、烧杯5和移动平台。

支架1由矩形框架、顶板和底板组成，矩形框架的上部和下部对应地固定有顶板和底板。支架1的底板上设置有移动平台，移动平台由平板7、丝杆8和底座9组成，丝杆8的上端固定在平板7下平面的中心位置处，丝杆8的下端与底座9螺纹连接。顶板的中心位置处开有通孔，顶板上放置有精密天平3，精密天平3的挂钩2位于所述通孔中心处，挂篮4挂在挂钩2上。

烧杯5放置在移动平台上，挂篮4的底部位于烧杯5中。

精密天平3的挂钩2、挂篮4的底部中心、烧杯5的中心线和移动平台的中心线位于同一铅垂线上。

所述挂篮4由挂绳和底盘6组成，底盘6为圆形网状结构；底盘6的直径小于烧杯5的直径。

所述精密天平3的量程为2～3Kg，精度为0.01g。

实施例中不再赘述。

实施例1

一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。

本实施例所述制备方法的步骤是：

步骤一、制作自然含水率的岩石试样

按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作自然含水率的岩石试样。所述岩石试样为常规的圆柱体标准试块，尺寸为φ50mm×100mm。

步骤二、称量烘干后的岩石试样在空气中的质量

将所述自然含水率的岩石试样放入烤箱，在115～120℃条件下烘干20～25小时，制得烘干后的岩石试样；再将烘干后的岩石试样放在精密天平上称量，记录烘干后的岩石试样在空气中的质量m₁为528.34g。

步骤三、称量烘干后的岩石试样在水中时的质量

将所述烘干后的岩石试样放在“一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置”的底盘6上，调节所述测试装置的移动平台使挂篮4的底盘6与烧杯5底部的距离为2～3cm；然后向烧杯5中加入蒸馏水10，当蒸馏水10的水面高于烘干后的岩石试样3～5cm时，称量并记录烘干后的岩石试样在水中时的质量m₂为332.06g。

步骤四、称量特定含水率岩石试样在空气中的质量

继续步骤三，每隔0.5小时观察一次浸没水中的岩石试样在精密天平3上的质量读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃时，取出后擦干，得到符合理论值的特定含水率岩石试样；然后称量并记录所述符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量m₄为530.38g。

所述特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃

m₃＝m₂+m₁×ω>

式(1)中：m₂表示烘干后的岩石试样在水中时的质量，m₂为332.06g；

m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为528.34g；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为50％，即含水率ω为0.42％。

根据公式(1)，

步骤五、符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率ω'

$>{\omega }^{\prime }=\frac{m_4-m_1}{m_1}\times 100\%---\left(2\right)$>

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率ε

$>ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%---\left(3\right)$>

式(2)和式(3)中：m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为528.34g；

m₄表示符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量，m₄为530.38g；

ω'表示符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为50％，即含水率ω为0.42％。

根据公式(2)和(3)，

$>\left(\begin{array}{c}ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%\\ =8.1\%\end{array}\right)$>

步骤六、非饱水状态下特定含水率岩石试样的确定

由于所述误差率ε＞5％，则符合理论值的特定含水率岩石试样不合格，重复步骤二～步骤五。

除下述技术参数外，其余同上述骤二～步骤五：

步骤二中，岩石试样在空气中的质量m₁为528.86g。

步骤三中，烘干后的岩石试样在水中时的质量m₂为332.54g。

步骤四中，所述符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量m₄为531.14g；

所述特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃为334.76g。

步骤五中，所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率ω'为0.431％；

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率ε为2.4％。

由于所述误差率ε≤5％，则符合理论值的特定含水率岩石试样合格，即得非饱水状态下特定含水率岩石试样；将所述非饱水状态下特定含水率岩石试样表面进行封蜡，保存。

实施例2

一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：

步骤一、制作自然含水率的岩石试样

按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作自然含水率的岩石试样。所述岩石试样为常规的圆柱体标准试块，尺寸为φ50mm×100mm。

步骤二、称量烘干后的岩石试样在空气中的质量

将所述自然含水率的岩石试样放入烤箱，在115～120℃条件下烘干20～25小时，制得烘干后的岩石试样；再将烘干后的岩石试样放在精密天平上称量，记录烘干后的岩石试样在空气中的质量m₁为531.87g。

步骤三、称量烘干后的岩石试样在水中时的质量

将所述烘干后的岩石试样放在“一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置”的底盘6上，调节所述测试装置的移动平台使挂篮4的底盘6与烧杯5底部的距离为2～3cm；然后向烧杯5中加入蒸馏水10，当蒸馏水10的水面高于烘干后的岩石试样3～5cm时，称量并记录烘干后的岩石试样在水中时的质量m₂为335.55g。

步骤四、称量特定含水率岩石试样在空气中的质量

继续步骤三，每隔0.5小时观察一次浸没水中的岩石试样在精密天平3上的质量读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃时，取出后擦干，得到符合理论值的特定含水率岩石试样；然后称量并记录所述符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量m₄为534.25g。

所述特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃

m₃＝m₂+m₁×ω>

式(1)中：m₂表示烘干后的岩石试样在水中时的质量，m₂为335.55g；

m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为531.87g；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为60％，即含水率ω为0.504％。

根据公式(1)，

步骤五、符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率ω'

$>{\omega }^{\prime }=\frac{m_4-m_1}{m_1}\times 100\%---\left(2\right)$>

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率ε

$>ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%---\left(3\right)$>

式(2)和式(3)中：m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为531.87g；

m₄表示符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量，m₄为534.62g；

ω'表示符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为50％，即含水率ω为0.42％。

根据公式(2)和(3)，

$>\left(\begin{array}{c}ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%\\ =2.6\%\end{array}\right)$>

步骤六、非饱水状态下特定含水率岩石试样的确定

由于所述误差率ε≤5％，则符合理论值的特定含水率岩石试样合格，即得非饱水状态下特定含水率岩石试样；将所述非饱水状态下特定含水率岩石试样表面进行封蜡，保存。

实施例3

一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：

步骤一、制作自然含水率的岩石试样

按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作自然含水率的岩石试样。所岩石试样为常规的圆柱体标准试块，尺寸为φ50mm×100mm。

步骤二、称量烘干后的岩石试样在空气中的质量

将所述自然含水率的岩石试样放入烤箱，在115～120℃条件下烘干20～25小时，制得烘干后的岩石试样；再将烘干后的岩石试样放在精密天平上称量，记录烘干后的岩石试样在空气中的质量m₁为530.14g。

步骤三、称量烘干后的岩石试样在水中时的质量

将所述烘干后的岩石试样放在“一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置”的底盘6上，调节所述测试装置的移动平台使挂篮4的底盘6与烧杯5底部的距离为2～3cm；然后向烧杯5中加入蒸馏水10，当蒸馏水10的水面高于烘干后的岩石试样3～5cm时，称量并记录烘干后的岩石试样在水中时的质量m₂为333.79g。

步骤四、称量特定含水率岩石试样在空气中的质量

继续步骤三，每隔0.5小时观察一次浸没水中的岩石试样在精密天平3上的质量读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃时，取出后擦干，得到符合理论值的特定含水率岩石试样；然后称量并记录所述符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量m₄为533.89g。

所述特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃

m₃＝m₂+m₁×ω>

式(1)中：m₂表示烘干后的岩石试样在水中时的质量，m₂为333.79g；

m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为530.14g；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为80％，即含水率ω为0.69％。

根据公式(1)，

步骤五、符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率ω'

$>{\omega }^{\prime }=\frac{m_4-m_1}{m_1}\times 100\%---\left(2\right)$>

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率ε

$>ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%---\left(3\right)$>

式(2)和式(3)中：m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为528.34g；

m₄表示符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量，m₄为533.89g；

ω'表示符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为80％，即含水率ω为0.69％。。

根据公式(2)和(3)，

$>\left(\begin{array}{c}ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%\\ =2.5\%\end{array}\right)$>

步骤六、非饱水状态下特定含水率岩石试样的确定

由于所述误差率ε≤5％，则符合理论值的特定含水率岩石试样合格，即得非饱水状态下特定含水率岩石试样；将所述非饱水状态下特定含水率岩石试样表面进行封蜡，保存。

实施例4

一种非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：

步骤一、制作自然含水率的岩石试样

按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作自然含水率的岩石试样。所述岩石试样为常规的圆柱体标准试块，尺寸为φ50mm×100mm。

步骤二、称量烘干后的岩石试样在空气中的质量

将所述自然含水率的岩石试样放入烤箱，在115～120℃条件下烘干20～25小时，制得烘干后的岩石试样；再将烘干后的岩石试样放在精密天平上称量，记录烘干后的岩石试样在空气中的质量m₁为532.52g。

步骤三、称量烘干后的岩石试样在水中时的质量

将所述烘干后的岩石试样放在“一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置”的底盘6上，调节所述测试装置的移动平台使挂篮4的底盘6与烧杯5底部的距离为2～3cm；然后向烧杯5中加入蒸馏水10，当蒸馏水10的水面高于烘干后的岩石试样3～5cm时，称量并记录烘干后的岩石试样在水中时的质量m2为336.15g。

步骤四、称量特定含水率岩石试样在空气中的质量

继续步骤三，每隔0.5小时观察一次浸没水中的岩石试样在精密天平3上的质量读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量m3时，取出后擦干，得到符合理论值的特定含水率岩石试样；然后称量并记录所述符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量m₄为535.75g。

所述特定含水率岩石试样在水中的理论质量m₃

m₃＝m₂+m₁×ω>

式(1)中：m₂表示烘干后的岩石试样在水中时的质量；

m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为70％，即含水率ω为0.59％。

根据公式(1)，

步骤五、符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率ω'

$>{\omega }^{\prime }=\frac{m_4-m_1}{m_1}\times 100\%---\left(2\right)$>

所述符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率的误差率ε

$>ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%---\left(3\right)$>

式(2)和式(3)中：m₁表示烘干后的岩石试样在空气中的质量，m₁为532.52g；

m₄表示符合理论值的特定含水率岩石试样在空气中的质量，m₄为535.75g；

ω'表示符合理论值的特定含水率岩石试样的实际含水率；

ω表示特定含水率岩石试样的含水率，本实施例的特定含水率岩石试样的饱水系数为70％，即含水率ω为0.59％。

根据公式(2)和(3)，$>\left(\begin{array}{c}{\omega }^{\prime }=\frac{m_4-m_1}{m_1}\times 100\%\\ =0.607\%\end{array}\right)$>

$>\left(\begin{array}{c}ϵ=\left|\frac{{\omega }^{\prime }-\omega }{\omega }\right|\times 100\%\\ =2.9\%\end{array}\right)$>

步骤六、非饱水状态下特定含水率岩石试样的确定

由于所述误差率ε≤5％，则符合理论值的特定含水率岩石试样合格，即得非饱水状态下特定含水率岩石试样；将所述非饱水状态下特定含水率岩石试样表面进行封蜡，保存。本具体实施方式与现有技术相比具有如下有益效果：

①方法简单、操作方便

本具体实施方式只涉及到自然含水率的岩石试样制备和烘干以及精密天平称量的基本操作，特定含水率岩石试样制备过程中只需将烘干后的岩石试样浸没在蒸馏水中，每隔0.5小时观察一次精密天平读数，当浸没水中的岩石试样的质量读数达到特定含水率岩石试样在水中的理论质量时，及时取出浸没在水中的岩石试样，然后进行分析即可，具有方法简单、操作方便的特点。

②效率较高

本具体实施方式采用一种非饱水状态下岩石试样含水率的测试装置测定浸没在水中的岩石试样的含水量，即用精密天平能实时观察到浸没在水中的岩石试样的质量的细微变化，即含水率的变化；克服了一般方法通过测定岩石试样含水率进行筛选的不确定性，节省了大量的筛选时间，非饱水状态下特定含水率岩石试样制备效率较高。

③精度较高

本具体实施方式采用精度为0.01g的精密天平称量岩石试样的质量，使用蒸馏水浸泡岩石试样，并对符合理论值的特定含水率岩石试样进行合格检验，所制备的非饱水状态下特定含水率岩石试样的含水率精度较高。

因此，本具体实施方式具有方法简单、操作方便、效率较高和精度较高的特点，适用于遇水不崩解、不溶解和不干缩膨胀的非饱水状态下特定含水率岩石试样的制备。