[发明专利]一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置及试验方法

说明书

一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置及试验方法，该装置可以用于开展稳定恒荷载作用下岩石的蠕变试验，并且在蠕变试验过程中同时进行岩石的风化试验，实现“稳定恒荷载‑干湿循环或冷热循环”耦合作用下岩石的长期蠕变试验。它包括试样容器系统、杠杆加载机构、水循环系统和鼓风系统。试样容器系统具有对岩石试样形成侧向约束的带孔圆柱形桶和对岩石试样进行加热的加热装置，水循环系统对岩石试样进行加湿，鼓风系统对岩石试样进行干燥和冷却，使岩石试样实现干湿循环和冷热循环。杠杆加载机构竖向作用于岩石试样，对其进行恒重加载、卸载。

技术领域

本发明涉及岩石性质测试装置及方法，特别是一种可以开展岩石在侧 向约束、轴向荷载作用下伴随风化过程的蠕变变形试验装置及其试验方 法。

背景技术

目前，我国高速铁路运营里程达到2.2万公里，位居世界首位。同时， 还有大量线路正在建设，到2020年将达到3.0万公里。高速铁路的建设 涉及到大量岩石工程，包括岩质深路堑开挖、深埋隧道开挖、桥梁深基础 开挖等等，这些都必须建立在清楚认识相关岩石物理力学性能的基础上。 这其中，岩石在外部环境作用下出现的风化现象和荷载作用下随时间推移 产生的蠕变变形是影响高速铁路工程结构稳定性的关键因素。如何有效评 价岩石的风化特性和蠕变特性，已经成为高速铁路工程建设的一项重要课 题。

自然界中的天然岩石，其赋存状态随着工程施工而改变，所处的应力 状态和外部环境都会发改变，从而使岩石物理力学性能发生变化，并产生 短期和长期的变形，岩石的这些变形是影响高速铁路工程结构稳定性的重 要因素，特别是长期持续变形，将严重威胁高速铁路线路运营安全。风化 作用是造成岩石物理力学性能改变的主要原因，目前，岩石风化特性的研 究一般通过室内干湿循环或者冷热循环来模拟自然界中环境的变化，岩石的长期变形特征则采用室内蠕变试验进行模拟，获得特定岩石在长期荷载 作用下的变形特征。也就是说，现有研究是将岩石的风化和蠕变两个过程 独立研究，分别进行试验获得各自的物理力学特征及其变化规律，这显然 与岩石的实际状态是不符的。实际的情况是，赋存于自然界中的岩石，在 外部环境作用下风化作用和蠕变变形是同时发生的。长期稳定荷载作用下 岩石的变形过程是伴随着岩石本身的风化过程的，风化过程造成岩石物理 力学性质的改变，反映到岩石长期变形特性的改变上，也即岩石在外部环 境改变干湿循环、冷热循环和荷载耦合作用下产生长期变形的过程。因此， 更为合理的试验应该是在岩石蠕变试验过程中同时进行岩石的风化试验， 即岩石“风化-蠕变”试验，这样获得的试验成果与工程中岩石的实际长期 变形特征更加吻合，试验成果可以用于岩石工程结构长期稳定性的评价与 预测。另外，现有岩石蠕变试验装置要实现长时间的恒荷载作用，往往通 过电液伺服系统来实现，并且对系统控制精度和稳定性要求很高，从而也 使试验设备造价昂贵，试验费用高昂，而由于试验条件与实际情况的差异， 试验成果又很难直接用于高速铁路路堑、隧道、桥梁基础等的开挖引起的 结构长期变形评价。因此，准确掌握岩石伴随风化作用下的蠕变变形特性 具有重要意义，并且有必要开发一种简易岩石风化-蠕变一体化试验系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简易岩石风化、蠕变一体化试 验装置，该装置可以用于开展稳定恒荷载作用下岩石的蠕变试验，并且在 蠕变试验过程中同时进行岩石的风化试验，实现“稳定恒荷载-干湿循环或 冷热循环”耦合作用下岩石的长期蠕变试验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种简易岩石风化、蠕变一体化试验装置，其特征是：它包括 试样容器系统、杠杆加载机构、水循环系统和鼓风系统；所述试样容器系 统具有对岩石试样形成侧向约束的带孔圆柱形桶和对岩石试样进行加热 的加热装置，所述水循环系统对岩石试样进行加湿，所述鼓风系统对岩石 试样进行干燥和冷却，使岩石试样实现干湿循环和冷热循环；所述杠杆加 载机构竖向作用于岩石试样，对其进行恒重加载、卸载。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种采用上述简易岩石风化、 蠕变一体化试验装置的试验方法，该方法包括如下步骤