一、 实验内容
考虑不同库水升降条件下,“浸泡—风干”循环作用对岩石试样实验, 对每一期试样进行单轴或三轴实验, 得出在不同水位升降条件下对岩体力学参数的影响规律, 及在不同“浸泡—风干 ”循环期次作用下力学参数劣化规律。
二 、 试验岩样
试验所用砂岩取自三峡库区秭归沙镇溪镇白水河滑坡, 为侏罗系上沙溪庙组砂岩。在同一个岩层开出较大片的岩块, 并在现场切割成小块运回试验室钻心取样 。 根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266—99) 、 《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)以及国际岩石力学学会推荐标准, 同时满足RMT-150C岩石力学试验系统三轴试验岩样规格要求, 经过细心切磨制成尺寸为Φ50mm×100mm圆柱形试件 。 试样的精度严格满足规范要求: 高度、 直径偏差≤±0.3mm, 试件两端面不平整度≤±0.05mm(图5-1)。
岩石矿物鉴定结果为绢云母中粒石英砂岩(图5-2), 孔隙式钙质胶结结构, 基质具微细鳞片变晶结构的中粒砂状结构 。 岩石由石英 、 长石 、 岩屑、 云母等组成 。 碎屑组分有燧石岩屑, 次角-次圆状, 粒径0.3mm, 占10%; 石英碎屑, 次角-次圆状, 均匀分布,粒径0.3～0.5mm, 占80%; 基质组分为绢云母, 占10%。
图5-1 岩石试样
图5-2 岩石显微结构
三 、 实验方案
考虑不同水位与浸泡条件, 以及“风干—饱和 ”循环过程岩石强度劣化规律 。浸泡一个周期后, 对试样进行声波 、 回弹测试, 通过三轴试验得出不同期次、不同水压条件 、不同围压下岩样的强度, 分析砂岩试样浸泡后强度劣化规律 。 具体试验流程如图5-3所示。
图5-3 库水条件下水-岩作用实验流程
考虑六次“饱和—风干”循环过程方案, 浸泡周期为30天, 自然风干为五天, 然后把风干的试样重新放入仪器中继续浸泡, 为一个循环周期, 如图5-4所示 。
图5-4“风干—浸泡 ”循环试验
考虑三种水位升降及浸泡方案, 设计三种水位条件, 0. 8MPa水压(80m升降) 、0.4MPa水压(40m升降)、0.0MPa水压(未升降) 。 每期试样30天, 前10天上升到设计水位, 中间10天水位稳定期, 后10天为水位下降期, 如5-5所示。
图5-5 不同水位升降及浸泡试验方案
四 、 试验所需仪器
1.岩石取心机 、岩心切割机
取心机用于钻取Φ50mm圆柱岩石岩心, 最大取样深度630mm, 摇臂手动升降, 配有台虎式夹持装置; 岩心切割机与取心机配套使用, 如图5-6所示 。本文制作试样为Φ50mm×100mm圆柱形标准试件 。
图5-6 岩石取心机和切割机
2. HT225 WB型岩石回弹仪
回弹仪是一种测定强度性质和弹性性质的测量仪器, 基本原理是使用回弹仪拉簧驱动仪器内的重锤弹击岩石表面,在试验面上一次锤击得到重锤的回击力,剩余的能量就是回击距离, 即为回弹值(N)。根据回弹值与岩石强度, 可以直接建立两者的经验关系, 当N值越大, 表明岩石强度越大;N值越小, 表明岩石强度底。本文用回弹仪测试岩石试样的回弹值, 检验岩石强度 。
3. NM-4A非金属超声检测分析仪
NM-4A非金属超声检测分析仪主要用于检测混凝土的强度、裂缝深度、混凝土匀质性 、损伤层厚度 、 混凝土厚度、桩身完整性 、结构内部缺陷 、 钢管混凝土内部缺陷 。 NM-4A测定方法为: 将被测岩样放在具有压电晶体的两个探头之间, 一个探头作为重复式脉冲声波源, 另一个探头作为脉冲接收器。 均匀适当加压使探头与岩样紧密接触, 通过探头发射和接受的脉冲, 并经过微型计算机处理后屏幕上即可显示两个探头之间的传播时间(T) 。 根据岩样长度, 即可计算出声波通过该岩样的传播速度; 每块岩样重复测量多次,最后取其平均值作为该岩样声波传播速度 。
图5-7 RMT-150C试验机
4. RMT-150C岩石力学试验系统(图5-7)
RMT-150C岩石力学试验系统为伺服控制, 有位移控制、行程控制与载荷控制三种控制方式; 主要用于岩石和混凝土一类材料的力学性能试验; 可完成单轴压缩 、 单轴间接拉伸 、 三轴压缩和剪切等多种岩石力学试验。 本文主要用于对岩石试样的压缩试验 。 单轴试验——由轴向位移进行控制, 加载速率为0.002mm/s; 三轴试验——先用力控制轴向力与围压一起加载, 轴向力速率为0.1kN/s, 围压加载速率为0.05MPa/s, 然后再用位移进行控制, 加载速率为0.002mm/s 。
5. XP-203E偏光显微镜(图5-8)
偏光显微镜系统是将精密的光学显微镜技术、 先进的光电转换技术 、尖端的计算机图像处理技术完美地结合, 在地质 、矿产、冶金等部门广泛使用的一种仪器。XP-203E偏光显微镜可作单偏光观察 、正交偏光观察 、锥光观察以及显微摄影 。 电脑型偏光显微镜系统(XP-203E)由以下几个部件组成: 偏光显微镜、适配镜、摄像器(CCD) 、A/D(图像采集) 、计算机 。
图5-8 XP-203E偏光显微镜系统
6. YRK-1岩石溶解试验仪(图5-9, 图5-10, 图5-11)
目前, 有关水-岩作用实验研究大多都在常压条件下进行, 很少有人考虑和研究库水压及水位升降条件下的水-岩作用试验, 也没有一种仪器可模拟在不同压力条件下的水-岩作用机理的实验平台。
图5-9 有压岩石溶解仪的结构图
图5-10 水压力室俯视图
图5-11 控制箱
YRK-1岩石溶解试验仪为本试验开发的一种模拟库水压及库水升降条件下岩石溶解试验仪, 下面将对该仪器进行详细的介绍 。
(1)一种模拟库水压力条件的仪器的研制
本实验仪器为一种模拟库水压力状态下水-岩作用的实验装置, 模拟蓄水后库岸岩(土)体所受水压力环境, 通过考虑不同水压力及水位升降条件下的岩石-水作用的浸泡实验, 研究库水条件下的水-岩作用及力学损伤特征 。 为了达到上述目的, 本仪器制作由岩石溶解室(压力室), 动、 静水模拟控制系统, 压力控制系统, 压力传感带等组成。
水压力室: 主要由底座 、 圆柱形水压力室和盖板组成, 底板与盖板之间分布有八根加固螺栓, 通过密封垫圈将圆柱形水压力室固定在底座和盖板之间。水压力室采用不锈钢和有机玻璃制作, 以便承受较大压力 。
压力控制系统: 由内部压力传导系统和外部压力控制系统组成 。在水压力室底部安装一个压力传感带与外部压力控制系统相接, 该压力传感带与外部压力控制系统相连; 外部压力控制系统由供压装置和高精度压力表以及压力传导管道组成, 通过高精度压力表将15MP压力转变为0～1.4MP(量程范围)的压力传递到压力传感带(稳压状态), 通过压力传感带将压力传递给水, 进而控制水压力室中的水压, 满足实验要求达到的压力状态。
动 、 静水模拟控制系统: 该系统由稳压电源、 直流电机 、 叶轮组成 。 直流电机安装在水压力室的底板下部, 通过转轴与水压力室内部的叶轮相连 。 可以模拟在动水状态下岩石的溶解特征, 也可以模拟在静水状态下岩石的溶解特征; 同时, 通过控制直流电机转速进一步模拟在不同动水状态下岩石的溶解特征。 与压力控制系统组合可以进一步模拟在水库库水压力状态下(具有一定的流速情况下)的水-岩作用 。 同时在水压力室下部设置水样采集口, 通过水样分析研究岩石溶解特征 。
(2)岩石溶解仪操作步骤
a. 压力室放置试样。 首先将制备好的岩样放入水压力室内, 分层直立或横卧摆放;盖上盖板并将加固螺栓拧紧, 固定好 。
b. 压力室充水 。 通过进水管向水压力室内注水, 注水期间将放气螺丝打开, 将水压力室内空气排除, 直至水漫出注水管后, 封闭进水管, 拧紧放气螺丝。
c. 控制压力室水压力 。 连接外部压力控制系统与内部压力控制系统, 确认连接完成后, 将总控箱中的气源压力调节阀全部放开(拧至最松位置), 放气阀放到“开 ”的位置 。 缓慢旋转气源压力调节阀, 按照实验要求调节压力, 并通过外部压力系统通过压力传到装置将压力传递给水, 保证水-岩作用是在一定库水条件下进行。
d. 取出试样。 完成一个实验周期之后(实验流程要求), 获取试样之前, 首先关闭总气源(氮气瓶), 按照试验流程调节阀慢慢将气源压力减小, 打开放气阀以及放气螺丝,使残余气体放出 。 开放水样采集口, 获取足够水样供分析 。 取出岩样做相应分析。
(3)岩石溶解试验仪的特点
该仪器制作的优点是: 结构简单 、 易操作、安全可靠, 可以模拟库区岩体所处不同水压力环境, 根据需要保持或调节水压力状态模拟库水位升降; 设置动 、 静水模拟控制系统, 以模拟库水扰动; 设置取水管道, 以便分析离子浓度的变化 。
该仪器可以模拟在库水升降条件及水压力状态下岩石所处的水环境, 为研究库水条件下水-岩作用机理及力学特性而提供一套室内实验平台 。