試驗的設計

1. 試驗工況設計

6.1.2.1 工況設計遵循的理論依據

本次載荷試驗物理模型有以下幾個特徵：

1）載荷試驗採用中心荷載形式，不考慮偏心荷載；

2）基底粗糙；

3）載荷板位於地基表層，相當於基底以上無填土，不考慮填土自重對基底的超載，不考慮填土的抗剪強度；

4）鑒於風積砂粘粒含量低、分選好、級配差、低壓縮性、整體性好等物理力學特性和模擬地基鋪設過程中對其均一性的嚴格控制，試驗中的模擬地基是一個均質體，在同一種工況中忽略風積砂顆粒組成及物理力學性質的差異。

圖6.1 試驗基坑平面圖及剖面圖

圖6.2 靜力載荷試驗反力載入裝置設計

1943年太沙基（K.Terzaghi）在推導均質地基上的條形基礎受中心荷載作用下的極限承載力時，把土作為有重力的介質，並有如下一些假設：

1）基礎底面完全粗糙，即它與土之間有摩擦力存在；

2）基土是有重力的（γ≠0），但忽略地基土重度對滑移線形狀的影響。因為，根據極限平衡理論，如果考慮土的重度，塑性區內的兩組滑移線形狀就不一定是直線；

3）當基礎埋置深度為D時，則基底以上兩側的土體用當量均布超載q＝γ₀D來代替（γ₀為比重），不考慮兩側土體抗剪強度的影響。

根據以上假定，滑動面的形狀如圖6.3a所示，也可以分成三個區。

Ⅰ區：基礎底面下的土楔aa′d，由於假定基底是粗糙的，具有很大的摩擦力，因此aa′面不會發生剪切位移，該區的土體處於彈性壓密狀態，它與基礎底面一起移動，該部分土體稱為彈性楔體（剛性核），代替了普朗特爾解的朗肯主動區。根據幾何條件，滑動面ad（或a′d）與水平面夾角Ψ＝_φ。

Ⅱ區：假定與普朗特爾假定一樣，滑動面一組是通過a、a′點的輻射線，另一組是對數螺旋曲線de、de′，同時忽略土的重力對滑移線形狀的影響。

Ⅲ區：仍是朗肯被動狀態區，滑動面及a′e′與水平面成 角。

圖6.3 太沙基（K.Terzaghi）極限承載力

當作用在基底壓力為極限承載力P_u時，發生整體剪切破壞，彈性壓密區（Ⅰ區）a′ad將貫入土中，向兩側擠壓土體adef及a′de′f′達到被動破壞。因此，在ad及a′d面上將作用被動力E_p，與作用面的法線方向成_φ角，如圖6.3b所示。取Ⅰ區彈性楔體ada′作為脫離體，考慮單位長基礎，分析其力的平衡條件來推求地基的極限承載力。

本次載荷模擬試驗較好地符合了太沙基極限承載力理論的假定條件，以該理論為基礎設計的試驗工況，在圓形基礎作用下，地基內各點應力狀態在同一水平面上關於地基中心軸對稱。

6.1.2.2 試驗工況設計

在蘇里格天然氣第三處理廠實測地下水位線以上風積砂平均天然密度為1.64g/cm³，平均含水量為4％，計算其對應的干密度為1.58g/cm³。本次試驗針對由單一風積砂構成的地基設計三種試驗類型。

（1）第一種類型

為了研究風積砂干密度對地基承載力的影響及地基中應力分布的影響，保持風積砂天然干密度1.58g/cm³不變，設計2％、4％、6％、8％四個低含水量和12％、16％兩個高含水量，共六種工況。根據基坑尺寸，分10層鋪設，每層厚12cm，具體設計見表6.1 。試驗採用人工夯實法鋪設，在鋪設過程中嚴格控制每層地基的鋪設砂土質量、鋪設後的體積，並及時跟蹤監測砂土含水量，為了避免人為造成的地基分層現象，在每層鋪設完畢將表層砂土體刮花，及時鋪設下一層，以保證模擬地基達到設計要求。

表6.1 同一干密度下不同含水量工況設計

為了研究在上部荷載作用下地基中附加應力大小和分布特徵，在地基內不同位置設置JXY-2型鋼鉉式土壓力盒。壓力盒埋置遵循以下設計原則：

1）承載板下方沿中心軸在不同地基深度水平布置壓力盒，研究上部荷載作用下中心附加應力變化特徵。

2）考慮到壓力盒本身的體積和質量對地基材料屬性和地基附加應力分布的影響，要盡量提高壓力盒的利用效率。鑒於本次載荷在同一水平面上各點應力狀態關於地基中心軸對稱的特點，在同一地基深度平面上只在中心軸一側布置壓力盒，另一側可由對稱性求出，相鄰兩個水平面上壓力盒應交錯布置。

3）參照太沙基理論的假定滑動面，計算出本次模擬試驗中的彈性區、過渡區和被動土壓力區，並在被動土壓力區垂直布設土壓力盒，測其水平附加應力變化特徵。

4）中心點以外水平布置的壓力盒除測定該點處豎向附加應力外還應控制附加應力的影響范圍，根據2004年中國建築工業出版社出版的葉書麟的《地基處理》，當砂墊層厚度z（本次模擬試驗處理深度為1.5m）與地基寬度B（即載荷板直徑0.2m）的比值大於0.5，地基應力擴散角取30°，計算附加應力影響范圍，布置壓力盒。

第一類試驗中壓力盒布置如圖6.4所示。

圖6.4 壓力盒布置示意圖（單位：cm）

圖6.5 標志層染色劑的配製

為監測地基破壞後地基內部的變形破壞特徵，在載荷板以下地基深度12cm范圍內鋪設標志層，標志層深度間隔採取3cm，每層標志層水平鋪設厚度1cm，面積為10×60cm²。為了避免標志層因材料屬性不同而造成的試驗誤差，特採用染色後天然乾燥的風積砂作為標志層（通過使用純度為36％的乙酸配製甲基紅溶液來實現染色，圖6.5）。

（2）第二種類型

為了研究風積砂含水量對地基承載力的影響及地基中應力分布的影響，保持風積砂天然含水量4％不變，設計1.53g/cm³、1.58g/cm³、1.62g/cm³三種干密度工況（表6.2）。鋪設工藝與第一類型相同。

表6.2 同一含水量下不同干密度工況設計

（3）第三種類型

採用毛烏素沙漠地區最常見的地基處理方法———水墜墊層法設計兩種工況。

1）水墜法：根據水墜法試驗結果，每次虛鋪砂土厚度採取30cm，注水至15cm水頭高度，待排水至水頭高度為零，鋪設下一層。

2）水墜加振動密實法（飽和振墜）：每次虛鋪砂土厚度30cm，注水至水頭高於砂層表面15cm後，使用插入式混凝土振動器振搗，振點布局按梅花形布設，振點平面間距為25cm×25cm，完畢後進行下一層施工。

2. 實驗設計的基本類型

實驗設計的基本類型有三種，分為因素設計、准實驗設計和非實驗設計。

1、因素設計

根據實驗中自變數的數量可以劃分為單因素設計和多因素設計。單因素設計簡明易行，但由於實際生活中影響心理活動的因素通常為多個，所以當情況比較復雜時，最好使用多因素實驗設計。

2、准實驗設計

研究者事先認識到某些無關變數會影響實驗結果，卻又難以在實際妥善控制時，可採用准實驗設計。准實驗的主要特點是沒有採用隨機化程序，即被試的選擇和編組、處理分配等都不是隨機安排的。

3、非實驗設計

非實驗設計是一種自然描述，用來確定自然存在的臨界變數及其相互關系。非實驗研究的方法很多，如自然觀察法、相關法、訪談法、問卷法、測驗法、個案法和傳記法等。

(2)試驗的設計擴展閱讀

實驗設計的主要功能是對變數的控制，是在控制條件下有效地操縱或改變自變數，使因變數(即反應變數)的變化得到觀察。例如，研究兩種教學方法對兒童學業成就的影響時，實驗設計者應安排使其他條件盡量相同，如選擇家庭和學校環境相似、學業基礎相似，年齡相同的兩組兒童，只控制使用兩種不同的教學方法，然後考查二者對學習結果的影響。

實驗設計的優點

1、科學合理地安排實驗，從而減少實驗次數、縮短實驗周期，提高了經濟效益。

2、從眾多的影響因素中找出影響輸出的主要因素。

3、分析影響因素之間交互作用影響的大小。

4、分析實驗誤差的影響大小，提高實驗精度。

5、找出較優的參數組合，並通過對實驗結果的分析、比較，找出達到最優化方案進一步實驗的方向。

6、對最佳方案的輸出值進行預測。

3. 怎麼進行實驗設計

實驗是人們根據實驗目的，確定實驗原理，利用實驗用品來干預或控制研究對象，使某種事件或現象在有利於觀察的條件下發生或重現，從而說明科學事實、揭示客觀事物本質和規律的過程。
實驗設計
明確實驗目標和內容（做什麼）
確定實驗原理（理論上怎樣做，可有多種途徑供選擇）
收集相關實驗資料（為什麼這樣做，選擇最佳途徑）
選擇實驗方法（准備怎樣做）
落實實驗用品（儀器、設備、葯品等）
設計實驗過程（實驗步驟、實驗現象、實驗數據記錄等）
安排實驗時間
對實驗結果做出預測和評價（做得怎樣）
第二步：實驗操作
嚴格按照實驗設計進行（嚴格控制變數）
及時、准確收集實驗資料（保存好原始記錄）.

4. 試驗設計

（一）試驗配水

試驗配水主要模擬排污河水質。考慮到排污河水主要由生活污水和工業廢水組成，除常規污染組分外，一般重金屬和有機污染物比較常見，所以試驗配水選擇了兩種有代表性的重金屬：不易遷移的鉛和容易遷移的鉻，有機物選擇了苯系物和四氯乙烯。具體的配水方案如下：取中國地質大學（北京）生活污水預沉澱1d後，加入硝酸鉛、重鉻酸鉀、汽油和四氯乙烯，攪拌均勻，靜置1d後使用。為了使試驗效果更加顯著，試驗配水中鉛和鉻的濃度均採用10mg/L，汽油和四氯乙烯均各自用量筒量取150mL加入75L污水中。其中，四氯乙烯7d後停止加入，主要是考慮大劑量的四氯乙烯污染會對地下水有影響。

作者曾在試驗正式開始之前就用試驗配水做過初步的研究試驗，目的是了解加入的重金屬和有機物之間，以及它們跟生活污水中的污染組分之間會發生哪些反應。

1.重金屬+生活污水+有機物

試驗配製了七種不同的水樣，它們分別是樣1：Pb標准液（10mg/L）；樣2：生活污水；樣3：Pb標准液（10mg/L）+污水；樣4：Pb標准液（10mg/L）+污水+Cr（10mg/L）；樣5：Pb（10mg/L）+污水+有機物（5mg/L）；樣6：Pb（10mg/L）+污水+有機物（5mg/L）+Cr（10mg/L）；樣7：Pb（10mg/L）+污水+有機物（5mg/L）+Cr（10mg/L）。

從表2-1可以看出，樣2中Pb基本穩定，不與污水發生反應；通過樣3和樣4的對比可以看出，Pb與Cr發生反應生成鉻酸鉛沉澱，故Pb和Cr的濃度均降低很多；樣5和樣3比較，Pb的濃度基本沒有變化，說明Pb與有機物不發生反應，有機物的加入使COD濃度大大提高；樣6和樣7是兩個平行樣，它們與樣5比較的結果同樣顯示了Pb與Cr之間的反應。

表2-1 配水試驗反應結果表 單位：mg/L

2.500mL重鉻酸鉀溶液（5mg/L）+1mL汽油

從表2-2可以看出，Cr⁶⁺的濃度在放置5d後減小了0.16mg/L，說明重鉻酸鉀與汽油會發生一定的氧化還原反應，只是由於反應時間短，效果不是十分明顯。

表2-2 重鉻酸鉀與汽油的反應結果表 單位：μg/L

3.500mL重鉻酸鉀溶液（5mg/L）+40μL四氯乙烯

由於四氯乙烯難溶於水，所以先將其溶於10mL甲醇中，再和重鉻酸鉀溶液混合反應。從表2-3可以看出，重鉻酸鉀與甲醇發生了氧化還原反應，在放置48d之後Cr⁶⁺的濃度降低了2.33mg/L，而在重鉻酸鉀+甲醇+四氯乙烯的反應中，Cr⁶⁺的濃度變化基本同重鉻酸鉀與甲醇的反應，說明重鉻酸鉀不和四氯乙烯發生反應。

表2-3 重鉻酸鉀與四氯乙烯反應時Cr⁶⁺濃度變化表 單位：mg/L

（二）試驗裝置

整個試驗裝置由土柱、配水系統和監測系統三部分組成（圖2-1）。

圖2-1 試驗裝置圖（單位：cm）

土柱 為土柱試驗的主體部分。由內徑為0.15m的3根有機玻璃柱組成，柱高1.5m。柱體下部為0.15m的承托層，由粗的石英砂組成；中部為1.2m的土柱試驗段；試驗段以上為0.10m的試驗用水，由溢流口控制為定水頭。考慮接近野外土體實際情況，土柱側壁用泊紙遮蓋，以起到避光作用。

配水系統 由配水箱、水泵和高位供水箱組成。配水箱容積為75L，可保證土柱試驗3～7d的用水量。將試驗配水由水泵送到高位供水箱，同時向三個土柱供水，採用定水頭連續供水。

監測系統 定水頭供水由溢流口控制，多餘的進水送到配水箱中循環使用。在進水口取樣，監測各特徵組分的進水濃度。在土柱實體部分0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m及1.2m深度處分別設有飽水取樣口，在試驗運行初期，可以定期監測不同深度處各特徵污染組分的濃度變化情況。另外，在土體0.1m、0.5m和0.9m深度處分別設有測壓管，用來監測污水下滲的水動力學特徵。當土柱逐漸被污染物堵塞，變成非飽水狀態時，關閉飽水取樣口，在土體0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m處和飽水取樣口垂直的位置設有非飽水取樣口（陶土頭），外接真空泵抽氣取樣。

（三）有關參數的測定

試驗所選用的三種砂土均為天然砂土，取自北京豐台的不同地段。三種砂土分別為：柱1為粗砂，柱2和柱3均為中砂。

1.砂土篩分及顆粒級配的確定

砂土篩分及顆粒級配情況見表2-4和圖2-2。

表2-4 砂土粒度分析結果表

圖2-2 三種砂土篩分曲線

2.試驗砂土參數測定

測定的砂土參數見表2-5。

表2-5 土的物理性質指標

5. 試驗設計的三個基本要素及三個基本原則分別是什麼

【基本要素】

1.受試對象：是處理因素作用的客體，根據受試對象不同，實驗可以分為三類：動物實驗、臨床試驗、現場試驗。

2.處理因素：是研究者根據研究目的而施加的特定的實驗措施，又稱為受試因素。

3.實驗效應：是處理因素作用下，受試對象的反應或結局，它通過觀察指標來體現。

【基本原則】

1科學性原則

實驗是人為控制條件下研究事物(對象)的一種科學方法；是依據假設，在人為條件下對實驗變數的變化和結果進行捕獲、解釋的科學方法。 。

2.可行性原則

在實驗設計時，從原理、實驗實施到實驗結果的產生，都實際可行。

3.簡便性原則

實驗設計時，要考慮到實驗材料要容易獲得，實驗裝置簡單，實驗葯品較便宜，實驗操作較簡便，實驗步驟較少，實驗時間較短。

4.可重復性

重復、對照、隨機是保證實驗結果准確的三大原則。任何實驗都必須有足夠的實驗次數才能判斷結果的可靠性，設計實驗只能進行一次而無法重復就得出「正式結論」是草率的。

5.單一變數原則

不論一個實驗有幾個實驗變數，都應確定一個實驗變數對應觀測一個反應變數，這就是單一變數原則，它是處理實驗中的復雜關系的准則之一。

6.對照性原則實驗中的無關變數很多，必須嚴格控制，要平衡和消除無關變數對實驗結果的影響，對照實驗的設計是消除無關變數影響的有效方法。

6. 試驗設計

本書中通過靜態吸附試驗，力圖研究BTEX在不同介質條件下的吸附動力學、吸附模型和各種因素對於吸附行為的影響，得出BTEX的吸附常數，比較不同的BTEX組分在不同介質中的吸附行為，並探討在河流滲濾系統中，BTEX的吸附行為與降解作用的相互作用。

（一）試驗方法

為了更深入地研究BTEX經過河流滲濾系統中被河流沉積物吸附的過程，獲得更加詳細的參數，吸附試驗由三部分組成，包括吸附等溫線、吸附動力學曲線和吸附影響因素。

1.樣品採集與制備

吸附試驗採用的土壤樣品為黃河花園口採集的三種不同的河流沉積物樣品，分別為粉土、細砂和粗砂。將土壤樣品經過風干、除雜、篩分，並測定各種相關理化參數（見表3-2）。

本次試驗所用BTEX單組分為苯、甲苯、乙苯和間二甲苯（二甲苯包括鄰二甲苯、對二甲苯和間二甲苯三種同分異構體），所有樣品均為色譜純試劑。BTEX各單組分理化參數見表3-4。

2.吸附動力學曲線試驗方法

精確稱取2.000g土樣於20mL頂空瓶中，加入配製好的濃度為30mg/L的BTEX混合溶液，置於恆溫水浴振盪器中，設定溫度16±1℃，振盪速度480r/min，啟動機器，開始計時。控制振盪時間分別為1h、2h、4h、6h、10h、12h、24h、30h、36h、48h、54h、60h，達到相應振盪時間後立即將溶液和土樣離心分離，並用頂空氣相色譜法測定各組分含量，用減差法得到不同平衡時間的吸附量，從而繪制出吸附動力學曲線。為保證試驗精度，在試驗過程中同時配製了兩種空白溶液：土樣空白和有機物空白，來扣除土壤溶出物和揮發的誤差。另外控制溶液pH值在3～4之間，抑制微生物的降解作用。

3.吸附等溫線試驗方法

分別精確稱取2.000g土壤樣品於20mL頂空瓶中，配製8種不同濃度的BTEX混合溶液，並分別量取上述溶液20mL加入裝有土壤樣品的頂空瓶中，置於恆溫振盪儀中。設定溫度為16±℃，振盪速度180r/min，啟動機器，開始計時。待到吸附平衡時間48h後，將樣品全部取出，以3200r/min離心30min，用注射器取上清液10mL迅速注入20mL頂空瓶中壓蓋密封，用頂空氣相色譜法測定其中BTEX各組分濃度。為保證試驗精度，每個BTEX濃度設置一個不加土樣的空白溶液作為控制樣，3種土樣分別設3個土樣空白（2g土樣和2g純水）以扣除土壤溶出物的影響。每一濃度進行3組平行試驗，以避免由於土樣不均勻及其他偶發因素的干擾。另外，調節溶液pH值在3～4之間，抑制微生物的降解作用。

4.吸附影響因素試驗方法

為研究土壤有機質含量、pH值、含鹽量、溫度對吸附過程的影響，按照不同的試驗條件，設計了4組影響因素試驗，採用吸附等溫線的試驗方法測定平衡吸附量，4組影響因素試驗條件見表3-7。

表3 -7 影響因素試驗條件

其中，第1組是在土壤樣品中加入過量H₂O₂，完全氧化其中的有機質，風干、碾碎、過2mm篩，使其機械組成與原土壤樣品接近。然後按照不同的比例加入一定量的H₂O₂氧化處理過的土樣，得到不同有機質含量的試驗樣品M1～M5；第2組利用酸、鹼調節溶液pH值，使之介於4～14之間，對應4個不同pH值梯度P1～P4；第3組用NaCl調節溶液含鹽量使之介於0～10g/L之間，對應4個濃度梯度S1～S4；第4組分別控制平衡溫度為5 ～30℃，對應4個溫度梯度W1～W4。分別在四組不同的試驗條件下應用吸附等溫線試驗方法得到BTEX各組分吸附量與不同影響因素之間的相關關系。為保證試驗精度，同樣設置了土壤空白樣、有機物空白樣和平行樣，除pH值影響以外其他試驗均通過調節pH值來控制微生物降解作用。

（二）數據分析和質量保證

試驗精度保證：由於本次試驗的目標污染物是極易揮發的BTEX，試驗過程中揮發損失的控制、試驗溶液濃度的均一穩定、樣品測試的准確性就顯得極為重要，質量守恆對本試驗的成敗至關重要。

本部分的目標主要是要考察河流沉積物對目標污染物BTEX的吸附作用，因而試驗過程中需要控制揮發和降解作用等質量損失。揮發作用和容器壁的吸附作用可以通過不加土樣的空白控制樣來確定，通過比對吸附試驗樣品，可以確定揮發損失和容器壁的吸附量。一般情況下，降解作用通過在試驗過程中加入一定量的疊氮化鈉（NaN3）作為生物抑制劑，也可以通過在試驗過程中通過調節溶液pH值來抑制微生物降解作用，本次試驗採用將pH值控制在3 ～4之間來抑制微生物降解作用。另外為了避免土壤溶出物的影響，還設計了土樣空白。

目標溶液的配製：溶液濃度是否均一穩定是吸附試驗成敗的另一個關鍵。試驗溶液可以用水直接配製，也可以採用選取輔助溶劑配製的方法。由於BTEX極易揮發，試驗要求溶液濃度在試驗過程中均一穩定，因此運用甲醇與水無限相溶的特性，選用甲醇作為助溶劑，以保證試驗溶液均一，濃度穩定。所用BTEX單組分和甲醇均為色譜純試劑，試驗用水為實驗室用純水。

測定儀器和測定方法是試驗結果准確性的另一個保證，本次試驗採用《水和廢水監測分析方法》 中推薦的頂空氣相色譜法進行樣品測定，分別測定BTEX四種單組分濃度。試驗結果來自華北水利水電學院環境工程實驗中心，所用氣相色譜儀型號為島津GC -14C，帶有GC-14C島津色譜數據工作站，以及中興匯利DK-3001頂空進樣器，使用FID檢測器。色譜條件為：進樣口溫度200℃；檢測器溫度260℃；柱溫程序，50℃ ；分流比10：1～50：1；載氣，高純N₂（99.999％）。進樣條件：樣品，50℃；閥箱，60℃；管路，65℃。樣品平衡時間，30min；進樣量：1mL。方法線性如圖3-7所示。

數據分析方法是合理結論的前提和保證之一。為了排除試驗中各種偶發因素的影響，本次試驗針對吸附等溫線測定中的每一濃度級別、吸附動力學試驗不同取樣時間都設計了三組平行試驗，對每一組三個平行樣的檢測值採用平均值加標准偏差的方法進行數據處理。

7. 實驗方案設計

一、 實驗內容

考慮不同庫水升降條件下,「浸泡—風干」循環作用對岩石試樣實驗, 對每一期試樣進行單軸或三軸實驗, 得出在不同水位升降條件下對岩體力學參數的影響規律, 及在不同「浸泡—風干」循環期次作用下力學參數劣化規律。

二、 試驗岩樣

試驗所用砂岩取自三峽庫區秭歸沙鎮溪鎮白水河滑坡, 為侏羅繫上沙溪廟組砂岩。在同一個岩層開出較大片的岩塊, 並在現場切割成小塊運回試驗室鑽心取樣。 根據《工程岩體試驗方法標准》(GB/T50266—99)、 《水利水電工程岩石試驗規程》(SL264—2001)以及國際岩石力學學會推薦標准, 同時滿足RMT-150C岩石力學試驗系統三軸試驗岩樣規格要求, 經過細心切磨製成尺寸為Φ50mm×100mm圓柱形試件。 試樣的精度嚴格滿足規范要求: 高度、 直徑偏差≤±0.3mm, 試件兩端面不平整度≤±0.05mm(圖5-1)。

岩石礦物鑒定結果為絹雲母中粒石英砂岩(圖5-2), 孔隙式鈣質膠結結構, 基質具微細鱗片變晶結構的中粒砂狀結構。 岩石由石英、 長石、 岩屑、 雲母等組成。 碎屑組分有燧石岩屑, 次角-次圓狀, 粒徑0.3mm, 佔10%; 石英碎屑, 次角-次圓狀, 均勻分布,粒徑0.3～0.5mm, 佔80%; 基質組分為絹雲母, 佔10%。

圖5-9 有壓岩石溶解儀的結構圖

圖5-10 水壓力室俯視圖

圖5-11 控制箱

YRK-1岩石溶解試驗儀為本試驗開發的一種模擬庫水壓及庫水升降條件下岩石溶解試驗儀, 下面將對該儀器進行詳細的介紹。

(1)一種模擬庫水壓力條件的儀器的研製

本實驗儀器為一種模擬庫水壓力狀態下水-岩作用的實驗裝置, 模擬蓄水後庫岸岩(土)體所受水壓力環境, 通過考慮不同水壓力及水位升降條件下的岩石-水作用的浸泡實驗, 研究庫水條件下的水-岩作用及力學損傷特徵。 為了達到上述目的, 本儀器製作由岩石溶解室(壓力室), 動、 靜水模擬控制系統, 壓力控制系統, 壓力感測帶等組成。

水壓力室: 主要由底座、 圓柱形水壓力室和蓋板組成, 底板與蓋板之間分布有八根加固螺栓, 通過密封墊圈將圓柱形水壓力室固定在底座和蓋板之間。水壓力室採用不銹鋼和有機玻璃製作, 以便承受較大壓力。

壓力控制系統: 由內部壓力傳導系統和外部壓力控制系統組成。在水壓力室底部安裝一個壓力感測帶與外部壓力控制系統相接, 該壓力感測帶與外部壓力控制系統相連; 外部壓力控制系統由供壓裝置和高精度壓力表以及壓力傳導管道組成, 通過高精度壓力表將15MP壓力轉變為0～1.4MP(量程范圍)的壓力傳遞到壓力感測帶(穩壓狀態), 通過壓力感測帶將壓力傳遞給水, 進而控制水壓力室中的水壓, 滿足實驗要求達到的壓力狀態。

動、 靜水模擬控制系統: 該系統由穩壓電源、 直流電機、 葉輪組成。 直流電機安裝在水壓力室的底板下部, 通過轉軸與水壓力室內部的葉輪相連。 可以模擬在動水狀態下岩石的溶解特徵, 也可以模擬在靜水狀態下岩石的溶解特徵; 同時, 通過控制直流電機轉速進一步模擬在不同動水狀態下岩石的溶解特徵。 與壓力控制系統組合可以進一步模擬在水庫庫水壓力狀態下(具有一定的流速情況下)的水-岩作用。 同時在水壓力室下部設置水樣採集口, 通過水樣分析研究岩石溶解特徵。

(2)岩石溶解儀操作步驟

a. 壓力室放置試樣。 首先將制備好的岩樣放入水壓力室內, 分層直立或橫卧擺放;蓋上蓋板並將加固螺栓擰緊, 固定好。

b. 壓力室充水。 通過進水管向水壓力室內注水, 注水期間將放氣螺絲打開, 將水壓力室內空氣排除, 直至水漫出注水管後, 封閉進水管, 擰緊放氣螺絲。

c. 控制壓力室水壓力。 連接外部壓力控制系統與內部壓力控制系統, 確認連接完成後, 將總控箱中的氣源壓力調節閥全部放開(擰至最松位置), 放氣閥放到「開」的位置。 緩慢旋轉氣源壓力調節閥, 按照實驗要求調節壓力, 並通過外部壓力系統通過壓力傳到裝置將壓力傳遞給水, 保證水-岩作用是在一定庫水條件下進行。

d. 取出試樣。 完成一個實驗周期之後(實驗流程要求), 獲取試樣之前, 首先關閉總氣源(氮氣瓶), 按照試驗流程調節閥慢慢將氣源壓力減小, 打開放氣閥以及放氣螺絲,使殘余氣體放出。 開放水樣採集口, 獲取足夠水樣供分析。 取出岩樣做相應分析。

(3)岩石溶解試驗儀的特點

該儀器製作的優點是: 結構簡單、 易操作、安全可靠, 可以模擬庫區岩體所處不同水壓力環境, 根據需要保持或調節水壓力狀態模擬庫水位升降; 設置動、 靜水模擬控制系統, 以模擬庫水擾動; 設置取水管道, 以便分析離子濃度的變化。

該儀器可以模擬在庫水升降條件及水壓力狀態下岩石所處的水環境, 為研究庫水條件下水-岩作用機理及力學特性而提供一套室內實驗平台。