CN101813604B - 一种抗水压注浆岩体耐久性试验装置 - Google Patents

Abstract

一种抗水压注浆岩体耐久性试验装置，包括压力腔、控制柜、加温设备、加压设备、量测设备以及附属设备，加温设备可为压力腔提供稳定的热源，加压设备可为压力腔提供围压、渗透压，压力腔可借助万能试验机施加轴压，具有耐腐蚀性，可实现不同温度、不同压力下的三种不同尺寸标准试样的环向、垂向渗透试验，量测设备可实现温度、压力、流量的精确测量，控制柜可实现压力、温度的精确控制。本发明可用于在室内研究隧道抗水压注浆岩体或大坝防渗帷幕在高水压及侵蚀性环境下的耐久性问题，同时可以实现对温度场、渗流场、应力场、化学场耦合作用下岩样渗透率的变化规律的研究。

Description

一种抗水压注浆岩体耐久性试验装置

技术领域

本发明属于隧道和地下工程领域，涉及抗水压注浆岩体室内试验装置。

背景技术

目前，在抗水压注浆岩体耐久性分析领域，尚无相关试验装置。与本发明相似的产品主要有各种三轴试验装置，主要用于土样或岩样的常规三轴试验、流变试验或相关动力试验。此类试验装置围压施加方式一般为油压式、活塞式或采用伺服加载系统，例如中国矿业大学的三轴岩硐流变试验仪(专利号：CN1087719A)、清华大学的双活塞式多功能三轴压力室(专利号：CN1034806A)、中科院武汉岩土力学研究所的岩石双联动三轴流变仪(专利号：CN101135622A)。此类试验装置由于加载方式的限制，不能完成环向渗透试验。垂向渗透时，由于压力室不具耐腐蚀性，不能施加具有腐蚀性的渗透液，因而不能完成具有腐蚀性的化学场的室内模拟。此类试验装置的加温设备一般采用伺服系统，直接给加压液体加温，当加压液体在三轴室内滞留较长时间时，其温度必然会有所降低，势必影响试验精度，并且直接给油加温具有一定的危险性。总之，此类试验装置最多只能实现加温、加压(轴压、围压、渗透压)，即只能实现对温度场、渗流场、应力场的模拟，只能实现轴向渗透，且同一仪器只支持同一标准尺寸试样，在实际操作中存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗水压注浆岩体耐久性试验装置，能够解决在室内研究隧道注浆岩体或大坝防渗帷幕在高水压及侵蚀性环境下的耐久性问题，同时可以在室内同时模拟自然界中岩石所处的复杂场环境——温度场、渗流场、应力场、化学场，研究四场耦合作用下破裂岩样渗透性的长期变化规律。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种抗水压注浆岩体室内试验装置，包括压力腔、加压设备、加温设备、量测设备、控制柜，加温设备向压力腔提供稳定的热源；加压设备给压力腔提供围压、渗透压，压力腔可借助万能试验机施加轴压，具有耐腐蚀性；量测设备精确测量温度、压力、流量；控制柜精确控制压力、温度，相互配合实现注浆岩样的轴向、环向渗透，可同时模拟注浆岩样赋存的温度场、渗流场、应力场、化学场。

其加温设备采用加热片加温，采用温度传感器监控压力腔温度，采用温度测控仪控制温度，可实现温度的精确控制。

其轴压采用轴压柱，借助万能试验机施加。

其围压、渗透压分别采用彼此独立的高压氮气钢瓶结合气水交换罐施加。

其压力腔采用压盖密封，试样采用压紧螺栓结合试样上、下压座密封。

进一步，

压力腔包括压顶螺母、压盖、轴压柱、试样上压盖、仪器密封圈、上盖、螺帽、撑杆、试样、试样下压盖、试样密封圈、仪器密封圈、试样盖、透水石、压力腔套、下盖，压力腔材料为耐腐蚀不锈钢。其中，轴压柱位于试样上压盖上，可外接加压设备，施加轴压，轴压施加范围为0-10MPa；压顶螺母螺于压盖上，旋紧后可固定试样上压盖，使其与试样盖接触紧密；仪器密封圈位于压盖下，可使压力腔保持密封；螺帽旋于撑杆上，旋紧后可使上盖、下盖与压力腔套接触紧密，形成一个密封的整体；透水石位于试样的上下两端，可使轴向水流均匀通过试样；试样密封圈位于试样上压盖、试样下压盖上，可使试样与其上下压盖接触紧密。

加温设备包括加热片、温度传感器、温度调节器。其中，加热片位于压力腔套外，可给压力腔加温；温度传感器位于压力腔内，可量测压力腔内温度；温度调节器与压力传感器连接，可预设温度值，最高温度值为100摄氏度，最低温度值为室温，控制精度为0.5摄氏度，当温度传感器量测到压力腔内温度高于预设值时，温度调节器会自动切断加热片电源，停止加热，当温度传感器量测到压力腔内温度低于预设值时，温度调节器会自动接通加热片电源，继续加热。

加压设备包括氮气瓶、控制阀、调压阀、开关、水箱、开关、气水交换罐、控制阀、水箱、氮气瓶、开关、开关、调压阀、气水交换罐。其中，氮气瓶通过软管连接到调压阀上；控制阀控制氮气瓶氮气进出；调压阀通过软管连接到气水交换罐上，可预设压力值，使气水交换罐压力恒定，调压阀工作压力范围为0-5MPa，控制精度为0.01MPa；气水交换罐通过软管连接到压力腔内，调压阀输入的高压气体将罐试验用水压进压力腔，施加围压，并使压力腔内水压力值等于调压阀预设值；水箱通过软管与气水交换罐连接，补充罐内试验用水，补充完毕后关闭开关。氮气瓶及其相关连接设备工作原理与以上相同，用于给压力腔施加轴向渗透高压水。

量测设备包括流量计、温度调节器、温度传感器、压力传感器、压力传感器。流量计连接于压力腔底部，用于量测垂向渗透流量；温度调节器与温度传感器相连，用于量测并控制压力腔内温度；压力传感器、压力传感器分别用于量测压力腔内轴向、环向压力。

控制柜集成压力传感器、调压阀、温度传感器、压力传感器、位移传感器、温度调节器，便于集成控制。

总的来说，本装置由压力腔，控制柜、加温设备、加压设备、量测设备以及附属设备组成。加压设备为压力腔提供围压、渗透压，加温设备为压力腔提供稳定的热源，控制柜可实现温度、压力、溢流量的定量控制，压力腔为试样容器，具有耐腐蚀性，量测设备可测量温度、压力、溢流量。

通过加温设备实现压力腔的加热，加压设备实现压力腔围压、渗透压的施加，并能施加带有一定化学成分的渗透液，通过控制柜实现对温度、压力的精确控制，量测设备实现溢流量的精确测量，即可实现在室内研究隧道注浆岩体或大坝防渗帷幕在高水压及侵蚀性环境下的耐久性问题，同时可以实现对温度场、渗流场、应力场、化学场耦合作用下破裂岩样渗透性的长期变化规律的研究。

由于采用上述技术方案，本发明可用于抗水压注浆岩体耐久性试验，也可用于研究破裂岩样在温度场(Thermo)-渗流场(Hydro)-应力场(Mechanical)-化学场(Chemical)耦合作用下渗透性长期变化的相关试验，具有以下有益效果：

1、可以同时模拟温度场、渗流场、应力场、化学场。

2、不但能实现轴向渗透，且能做环向渗透试验。

3、支持3种不同尺寸的标准试样。

4、设备简单易用。

附图说明

图1是本发明实施例的试验装置工作原理图；

其中，1-氮气瓶；2-控制阀；3-调压阀；4-开关；5-水箱；6-开关；7-气水交换罐；8-压力传感器；9-上盖；10-撑杆；11-加热片；12-螺帽；13-温度传感器；14-压盖；15-压紧螺母；16-轴压柱；17-试样上压盖；18-试样；19-试样下压盖；20-试样密封圈；21-仪器密封圈；22-试样盖；23-透水石；24-压力腔套；25-下盖；26-流量计；27-电源开关；28-控制柜；29-控制阀；30-水箱；31-氮气瓶；32-开关；33-开关；34-压力传感器；35-调压阀；36-气水交换罐；37-温度调节器；38-位移传感器。

图2是图1所示实施例中撑杆的结构图；

图3是图2所示撑杆C-C剖面图；

图4是图1所示实施例中上盖的结构图；

图5是图1所示实施例中试样上压盖的结构图；

图6是图1所示实施例中试样下压盖的结构图；

图7是图1所示实施例中下盖的结构图；

图8是图1所示实施例中仪器压盖的结构图；

图9是图8所示仪器压盖的平面图；

图10是图1所示实施例中压紧螺母的结构图；

图11是图1所示实施例中压力腔套的结构图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

请参阅图1-8，本发明实施例，压力腔包括压顶螺母15、压盖14、轴压柱16、试样上压盖17、仪器密封圈21、上盖9、螺帽12、撑杆10、试样18、试样下压盖19、试样密封圈20、仪器密封圈21、试样盖22、透水石23、压力腔套24、下盖25，压力腔材料为耐腐蚀不锈钢。其中，轴压柱16位于试样上压盖17上，可外接加压设备，施加轴压，轴压施加范围为0-10MPa；压顶螺母15螺于压盖14上，旋紧后可固定试样上压盖17，使其与试样盖22接触紧密；仪器密封圈21位于压盖14下，可使压力腔保持密封；螺帽12旋于撑杆10上，旋紧后可使上盖9、下盖25与压力腔套24接触紧密，形成一个密封的整体；透水石23位于试样18的上下两端，可使轴向水流均匀通过试样；试样密封圈20位于试样上压盖17、试样下压盖19上，可使试样与其上下压盖接触紧密。

加温设备包括加热片11、温度传感器13、温度调节器37。其中，加热片11位于压力腔套24外，可给压力腔加温；温度传感器13位于压力腔内，可量测压力腔内温度；温度调节器37与压力传感器13连接，可预设温度值，最高温度值为100摄氏度，最低温度值为室温，控制精度为0.5摄氏度，当温度传感器量测到压力腔内温度高于预设值时，温度调节器会自动切断加热片电源，停止加热，当温度传感器量测到压力腔内温度低于预设值时，温度调节器会自动接通加热片电源，继续加热。

加压设备包括氮气瓶1、控制阀2、调压阀3、开关4、水箱5、开关6、气水交换罐7、控制阀29、水箱30、氮气瓶31、开关32、开关33、调压阀35、气水交换罐36。其中，氮气瓶1通过软管连接到调压阀3上；控制阀2控制氮气瓶1氮气进出；调压阀3通过软管连接到气水交换罐7上，可预设压力值，使气水交换罐7压力恒定，调压阀工作压力范围为0-5MPa，控制精度为0.01MPa；气水交换罐7通过软管连接到压力腔内，调压阀输入的高压气体将罐试验用水压进压力腔，施加围压，并使压力腔内水压力值等于调压阀3预设值；水箱5通过软管与气水交换罐连接，补充罐内试验用水，补充完毕后关闭开关4。氮气瓶31及其相关连接设备工作原理与以上相同，用于给压力腔施加轴向渗透高压水。

量测设备包括流量计26、温度调节器37、温度传感器13、压力传感器8、压力传感器34。流量计26连接于压力腔底部，用于量测垂向渗透流量；温度调节器37与温度传感器13相连，用于量测并控制压力腔内温度；压力传感器8、压力传感器34分别用于量测压力腔内轴向、环向压力。

控制柜集成压力传感器、调压阀、温度传感器、压力传感器、位移传感器、温度调节器，便于集成控制。

(1).轴向渗透试验

a.试样制作

用岩芯钻机及岩石切割机将岩样加工成规格为50mm×50mm的标准试样，试样两端打磨平整。采用三轴试验破裂岩石或者按照现场情况预制裂隙，模拟现场浆液配比进行注浆胶合。

b.水样配制

根据试验要求，计算所需化学制剂及水的用量，用天平称取所需化学制剂，用量筒量取所需水量，将二者倒入玻璃容器中，搅拌直至完全溶解。试样制备好后，必须密封遮光保存，以备使用。

c.洗样

试样制备好后，浸没在已制备好的水样中2小时，保证试样充分浸水。

d.试样安装

如图1，将试样上下两端分别放上透水石23，并放好试样盖22，套好橡胶膜。将试样下压座19放好橡胶圈20，将试样置于其上，放好试样上压盖。旋紧上压环14，旋紧压顶螺母15，旋紧轴压柱16，完成试样安装。

e.气水交换罐进水

将水箱5灌满水样，打开开关4，待气水交换罐7水位上升至大约80％位置时，关闭开关4。水箱30灌满水溶液，打开开关32，待气水交换罐36水位上升至大约80％位置时，关闭开关32。

f.检验密闭性

打开氮气钢瓶31控制开关29，调节调压阀35至1MPa，打开开关33，10分钟后若流量计26无读数显示，说明试样密闭性好，可进行下一步试验，否则重新安装试样。

g.加温

打开电源开关27，调节温度调节器37至所需温度。

h.施加轴压

将仪器置于万能试验机上，轴压柱16与万能试验机加压铸中心线重合，施加所需压力。

i.施加围压

调节调压阀35至所需压力值，打开开关33。

j.施加渗透压

调节调压阀3至所需压力值，打开开关6。

k.量测

每隔6小时记录一次流量计26读数，若流量变化较大应缩短间隔时间。当本次测得流量为上一次的3倍时，终止试验。

(2).环向渗透试验

a.试样制作

用岩芯钻机及岩石切割机将岩样加工成规格为外径45mm、内径30mm、高50mm的标准试样，试样两端打磨平整。钻取中空试样或者采用预留裂隙的有机玻璃质中空模具，模拟现场浆液配比进行注浆胶合。另外可根据试验需要，将试验外径加工成55mm、65mm，试验时放置在试样下压座19的中间、外圈卡口上。

b.水样配制

根据试验要求，计算所需化学制剂及水的用量，用天平称取所需化学制剂，用量筒量取所需水量，将二者倒入玻璃容器中，搅拌直至完全溶解。试样制备好后，必须密封遮光保存，以备使用。

c.洗样

试样制备好后，浸没在已制备好的水样中2小时，保证试样充分浸水。

d.试样安装

将试样下压座19内圈卡口上放好橡胶圈20，将试样置于其上，放好试样上压盖。旋紧上压环14，旋紧压顶螺母15，旋紧轴压柱16，完成试样安装。

e.气水交换罐进水

将水箱30灌满水溶液，打开开关32，待气水交换罐36水位上升至大约80％位置时，关闭开关32。f.检验密闭性

打开氮气钢瓶31控制开关29，调节调压阀35至1MPa，打开开关33，10分钟后若流量计26无读数显示，说明试样密闭性好，可进行下一步试验，否则重新安装试样。

g.加温

打开电源开关27，调节温度调节器37至所需温度。

h.施加围压

调节调压阀35至所需压力值，打开开关33。i.量测

每隔6小时记录一次流量计26读数，若流量变化较大应缩短间隔时间。当本次测得流量为上一次的3倍时，终止试验。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种抗水压注浆岩体室内试验装置，其特征在于：包括压力腔、加压设备、加温设备、量测设备、控制柜，加温设备向压力腔提供稳定的热源；加压设备给压力腔提供围压、渗透压，压力腔借助万能试验机施加轴压，具有耐腐蚀性；量测设备精确测量温度、压力、流量；控制柜精确控制压力、温度，相互配合实现注浆岩样的轴向、环向渗透，同时模拟注浆岩样赋存的温度场、渗流场、应力场、化学场；

所述压力腔包括压顶螺母、压盖、轴压柱、试样上压盖、仪器密封圈、上盖、螺帽、撑杆、试样、试样下压盖、试样密封圈、仪器密封圈、试样盖、透水石、压力腔套、下盖，其中，轴压柱位于试样上压盖上，外接加压设备，施加轴压；压顶螺母螺于压盖上，旋紧后固定试样上压盖，使其与试样盖接触紧密；仪器密封圈位于压盖下，使压力腔保持密封；螺帽旋于撑杆上，旋紧后使上盖、下盖与压力腔套接触紧密，形成一个密封的整体；透水石位于试样的上下两端，使轴向水流均匀通过试样；试样密封圈位于试样上压盖、试样下压盖上，使试样与其上下压盖接触紧密；

所述加温设备包括加热片、温度传感器、温度调节器，其中，加热片位于压力腔套外，给压力腔加温；温度传感器位于压力腔内，量测压力腔内温度；温度调节器与温度传感器连接；

所述加压设备包括第一氮气瓶、第一控制阀、第一调压阀、第一开关、第一水箱、第二开关、第一气水交换罐、第二控制阀、第二水箱、第二氮气瓶、第三开关、第四开关、第二调压阀、第二气水交换罐，其中，第一氮气瓶、第二氮气瓶分别通过对应的软管连接到对应的第一调压阀和第二调压阀上；第一控制阀、第二控制阀分别控制对应的第一氮气瓶和第二氮气瓶氮气进出；第一调压阀和第二调压阀分别通过对应的软管连接到对应的第一气水交换罐和第二气水交换罐上；第一气水交换罐和第二气水交换罐分别通过对应的软管连接到压力腔内，第一调压阀输入的高压气体将罐试验用水压进压力腔，施加围压，并使压力腔内水压力值等于第一调压阀预设值；第一水箱和第二水箱分别通过对应的软管与对应的第一气水交换罐和第二气水交换罐连接，补充罐内试验用水；第二氮气瓶用于给压力腔施加轴向渗透高压水；连接第一水箱和第一气水交换罐的软管、连接第二水箱和第二气水交换罐的软管、连接第一气水交换罐和压力腔的软管和连接第二气水交换罐和压力腔的软管上分别设有相应的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述量测设备包括流量计、第一压力传感器、第二压力传感器；流量计连接于压力腔底部，用于量测垂向渗透流量；第一压力传感器、第二压力传感器分别用于量测压力腔内轴向、环向压力。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述轴压施加范围为0-10MPa，压力腔材料为耐腐蚀不锈钢。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述温度调节器预设温度值，最高温度值为100摄氏度，最低温度值为室温，控制精度为0.5摄氏度。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述加压设备预设压力值，使气水交换罐压力恒定，调压阀工作压力范围为0-5MPa，控制精度为0.01MPa。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述控制柜集成所述第一调压阀、所述第二调压阀、所述温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、位移传感器、所述温度调节器，便于集成控制。

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