CN104568707B - 一种多场耦合试验试件防水侧漏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合试验试件防水侧漏装置，包括上水孔压盘、下水孔压盘、内热塑管和外热塑管，上水孔压盘与下水孔压盘形状相同，上水孔压盘倒扣在岩石试件的顶部，下水孔压盘向上支撑在岩石试件的底部，内热塑管套设于岩石试件的中部，内热塑管上安装有湿敏电阻，外热塑管包裹整个岩石试件以及上水孔压盘、下水孔压盘顶部，外热塑管与上水孔压盘、下水孔压盘的包裹区域上缠有胶带，胶带外部套有铁丝，外热塑管外表面设置有轴向位移引伸计和环向位移引伸计。本发明采用内热塑管和外热塑管对整个侧漏装置进行密封，实现了试件的完整密封，杜绝了孔隙水与硅油的相互混入，保证了围压和渗透压加载系统的稳定性。

Description

一种多场耦合试验试件防水侧漏装置

技术领域

本发明涉及地质技术领域，涉及一种多场耦合试验试件防水侧漏装置。

背景技术

节理裂隙岩体是水力工程、交通运输工程、采矿工程、石油开采、地下隧道工程、核废料地下深埋工程、国防地下建设工程等问题中广泛遇到的工程介质，不同的温度、渗透压力差、围岩应力均对裂隙岩体形变及渗流特性有重要影响，通过岩石温度—渗流—应力耦合作用实验来了解裂隙岩体的渗流力学及其变形特征，为各种岩体工程的设计及其建造提供重要的依据。

工程岩体一般处于三向应力状态下，因此，研究岩石在三轴压缩条件下的变形与渗流特性对实际工程更具指导意义。三轴压缩条件下的变形特征主要通过三轴试验进行研究。根据试验的应力状态，三轴试验可分为两类：常规三轴试验和真三轴试验。常规三轴试验的应力状态为σ₁>σ₂＝σ₃>0,即岩石试件受轴压和围压作用，又称为普通三轴试验或假三轴试验。真三轴试验的应力状态为σ₁>σ₂>σ₃>0，即岩石试件在三个彼此不等压三轴试验。目前普遍使用的是常规三轴试验，但传统装置的缺陷：(1)由于没有统一岩石温度—渗流—应力耦合作用试验标准，目前普遍沿用岩石应力作用试验标准对试件进行密封。通常使用热塑管包裹岩石试件，然后用热吹风机对其加热，使之收缩贴合试件外表面，主要是防止岩石破碎时碎渣溅入硅油内，同时具有一定的密封性。(2)传统装置或为简陋或为繁琐，操作非常不便、而且测试数据失真，不适合规模化、稳定化的生产和施用。(3)传统的装置的突出问题还在于，用于渗透—应力耦合实验时，热塑管密封不严的问题便显现出来。当施加较高渗透压时，水流均从上水孔压盘与试件的上接触面溢出，直接混入硅油内，造成了围压压力失稳、渗透压失真以及硅油的浪费。由于巨大的渗透压差，使得水流极易贯通热塑管和试件的侧隙，形成水流通路，造成岩石渗流假象；水流通路挤涨热塑管，数据采集系统中环向位移引伸计得到的岩石流变环向位移量失真。因此，现行的岩石应力作用试验试件密封标准不适于研究岩石温度—渗流—应力耦合作用试验岩石的渗流特性。(4)此外，目前众多的实验均未涉及到不同温度条件下岩石试件密封装置及方法的研究。岩石在不同温度下表现出不同的岩石力学性质，在不同温度下岩石渗流必将呈现出不同的渗流特性，故研究岩石渗流试验考虑温度的影响也是一项关键的技术。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、密封性好的多场耦合试验试件防水侧漏装置。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种多场耦合试验试件防水侧漏装置，包括上水孔压盘、下水孔压盘、内热塑管和外热塑管，上水孔压盘与下水孔压盘形状相同，上水孔压盘和下水孔压盘的内部均为空心，底部为一密封的平面，顶部为管状部件且顶部设有开口，上水孔压盘上设有进水孔，下水孔压盘上设有出水孔，上水孔压盘的底部朝上、顶部开口向下倒扣在岩石试件的顶部，下水孔压盘的底部向下、顶部开口向上支撑在岩石试件的底部，所述内热塑管套设于岩石试件的中部，内热塑管外表面上安装有湿敏电阻，所述外热塑管包裹整个岩石试件以及上水孔压盘、下水孔压盘顶部的管状部件，外热塑管与上水孔压盘、下水孔压盘的顶部包裹区域上缠有胶带，胶带外部套有铁丝，岩石试件中部区域的外热塑管外表面竖向设置有轴向位移引伸计、横向设置有环向位移引伸计。

上述多场耦合试验试件防水侧漏装置中，所述岩石试件为圆柱形，其截面大小与上水孔压盘和下水孔压盘的顶部截面面积大小相同。

上述多场耦合试验试件防水侧漏装置中，所述外热塑管与上水孔压盘的管状部件、下水孔压盘的管状部件、岩石试件未套有内热塑管的区域接触处均填充有胶。

上述多场耦合试验试件防水侧漏装置中，所述胶包括环氧胶黏剂和固化剂，环氧胶黏剂和固化剂的质量比为3∶2。

上述多场耦合试验试件防水侧漏装置中，所述湿敏电阻为MSOI型半导体湿敏电阻器。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用内热塑管和外热塑管对整个侧漏装置进行密封，实现了试件的完整密封，杜绝了孔隙水与硅油的相互混入，保证了围压和渗透压加载系统的稳定性；

2.本发明在热塑管和岩石试件未套有内热塑管的区域之间填充有胶，避免了水流从热塑管和试件中的空隙形成渗流通路，进而影响试件环向形变数据采集和渗透系数的测定，保证了试验数据的真实性；

3.本发明内热塑管外表面设有湿敏电阻，可实时观测渗流水是否侧漏。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为岩石试件包裹材料的截面示意图。

图3为装置在试验机上的示意图。

图4为采用本发明前进行三轴试验20℃时渗透压差与时间图。

图5为采用本发明前进行三轴试验湿敏电阻阻值变化图。

图6为采用本发明后进行三轴试验20℃时渗透压差与时间图。

图7为采用本发明后进行三轴试验40℃时渗透压差与时间图。

图8为采用本发明后进行三轴试验60℃时渗透压差与时间图。

图中，1.上水孔压盘，2.下水孔压盘，3.进水孔，4.出水孔，5.岩石试件，6.内热塑管，7.湿敏电阻，8.外热塑管，9.胶带，10.铁丝，11.轴向位移引伸计，12.环向位移引伸计，13.底座插销，14.底座，15.顶部插销，16.固定圆盘，17.环形加热圈，18.温度传感器，19.出油口，20.进油口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括上水孔压盘1和下水孔压盘2，上水孔压盘1和下水孔压盘2的形状相同，上水孔压盘1和下水孔压盘2的底部均为一密封的平面且底部中心设有插销孔，上水孔压盘1和下水孔压盘2内部均为空心，顶部为圆柱形的管状部件且顶部设有开口，上水孔压盘1上设有进水孔3，通过进水孔3连接外部的进水管，将水灌入上水孔压盘1内部，下水孔压盘2上设有出水孔4，通过出水孔4连接外部的水管，将下水孔压盘2内的水排出，上水孔压盘1的底部朝上、顶部开口向下倒扣在岩石试件5的顶部，下水孔压盘2的底部向下，顶部开口向上支撑在岩石试件5的底部，岩石试件5为圆柱形，截面大小与上水孔压盘1和下水孔压盘2的顶部开口面积大小相同，岩石试件5的中部套有宽为30mm的内热塑管6，如图2所示，在内热塑管6外表面安装湿敏电阻7，内热塑管6外安装湿敏电阻7是为避免岩石内部渗流水影响湿敏电阻7的阻值，湿敏电阻7材料为MSOI型半导体湿敏电阻器，是由硅粉掺入少量碱金属氧化物烧结而成的,具有电阻值随周围相对湿度的增加而减小的特点。整个岩石试件5和上水孔压盘1、下水孔压盘2的管状部件被外热塑管8包裹，外热塑管8与上水孔压盘1、下水孔压盘2管状部件接触处填充有胶，外热塑管8与岩石试件5未套有内热塑管6的区域填充有胶，在外热塑管8与上水孔压盘1、下水孔压盘2的顶部包裹区域缠有胶带9，胶带9外部套有铁丝10，通过缠绕胶带9和上紧铁丝10将外热塑管8紧固，在岩石试件5中部区域的外热塑管8外表竖向设置轴向位移引伸计11、横向设置环向位移引伸计12。

旋转底座、固定圆盘和两根支撑杆，所述旋转底座的中部设有底座插销，固定圆盘的中部设有顶部插销，所述上水孔压盘与下水孔压盘的底面中心设有插销孔，下水孔压盘的底插销孔对准底座插销安装在旋转底座内，上水孔压盘的底插销孔对准顶部插销安装在固定圆盘内，所述的两根支撑杆对称分布在旋转底座的两侧，支撑杆的底端固定在旋转底座上，支撑杆的上部固定在固定圆盘上。

本发明装置中，湿敏电阻7通过引脚连接数据线外接开关与电源，工作电压≤8V(交流电压),MSOI型半导体湿敏电阻器具有体积小、抗水性能好—短时间完全浸入水中也不会失效、阻值变化范围大—电阻值在1KΩ～1000KΩ数量级变化，容易监测等优点。假若渗透水流从侧隙渗入时，由于水是导电物质,会引起电极间电导率或介电常数上升。MSOI型半导体湿敏电阻器的感湿层具有电解质特性,正离子吸引空气中水分子的羟基(OH-),在外加电压的作用下,产生电子移动，宏观上表现为湿敏电阻7的阻值随含水量的增大而降低，通过数据线在电脑终端即可显示。湿敏电阻7即可实时监测岩石试件5与外热塑管8的侧隙是否有水渗入。

本发明采用AB胶粘合岩石试件5与外热塑管8、用胶带9和铁丝10紧固实现试件的密封。AB胶即环氧胶黏剂与固化剂的简称，因为环氧树脂含有多种极性基团和活性很大的环氧基，能与岩石，塑料等多种材料形成很强的粘结力，胶结强度高。环氧树脂加入填料后体积收缩率在0.2％以下，环氧固化物的线胀系数也很小。胶层的尺寸稳定性好。环氧胶黏剂与固化剂质量按3∶2的比例调配好之后，能够配制成耐高温、韧性好的固化体系，最适于不同温度下的温度—渗流—应力耦合作用试验。岩石试件5可选用直径50mm，长度为100mm的圆柱形茅口灰岩。

本发明的安装步骤是：如图1所示，在岩石试件5中部位置包裹宽为30mm的内热塑管6；将湿敏电阻7粘合在内热塑管6外表面；之后将岩石试件5外表面均匀涂抹AB胶(内热塑管6区域不涂)；用白色胶带9分别缠绕上水孔压盘1和下水孔压盘2的管状顶部，拧紧铁丝10；将下水孔压盘2的插销孔对准底座插销13安装在底座14内；将岩石试件5安放在下水孔压盘2的顶部开口上并套上外热塑管8；上水孔压盘1的顶部开口也套入外热塑管8内；对准顶部插销15套上固定圆盘16；旋转底座14，用吹风机加热内热塑管6和外热塑管8，使之加热收缩，完美贴合岩石试件5；将外热塑管8外用白色胶带9缠绕，再用铁丝10拧紧，进一步密封；安装轴向位移引伸计11和环向位移引伸计12。

将上述装置安装完毕后，待12小时AB胶凝结后，双手托住下水孔压盘2放入试验机内，如图3所示，试验机上设有出油口19和进油口20，在进水孔3、出水孔4分别安装进水管和出水管；将三轴腔缓慢放下，形成密闭的实验空间；往三轴腔内注入硅油，通过油泵对岩石试件5施加预定的均匀围压；之后油泵通过座动缸施加轴向压力；对上水孔压盘1、下水孔压盘2施加不同的渗透压力，使得岩石试件5上下界面形成渗透压力差，从而进行渗流；通过三轴腔外的三个环形加热圈17，并通过三轴腔内温度传感器18实时监测温度，达到预定实验温度；最后通过数据采集系统中的轴向位移引伸计11、环向位移引伸计12和温度传感器18的数据，实现对岩石的径向位移、环向形变、渗透压力差这些数据的实时采集。

图4为20℃下外热塑管与岩石试件之间未采用AB胶粘合的渗流压力差与时间图，由于没有使用AB胶粘合试件与外热塑管，侧隙极易贯通；从图中我们可以看出岩石渗流时间不到2分钟，且渗透压力差(Detta Pressure)下降速度极快，由此推测水流是从侧隙形成通路，造成渗流假象；进一步，从图5可直观看出，在试验最初没有侧隙水贯通的情况下，湿敏电阻电阻值为无穷大，随着试验时间的推移，侧隙水逐渐贯通，监测到的电阻值逐渐降低，由开始的无穷大降到为770KΩ，随后降到电阻值为40KΩ，当侧隙水进一步贯通，电阻值降为5.1KΩ；由于侧隙水量的逐渐增加，导致湿敏电阻电阻值降低，说明侧隙有水侧漏；

图6为20℃下采用AB胶粘合了外热塑管和岩石试件的渗流压力差与时间图，采用AB胶粘合试件热塑管后，侧隙通路被彻底封堵，水流只能从岩石试件内部渗流，且渗流速度较慢，符合工程实际，宏观上表现为渗流时间长达3小时；并且由于没有侧隙水流的贯通，MSOI型半导体湿敏电阻器电阻值始终为无穷大，证明这种多场耦合试验试件防水侧漏的装置及方法切实有效。

图7为40℃下采用AB胶粘合了外热塑管和岩石试件的渗流压力差与时间图，采用AB胶粘合试件热塑管后，侧隙通路被彻底封堵，水流只能从岩石试件内部渗流，且渗流速度较慢，符合工程实际，宏观上表现为渗流时间长达3小时左右；并且由于没有侧隙水流的贯通，MSOI型半导体湿敏电阻器电阻值始终为无穷大，证明这种多场耦合试验试件防水侧漏的装置及方法在40℃切实有效。

图8为60℃下采用AB胶粘合了外热塑管和岩石试件的渗流压力差与时间图，采用AB胶粘合试件热塑管后，侧隙通路被彻底封堵，水流只能从岩石试件内部渗流，且渗流速度较慢，符合工程实际，宏观上表现为渗流时间长达200分钟左右；并且由于没有侧隙水流的贯通，MSOI型半导体湿敏电阻器电阻值始终为无穷大，证明这种多场耦合试验试件防水侧漏的装置及方法在60℃依旧切实有效。

Claims (4)

1.一种多场耦合试验试件防水侧漏装置，其特征在于：包括上水孔压盘、下水孔压盘、内热塑管和外热塑管，上水孔压盘与下水孔压盘形状相同，上水孔压盘和下水孔压盘的内部均为空心，底部为一密封的平面，顶部为管状部件且顶部设有开口，上水孔压盘上设有进水孔，下水孔压盘上设有出水孔，上水孔压盘的底部朝上、顶部开口向下倒扣在岩石试件的顶部，下水孔压盘的底部向下、顶部开口向上支撑在岩石试件的底部，所述内热塑管套设于岩石试件的中部，内热塑管外表面上安装有湿敏电阻，所述外热塑管包裹整个岩石试件以及上水孔压盘、下水孔压盘顶部的管状部件，外热塑管与上水孔压盘、下水孔压盘的顶部包裹区域上缠有胶带，胶带外部套有铁丝，岩石试件中部区域的外热塑管外表面竖向设置有轴向位移引伸计、横向设置有环向位移引伸计；采用AB胶粘合岩石试件与外热塑管，用胶带和铁丝紧固实现试件的密封，加热内热塑管和外热塑管，使内热塑管和外热塑管加热收缩，完美贴合岩石试件；所述外热塑管与上水孔压盘的管状部件、下水孔压盘的管状部件、岩石试件未套有内热塑管的区域接触处均填充有胶。

2.如权利要求1所述的多场耦合试验试件防水侧漏装置，其特征在于：所述岩石试件为圆柱形，其截面大小与上水孔压盘和下水孔压盘的顶部截面面积大小相同。

3.如权利要求2所述的多场耦合试验试件防水侧漏装置，其特征在于：所述胶包括环氧胶黏剂和固化剂，环氧胶黏剂和固化剂的质量比为3∶2。

4.如权利要求1所述的多场耦合试验试件防水侧漏装置，其特征在于：所述湿敏电阻为MSOI型半导体湿敏电阻器。