CN105388098B - 一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流特性的试验方法 - Google Patents

一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流特性的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石裂隙的制取和渗流装置,包括弧形压头系统、试件系统、加载系统,加载系统包括反力架、加载油缸、移动横梁,移动横梁设置在反力架内,加载油缸固定在反力架顶部,加载油缸与移动横梁相连,弧形压头系统包括第一弧形压头和第二弧形压头,第一弧形压头固定在移动横梁下端,第二弧形压头固定在反力架底部,试件系统包括岩石试件和热塑管,岩石试件夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间,岩石试件外包裹有热塑管。本发明的装置中岩石试件夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间,采用弧形接触的方式来制取岩石裂隙,使得加载弧面与试件侧面紧密贴合,制取的裂隙更贴近真是裂隙。本发明还公开了一种岩石裂隙渗流特性的试验方法。

Description

一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流特性的试验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及工程地质技术领域,特别涉及一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流 特性的试验方法。
背景技术
[0002] 裂隙岩体是水利水电工程、采矿工程、铁路和公路建设工程、土木建设工程、石油 工程、海洋勘探与开发工程等各种工程中经常遇到的复杂介质,岩石裂隙的渗流规律始终 是岩石力学工作者研宄的前沿与热门课题。
[0003] 现有技术通过劈裂试验或人工割缝使岩石试件产生贯通裂隙,但是现有技术的制 取岩石裂隙与原生裂隙存在诸多差异,如劈裂试验产生两个岩块,将两个岩块合拢,从而形 成岩石裂隙,通过劈裂试验获取的岩石裂隙面是平滑干净的,不含岩石碎屑,因此这种方法 获取的岩石裂隙与真实的岩石裂隙之间存在较大的差异。其次通过人工割缝的方法制取的 岩石裂隙过于理想,无法模拟岩石裂隙的复杂性。对于岩石裂隙的渗流装置,现有技术针对 的是现成既有的岩石裂隙渗流装置,对岩石裂隙形成的全过程中的渗流装置和试验方法尚 未见。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题,本发明提供一种可以获得包含岩石碎屑的岩石裂隙的岩 石裂隙的制取和渗流装置,并提供一种测量岩石裂隙形成过程中的渗流特性的试验方法。
[0005] 本发明解决上述问题的技术方案是:一种岩石裂隙的制取和渗流装置,包括弧形 压头系统、试件系统、加载系统,所述加载系统包括反力架、加载油缸、移动横梁,所述移动 横梁横向设置在反力架内并可紧贴反力架内壁滑动,所述加载油缸固定在反力架的顶部, 加载油缸与移动横梁上端相连,所述弧形压头系统包括第一弧形压头和第二弧形压头,第 一弧形压头固定在移动横梁下端,第二弧形压头固定在反力架的底部,且第一弧形压头与 第二弧形压头的弧形面相对设置,所述试件系统包括岩石试件和热塑管,所述岩石试件横 向夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间,岩石试件外包裹有热塑管。
[0006] 上述岩石裂隙的制取和渗流装置中,所述第一弧形压头与移动横梁之间设有压力 传感器。
[0007] 上述岩石裂隙的制取和渗流装置中,所述第一弧形压头与第二弧形压头之间设有 位移传感器。
[0008] 上述岩石裂隙的制取和渗流装置中,所述岩石试件为圆柱体试件,热塑管的一端 与岩石试件的一端平齐,热塑管的另一端伸出岩石试件另一端的端面。
[0009] 上述岩石裂隙的制取和渗流装置还包括流量测量系统,流量测量系统包括量杯和 电子天平,所述量杯置于电子天平上且正对岩石试件与热塑管的平齐端,热塑管伸出岩石 试件的空间内填充水体。
[0010] —种岩石裂隙渗流特性的试验方法:包括以下步骤:
[0011] (1)用热塑管包裹在圆柱体岩石试件的侧面,热塑管的下端与岩石试件的底部齐 平,热塑管的上端伸出岩石试件的上表面,在热塑管伸出岩石试件的空间内插入与岩石试 件直径相同的木棍;
[0012] (2)用热风枪对热塑管均匀加热,确保热塑管受热均匀收缩并紧贴在岩石试件和 木棍的侧面;待热塑管冷却后将木棍取出;
[0013] (3)将弧形压头系统与加载系统连接好,然后将反力架倒置,将包裹有热塑管的岩 石试件竖向放置于一垫块上,并置于第一弧形压头、第二弧形压头的弧形面中间,其中热塑 管伸出岩石试件的一端朝上,用水体充填热塑管伸出岩石试件的空间;
[0014] (4)用0.05mm/s的加载速率,加载油缸对移动横梁进行加载,移动横梁带动第一弧 形压头向第二弧形压头运动,当第一弧形压头、第二弧形压头与热塑管之间的接触压力达 到5.0 N,停止加载,将岩石试件下的垫块拿掉,在岩石试件的底部下方放置量杯和电子天 平,量杯置于电子天平上;将加载方式改为力控,加载速率设置为2N/s,重新加载;在加载过 程中记录压力传感器和位移传感器所记录的数据,并做出压力-位移曲线,当压力移曲 线产生跌落时,马上停止试验,此时岩石裂隙从岩石试件的中部产生,岩石裂隙被包裹在热 塑管内,其岩石碎屑也包含在岩石裂隙内;
[0015] (5)产生裂隙后,在加载过程中,岩石试件的下方的量杯收集通过岩石裂隙的水 体,用电子天平记录水体重量的变化规律,从而计算出水的流量,获得岩石裂隙形成过程中 的渗流特性。
[0016] 上述岩石裂隙渗流特性的试验方法,所述步骤(2)中,对热塑管包裹岩石芒件的部 位进行均匀加热,确保热塑管受热均匀收缩,并紧贴在岩石试件的侧面,热塑管包裹木棍的 部位加热到热塑管受热收缩接触木棍侧面即可。
[0017] 本发明的有益效果在于:
[0018] 1、本发明的装置设有第一弧形压头与第二弧形压头,第一弧形压头与第二弧形压 头的弧形面相对设置,岩石试件夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间,采用弧形接触 的方式来制取岩石裂隙,使得加载弧面与试件侧面紧密贴合,制取的裂隙更贴近真是裂隙。
[0019] 2、本发明的装置在岩石试件外包裹有热塑管,可避免岩石碎屑的流失,获得包含 岩石碎屑的岩石裂隙,获得的岩石裂隙与真实岩石裂隙更加接近。
[0020] 3、本发明的试验方法中,采用水体充填热塑管伸出岩石试件的空间,测量岩石裂 隙形成的全过程中的水流量的变化,从而获得岩石裂隙形成全过程中的渗流特性,填补了 现有技术的空白。
附图说明
[0021] 图1为本发明装置的结构示意图。
[0022] 图2为图1中第一弧形压头的结构示意图。
[0023]图3为图1中热塑管的结构示意图。
[0024]图4为本发明进行渗流试验时的装置放置示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0026] 如图1-图3所示,一种岩石裂隙的制取和渗流装置,包括弧形压头系统、试件系统、 加载系统和流量测量系统,所述加载系统包括反力架丨、加载油缸2、移动横梁3,所述移动横 梁3横向设置在反力架1内并可紧贴反力架1内壁滑动,所述加载油缸2固定在反力架1的顶 部,加载油缸2与移动横梁3上端相连,通过控制器控制加载油缸2的行程,所述弧形压头系 统包括第一弧形压头4和第二弧形压头5,第一弧形压头4用螺栓固定在移动横梁3下端,第 一弧形压头4与移动横梁3之间设有压力传感器8,第二弧形压头5用螺栓固定在反力架1的 底部,且第一弧形压头4与第二弧形压头5的弧形面9相对设置,第一弧形压头4与第二弧形 压头5之间设有位移传感器1〇,所述试件系统包括圆柱体的岩石试件6和热塑管7,所述岩石 试件6横向夹置于第一弧形压头4与第二弧形压头5之间,岩石试件6外包裹有热塑管7,热塑 管7的一端与岩石试件6的一端平齐,热塑管7的另一端伸出岩石试件6另一端的端面,在热 塑管7伸出岩石试件6的空间内充填水体11,所述流量测量系统包括量杯12和电子天平13, 所述量杯12置于电子天平13上且正对岩石试件6与热塑管7的平齐端。
[0027] 一种岩石裂隙渗流特性的试验方法:包括以下步骤:
[0028] (1)用长度为250ram热塑管7包裹在直径为50mm,高度为100mm的圆柱体岩石试件6 的侧面,热塑管7的下端与岩石试件6的底部齐平,热塑管7的上端伸出岩石试件6的上表面, 在热塑管7伸出岩石试件6的空间内插入与岩石试件6直径相同的木棍I5;
[0029] (2)用热风枪对热塑管7均匀加热,热塑管7包裹岩石试件6的部位进行均匀加热, 确保热塑管7受热均匀收缩,并紧贴在岩石试件6的侧面,热塑管7包裹木棍15的部位进行轻 微加热,以保证热塑管7受热收缩接触木棍15侧面;待热塑管7冷却后将木棍15取出,以确保 热塑管7包裹岩石试件6部位的口径与外露的未包裹岩石试件6部位的口径一致;
[0030] (3)将弧形压头系统与加载系统连接好,然后将反力架1倒置,将包裹有热塑管7的 岩石试件6竖向放置于一垫块上,并置于第一弧形压头4、第二弧形压头5的弧形面中间,其 中热塑管7伸出岩石试件6的一端朝上,用水体11充填热塑管7伸出岩石试件6的空间;
[0031] (4)用0.05mm/s的加载速率,加载油缸2对移动横梁3进行加载,移动横梁3带动第 一弧形压头4向第二弧形压头5运动,当第一弧形压头4、第二弧形压头5与热塑管7之间的接 触压力达到5.0 N,停止加载,将岩石试件6下的垫块拿掉,在岩石试件6的底部下方放置量 杯12和电子天平13,量杯12置于电子天平13上;将加载方式改为力控,加载速率设置为2N/ s,重新加载;在加载过程中记录压力传感器8和位移传感器10所记录的数据,并做出压力_ 位移曲线,当压力-位移曲线产生跌落时,马上停止试验,此时岩石裂隙14从岩石试件6的中 部产生,岩石裂隙被包裹在热塑管7内,其岩石碎肩也包含在岩石裂隙14内;
[0032] (5)产生裂隙后,在加载过程中,岩石试件6的下方的量杯12收集通过岩石裂隙的 水体11,用电子天平13记录水体11重量的变化规律,从而计算出水的流量,获得岩石裂隙形 成过程中的渗流特性。

Claims (2)

1. 一种岩石裂隙渗流特性的试验方法,利用岩石裂隙的制取和渗流装置实现,岩石裂 隙的制取和渗流装置包括弧形压头系统、试件系统、加载系统,所述加载系统包括反力架、 加载油缸、移动横梁,所述移动横梁横向设置在反力架内并可紧贴反力架内壁滑动,所述加 载油缸固定在反力架的顶部,加载油缸与移动横梁上端相连,所述弧形压头系统包括第一 弧形压头和第二弧形压头,第一弧形压头固定在移动横梁下端,第二弧形压头固定在反力 架的底部,且第一弧形压头与第二弧形压头的弧形面相对设置,所述试件系统包括岩石试 件和热塑管,所述岩石试件横向夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间,岩石试件外包 裹有热塑管;所述第一弧形压头与移动横梁之间设有压力传感器;所述第一弧形压头与第 二弧形压头之间设有位移传感器;所述岩石试件为圆柱体试件,热塑管的一端与岩石试件 的一端平齐,热塑管的另一端伸出岩石试件另一端的端面;还包括流量测量系统,流量测量 系统包括量杯和电子天平,所述量杯置于电子天平上且正对岩石试件与热塑管的平齐端, 热塑管伸出岩石试件的空间内填充水体; 试验方法具体包括以下步骤: (1) 用热塑管包裹在圆柱体岩石试件的侧面,热塑管的下端与岩石试件的底部齐平,热 塑管的上端伸出岩石试件的上表面,在热塑管伸出岩石试件的空间内插入与岩石试件直径 相同的木棍; (2) 用热风枪对热塑管均匀加热,确保热塑管受热均匀收缩并紧贴在岩石试件和木棍 的侧面;待热塑管冷却后将木棍取出; (3) 将弧形压头系统与加载系统连接好,然后将反力架倒置,将包裹有热塑管的岩石试 件竖向放置于一垫块上,并置于第一弧形压头、第二弧形压头的弧形面中间,其中热塑管伸 出岩石试件的一端朝上,用水体充填热塑管伸出岩石试件的空间; (4) 用0.05ram/s的加载速率,加载油缸对移动横梁进行加载,移动横梁带动第一弧形压 头向第二弧形压头运动,当第一弧形压头、第二弧形压头与热塑管之间的接触压力达到5.0 N,停止加载,将岩石试件下的垫块拿掉,在岩石试件的底部下方放置量杯和电子天平,量杯 置于电子天平上;将加载方式改为力控,加载速率设置为2N/s,重新加载;在加载过程中记 录压力传感器和位移传感器所记录的数据,并做出压力-位移曲线,当压力-位移曲线产生 跌落时,马上停止试验,此时岩石裂隙从岩石试件的中部产生,岩石裂隙被包裹在热塑管 内,其岩石碎屑也包含在岩石裂隙内; (5) 产生裂隙后,在加载过程中,岩石试件的下方的量杯收集通过岩石裂隙的水体,用 电子天平记录水体重量的变化规律,从而计算出水的流量,获得岩石裂隙形成过程中的渗 流特性。
2. 根据权利要求1所述的岩石裂隙渗流特性的试验方法:其特征在于:所述步骤(2)中, 对热塑管包裹岩石试件的部位进行均匀加热,确保热塑管受热均匀收缩,并紧贴在岩石试 件的侧面,热塑管包裹木棍的部位加热到热塑管受热收缩接触木棍侧面即可。
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