CN106198354A - 一种渗流、应力、温度耦合试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗流、应力、温度试验机，尤其是一种渗流、应力、温度耦合试验机。它包括试验机本体(28)，试验机本体(28)内设有试件夹具(1)，试验机本体(28)、水压压力源系统(2)、温度控制系统、加载和自动控制系统(6)、流量和温度量测系统(7)构成一个整体后连接于数据采集分析系统(8)。该发明公开的试验机考虑到渗流场、应力场与温度场的三场耦合作用，是一种能够进行渗流、三轴应力耦合与温度试验的三场耦合试验设备，实现了高精度流量、温度量测以及渗流过程中的密封问题，在岩体多场耦合研究中具有重要的意义。

Description

一种渗流、应力、温度耦合试验机

技术领域

本发明涉及一种渗流、应力、温度试验机，尤其是一种渗流、应力、温度耦合试验机。

背景技术

岩体的渗透性能是关系到岩体稳定和坝体安全的一个重要的指标。而现有大多数模型仅单独考虑渗流场、应力场与温度场的影响，而没有考虑其耦合影响。同时现有耦合试验研究大多缺乏应力、温度对岩体渗透系数的影响，也缺乏相应的试验设备，导致无法进行渗流、三轴应力与温度试验的三场耦合试验研究。而且现有的试验设备在流量、温度量测以及密封等方面并没有有效的措施，精度也不高，存在一定的偏差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种渗流、应力、温度耦合试验机，该试验机考虑到渗流场、应力场与温度场的三场耦合作用，是一种能够进行渗流、三轴应力与温度试验的三场耦合试验设备，同时能够实现高精度流量、温度量测，还解决了渗流过程中的密封问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

该种渗流、应力、温度耦合试验机包括试验机本体，所述试验机本体内设有试件夹具，试验机本体、水压压力源系统、温度控制系统、加载和自动控制系统、流量和温度量测系统构成一个整体后连接于数据采集分析系统。数据采集分析系统通过控制系统进行数据的采集分析，设有专门的分析采集程序控制。试验过程中可实时显示曲线、自动采样，保证长时间量测，同时可以根据用户需求打印通用的试验报告。

前述的试件夹具内壁铺设有一层紫铜板，试件夹具是整个渗流、三轴应力与温度耦合装置的关键环节，常规夹具内部采用不锈钢材料，导热性能比较差。紫铜板的设置使得夹具内温度更加均匀，更容易达到试验的温度条件。

前述的试件夹具内还设有试件，所述试件为100mm×100mm×200mm的长方体。岩石和混凝土的孔隙型渗流的渗透系数很小，要进行有效的测量需要使用数百米水头的工作水压，如此高的工作水压对试件的密封提出了很高的要求，另外渗流、三轴应力与温度耦合试验中还要求有很好的导热性能。因此在试件的四个侧面涂有一层粘结性强、柔韧性好的可固化导热硅脂灌封胶，对试件进行密封和导热。此种硅胶在固化前具有良好的流动性，并具有较好的弹性和强度，可以保证试件涂胶表面的平整度，不会因不平整而造成应力集中，还能有效的防止水从侧面渗漏进试件内。

前述的水压压力源系统包括精密柱塞泵，精密柱塞泵的一侧连通贮水箱，另一侧连通脉动阻尼器。在精密柱塞泵与脉动阻尼器之间的分支管路上，分别设有安全溢流阀、过压保护装置、两个压力变送器和流量出口，流量出口置于集水桶内。压力变送器和精密柱塞泵输出信号于数字调节仪，数字调节仪输出信号于计算机控制系统。水压压力源系统中水从贮水箱流出，由精密柱塞泵提供水压，采用高精度压力传感器作为压力反馈元件，计算机控制系统采用数字式调节仪构成闭环控制，提供恒定的水压控制。由于精密柱塞泵输出水压是波浪型的，在渗流达到稳定时，水压力以固定的周期和振幅波动，但试验所需的水压要求是恒定的，因此该系统引入脉动阻尼器对水压进行调制，该阻尼器起到吸收和释放能量的作用，能够控制水压的振动幅度。设计的该脉动阻尼器相比之前的阻尼器，容量更大，可以减小压力的振幅，保证压力曲线趋于平缓。另外将脉动阻尼器正对精密柱塞泵的水流方向，效果更好。为了安全起见，超过20％的设定水压时系统启动过压保护装置，当水压超过安全值时，通过安全溢流阀自动溢流。考虑到沿程压力损失，为了实现恒定压力，通过设立在试件进水头的压力变送器输送压力信号到数字调节仪进行自动压力反馈调节。精密柱塞泵有最低转速的限制，同时为保证泵的工作精度和稳定性，冲程有最小输出流量的限制，但是在做低渗透性的岩石渗流试验时，难以保证这个系统的最小流量。为此，在管路上设计一个流量出口，流量出口置于集水桶内，使得通过试件的流量加上该部分流量的总流量大于精密柱塞泵的最低输出量，让系统回到有效调节的工作范围。同时该流量出口还可以在不同的工作水压下，调节合适的管路流量，达到保持一个最小流量使得精密柱塞泵能长期工作不停机的目的。水压的稳定性和精度对试验结果的可靠性具有重要意义，围绕这两点设计的水压压力源系统，能够连续调节工作水压并能够长时间保持工作水压的稳定。

前述的温度控制系统包括冷却装置、加热装置、调节仪和测温探头，冷却装置和加热装置分别连接于试件夹具,试件夹具输出温度于测温探头，测温探头通过调节仪连接于加热装置。加热装置加热试件夹具的加热面，加热面紧靠试件表面对其加热。冷却装置进行温度控制，靠近加热面表面的测温探头进行温度反馈，调节仪通过控制加热装置中的电流改变加热功率来调节温度。另外也可以通过手动调节冷却装置中的冷却水温度和冷却水流量进行温度的粗调，通过调节仪和测温探头进行细调。

前述的温度控制系统为三个，分别为第一温度控制系统、第二温度控制系统和第三温度控制系统，采用多路独立控制，使得系统可以连续调节到所需恒定温度，很快达到稳定且长时间维持此温度，可以实现手动和机控温度，并可保持恒定地温度梯度。

前述的加载和自动控制系统包括四个平行的螺杆和两个固定座，所述的螺杆分别固定于两侧的固定座上，组合为框架。框架内设有试件、进水头和出水头，试件的一侧设有进水头，另一侧设有出水头。试验中提供一对水平x轴和一对垂直z轴压力，由水压力通过自平衡框架提供另一对水平y轴压力，使得试验机可以提供垂直方向和水平方向的压力，进而提供持续稳定的荷载。

前述的流量和温度量测系统包括流量量测系统和温度量测系统。流量量测系统中试验对象是低渗透率的岩石和混凝土，一般的流量计难以达到所需的精度，该量测系统采用高精度电子天平来量测渗流流量。所述的温度量测控制系统通过打孔后埋设在岩石试件内部的铂电阻来量测试验过程中的温度，通过巡检仪实时量测试件内部温度，来达到相应的试验条件。

与现有技术相比，本发明考虑到岩石和混凝土的渗流、温度和应力三场耦合研究的需要，在试验机本体上安装了水压压力源系统、温度控制系统、加载和自动控制系统、流量和温度量测系统，构成了一种能够进行渗流、三轴应力耦合与温度试验的三场耦合试验设备。该试验机具有多种试验工况，可满足多种研究试验需要，同时能够实现高精度流量、温度量测，还解决了渗流过程中的密封问题。

附图说明

图1是本发明中一种实施例的连接关系示意图；

图2是本发明中水压压力源系统的结构示意图；

图3是本发明中温度控制系统的连接关系示意图；

图4是本发明中加载和自动控制系统的结构示意图。

附图标记的含义：1-试件夹具，2-水压压力源系统，3-第一温度控制系统，4-第二温度控制系统，5-第三温度控制系统，6-加载和自动控制系统，7-流量和温度量测系统，8-数据采集分析系统，9-贮水箱，10-精密柱塞泵，11-安全溢流阀，12-数字调节仪，13-计算机控制系统，14-流量出口，15-集水桶，16-脉动阻尼器，17-过压保护装置，18-压力变送器，19-试件，20-冷却装置，21-加热装置，22-调节仪，23-测温探头，24-螺杆，25-固定座，26-进水头，27-出水头，28-试验机本体。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例1：如图1、图2、图3和图4所示，试验机本体28内设有试件夹具1，试验机本体28、水压压力源系统2、温度控制系统、加载和自动控制系统6、流量和温度量测系统7构成一个整体后连接于数据采集分析系统8。数据采集分析系统8通过控制系统进行数据的采集分析，设有专门的分析采集程序控制。试验过程中可实时显示曲线、自动采样，保证长时间量测，同时可以根据用户需求打印通用的试验报告。试件夹具1内壁铺设有一层紫铜板，试件夹具1是整个渗流、三轴应力与温度耦合装置的关键环节，常规夹具内部采用不锈钢材料，导热性能比较差。紫铜板的设置使得夹具内温度更加均匀，更容易达到试验的温度条件。试件夹具1内还设有试件19，试件19为100mm×100mm×200mm的长方体。岩石和混凝土的孔隙型渗流的渗透系数很小，要进行有效的测量需要使用数百米水头的工作水压，如此高的工作水压对试件19的密封提出了很高的要求，另外渗流、三轴应力与温度耦合试验中还要求有很好的导热性能。因此在试件19的四个侧面涂有一层粘结性强、柔韧性好的可固化导热硅脂灌封胶，对试件19进行密封和导热。此种硅胶在固化前具有良好的流动性，并具有较好的弹性和强度，可以保证试件19涂胶表面的平整度，不会因不平整而造成应力集中，还能有效的防止水从侧面渗漏进试件19内。

水压压力源系统2包括精密柱塞泵10，精密柱塞泵10的一侧连通贮水箱9，另一侧连通脉动阻尼器16。在精密柱塞泵10与脉动阻尼器16之间的分支管路上，分别设有安全溢流阀11、过压保护装置17、两个压力变送器18和流量出口14，流量出口14置于集水桶15内。压力变送器18和精密柱塞泵10输出信号于数字调节仪12，数字调节仪12输出信号于计算机控制系统13。水压压力源系统2中水从贮水箱9流出，由精密柱塞泵10提供水压，采用高精度压力传感器作为压力反馈元件，计算机控制系统13采用数字式调节仪12构成闭环控制，提供恒定的水压控制。由于精密柱塞泵10输出水压是波浪型的，在渗流达到稳定时，水压力以固定的周期和振幅波动，但试验所需的水压要求是恒定的，因此该系统引入脉动阻尼器16对水压进行调制，该阻尼器起到吸收和释放能量的作用，能够控制水压的振动幅度。设计的该脉动阻尼器16相比之前的阻尼器，容量更大，可以减小压力的振幅，保证压力曲线趋于平缓。另外将脉动阻尼器16正对精密柱塞泵10的水流方向，效果更好。为了安全起见，超过20％的设定水压时系统启动过压保护装置17，当水压超过安全值时，通过安全溢流阀11自动溢流。考虑到沿程压力损失，为了实现恒定压力，通过设立在试件19进水头26的的压力变送器18输送压力信号到数字调节仪12进行自动压力反馈调节。精密柱塞泵10有最低转速的限制，同时为保证泵的工作精度和稳定性，冲程有最小输出流量的限制，但是在做低渗透性的岩石渗流试验时，难以保证这个系统的最小流量。为此，在管路上设计一个流量出口14，流量出口14置于集水桶15内，使得通过试件19的流量加上该部分流量的总流量大于精密柱塞泵10的最低输出量，让系统回到有效调节的工作范围。同时该流量出口14还可以达到在不同的工作水压下，调节合适的管路流量，达到保持一个最小流量使得精密柱塞泵10能长期工作不停机的目的。水压的稳定性和精度对试验结果的可靠性具有重要意义，围绕这两点设计的水压压力源系统2，能够连续调节工作水压并能够长时间保持工作水压的稳定。

该试验机采用了三路独立的温度控制系统：第一温度控制系统3包括冷却装置20、加热装置21、调节仪22和测温探头23；第二温度控制系统4包括冷却装置20、加热装置21、调节仪22和测温探头23；第三温度控制系统5包括冷却装置20、加热装置21、调节仪22和测温探头23。其中，冷却装置20和加热装置21分别连接于试件夹具1,试件夹具1输出温度于测温探头23，测温探头23通过调节仪22连接于加热装置21。加热装置21加热试件夹具1的加热面，加热面紧靠试件19表面对其加热。冷却装置20进行温度控制，靠近加热面表面的测温探头23进行温度反馈，调节仪22通过控制加热装置21中的电流改变加热功率来调节温度。另外也可以通过手动调节冷却装置20中的冷却水温度和冷却水流量进行温度的粗调，通过调节仪22和测温探头23进行细调。该系统可以连续调节到所需恒定温度，很快达到稳定且长时间维持此温度，可以实现手动和机控温度，并可保持恒定地温度梯度。另外，该试验机的加载和自动控制系统6包括四个平行的螺杆24和两个固定座25，螺杆24分别固定于两侧的固定座25上，组合为框架。框架内设有试件19、进水头26和出水头27，试件19的一侧设有进水头26，另一侧设有出水头27。试验中提供一对水平x轴和一对垂直z轴压力，由水压力通过自平衡框架提供另一对水平y轴压力，使得试验机可以提供垂直方向为500KN的压力和水平方向为300KN的压力，进而提供持续稳定的荷载。

该试验机的流量和温度量测系统7包括流量量测系统和温度量测系统。流量量测系统中试验对象是低渗透率的岩石和混凝土，一般的流量计难以达到所需的精度，该量测系统采用高精度电子天平来量测渗流流量。考虑到流量量测的蒸发补偿，需要根据研究对象的实际渗流量和蒸发速度的相对大小，兼顾测量精度和测量效率，选择合适的测量方法测量流量：对于渗透系数≥10-8cm/s的试件19，试验中用塑料杯接收渗流出的水，塑料杯放在电子天平上，可以通过计算机设定合适的取样频率来自动采集质量数据并记录和处理，也可以人工定期称量水的质量变化，计算出流量值；对于渗透系数＜10-8cm/s的试件19，设计了一套测量小流量的方法，即在接收渗流水的容器中倒一层普通食用色拉油，由于水比油重，每次滴入的水自动沉到油层下面，持续48小时观测表明蒸发量基本为零。温度量测控制系统通过打孔后埋设在岩石试件19内部的铂电阻来量测试验过程中的温度，通过巡检仪实时量测试件19内部温度，来达到相应的试验条件。该试验机的数据采集分析系统8通过控制系统进行数据的采集分析，设有专门的分析采集程序控制。试验过程中可实时显示曲线、自动采样，保证长时间量测，同时可以根据用户需求打印通用的试验报告。

实施例2：如图1所示，该种渗流、应力、温度耦合试验机包括试验机本体28，试验机本体28内设有试件夹具1，试验机本体28、水压压力源系统2、温度控制系统、加载和自动控制系统6、流量和温度量测系统7构成一个整体后连接于数据采集分析系统8。试件夹具1内壁铺设有一层紫铜板，紫铜板的设置使得夹具内温度更加均匀，更容易达到试验的温度条件。试件夹具1内还设有试件19，其四个侧面涂有一层粘结性强、柔韧性好的可固化导热硅脂灌封胶。水压压力源系统2提供0～10MPa的稳定压力，压力稳定在工作水头的0.5％以内。第一温度控制系统3、第二温度控制系统4、和第三温度控制系统5分别控制试件19各个面的温度和水温，温度范围在0～100℃，精度在±0.25℃以内，可以在试件19上形成一定的温度条件和温度梯度。加载和自动控制系统6提供所需的恒定的应力条件。流量和温度量测系统7采用高精度的电子天平来量测渗透低渗透率的软岩渗流量，通过埋设在岩石试件19内部的铂电阻来量测试验过程中的温度。数据采集系统8提供整个系统的全程数据记录和分析。该试验机考虑到渗流场、应力场与温度场的三场耦合作用，是一种能够进行渗流、三轴应力耦合与温度试验的三场耦合试验设备。

本发明中一种实施例的工作原理：渗流、应力与温度耦合试验的目的是研究在温度和应力变化下材料渗透能力的变化规律。在改变温度、应力等条件后的测量阶段，必须保持孔隙水压的稳定分布，才能保证测量值的变化是由温度或者应力单因素变化引起的，这样便于分析总结其中的规律。本试验机采用稳态定水位法进行室内渗透试验，即在试件19的两端施加一定或变化的水压差，通过测量渗流量来计算试件19的渗透系数。该试验机通过测量不同应力组合下试件19的渗透系数，可以分别研究温度、外载或孔隙水压对渗透系数的影响，测量精度也比较高。在试件夹具1内壁铺设有一层紫铜板，使内部温度更加的均匀，便于达到试验的温度条件。试件19采用可固化导热硅脂灌封胶作为密封材料，水压压力源系统2提供稳定压力，温度控制系统分别控制试件19各个面的温度和水温，可以形成一定的温度条件和温度梯度，加载和自动控制系统6提供所需的恒定应力条件，流量和温度量测系统7采用高精度的电子天平来量测低渗透率的岩石渗流量，通过埋设在试件19内部的铂电阻来量测试验中的温度，数据采集系统8提供整个系统的全程数据记录和分析。

Claims (8)

1.一种渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，包括试验机本体(28)，所述试验机本体(28)内设有试件夹具(1)，试验机本体(28)、水压压力源系统(2)、温度控制系统、加载和自动控制系统(6)、流量和温度量测系统(7)构成一个整体后连接于数据采集分析系统(8)。

2.根据权利要求1所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，所述试件夹具(1)内壁铺设有一层紫铜板。

3.根据权利要求2所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，试件夹具(1)内还设有试件(19)，所述试件(19)为100mm×100mm×200mm的长方体，试件(19)的导热面上涂有一层硅脂灌封胶。

4.根据权利要求3所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，所述水压压力源系统(2)包括精密柱塞泵(10)，精密柱塞泵(10)的一侧连通贮水箱(9)，另一侧连通脉动阻尼器(16)；在精密柱塞泵(10)与脉动阻尼器(16)之间的分支管路上，分别设有安全溢流阀(11)、过压保护装置(17)、两个压力变送器(18)和流量出口(14)，流量出口(14)置于集水桶(15)内；压力变送器(18)和精密柱塞泵(10)输出信号于数字调节仪(12)，数字调节仪(12)连接于计算机控制系统(13)。

5.根据权利要求4所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，所述的温度控制系统包括冷却装置(20)、加热装置(21)、调节仪(22)和测温探头(23)，冷却装置(20)和加热装置(21)分别连接于试件夹具(1),试件夹具(1)输出温度于测温探头(23)，测温探头(23)通过调节仪(22)连接于加热装置(21)。

6.根据权利要求5所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，所述的温度控制系统为三个，分别为第一温度控制系统(3)、第二温度控制系统(4)和第三温度控制系统(5)。

7.根据权利要求6所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，所述的加载和自动控制系统(6)包括四个平行的螺杆(24)和两个固定座(25)，所述螺杆(24)分别固定于两端的固定座(25)上，组合为框架；框架内设有试件(19)、进水头(26)和出水头(27)，试件(19)的一侧设有进水头(26)，另一侧设有出水头(27)。

8.根据权利要求7所述的渗流、应力、温度耦合试验机，其特征在于，所述流量和温度量测系统(7)包括流量量测系统和温度量测系统。