CN107356481A - 一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置 - Google Patents

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Abstract

一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，传力柱可上下滑动地贯穿所述密封盖，传力柱的顶端位于检测腔外，且与施压装置相连；传力柱的底端垂直延伸至检测腔内；所述检测腔内设有用于夹紧待检测岩样的夹具，还包括用于向岩样渗水的渗流装置，还包括用于包覆岩样、上透水板、下透水板、上夹头的底部和下夹头的顶部的防水软体套，以与检测腔内的水隔离；还包括用于贴设在防水软体套外壁上以检测岩样的变形量的位移传感器，且位移传感器通过导线与位于检测腔外的控制器相连；检测腔通过围压进水管与水源连通，以向岩样的圆周方向提供围压，且所述围压进水管上设有第二压力表。

Description

一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置
技术领域
本发明涉及一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置。
背景技术
隧道是一种线性建筑物，需穿越山体及各种复杂地层，具有跨越能力大、全天候运营、环保和经济性较高等优点。目前在建的大断面、长距离的隧道越来越多，由于线性隧道穿越的地质构造复杂多变，在施工过程中，隧道沿线围岩的应力场、位移场不断调整并呈动态变化。在地质条件较差的地层，围岩发生较大变形，甚至坍塌。
为了保证施工安全以及后期运营安全，必须充分了解围岩变形性质，为地下工程的施工提供可靠数据。泊松比是岩体变形性质的重要参数之一，在施工前的地质勘探环节需要了解围岩的各种性质，其中就包括岩石泊松比。
准确的泊松比数值的获取不仅需要精确的实验仪器和正确的测量方法，更需要实现对岩石水力耦合全过程的实验再现。
传统的测量岩石泊松比的装置，由于端部效应的影响，试件的横向变形沿轴向方向并不一致，要求测试试件中部，以试件中部岩石的应变与轴向应变之比，作为泊松比，所测得的泊松比值比真实值偏查较大。对于软岩或具有明显流变效应的岩石，实验值与真实值偏差更大。
岩石是非均质各向异性材料，其内部可能含有节理、裂隙，实验过程中造成环向变形偏大，导致测泊松比偏大。此外，传统的岩石泊松测量方法是基于岩石单轴抗压强度实验取得，三轴应力作用下，也无法获取岩石的泊松比。此外，在隧道施工过程，岩体开挖属于卸载过程，传统的测量泊松比的方法也不能很好的模拟这一过程，也无法准确测量岩体卸载过程的泊松比。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，包括顶端开口的筒状三轴压力室，且所述开口配有密封盖，所述密封盖与三轴压力室可拆卸连接，且密封盖与三轴压力室的内腔围合成密封的检测腔；
传力柱可上下滑动地贯穿所述密封盖，传力柱的顶端位于检测腔外，且传力柱的顶端与用于向传力柱提供轴向压力的施压装置相连；传力柱的底端垂直延伸至检测腔内；
所述检测腔内设有用于夹紧待检测岩样的夹具，所述夹具包括分别固定岩样的上下两端的上夹头和下夹头，且上夹头和下夹头上下对准；上夹头的顶部固定在传力柱的底端且夹持面向下，下夹头的底部固定在三轴压力室的内底面上且夹持面向上；
还包括用于向岩样渗水的渗流装置，所述渗流装置包括渗流进水管、渗流出水管、用于夹紧在上夹头和岩样之间的上透水板和用于夹紧在下夹头和岩样之间的下透水板；且所述上透水板的中心处和下透水板的中心处分别开设有供渗流出水管和渗流进水管穿过并固定的中心孔；
所述上透水板和下透水板的结构相同，且均包括圆形的板体，所述板体上间隔设有若干个均与板体同心的环槽，每个环槽内均间隔设有若干个透水孔，且所述透水孔沿板体的中心轴方向贯通；每个环槽均通过径向凹槽与中心孔连通；
所述渗流进水管的进口端与水源相连，且渗流进水管的出口端依次密封贯穿三轴压力室的底面和下夹头并固定在下透水板的中心孔上；所述渗流出水管的进口端固定在上透水板的中心孔上，且渗流出水管的出口依次密封贯穿上夹头和三轴压力室的底面；所述渗流出水管和所述渗流进水管上分别设有止水阀和第一压力表；
还包括用于包覆岩样、上透水板、下透水板、上夹头的底部和下夹头的顶部的防水软体套，以与检测腔内的水隔离；
还包括用于贴设在岩样外壁上以检测岩样的变形量的位移传感器，且所述位移传感器通过密封贯穿防水软体套的导线与位于检测腔外的控制器相连；
所述检测腔通过围压进水管与水源连通，以向岩样的圆周方向提供围压，且所述围压进水管上设有第二压力表。
进一步，检测腔的底面上分别开设有用于与围压进水管连通的第一通孔、供导线密封穿过的导线穿出孔、与渗流进水管连通的第二通孔、用于连通位于检测腔外的渗流出水管和位于检测腔内的渗流出水管的第三通孔，且第一通孔、导线穿出孔、第二通孔和第二通孔均与检测腔连通；定义位于检测腔内的一端为内端，位于检测腔外的一端为外端；则第一通孔的外端、第二通孔的外端、导线穿出孔的外端和第三通孔的外端均带有向检测腔外凸出的第一连接头，第一连接头均与检测腔连通，且第一连接头内设有第一内螺纹；围压进水管、渗流进水管、导线和位于检测腔外的渗流出水管上分别设有第一外螺纹，围压进水管、渗流进水管和位于检测腔外的渗流出水管分别通过相配合的第一内螺纹和第一外螺纹密封连接并与检测腔连通；且导线贯穿导线穿出孔，并通过相配合的第一内螺纹和第一外螺纹与导线穿出孔上的第一连接头密封连接，以保证围压水不渗出；
所述第三通孔的内端具有向检测腔内凸出的第二连接头，第二连接头与检测腔连通，且第二连接头内设有第二内螺纹，位于检测腔内的渗流出水管上设有第二外螺纹，位于检测腔内的渗流出水管通过第二内螺纹和第二外螺纹密封连接并与位于检测腔外的渗流出水管连通。
进一步，所述渗流进水管的出口端和所述渗流出水管的进口端分别与所述下透水板和下透水板密封螺纹连接；中心孔位于所述板体的圆心处，且所述中心孔内设有第三内螺纹；所述渗流进水管的出口端和所述渗流出水管的进口端上均设有与所述第三内螺纹相配合的第三外螺纹。
进一步，所述施压装置为油压泵，所述油压泵通过油压作动器与传力柱相连，以向岩样提供轴向压力。
进一步，所述防水软体套为热缩塑料套，且防水软体套具有一定弹性。
进一步，所述密封盖通过螺栓和螺母拧紧在所述三轴压力室的顶面上。
进一步，所述位移传感器为应变片，所述控制器为应变仪。
进一步，上夹头的底部和下夹头的顶部均呈圆柱体状，岩样也呈圆柱体状，且岩样与所述上透水板、下透水板、上夹头和下夹头同轴设置，且岩样的直径与上透水板的直径、下透水板的直径、上夹头底部的直径和下夹头顶部的直径相等。
本发明的有益效果主要表现在：
1、本发明的上透水板和下透水板能模拟围岩在围压作用下的真实渗流状况，从而可以获取真实渗水状态下的围岩泊松比，对保证隧道施工过程安全具有重要意义。
2、本发明构造明确，性能可靠，用途多样，可测量不同围压下各种岩样的渗透系数，能准确给出水力耦合条件下岩样的泊松比。本发明能够准确测量围压作用下岩石的各向应变，如轴向、环向应变，进而确定泊松比。围岩压力随着隧道的开挖不断减小，通过本发明能模拟隧道开挖过程不同阶段的围岩泊松比。
3、本发明同时具备测量岩石的渗透系数、模拟岩石水里耦合条件下破坏演化的功能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为上透水板或下透水板的结构示意图。
具体实施方式
参照附图，一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，包括顶端开口的筒状三轴压力室2，且所述开口配有密封盖14，所述密封盖14与三轴压力室2可拆卸连接，且密封盖14与三轴压力室2的内腔围合成密封的检测腔；
传力柱1可上下滑动地贯穿所述密封盖14，传力柱1的顶端位于检测腔外，且传力柱1的顶端与用于向传力柱1提供轴向压力的施压装置15相连；传力柱1的底端垂直延伸至检测腔内；
所述检测腔内设有用于夹紧待检测岩样的夹具，所述夹具包括分别固定岩样的上下两端的上夹头3和下夹头10，且上夹头3和下夹头10上下对准；上夹头3的顶部(即上夹头3的第一部分)固定在传力柱1的底端且夹持面向下，下夹头10的底部(即下夹头10的第一部分)固定在三轴压力室2的内底面上且夹持面向上；
还包括用于向岩样渗水的渗流装置，所述渗流装置包括渗流进水管7、渗流出水管6、用于夹紧在上夹头3和岩样之间的上透水板和用于夹紧在下夹头10和岩样之间的下透水板11；且所述上透水板的中心处和下透水板11的中心处分别开设有供渗流出水管6和渗流进水管73穿过并固定的中心孔c；
所述上透水板和下透水板11的结构相同，且均包括圆形的板体，所述板体上间隔设有若干个均与板体同心的环槽，每个环槽内均间隔设有若干个透水孔a，且所述透水孔a沿板体的中心轴方向贯通；每个环槽均通过径向缺口b与中心孔c连通；
所述渗流进水管7的进口端与水源相连，且渗流进水管7的出口端依次密封贯穿三轴压力室2的底面和下夹头10并固定在下透水板11的中心孔c上；所述渗流出水管6的进口端固定在上透水板的中心孔c上，且渗流出水管6的出口依次密封贯穿上夹头3和三轴压力室2的底面；所述渗流出水管6和所述渗流进水管7上分别设有止水阀12和第一压力表16；
还包括用于包覆岩样、上透水板、下透水板11、上夹头3的底部(即上夹头3的第三部分)和下夹头10的顶部(即下夹头10的第三部分)的防水软体套5，以与检测腔内的水隔离；
还包括贴设在岩样外壁上以检测岩样变形量(包括横向应变和轴向应变，在圆柱状岩样的圆周面上设置位移传感器4)的位移传感器4，且所述位移传感器4通过密封贯穿防水软体套5的导线9与位于检测腔外的控制器相连；
所述检测腔通过围压进水管8与水源连通，以向岩样的圆周方向提供围压，且所述围压进水管8上设有第二压力表。
检测腔的底面上分别开设有用于与围压进水管8连通的第一通孔、供导线9密封穿过的导线穿出孔13、与渗流进水管7连通的第二通孔、用于连通位于检测腔外和位于检测腔内的渗流出水管6的第三通孔，且第一通孔、导线穿出孔13、第二通孔和第二通孔均与检测腔连通；定义位于检测腔内的一端为内端，位于检测腔外的一端为外端；则第一通孔、第二通孔、导线穿出孔13和第三通孔的外端均带有向检测腔外凸出的第一连接头，第一连接头均与检测腔连通，且第一连接头内设有第一内螺纹；围压进水管8、渗流进水管7、导线和位于检测腔外的渗流出水管6上分别设有第一外螺纹，围压进水管8、渗流进水管7和位于检测腔外的渗流出水管6分别通过相配合的第一内螺纹和第一外螺纹密封连接并与检测腔连通；且导线贯穿导线穿出孔13，并通过相配合的第一内螺纹和第一外螺纹与导线穿出孔13上的第一连接头密封连接，以保证围压水不渗出；
所述第三通孔的内端具有向检测腔内凸出的第二连接头，第二连接头与检测腔连通，且第二连接头内设有第二内螺纹，位于检测腔内的渗流出水管6上设有第二外螺纹，位于检测腔内的渗流出水管6通过第二内螺纹和第二外螺纹密封连接并与位于检测腔外的渗流出水管6连通。
所述渗流进水管7的出口端和所述渗流出水管6的进口端分别与所述下透水板11和下透水板密封螺纹连接；中心孔位于所述板体的圆心处，且所述中心孔内设有第三内螺纹；所述渗流进水管7的出口端和所述渗流出水管6的进口端上均设有与所述第三内螺纹相配合的第三外螺纹。
所述施压装置15为油压泵，所述油压泵通过油压作动器与传力柱1相连，以向岩样提供轴向压力。
所述防水软体套5为热缩塑料套，且防水软体套具有一定弹性。
所述密封盖14通过螺栓和螺母拧紧在所述三轴压力室2的顶面上。
所述位移传感器4为应变片，所述控制器为应变仪。
上夹头3的底部和下夹头的顶部均呈圆柱体状，岩样也呈圆柱体状，且岩样与所述上透水板、下透水板11、上夹头3和下夹头10同轴设置，且岩样的直径与上透水板的直径、下透水板11的直径、上夹头3的底部直径和下夹头10的顶部直径相等。
上夹头3和下夹头10结构相同且对称设置，上夹头3和下夹头10均包括第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分和第二部分均为圆柱体，且第一部分的直径大于第三部分，第一部分和第三部分通过第二部分相连，则第二部分为圆台体。上夹头3的第一部分与传力柱1相连，下夹头10的第一部分与检测腔内底面相连。上夹头3的第一部分和第二部分上开设有供渗流出水管6贯穿的流线型渗流出水孔，且渗流出水孔上设有向检测腔凸出的第三连接头，第三连接头与检测腔连通，且第三连接头内设有第四内螺纹，所述渗流出水管上设有与第四内螺纹相配合的第四外螺纹，渗流出水管6贯穿渗流出水孔和第三连接头，并通过第四内螺纹和第四外螺纹的配合与第三连接头密封连接。
所述的三轴压力室2是耐高压的、具有一定高度的筒体。三轴压力室2的底面为厚钢板，外围有一圈螺丝孔，以通过螺钉将三轴压力室2固定在台座上。三轴压力室底面的第一通孔和第三通孔位于三轴压力室的同一侧。
三轴压力室2的开口呈上大下小的圆台状，密封盖与所述开口相适配，以防止防油压水渗入。密封盖上开设有供传力杆贯穿的传力杆通孔，传力杆可上下滑动的贯穿所述传力杆通孔。所述密封盖包括可气密卡入开口的卡头和座设在三轴压力室上的平台，所述平台通过螺栓和螺母固定在三轴压力室的顶端上。卡头嵌入三轴压力室内，并通过钢板并固定，不会因油压过大而凸起变形，传力柱能在圆环形卡头中间孔内自由滑动。
所述的岩样外裹热缩塑胶套5，上、下夹头与岩样在油压水(传力柱1)的作用下与岩样紧密贴合，围压水和岩样内部的渗透水互不干扰。
测量装置包括应变仪、应变片和导线。应变片按照要求粘贴于圆柱体岩样中部，并采用不透水材料防水密封。
所述的上透水板和下透水板11均能与岩样能充分接触，使岩样受力均匀。上透水板和下透水板11均设有3个环槽。且上透水板和下透水板11的结构相同均由高强度的复合材料制成，上透水板和下透水板11是直径与岩样一致，且具有一定厚度。整体性岩样中的渗水透过透水孔a在每个环槽内汇集，并且通过径向缺口b向圆心位置的中心孔c汇集，最后通过渗流出水管路流出。
渗流出水管6和渗流进水管7上均设有一个第一压力表16，以分别测量渗流进水进、出水压。在围压进水管8上设有第二压力表，用以测量围压，关闭止水阀12后，通过第二压力表让检测腔内的水压保持在一定围压范围内，若超出围压损失过大，可以及时打开止水阀12增加围压。
本发明的使用原理为：
打开围压进水管8上的开关阀，加压水通过围压进水管8进入检测腔内(在试验结束后，再从围压进水管8排出)，通过第二压力表控制检测腔内的水压大小，使检测腔内的水压保持在一定围压范围内，以控制岩样的周向压力；岩样处于周向均匀受压状态，油压泵通过油压作动器将油压转化为轴向压力(油压泵提供的轴向压力能够维持较长时间)，传力柱1将轴向压力均匀传给高强度复合的上透水板和下透水板11，并均匀作用于岩样，至此使岩样处于三向受压状态。加压水通过渗水进水管7及下透水板11流入岩样，给岩样注水，注入的水经岩样渗出后，经上透水板汇集，并最终由渗水出水管6排出。在实验过程中，通过第一压力表16和第二压力表实时监控水压变化，防止水压变化过大，导致实验数据缺乏真实性。
导线9通过三轴压力室下方的导线穿出孔13穿出三轴压力室2连接应变仪，以读取岩样的横向应变、轴向应变并计算出泊松比。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：包括顶端开口的筒状三轴压力室，且所述开口配有密封盖，所述密封盖与三轴压力室可拆卸连接，且密封盖与三轴压力室的内腔围合成密封的检测腔；
传力柱可上下滑动地贯穿所述密封盖，传力柱的顶端位于检测腔外，且传力柱的顶端与用于向传力柱提供轴向压力的施压装置相连；传力柱的底端垂直延伸至检测腔内；
所述检测腔内设有用于夹紧待检测岩样的夹具，所述夹具包括分别固定岩样的上下两端的上夹头和下夹头，且上夹头和下夹头上下对准；上夹头的顶部固定在传力柱的底端且夹持面向下，下夹头的底部固定在三轴压力室的内底面上且夹持面向上；
还包括用于向岩样渗水的渗流装置，所述渗流装置包括渗流进水管、渗流出水管、用于夹紧在上夹头和岩样之间的上透水板和用于夹紧在下夹头和岩样之间的下透水板；且所述上透水板的中心处和下透水板的中心处分别开设有供渗流出水管和渗流进水管穿过并固定的中心孔；
所述上透水板和下透水板的结构相同，且均包括圆形的板体，所述板体上间隔设有若干个均与板体同心的环槽，每个环槽内均间隔设有若干个透水孔，且所述透水孔沿板体的中心轴方向贯通；每个环槽均通过径向凹槽与中心孔连通；
所述渗流进水管的进口端与水源相连，且渗流进水管的出口端依次密封贯穿三轴压力室的底面和下夹头并固定在下透水板的中心孔上；所述渗流出水管的进口端固定在上透水板的中心孔上，且渗流出水管的出口依次密封贯穿上夹头和三轴压力室的底面；所述渗流出水管和所述渗流进水管上分别设有止水阀和第一压力表；
还包括用于包覆岩样、上透水板、下透水板、上夹头的底部和下夹头的顶部的防水软体套，以与检测腔内的水隔离；
还包括用于贴设在岩样外壁上以检测岩样的变形量的位移传感器，且所述位移传感器通过密封贯穿防水软体套的导线与位于检测腔外的控制器相连；
所述检测腔通过围压进水管与水源连通，以向岩样的圆周方向提供围压，且所述围压进水管上设有第二压力表。
2.如权利要求1所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：检测腔的底面上分别开设有用于与围压进水管连通的第一通孔、供导线密封穿过的导线穿出孔、与渗流进水管连通的第二通孔、用于连通位于检测腔外的渗流出水管和位于检测腔内的渗流出水管的第三通孔，且第一通孔、导线穿出孔、第二通孔和第二通孔均与检测腔连通；定义位于检测腔内的一端为内端，位于检测腔外的一端为外端；则第一通孔的外端、第二通孔的外端、导线穿出孔的外端和第三通孔的外端均带有向检测腔外凸出的第一连接头，第一连接头均与检测腔连通，且第一连接头内设有第一内螺纹；围压进水管、渗流进水管、导线和位于检测腔外的渗流出水管上分别设有第一外螺纹，围压进水管、渗流进水管和位于检测腔外的渗流出水管分别通过相配合的第一内螺纹和第一外螺纹密封连接并与检测腔连通；且导线贯穿导线穿出孔，并通过相配合的第一内螺纹和第一外螺纹与导线穿出孔上的第一连接头密封连接，以保证围压水不渗出；
所述第三通孔的内端具有向检测腔内凸出的第二连接头，第二连接头与检测腔连通，且第二连接头内设有第二内螺纹，位于检测腔内的渗流出水管上设有第二外螺纹，位于检测腔内的渗流出水管通过第二内螺纹和第二外螺纹密封连接并与位于检测腔外的渗流出水管连通。
3.如权利要求2所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：所述渗流进水管的出口端和所述渗流出水管的进口端分别与所述下透水板和下透水板密封螺纹连接；中心孔位于所述板体的圆心处，且所述中心孔内设有第三内螺纹；所述渗流进水管的出口端和所述渗流出水管的进口端上均设有与所述第三内螺纹相配合的第三外螺纹。
4.如权利要求3所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：所述施压装置为油压泵，所述油压泵通过油压作动器与传力柱相连，以向岩样提供轴向压力。
5.如权利要求4所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：所述防水软体套为热缩塑料套，且防水软体套具有一定弹性。
6.如权利要求5所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：所述密封盖通过螺栓和螺母拧紧在所述三轴压力室的顶面上。
7.如权利要求6所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：所述位移传感器为应变片，所述控制器为应变仪。
8.如权利要求7所述的一种三轴渗透试验中用于测量岩石泊松比的装置，其特征在于：上夹头的底部和下夹头的顶部均呈圆柱体状，岩样也呈圆柱体状，且岩样与所述上透水板、下透水板、上夹头和下夹头同轴设置，且岩样的直径与上透水板的直径、下透水板的直径、上夹头底部的直径和下夹头顶部的直径相等。
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