CN108519317A - 直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直接拉伸荷载下的岩石应力‑渗流耦合试验装置，包括岩石试样、直接拉伸系统、注水渗透系统以及数据自动采集系统；所述岩石试样内设有一呈圆柱状的封闭注水内腔；所述直接拉伸系统包括试样套帽、连接件、柔性抗拉绳索、球头拉杆、套筒、滚珠；所述注水渗透系统包括进水管、出水管、流量计、抽水泵；所述数据自动采集系统包括数据显示器、应变片。本拉伸试验装置设置岩石直接拉伸系统，结合带有封闭内腔的圆柱状岩石试样，通过在岩石试样内腔中施加不同的水压，实现岩石在直接拉伸荷载下，测定拉伸与渗流共同作用下的岩石力学性能指标，不仅提供了一个直接拉伸荷载下的岩石应力‑渗流耦合试验装置，而且有利于全面研究岩石的渗透特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石试验装置，具体涉及一种直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置。
背景技术
岩石渗透特性的研究是目前岩石力学中一个重要的研究课题，具有非常重要的工程背景和意义。应力场与渗流场耦合条件下，应力场的改变又会导致材料裂隙发生进一步变形，特别拉应力可以导致裂纹迅速扩展或者裂隙张开，岩石内部空隙增大，进一步改变其渗透性能进而影响渗透系数，导致岩石力学性能指标劣化。因此，水的渗流场随着材料的渗透系数变化而重新分布，这种应力与渗流相互作用，称为应力-渗流耦合。近年来，我国兴建一批重大岩石力学工程的，导致应力-渗流耦合作用下岩石的变形、损伤破坏及稳定性成为工程学科的热点问题，但解决这些问题的关键在于得到耦合作用下力学指标与渗透系数变量之间定量关系，以能够反映应力应变及渗透系数演化规律的应力-渗流耦合本构模型，从微细观角度对工程的水-力破坏机理和长期稳定性进行研究，对于岩石工程设计、施工以及减灾防灾均具有重要的现实意义
公开号为CN105699211A、CN105486623A等中国公开专利文献，虽然是关于应力-渗流耦合的试验装置，但是这些试验装置的耦合都是在围压作用或者剪切渗流作用下进行的，并没有针对岩石在直接拉伸荷载下的应力-渗流耦合研究，且目前还未有关于直接拉伸载荷下的应力-渗流耦合试验装置。因此，在直接拉伸荷载下的岩石渗透性能还不可知，进而限制岩石工程的应用领域范围。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，本拉伸试验装置设置自动对中式岩石直接拉伸系统，结合带有封闭内腔的圆柱状岩石试样，通过在岩石试样内腔中施加不同的水压，实现岩石在直接拉伸荷载下，测定拉伸与渗流共同作用下的岩石力学性能指标，不仅提供了一个直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，而且有利于全面研究岩石的渗透特性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案：
直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，包括呈圆柱状的岩石试样、直接拉伸系统、注水渗透系统以及数据自动采集系统；所述岩石试样内设有一呈圆柱状的封闭注水内腔；所述直接拉伸系统包括对称设置的上拉伸试验单元和下拉伸试验单元，所述上拉伸试验单元、下拉伸试验单元均包括配合设于岩石试样端部的试样套帽，所述试样套帽上连接一连接件，所述连接件的端部铰接一柔性抗拉绳索，所述柔性抗拉绳索是由碳纤维材料制成，所述柔性抗拉绳索的端部铰接于一球头拉杆上，所述试样套帽、连接件、柔性抗拉绳索、球头拉杆同轴安装，所述球头拉杆包括呈半球状的球头转件和设于球头转件下方、且与柔性抗拉绳索铰接的连接拉杆，所述球头转件嵌套于一套筒内，所述套筒内开设与球头转件相匹配的嵌入槽，所述嵌入槽内、且沿着球头转件的圆周表面设有若干颗滚珠，所有滚珠可与球头转件相对转动，所述套筒上、且位于嵌入槽的上方可拆卸地设有一嵌槽盖；所述注水渗透系统包括与岩石试样上端连接的进水管、与岩石试样下端连接的出水管，所述进水管、出水管与封闭注水内腔相通，所述进水管和出水管均贯穿试样套帽后与流量计、抽水泵连接，所述流量计用于控制水管上的流量，所述抽水泵用于控制封闭注水内腔的水压；所述数据自动采集系统包括数据显示器，所述数据显示器与出水管上的流量计电气连接，所述数据显示器还与位于岩石试样表面上的应变片电气连接。
作为优选技术方案，为了保证试样套帽与岩石试样之间连接稳定，同时保证试样套帽的强度，确保整个试验装置正常工作，所述试样套帽的端部开设与岩石试样相匹配的连接槽，所述连接槽的深度为10mm。
作为优选技术方案，为了便于将嵌槽盖装配于套筒上或呈从套筒上拆卸下来，有效缩短整个试验装置的装卸时间，保证操作简便性，所述嵌槽盖上开设有扳手螺孔。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1、本拉伸试验装置设置自动对中式岩石直接拉伸系统，结合带有封闭内腔的圆柱状岩石试样，通过在岩石试样内腔中施加不同的水压，实现岩石在直接拉伸荷载下，测定拉伸与渗流共同作用下的岩石力学性能指标，不仅提供了一个直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，而且有利于全面研究岩石的渗透特性。
2、试样套帽设有10mm的连接槽，保证试样套帽与岩石试样之间连接稳定，同时保证试样套帽的强度，确保整个试验装置正常工作。
3、嵌槽盖上开设有扳手螺孔，便于将嵌槽盖装配于套筒上或从套筒上拆卸下来，有效缩短整个试验装置的装卸时间，保证操作简便性。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为直接拉伸系统的结构示意图；
图3为注水渗透系统的结构示意图；
图4为岩石试样的结构示意图；
附图标号：1、岩石试样，2、直接拉伸系统，2-1、试样套帽，2-1-1、连接槽，2-2、连接件，2-3、柔性抗拉绳索，2-4、球头拉杆，2-4-1、球头转件，2-4-2、连接拉杆，2-5、套筒，2-5-1、嵌入槽，2-5-2、嵌槽盖，2-5-3、扳手螺孔，2-6、滚珠，2-7、连接杆，3、注水渗透系统，3-1、进水管，3-2、出水管，3-3、流量计，3-4、抽水泵，4、数据自动采集系统，4-1、数据显示器，4-2、应变片，5、万能试验机。
具体实施方式
如图1所示提出本发明一种具体实施例，直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，包括呈圆柱状的岩石试样1、直接拉伸系统2、注水渗透系统3以及数据自动采集系统4；所述岩石试样1内设有一呈圆柱状的封闭注水内腔1-1，本实施例利用高压水射流切割技术即水刀，在岩石试样1内部加工一圆柱状封闭注水腔1-1，且所述封闭注水腔1-1的直径为岩石试样1直径的一半，如图4所示；所述直接拉伸系统2包括对称设置的上拉伸试验单元和下拉伸试验单元，所述上拉伸试验单元、下拉伸试验单元均包括配合设于岩石试样1端部的试样套帽2-1，所述试样套帽2-1上连接一连接件2-2，本实施例设置连接件2-2与试样套帽2-1之间采用螺纹连接，即连接件2-2的端部设有外螺纹、试样套帽2-1上开设有与其相匹配的内螺纹，所述连接件2-2的端部铰接一柔性抗拉绳索2-3，本实施例在连接件2-2的端部开设有一槽孔，柔性抗拉绳索2-3的端部通过转轴与槽孔连接，实现连接件2-2与柔性抗拉绳索2-3的铰接，所述柔性抗拉绳索2-3是由碳纤维材料制成的，所述柔性抗拉绳索2-3的端部铰接于一球头拉杆2-4上，所述试样套帽2-1、连接件2-2、柔性抗拉绳索2-3、球头拉杆2-4同轴安装，则可以进行同轴转动，所述球头拉杆2-4包括呈半球状的球头转件2-4-1和设于球头转件2-4-1下方、且与柔性抗拉绳索2-3铰接的连接拉杆2-4-2，本实施例设置在连接拉杆2-4-2的端部开设有一凹槽，柔性抗拉绳索2-3的端部置于凹槽内后再通过一连接杆2-7将其固定，所述球头转件2-4-1嵌套于一套筒2-5内，所述套筒2-5内开设与球头转件2-4-1相匹配的嵌入槽2-5-1，且所述嵌入槽2-5-1内、且位于球头转件2-4-1的两侧均设有滚珠2-6，两滚珠2-6可与球头转件2-4-1相对转动，所述套筒2-5上、且位于嵌入槽2-5-1的上方可拆卸地设有一嵌槽盖2-5-2，本实施例设置嵌槽盖2-5-2与套筒2-5通过螺纹连接实现可拆卸性，如图2所示；所述注水渗透系统3包括与岩石试样1上端连接的进水管3-1、与岩石试样1下端连接的出水管3-2，所述进水管3-1、出水管3-2与封闭注水内腔1-1相通，所述进水管3-1和出水管3-2均贯穿试样套帽2-1后与流量计3-3、抽水泵3-4连接，如图3所示，则封闭注水内腔1-1与试样套帽2-1形成一个渗透室，两抽水泵3-4与供水系统连接；所述数据自动采集系统4包括数据显示器4-1，所述数据显示器4-1与出水管3-2上的流量计3-3电气连接，所述数据显示器4-1还与位于岩石试样1表面的应变片4-2电气连接。
所述试样套帽2-1的端部开设与岩石试样1相匹配的连接槽2-1-1，所述连接槽2-1-1的深度为10mm，若连接槽2-1-1的深度设置太浅，不利于岩石试样1与试样套帽2-1之间的粘接，若连接槽2-1-1的深度设置太深，减弱试样套帽的强度，设置深度10mm与岩石试样1相匹配的连接槽2-1-1，保证试样套帽2-1与岩石试样1之间连接稳定，同时保证试样套帽2-1的强度，确保整个试验装置正常工作。
所述嵌槽盖2-5-2上开设有扳手螺孔2-5-3，便于将嵌槽盖2-5-2装配于套筒2-5上或从套筒2-5上拆卸下来，有效缩短整个试验装置的装卸时间，保证操作简便性。
本发明使用时：进水管3-1、出水管3-2与岩石试样1的上下端连接后，用高强度环氧树脂将岩石试样1的两端粘结于两试样套帽2的连接槽2-1内，并保持两试样套帽2对中状态搁置24小时后，装配如图2所示的拉伸试验装置，两抽水泵3-4与供水系统连接，启动数据采集系统4的电源，将两套筒2-5与万能试验机5的夹紧单元连接，即可进行试验。由于由碳纤维制成的柔性抗拉绳索具有灵活调整能力，加上滚珠与球头拉杆、套槽采用点接触，保证岩石试样1受力后拉应力始终沿着轴线，规避偏心拉应力问题，则实现岩石试样1在直接拉伸荷载下，对其应力-渗流耦合特性的测试。
当然，上面只是结合附图对本发明优选的具体实施方式作了详细描述，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明的原理、构造以及结构所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，其特征在于：包括呈圆柱状的岩石试样(1)、直接拉伸系统(2)、注水渗透系统(3)以及数据自动采集系统(4)；所述岩石试样(1)内设有一呈圆柱状的封闭注水内腔(1-1)；所述直接拉伸系统(2)包括对称设置的上拉伸试验单元和下拉伸试验单元，所述上拉伸试验单元、下拉伸试验单元均包括配合设于圆柱状岩石试样(1)端部的试样套帽(2-1)，所述试样套帽(2-1)上连接一连接件(2-2)，所述连接件(2-2)的端部铰接一柔性抗拉绳索(2-3)，所述柔性抗拉绳索(2-3)是由碳纤维材料制成的，所述柔性抗拉绳索(2-3)的端部铰接于一球头拉杆(2-4)上，所述试样套帽(2-1)、连接件(2-2)、柔性抗拉绳索(2-3)、球头拉杆(2-4)同轴安装，所述球头拉杆(2-4)包括呈半球状的球头转件(2-4-1)和设于球头转件(2-4-1)下方、且与柔性抗拉绳索(2-3)铰接的连接拉杆(2-4-2)，所述球头转件(2-4-1)嵌套于一套筒(2-5)内，所述套筒(2-5)内开设与球头转件(2-4-1)相匹配的嵌入槽(2-5-1)，且所述嵌入槽(2-5-1)内、且位于球头转件(2-5-1)的两侧均设有滚珠(2-6)，两滚珠(2-6)可与球头转件(2-4-1)相对转动，所述套筒(2-5)上、且位于嵌入槽(2-5-1)的上方可拆卸地设有一嵌槽盖(2-5-2)；所述注水渗透系统(3)包括与岩石试样(1)上端连接的进水管(3-1)、与岩石试样(1)下端连接的出水管(3-2)，所述进水管(3-1)、出水管(3-2)与封闭注水内腔(1-1)相通，所述进水管(3-1)和出水管(3-2)均贯穿试样套帽(2-1)后与流量计(3-3)、抽水泵(3-4)连接；所述数据自动采集系统(4)包括数据显示器(4-1)，所述数据显示器(4-1)与出水管(3-2)上的流量计(3-3)电气连接，所述数据显示器(4-1)还与位于岩石试样(1)表面的应变片(4-2)电气连接。
2.根据权利要求1所述的直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，其特征在于：所述试样套帽(2-1)的端部开设与岩石试样(1)相匹配的连接槽(2-1-1)，所述连接槽(2-1-1)的深度为10mm。
3.根据权利要求1或2所述的直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置，其特征在于：所述嵌槽盖(2-5-2)上开设有扳手螺孔(2-5-3)。
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