CN111595755A - 一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，包括试件系统、轴向加载系统、围压加载系统、水压加载系统和控制器，轴向加载系统包括加载轴、轴力传感器、壳体、三轴腔、承压板和底座，壳体底部通过承压板安装在底座上，壳体内形成三轴腔，三轴腔内充有水，试件系统位于三轴腔内底部中间，试件系统顶部设有加载轴，加载轴上设有轴力传感器，轴力传感器的信号输出端与控制器相连，围压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载围压；水压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载水压。本发明在岩石试件内外都包裹有带孔的橡胶管，能够很好的保证水的自行运动，达到自然状态下的水压差，甚至达到内外水压平衡，具有安全可靠，效果良好的特点。

Description

一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置与试验方法

技术领域

本发明涉及工程地质技术领域，特别涉及一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置与试验方法。

背景技术

立井施工水患是影响施工进度、质量的最主要因素。立井施工中根据不同岩性、不同涌水量、不同岩层裂隙分布采用不同的治水方式。立井强度特性始终是岩石力学研究学者研究的前沿与热门课题，通常采用三轴压缩的方式，测量岩石的强度，其试件外部包裹着一层不透水的塑胶膜，其渗压加载是水流由上试件块中心孔进入裂隙面的中心，经裂隙面向四周流出形成辐向流，没有考虑外部水压的作用。但在实际情况下，立井井壁受力过程中，由于井壁岩石自身的透水性，当井内部的水压力小于外部的水压力时，井外的水能通过岩石的孔隙渗透进入井内，使得水压达到一定的平衡，从而影响岩石的力学特性。因此常规的试件不能够全面地测量岩石在三向受力状态下的立井井壁的强度特性，在实际工程设计和计算中达不到更好的参考价值。

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、测量精确的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，并提供一种岩石试件的渗流试验方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，包括试件系统、轴向加载系统、围压加载系统、水压加载系统和控制器，所述轴向加载系统包括加载轴、轴力传感器、壳体、三轴腔、承压板和底座，壳体底部通过承压板安装在底座上，壳体内形成三轴腔，所述三轴腔内充有水，所述试件系统位于三轴腔内底部中间，试件系统顶部设有加载轴，加载轴上设有轴力传感器，轴力传感器的信号输出端与控制器相连，所述围压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载围压；所述水压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载水压。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述试件系统包括上垫板、下垫板、上螺丝、下螺丝、上带孔压盘、下带孔压盘、岩石试件，岩石试件中间开设竖向孔道，岩石试件下端通过下螺丝固定在下垫板上，下垫板安装在下带孔压盘上，下带孔压盘安装在下刚性压盘上，下刚性压盘安装在承压板中间的垫块上，所述岩石试件四周包裹外橡胶管，岩石试件内孔道的孔壁包裹内橡胶管，外橡胶管和胶管Ⅱ上均打有若干孔洞，岩石试件上端通过上螺丝固定在上垫板上，上垫板上端与上带孔压盘连接，上带孔压盘上端与上刚性压盘连接，上刚性压盘正对轴向加载系统的加载轴。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述外橡胶管中央装有环向引伸计，外橡胶管一侧设有轴向引伸计，环向引伸计、轴向引伸计的信号输出端与控制器相连。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述围压加载系统包括加载水箱、伺服电机、减速器、螺旋传动副、活塞，围压传感器，所述伺服电机的控制端与控制器相连，伺服电机的输出轴经减速器后连接螺旋传动副，螺旋传动副与加载水箱的活塞连接，加载水箱的出水端设有围压传感器，围压传感器的信号输出端与控制器相连；加载水箱的出水口通过管道Ⅰ与三轴腔连通，管道Ⅰ上设有阀门Ⅱ。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述水压加载系统包括水压箱、稳压器，所述上垫板、下垫板、上螺丝、下螺丝中间均开孔，所述上带孔压盘中间设有一个7字型孔道Ⅰ，下带孔压盘中间设有一个7字型孔道Ⅱ，所述水压箱通过管道Ⅱ与上带孔压盘的7字型孔道Ⅰ一端连接，7字型孔道Ⅰ另一端通过上螺丝、上垫板开的孔与孔道上端口连通，所述孔道下端口通过下垫板、下螺丝开的孔与7字型孔道Ⅱ的一端相连，7字型孔道Ⅱ的另一端通过管道Ⅲ与稳压器相连。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述管道Ⅱ上设有流量传感器Ⅰ、水压表Ⅰ、阀门Ⅰ，流量传感器Ⅰ的信号输出端与控制器相连。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述管道Ⅲ上设有流量传感器Ⅱ、水压表Ⅱ、阀门Ⅲ，流量传感器Ⅱ的信号输出端与控制器相连。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述壳体周向设有若干环形加热圈，加热圈上设有温度传感器，温度传感器的信号输出端与控制器相连。

上述内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，所述岩石试件为圆柱体试件。

一种岩石试件的渗流试验方法，包括以下步骤：

步骤一：试件的制作：岩石试件由圆柱岩体组成，用电钻在圆柱岩石试件中央沿径向钻取一个穿透岩石试件上下表面的孔道，用打孔机把内橡胶管和外橡胶管都打上孔洞，上垫板、下垫板外部包裹未超过两侧的外橡胶管；

步骤二：试件的安装：

第一，将制备好的岩石试件放置于垫块上，在岩石试件上方放置下垫板，并把已打孔的内橡胶管入岩石试件孔道处，然后把岩石试件平放，调整内橡胶管的位置，保证岩石试件两端各有超出岩石试件表面的橡胶管；

第二，将岩石试件竖直放置，将连接有下垫板的那端放在下部，在岩石试件上方放置上垫板，把内橡胶管超出岩石试件部分涂上胶水并粘在上垫板上，再用上螺丝将内橡胶管固定，上螺丝内带六角孔，用六角螺丝刀将上螺丝拧紧；

第三，在上螺丝上安装上带孔压盘，按照同样的步骤将下螺丝以及下带孔压盘安装完成；

第四，将外橡胶管包裹至岩石试件上下两端的上垫板、下垫板末端，在下垫板贴有密封胶带处用铁丝将外橡胶管绑紧；用橡皮圈由下至上将外橡胶管贴合包裹在试件四周，在上垫板贴有密封胶带处，用铁丝将外橡胶管绑紧，绑好后将固定的橡皮圈取下；在上带孔压盘上放置上刚性压盘，在下带孔压盘上放置下刚性压盘，然后将试件系统放置在垫块上；

步骤三：加载：通过控制器控制轴向加载系统、围压加载系统对岩石试件进行轴向加载和围压加载，在控制器中设置轴压值和轴压施加速率的大小，从而实现对岩石试件的围压与轴压的施加，利用显示器接收试验数据及绘制试验图像；

步骤四：测定岩石参数：通过温度传感器、环向引伸计、轴向引伸计、流量传感器Ⅰ、流量传感器Ⅱ测定岩石在内外水压差下的岩石抗拉强度值、岩石的径向变形、侧向变形与加载速率的关系。

本发明的有益效果在于：本发明针对工程中立井井壁受力情况下，由于岩石本身的透水性，内外水相互渗透，产生自然状态下水压差，甚至达到平衡的实际情况，提出一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，具有很强的实际参考价值，由于岩石试件内外都包裹有带孔的橡胶管，能够很好的保证水的自行运动，达到自然状态下的内外水压差，甚至内外水压平衡。具有安全可靠，效果良好的特点。

附图说明

图1为本发明的渗流试验装置结构示意图。

图2为图1中试件系统的结构示意图。

图3为图1中上垫板的结构示意图。

图4为图1中上螺丝的结构示意图。

图5为图1中内橡胶管的结构示意图。

图6为图1中外橡胶管图的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，包括试件系统、轴向加载系统、围压加载系统、水压加载系统和控制器37，所述轴向加载系统包括加载轴25、轴力传感器23、壳体33、三轴腔、承压板34和底座35，壳体33底部通过承压板34安装在底座35上，壳体33内形成三轴腔，所述三轴腔内充有水，所述试件系统位于三轴腔内底部中间，试件系统顶部设有加载轴25，可施加轴力，加载轴25上设有轴力传感器23，轴力传感器23的信号输出端通过数据线Ⅰ15与控制器37相连，所述围压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载围压；所述水压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载水压。

加载轴25上的轴力传感器23把力的大小检测出来并传到控制器37内，加载轴25作用于上刚性压盘26，通过上带孔压盘47，施加轴力给岩石试件30。

所述试件系统包括上垫板29、下垫板28、上螺丝50、下螺丝51、上带孔压盘47、下带孔压盘48、岩石试件30，所述岩石试件30为直径为50mm、高度为100mm圆柱体试件。岩石试件30中间开设竖向孔道42，岩石试件30下端通过下螺丝51固定在下垫板28上，下垫板28安装在下带孔压盘48上，下带孔压盘48安装在下刚性压盘27上，下刚性压盘27安装在承压板34中间的垫块36上，所述岩石试件30四周包裹外橡胶管38，岩石试件30孔道42的孔壁包裹内橡胶管39，外橡胶管和胶管Ⅱ上均打有若干孔洞54。岩石试件30上端通过上螺丝50固定在上垫板29上，上垫板29上端与上带孔压盘47连接，上带孔压盘47上端与上刚性压盘26连接，上刚性压盘26正对轴向加载系统的加载轴25。图2中31表示上螺丝50与上垫板29连接部位。

所述外橡胶管38中央装有环向引伸计32，环向引伸计32的信号输出端通过数据线Ⅲ17与控制器37相连，外橡胶管38一侧设有轴向引伸计41，轴向引伸计41的信号输出端通过数据线Ⅳ18与控制器37相连。

所述围压加载系统包括加载水箱1、伺服电机2、减速器3、螺旋传动副4、活塞5、围压传感器6，所述伺服电机2的控制端通过数据线Ⅵ20与控制器37相连，伺服电机2的输出轴经减速器3后连接螺旋传动副4，螺旋传动副4与加载水箱1的活塞5连接，加载水箱1的出水端设有围压传感器6，围压传感器6的信号输出端与控制器37相连；加载水箱1的水箱口通过管道Ⅰ与三轴腔连通，管道Ⅰ上设有阀门Ⅱ13。

三轴腔33内充有水，围压加载通过加载水箱1来实现，伺服电机2根据控制器发出的指令转动通过减速器3带动螺旋传动副4的运动带动活塞5直线运动来调整加载水箱1内的压力，安装在加载水箱1出水端的围压传感器6检测水压，传送到控制器37内，控制器37把压力的测量信号进行处理，并设置的压力数据进行比较，然后给出纠偏信号，使施加的压力值与设置的压力值趋于一致。

所述水压加载系统包括水压箱9、稳压器40，所述上垫板29、下垫板28内均打孔且孔壁带螺纹，上螺丝50内打孔且上端打上六角孔，下螺丝51内打孔且下端打上六角孔，所述上带孔压盘47直径为50mm、高度为40mm，上带孔压盘47中间设有一个7字型孔道Ⅰ45，下带孔压盘48直径为50mm、高度为40mm，下带孔压盘48中间设有一个7字型孔道Ⅱ46，所述水压箱9通过管道Ⅱ与上带孔压盘47的7字型孔道Ⅰ45一端连接，7字型孔道Ⅰ45另一端通过上螺丝50、上垫板29开的孔与孔道42上端口连通，所述孔道42下端口通过下垫板28、下螺丝51开的孔与7字型孔道Ⅱ46的一端相连，7字型孔道Ⅱ46的另一端通过管道Ⅲ与稳压器40相连。所述管道Ⅱ上设有流量传感器Ⅰ7、水压表Ⅰ10、阀门Ⅰ12，流量传感器Ⅰ7的信号输出端通过数据线Ⅶ21与控制器37相连。所述管道Ⅲ上设有流量传感器Ⅱ8、水压表Ⅱ11、阀门Ⅲ14，流量传感器Ⅱ8的信号输出端通过数据线Ⅴ19与控制器37相连。

将水压加载系统的各管道和线路连好，将水压箱9的出口气压调到设计值, 同将稳压器40上压力表也调到设置值水压箱9内高压气体通过上带孔压盘47的7字形孔道Ⅰ45、圆柱体岩石试件中央孔道、下带孔压盘48的7字形孔道Ⅱ46与稳压器40相连，确保圆柱体岩石试件中央孔道内的水压保持在设置值。

所述壳体33周向设有若干环形加热圈24，加热圈24上设有温度传感器22，温度传感器22的信号输出端通过数据线Ⅱ16与控制器37相连。

一种岩石试件30的渗流试验方法，包括以下步骤：

步骤一：试件的制作：岩石试件30由圆柱岩体组成，用电钻在高100mm直径50mm的圆柱岩石试件30中央沿径向钻取一个直径为10mm的穿透岩石试件30上下表面的孔道42，用打孔机把直径为9.5mm高120mm的内橡胶管39和直径为50.5mm高为150mm外橡胶管38都打上直径为0.1mm的孔洞54，上垫板29、下垫板28外部包裹未超过两侧的外橡胶管38；

步骤二：试件的安装：

第一，将制备好的岩石试件30放置于垫块36上，在岩石试件30上方放置下垫板28，并把已打孔的内橡胶管39入岩石试件30孔道42处，然后把岩石试件30平放，调整内橡胶管39的位置，保证岩石试件30两端各有超出岩石试件30表面的橡胶管；

第二，将岩石试件30竖直放置，将连接有下垫板28的那端放在下部，在岩石试件30上方放置上垫板29，把内橡胶管39超出岩石试件30部分涂上胶水并粘在上垫板29上，再用上螺丝50将内橡胶管39固定，上螺丝50内带六角孔，用六角螺丝刀将上螺丝50拧紧；

第三，在上螺丝50上安装上带孔压盘47，按照同样的步骤将下螺丝51以及下带孔压盘48安装完成；

第四，将外橡胶管38包裹至岩石试件30上下两端的上垫板29、下垫板28末端，在下垫板28贴有密封胶带处用铁丝将外橡胶管38绑紧，为保证效果，包裹两圈；用橡皮圈由下至上将外橡胶管38贴合包裹在试件四周，在上垫板29贴有密封胶带处，用铁丝将外橡胶管38绑紧，同样包裹两圈，绑好后将固定的橡皮圈取下；在上带孔压盘47上放置上刚性压盘26，在下带孔压盘48上放置下刚性压盘27，然后将试件系统放置在垫块36上；

步骤三：加载：通过控制器37控制轴向加载系统、围压加载系统对岩石试件30进行轴向加载和围压加载，在控制器37中设置轴压值和轴压施加速率的大小，从而实现对岩石试件30的围压与轴压的施加，利用显示器接收试验数据及绘制试验图像。

施加围压与轴压。将围压与轴压系统的各管道连接好，在控制器37中设置围压为设计值，施加一定速率，围压施加完毕后，在控制器37中设置轴压为设计值，施加一定速率。

施加水压。将水压加载系统的各管道和线路连好，将水压箱9的出口气压调到设计值，同将稳压器40上压力表也调到设置值，水压箱9内高压气体通过上带孔压盘47的7字形孔道Ⅰ45、圆柱体岩石试件中央孔道42、下带孔压盘48的7字形孔道Ⅱ46与稳压器40相连，确保圆柱体岩石试件中央孔道42内的水压保持在设置值。

步骤四：测定岩石参数：通过温度传感器22、环向引伸计32、轴向引伸计41、流量传感器Ⅰ7、流量传感器Ⅱ8测定岩石在内外水压差下的岩石抗拉强度值、岩石的径向变形、侧向变形与加载速率的关系。

设置试验温度。在控制器37中设置温度为50 ^oC, 加热圈24通过热传导加热三轴腔内的水温度，将岩石试件30的达温度加热至50^oC。

数据采集。保持轴压、围压和温度不变，整个试验持续时间为90小时，在试验过程实时采集气体压力、试件的轴向和环向应变、围压、轴压和温度等数据，采样间隔为1.0秒。

Claims (10)

1.一种内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：包括试件系统、轴向加载系统、围压加载系统、水压加载系统和控制器，所述轴向加载系统包括加载轴、轴力传感器、壳体、三轴腔、承压板和底座，壳体底部通过承压板安装在底座上，壳体内形成三轴腔，所述三轴腔内充有水，所述试件系统位于三轴腔内底部中间，试件系统顶部设有加载轴，加载轴上设有轴力传感器，轴力传感器的信号输出端与控制器相连，所述围压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载围压；所述水压加载系统与三轴腔连接，用于对试件系统加载水压。

2.根据权利要求1所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述试件系统包括上垫板、下垫板、上螺丝、下螺丝、上带孔压盘、下带孔压盘、岩石试件，岩石试件中间开设竖向孔道，岩石试件下端通过下螺丝固定在下垫板上，下垫板安装在下带孔压盘上，下带孔压盘安装在下刚性压盘上，下刚性压盘安装在承压板中间的垫块上，所述岩石试件四周包裹外橡胶管，岩石试件内孔道的孔壁包裹内橡胶管，外橡胶管和胶管Ⅱ上均打有若干孔洞，岩石试件上端通过上螺丝固定在上垫板上，上垫板上端与上带孔压盘连接，上带孔压盘上端与上刚性压盘连接，上刚性压盘正对轴向加载系统的加载轴。

3.根据权利要求2所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述外橡胶管中央装有环向引伸计，外橡胶管一侧设有轴向引伸计，环向引伸计、轴向引伸计的信号输出端与控制器相连。

4.根据权利要求1所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述围压加载系统包括加载水箱、伺服电机、减速器、螺旋传动副、活塞、围压传感器，所述伺服电机的控制端与控制器相连，伺服电机的输出轴经减速器后连接螺旋传动副，螺旋传动副与加载水箱的活塞连接，加载水箱的出水端设有围压传感器，围压传感器的信号输出端与控制器相连；加载水箱的出水口通过管道Ⅰ与三轴腔连通，管道Ⅰ上设有阀门Ⅱ。

5.根据权利要求2所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述水压加载系统包括水压箱、稳压器，所述上垫板、下垫板、上螺丝、下螺丝中间均开孔，所述上带孔压盘中间设有一个7字型孔道Ⅰ，下带孔压盘中间设有一个7字型孔道Ⅱ，所述水压箱通过管道Ⅱ与上带孔压盘的7字型孔道Ⅰ一端连接，7字型孔道Ⅰ另一端通过上螺丝、上垫板开的孔与孔道上端口连通，所述孔道下端口通过下垫板、下螺丝开的孔与7字型孔道Ⅱ的一端相连，7字型孔道Ⅱ的另一端通过管道Ⅲ与稳压器相连。

6.根据权利要求5所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述管道Ⅱ上设有流量传感器Ⅰ、水压表Ⅰ、阀门Ⅰ，流量传感器Ⅰ的信号输出端与控制器相连。

7.根据权利要求5所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述管道Ⅲ上设有流量传感器Ⅱ、水压表Ⅱ、阀门Ⅲ，流量传感器Ⅱ的信号输出端与控制器相连。

8.根据权利要求5所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述壳体周向设有若干环形加热圈，加热圈上设有温度传感器，温度传感器的信号输出端与控制器相连。

9.根据权利要求5所述的内外水压差孔道岩石试件的渗流试验装置，其特征在于：所述岩石试件为圆柱体试件。

10.一种根据权利要求5所述的渗流试验装置的岩石试件的渗流试验方法，包括以下步骤：

步骤一：试件的制作：岩石试件由圆柱岩体组成，用电钻在圆柱岩石试件中央沿径向钻取一个穿透岩石试件上下表面的孔道，用打孔机把内橡胶管和外橡胶管都打上孔洞，上垫板、下垫板外部包裹未超过两侧的外橡胶管；

步骤二：试件的安装：

第一，将制备好的岩石试件放置于垫块上，在岩石试件上方放置下垫板，并把已打孔的内橡胶管入岩石试件孔道处，然后把岩石试件平放，调整内橡胶管的位置，保证岩石试件两端各有超出岩石试件表面的橡胶管；

第二，将岩石试件竖直放置，将连接有下垫板的那端放在下部，在岩石试件上方放置上垫板，把内橡胶管超出岩石试件部分涂上胶水并粘在上垫板上，再用上螺丝将内橡胶管固定，上螺丝内带六角孔，用六角螺丝刀将上螺丝拧紧；

第三，在上螺丝上安装上带孔压盘，按照同样的步骤将下螺丝以及下带孔压盘安装完成；

第四，将外橡胶管包裹至岩石试件上下两端的上垫板、下垫板末端，在下垫板贴有密封胶带处用铁丝将外橡胶管绑紧；用橡皮圈由下至上将外橡胶管贴合包裹在试件四周，在上垫板贴有密封胶带处，用铁丝将外橡胶管绑紧，绑好后将固定的橡皮圈取下；在上带孔压盘上放置上刚性压盘，在下带孔压盘上放置下刚性压盘，然后将试件系统放置在垫块上；

步骤三：加载：通过控制器控制轴向加载系统、围压加载系统对岩石试件进行轴向加载和围压加载，在控制器中设置轴压值和轴压施加速率的大小，从而实现对岩石试件的围压与轴压的施加，利用显示器接收试验数据及绘制试验图像；

步骤四：测定岩石参数：通过温度传感器、环向引伸计、轴向引伸计、流量传感器Ⅰ、流量传感器Ⅱ测定岩石在内外水压差下的岩石抗拉强度值、岩石的径向变形、侧向变形与加载速率的关系。

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