CN111811946A - 基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变试验装置及其测试方法 - Google Patents

基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变试验装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于真实水环境下岩石应力‑化学耦合蠕变试验装置及其测试方法。岩样置于三轴蠕变试验装置的承压桶中，通过水压控制系统对岩样施加围压；化学溶液添加室位于试验装置密封桶盖上部，用于保证试验中化学溶液浓度稳定；维持轴压、水压、化学溶液浓度稳定后，进行岩石三轴蠕变试验。本发明通对不同轴压、不同水压、不同化学溶液浓度下的岩石蠕变试验，对定量研究岩石受围岩应力、地下水作用、化学腐蚀单独或共同作用下的长期稳定性问题具有参考价值。

Description

基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变试验装置及其测 试方法
技术领域
本发明涉及岩石力学与地下工程领域，具体涉及一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变试验装置及其测试方法。
背景技术
岩石在地下水环境下的应力-化学耦合问题是目前岩石力学一个重要的研究课题。水化学溶液在岩体工程中广泛存在，并影响着岩石的物理力学性质。水化学溶液的存在，一方面能够产生孔隙水压力，降低岩石骨架所承受的有效应力，从而降低了岩石的强度力学特征；另一方面，水化学溶液能够对岩石的矿物成分和矿物颗粒之间的胶结物产生物理化学作用，改变岩石原有结构或产生新的矿物。此外，水化学溶液对岩石力学特征的效应不仅仅只是有效应力减少，化学腐蚀对岩石物理力学特性的影响也非常巨大。研究水化学溶液对岩石物理力学特性具有重要的理论意义和工程应用价值。
岩石在地下水环境下的应力和化学腐蚀作用条件下的蠕变力学特性，是确定岩石在水化作用下长期强度与稳定性的主要方式之一。因此，非常有必要开展岩石在真实水环境下应力-化学耦合下蠕变试验。目前，进行岩石常规三轴蠕变试验的方法已经非常成熟，但在真实水环境下进行岩石应力-化学耦合下蠕变试验的方法还比较少见，尚未有不同轴压、不同水压、不同化学溶液浓度下单独或共同作用下，岩石蠕变演化规律的测试装置和测试方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变测试装置及其测试方法。测试岩石试样在不同轴压、不同水压、不同浓度化学溶液单独或共同作用下应力、应变、时间以及化学溶液浓度的演化规律，解决岩石受地下水、化学腐蚀以及地应力单独或共同作用下的长期强度问题。
技术方案：本发明提供一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变测试装置，岩样置于三轴蠕变试验装置的承压桶中，还包括与承压桶相连的水压系统、与承压桶顶部密封桶盖相接触的轴向液压加载系统、置于密封桶盖上部的化学溶液浓度调节系统，以及一系列的应力、水压力、位移、化学溶液浓度测量系统。其中液压加载系统提供轴向力的加卸载功能，水压系统提供围压的加卸载功能，化学溶液添加系统提供化学溶液浓度稳定和增减功能。
进一步，所述的水压系统通过水压施加围压，由于水属于不可压缩液体，既可以模拟真实的水环境条件，又可以为岩样施加围压。
进一步，所述的承压桶内有酸碱度传感器，可测量其化学溶液浓度的变化情况。
进一步，所述的化学溶液添加室置于承压桶密封盖上，与承压桶相连接，可调节承压桶化学溶液浓度。
进一步，所述的化学溶液添加室与承压桶连接处设有单向阀和截止阀，试验中，截止阀处于关闭状态，若要改变承压桶中的化学溶液浓度，可打开截止阀。
进一步，蒸馏水进入承压桶后，将会与岩石试样进行完全接触，模拟真实的地下水环境条件；通过压力传感器对水压大小进行调节，来实现岩石试样围压大小的变化。
进一步，化学溶液添加室可添加蒸馏水或化学溶液，根据承压桶内酸碱度传感器所显示的化学溶液浓度大小，通过化学溶液浓度控制系统，可对承压桶内化学溶液浓度进行实时调整，保证化学溶液浓度的稳定。
一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变测试方法，选取并制备岩样，将岩样置于三轴蠕变试验装置的承压桶内，通过水压系统将蒸馏水冲入承压桶内对试样施加围压，并以此模拟真实的地下水环境，通过位于承压桶桶盖上部的化学溶液添加室来调节承压桶内化学溶液浓度的大小，维持化学溶液浓度和围压稳定后，通过液压系统施加轴压进行三轴蠕变试验，并实时监测数据。
进一步，水压系统将蒸馏水冲入承压桶后，通过位于桶盖上侧的化学溶液添加室进行化学溶液浓度调节，并利用酸碱度传感器进行承压桶内的化学溶液浓度的测量，使得承压桶内化学溶液浓度趋于稳定，来实现岩石应力-化学耦合蠕变试验。
有益效果：本发明通过控制承压桶内水压来模拟真实的地下水环境，通过控制水压的大小来提供岩石试样的围压；利用承压桶内的酸碱度传感器与化学溶液浓度控制系统，可对承压桶内化学溶液浓度进行实时调整，保证承压桶内化学溶液浓度的稳定；通过不同轴力、不同水压力、不同化学溶液浓度下的岩石多场耦合蠕变试验，对定量研究岩石受地应力、地下水及化学腐蚀单独或共同作用下的长期强度问题具有参考价值。
附图说明
图1为本发明测试装置结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述的实例。
实施例：一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变试验装置，如图1所示，包括岩样1、承压桶2、岩样固定装置3、压盘底座4、试样轴向变形引伸装置5、变形测量尺固定装置6、承压桶桶盖7、轴压连杆8、水压接口9、排气孔10、酸碱度传感器11、化学溶液添加室12、单向阀与截止阀13、变形测量尺14、液压机15、液压机反力架16、液压控制系统17、水压控制系统18、数据采集系统19和酸碱溶液控制系统20。
本实施例具体实施步骤如下。
Figure 917840DEST_PATH_IMAGE001
利用取芯钻具获取地下岩芯试验，选取完好、无损且原始内部结构完整的岩芯试样，加工成标准圆柱形试样，然后将制备好的岩样1放入承压桶2内，耐腐蚀的高性能承压桶由304或316SS钢材浇铸而成，能够承受不同浓度化学溶液的腐蚀。
Figure 355775DEST_PATH_IMAGE002
将化学溶液添加室12打开，放入一定浓度的化学溶液，然后将化学溶液添加室阀门13打开，使化学溶液流入承压桶呢，待承压桶内充满了化学溶液后，关闭化学溶液添加室舱门以及化学溶液添加室阀门13。
Figure 245233DEST_PATH_IMAGE003
打开水压系统18，将水压力施加到承压桶2内，使试样1所受的围压保持稳定。
Figure 717803DEST_PATH_IMAGE004
维持围压、化学溶液浓度稳定以后，打开液压控制系统17，先进行预压，使压盘底座4、试样1、轴压连杆8与液压机15的压头充分接触闭合，调节变形测量尺固定装置6的高度，并放入变形测量尺14于试样变形引伸装置5处，进行变形实时监测。最后通过液压系统施加轴向力进行三轴蠕变试验，并由数据采集系统19实时监测数据。

Claims (7)

1.一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变试验装置，岩样置于三轴蠕变试验装置的承压桶中，其特征在于：还包括与承压桶相连的水压控制系统，与承压桶顶部密封桶盖上部连通的化学溶液添加室，设有可调节水压大小的围压加载系统对岩样施加围压，设有可调节化学溶液浓度大小的控制系统，保证承压桶中化学溶液浓度的稳定。
2.根据权利要求1所述的岩石应力-化学耦合蠕变试验装置，其特征在于：所述的水压控制系统通过水压施加围压。
3.根据权利要求1或2所述的岩石应力-化学耦合蠕变试验装置，其特征在于：所述的承压桶设有酸碱度传感器。
4.根据权利要去1所述的岩石应力-化学耦合蠕变测试装置，其特征在于：所述的化学溶液添加室位于承压桶顶部密封桶盖上部，可向承压桶内添加化学溶液或蒸馏水调节溶液浓度。
5.根据权利要求1或4所述的岩石应力-化学耦合蠕变试验装置，其特征在于：所述的化学溶液添加室与承压桶连通，并设有控制系统，通过对截止阀和单向阀的控制，可对承压桶内化学溶液浓度进行实时调节，同时可保证承压桶与化学溶液添加室在正常状态下不连通，提高试验的可靠性与安全性。
6.一种基于真实水环境下岩石应力-化学耦合蠕变测试方法，其特征在于：选取并制备岩样，将岩样放入三轴蠕变试验装置的承压桶中，通过液压系统将液压油冲入液压机内，通过传力杆件将液压力传到承压桶内的岩样上，以此来施加轴压；然后通过水压系统将蒸馏水冲入承压桶，对岩样施加围压，由于水的体积不可压缩，可通过调节水压力的大小来控制承压桶内岩样所受到的围压；化学溶液添加室位于承压桶顶部密封桶盖的上部，可通过化学溶液浓度控制系统，实时对承压桶添加化学溶液或蒸馏水；待轴压、水压和化学溶液浓度稳定后，进行岩石三轴蠕变试验。
7.在试验期间，可通过化学溶液浓度控制系统对承压桶内的化学溶液浓度进行实时改变。
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