CN113008986A - 一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种模拟应力‑干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，包括浸泡‑风干容器，所述浸泡‑风干容器为透明容器，浸泡‑风干容器内设金属透水块，金属透水块中部放置岩样，岩样上设有刚性垫块，刚性垫块与连接在加载平台上的压力头相接触，加载平台上放置液压千斤顶。浸泡‑风干容器通过进水管与储水箱相连，进水管上靠近储水箱的一端安装有水泵，进水管分别与风干装置、加湿装置连接。非金属超声波检测分析仪与浸泡‑风干容器相连，非金属超声波检测分析仪连接计算机，便于试验数据的采集整理。本发明装置不仅可以实时监测并量化评价自愈过程中泥岩的愈合度；还可以在同一装置中模拟出不同环境因素下，特别是应力与干湿循环的耦合作用下泥岩的自愈过程。
Description
技术领域
本发明涉及泥岩愈合特征研究领域，具体涉及一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置。
背景技术
近年来，泥岩以其低渗透性，良好的蠕变性和损伤自愈特征而备受关注。泥岩在外力的施加和水环境的作用下发生一系列反应：泥岩在外力作用下增大裂隙之间的接触面积，水渗透入裂隙中与黏性矿物发生化学反应，生成沉淀物，堵塞填充裂隙，渗透性降低，裂隙从而闭合。由于泥岩的自愈特性有利于提高围岩的稳定性，被国际上公认为是核废料处置库的深部地质体的候选母岩。
工程中的泥岩常常处于上覆应力和一定的水环境耦合作用下，特别是受地下水位变化和降雨的影响，还处于干湿循环的状态。有的学者也展开了部分泥岩自愈试验，F.Bernier和X.L.Li等人对含裂隙泥岩试样进行了渗透性试验，发现试验进行4.5小时后，渗透性降低，泥岩裂隙发生自修复；M.Van Geet通过对含裂隙泥岩试样进行等压试验，通过CT扫描发现直径为2mm的裂隙试样发生愈合。而现有干湿循环作用下泥岩自愈过程模拟试验中，一般是将所取的岩样放置于防崩解装置中加水浸泡24h后，然后将岩样放置入烘箱中，在温度105℃下烘干至恒量后，将岩样取出至干燥箱中至完全冷却，该过程作为一次干湿循环。待每一次干湿循环结束后，将岩样置于CT机上进行分层扫描，通过每层断面的CT图像判断泥岩的裂隙的自愈程度。
综合目前泥岩自愈试验装置和方法来看，多是一种单因素的模拟，不能真实的模拟泥岩在工程中上覆应力与水环境(特别是干湿循环)耦合作用下的愈合过程；在试验过程中各环节需要人工操作，过程繁琐，耗时长，试验精度低。而且，对泥岩的自愈过程缺少实时监测措施，无法有效量化评价其自愈程度。因此，亟待研制一种可模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置及评价方法。
发明内容
本发明提供一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，该装置不仅可以实时监测并量化评价自愈过程中泥岩的愈合度；还可以在同一装置中模拟出不同环境因素下，特别是应力与干湿循环的耦合作用下泥岩的自愈过程。
本发明采取的技术方案为：
一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，包括浸泡-风干容器，所述浸泡-风干容器为透明容器，浸泡-风干容器内设金属透水块，金属透水块中部放置岩样，岩样上设有刚性垫块，刚性垫块与连接在加载平台上的压力头相接触，加载平台上放置液压千斤顶，液压千斤顶通过输油管与油泵相连接。
浸泡-风干容器的下端设置进水通道，进水通道通过进水管将储水箱与浸泡-风干容器相连，进水管上靠近储水箱的一端安装有水泵，水泵将储水箱中的水通过进水管输送给岩样，靠近浸泡-风干容器的一端的进水管上设有进水阀门，进水管分别与风干装置、加湿装置连接；
所述浸泡-风干容器设有留置孔，非金属超声波检测分析仪的探头通过留置孔与浸泡-风干容器相连，非金属超声波检测分析仪连接计算机，便于试验数据的采集整理。
所述风干装置包括鼓风机、加热箱，加热箱内壁上设置电阻丝，加热箱外壁的进水管上加装有供气阀门。
所述加湿装置包括加湿器，加湿器的一端设置加湿阀门。
所述浸泡-风干容器内壁上设置湿度计，判断容器内湿度变化。
所述浸泡-风干容器的盖板上加工有出气孔，排气管穿过该出气孔固定在盖板上，排气管外的一端设有排气阀门；浸泡-风干容器底部设有排水管，排水管设有排水阀门，排水管一端延伸至集水盒中。
所述岩样包裹有热缩管，热缩管上设置有透水孔。
所述油泵和液压千斤顶之间加设一个液压加载油路恒压器，液压加载油路恒压器由日式PR-5BB稳压器组成，用于对岩样加载时的稳压处理。
所述浸泡-风干容器内设第一位移传感器，第一位移传感器与岩样接触，用于测量岩样的径向变形；浸泡-风干容器外壁上加装一个第二位移传感器，第二位移传感器与加载平台接触，用于测量岩样的轴向变形。
所述金属透水块由碳钢制成，金属透水块六面均布置加工细密孔道，水通过孔道与岩样接触。
所述刚性垫块和金属透水块上加工对称孔道；所述非金属超声波检测分析仪为NM-4A型，非金属超声波检测分析仪的探头通过对称孔道与岩样的上下底相接触。
本发明一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，有益效果如下：
1)、本发明装置不仅可以模拟自然环境、可控的湿度环境、浸泡环境和干湿循环环境下泥岩的自愈过程，还可以通过液压千斤顶对岩样施压，考虑上述四种环境下应力的耦合作用。可以通过调节各装置的设定参数研究上述环境因素对泥岩自愈程度的影响。
2)、本发明装置在干湿循环过程中，岩样的浸泡和干燥过程均简化在浸泡-风干容器内进行，实现了岩样干湿循环作用的全自动化控制，避免将岩样移出浸泡-风干容器再进行干燥和饱和的操作，避免手工操作的繁琐，有效控制了由于人工操作而带来的误差。
3)、本发明装置在泥岩的自愈过程中，可以方便测量岩样的轴向变形和径向变形。
4)、本发明装置通过非金属超声波检测分析仪，实时测得泥岩自愈过程中超声波的振幅和波速，并针对测得振幅和波速，提出对应的愈合度公式，能有效的评价分析泥岩自愈过程中愈合度的变化。
附图说明
图1为本发明监测装置的整体结构示意图。
图2为本发明监测装置的浸泡-风干容器与测量仪器的连接示意图。
图3为本发明监测装置的热缩管包裹岩样示意图。
其中：
1-计算机，2-非金属超声波检查分析仪，3-鼓风机，4-电阻丝，5-加热箱，6-储水箱，7-供气阀门，8-水泵，9-进水阀门；
10-液压千斤顶，11-浸泡-风干容器，12-信号线，13-岩样，14-金属透水块，15-排水管，16-集水盒，17-加载平台，18-顶板，19-湿度计；
20-压力头，21-非金属超声波检查分析仪探头，22-排气管，23-液压加载油路恒压器，24-油泵，25-螺旋立柱，26-底板，27-底座，28-排水阀门28，29-透水孔；
30-热缩管，31-非金属超声波检查分析仪布置孔，32-第一位移传感器布置口，33-加湿器，34-刚性垫块，35-进水管，36-位移传感器，37-排气阀门，38-加湿阀门。
具体实施方式
如图1～图3所示，一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，包括浸泡-风干容器11、动力加载装置、供水装置、风干装置、加湿装置、非金属超声波检测分析仪2。用以放置浸泡-风干容器11的底板26、顶板18、底座27、加载平台17通过两根螺旋立柱25连接成一个整体支架结构。液压千斤顶10外接液压装置和稳压系统。液压装置包括油泵24，液压装置连接计算机1进行控制。稳压系统中设有液压加载油路恒压器23，液压千斤顶10下连接压缩装置。压缩装置中包括加载平台17和压力头20。加载平台17两端套设在两根螺旋立柱25上，加载平台17下端焊接压力头20，压力头20同刚性垫块34接触，刚性垫块34下放置岩样13。打开油泵24，液压千斤顶10通过加载平台17上的压力头20对岩样13施加应力。
非金属超声波测量分析仪21探头通过凹形的金属透水块14和刚性垫块34上预留的孔道对称布置，探头另一端接信号线12，信号线12穿过浸泡-风干容器11上开孔与非金属超声波检测分析仪2和计算机1连通。试验过程中打开非金属超声波检测分析仪2，通过实时测量岩样的超声波的振幅和波速来定量评价泥岩的自愈程度。
供水装置中，储水箱6、水泵8与进水阀门9通过供水管35同浸泡-风干容器11依次连接。打开进水阀门9，水泵8将储水箱6中的水输送给岩样13。
风干装置中，包含有鼓风机3、加热箱5，加热箱5中设有电阻丝4，整个风干装置通过进水管35和浸泡-风干容器11连接，进水管35上并装有供气阀门7，加热电阻丝4，打开供气阀门7和鼓风机3，对岩样13进行加热烘干。
加湿装置中，加湿器33上方设有加湿阀门38，进水管35将加湿器33、加湿阀门38同浸泡-风干容器11相连接，容器内壁设有湿度计19。通过湿度计39读数的变化，设定加湿器33的上的湿度和时间，对岩样13进行加湿处理。
如图2所示，浸泡-风干容器11内包括透明封闭容器42，透明封闭容器42上设有三个孔洞，分别连接供水管35、排水管15和排气管22；上部盖板留有出气孔口，用于放置连有探头的信号线12；容器内设两根导管连接两个位移传感器36，位移传感器36的一端与岩样13相接触，位移传感器36另一端与计算机1相连，用于测量泥岩自愈过程中的径向变形；容器外壳上加装一个位移传感器，该传感器与加载平台17接触，用于测量泥岩自愈过程的轴向变形。
如图3所示，装有岩样13的套筒由热缩管30组成，热缩管30上设有透水孔29和位移计测量孔，便于岩样均匀吸水和测量加载过程中岩样的轴向变形；上下两端留有布置非金属超声波检测分析仪2探头的孔口，便于实时测量泥岩自愈过程中超声波的振幅和波速。
本发明装置实施操作步骤如下：
(一)、试样制备与安装：
1、制备直径50mm、高度100mm的标准泥岩试样，先测试试样的超声波振幅A0和波速V0，再进行单轴加载，直至岩样出现明显裂缝。
2、将具有裂缝的泥岩试样用热缩管包裹，在热缩管的表面布置一定的透水孔后，再将岩样对应透明封闭容器内的金属透水块14预留的卡槽安装固定。
3、在岩样上放置刚性垫块34，通过刚性垫块34和金属透水块14的孔道对岩样的上下底对称布置非金属超声波检测分析仪的探头，使探头与岩样的上下底相接触，保证实验数据的准确性。
4、将两个位移传感器36通过容器中导管与岩样接触，另外一个位移传感器36固定在容器外壁上，位移传感器36的一端与加载平台相接触。三个位移传感器36的另一端均与计算机1相连接，便于试验数据的整理保存。
5、打开非金属超声波检测分析仪2，观察记录此时损伤岩样的非金属超声波检测分析仪2上显示的超声波的振幅A1和波速V1。
(二)、环境模拟：
本发明装置可模拟自然环境、可控的湿度环境、浸泡环境和干湿循环环境四种单一环境，在这所介绍四种环境下，可以不考虑应力，也可以通过应力加载考虑应力的耦合作用。下面具体环境模拟的操作步骤：
步骤1、自然环境：关闭进水阀门9和排水阀门28，打开排气阀门37、供气阀门7和鼓风机3，通气5分钟后将原容器内气体排出，关闭供气阀门7和鼓风机3，使岩样处于一个半封闭环境，按照试验要求模拟泥岩自然环境下的自愈过程；
步骤2、可控的湿度环境：关闭进水阀门9、供气阀门7、排水阀门28和排气阀门37，依次打开加湿装置阀门38和加湿器33，通过容器内的湿度计19度数变化，调节加湿器33，对岩样进行试验，加湿器33上的设定湿度可根据试验要求进行选择；
步骤3、浸泡环境：关闭排水阀门28和供气阀门7，打开进水阀门9、水泵8和储水箱6，利用进水管缓慢向浸泡-风干容器内加水，通过透明容器观察水位刚刚没过岩样，关闭水泵8和进水阀门9，岩样则完全浸泡在水中，若水位有所下降，则打开进水阀门9和水泵8对岩样进行补水。
步骤4、干湿循环的环境：重复步骤3施加浸泡环境后，打开排水阀门28，通过排水管15将水排至集水盒16，待容器内水排出后，关闭排水阀门28和排气阀门37。接通加热电阻丝4，打开供气阀门7并启动鼓风机3，通过进水管35对容器内岩样进行干燥处理。
重复上述步骤3～4，按此循环规律继续循环操作，具体循环次数根据不同试验要求进行设定。
步骤5、应力加载：打开油泵24，给液压千斤顶10施压，利用液压加载油路恒压器23进行稳压。加载平台17向下移动，利用压力头20对岩样试压。
(三)、实时监测：
(1)、观察容器两端外接的位移传感器和加载平台下端位移传感器的读数，记录加载过程中岩样的变形。
(2)、通过非金属超声波检测分析仪2，实时监测记录非金属超声波监测分析仪2上实时的超声波的振幅At和波速Vt。
(四)、泥岩自愈程度定量评价方法：
针对非金属超声波检测分析仪2上测得的超声波振幅和波速，提出对应的愈合度公式：
式中：YA或YV分别为根据超声波振幅和波速计算得到的愈合度，A1和V1为自愈试验前损伤泥岩的超声波振幅和波速初始值，A0和V0为完好无损伤泥岩岩样的超声波振幅和波速，At和Vt为泥岩岩样自愈过程中实时测得的超声波的振幅和波速，根据岩样的愈合程度可得，A1≤At≤A0，V1≤Vt≤V0。
当YA或YV趋近于0时，泥岩损伤程度严重，愈合程度差；当YA或YV逐渐增大时，表示泥岩的愈合程度越来越大；当YA或YV趋近于1时，泥岩接近于完全愈合。
Claims (10)
1.一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，包括浸泡-风干容器(11)，其特征在于：所述浸泡-风干容器(11)为透明容器，浸泡-风干容器(11)内设金属透水块(14)，金属透水块(14)中部放置岩样(13)，岩样(13)上设有刚性垫块(34)，刚性垫块(34)与连接在加载平台(17)上的压力头(20)相接触，加载平台(17)上放置液压千斤顶(10)，液压千斤顶(10)通过输油管与油泵(24)相连接；
浸泡-风干容器(11)通过进水管(35)将储水箱(6)相连，进水管(35)上靠近储水箱(6)的一端安装有水泵(8)，水泵(8)将储水箱(6)中的水通过进水管(35)输送给岩样(13)，靠近浸泡-风干容器(11)的一端的进水管(35)上设有进水阀门(9)，进水管(35)分别与风干装置、加湿装置连接；
所述浸泡-风干容器(11)设有留置孔，非金属超声波检测分析仪(2)的探头通过留置孔与浸泡-风干容器(11)相连，非金属超声波检测分析仪(2)连接计算机(1)。
2.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述风干装置包括鼓风机(3)、加热箱(5)，加热箱(5)内壁上设置电阻丝(4)，加热箱(5)外壁的进水管上加装有供气阀门(7)。
3.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述加湿装置包括加湿器(33)，加湿器(33)的一端设置加湿阀门(38)。
4.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述浸泡-风干容器(11)的盖板上加工有出气孔，排气管(22)穿过该出气孔固定在盖板上，排气管(22)外的一端设有排气阀门(37)；
浸泡-风干容器(11)底部设有排水管(15)，排水管(15)设有排水阀门(28)，排水管(15)一端延伸至集水盒(16)中。
5.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述岩样(13)包裹有热缩管(30)，热缩管(30)上设置有透水孔(29)。
6.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述油泵(24)和液压千斤顶(10)之间加设一个液压加载油路恒压器(23)。
7.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述浸泡-风干容器(11)内设第一位移传感器，第一位移传感器与岩样(13)接触，用于测量岩样(13)的径向变形；
浸泡-风干容器(11)外壁上加装一个第二位移传感器，第二位移传感器与加载平台(17)接触，用于测量岩样(13)的轴向变形。
8.根据权利要求1所述一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置，其特征在于：所述刚性垫块(34)和金属透水块(14)上加工对称孔道，非金属超声波检测分析仪(2)的探头通过对称孔道与岩样(13)的上下底相接触。
9.一种模拟泥岩应力-干湿循环耦合环境的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、自然环境：关闭进水阀门(9)和排水阀门(28)，打开排气阀门(37)、供气阀门(7)和鼓风机(3)，通气后将原容器内气体排出，关闭供气阀门(7)和鼓风机(3)，使岩样(13)处于一个半封闭环境，按照试验要求模拟泥岩自然环境下的自愈过程；
步骤2、可控的湿度环境：关闭进水阀门(9)、供气阀门(7)、排水阀门(28)和排气阀门(37)，依次打开加湿装置阀门(38)和加湿器(33)，通过容器内的湿度计(40)度数变化，调节加湿器(33)，对岩样进行试验，加湿器(33)上的设定湿度可根据试验要求进行选择；
步骤3、浸泡环境：关闭排水阀门(28)和供气阀门(7)，打开进水阀门(9)、水泵(8)和储水箱(6)，利用进水管缓慢向浸泡-风干容器(11)内加水，通过透明容器观察水位刚刚没过岩样，关闭水泵(8)和进水阀门(9)，岩样则完全浸泡在水中，若水位有所下降，则打开进水阀门(9)和水泵(8)对岩样(13)进行补水；
步骤4、干湿循环的环境：重复步骤3施加浸泡环境后，打开排水阀门(28)，通过排水管(15)将水排至集水盒(16)，待容器内水排出后，关闭排水阀门(28)和排气阀门(37)；接通加热电阻丝(4)，打开供气阀门(7)并启动鼓风机(3)，通过进水管(35)对容器内岩样(13)进行干燥处理；
重复上述步骤3～4，按此循环规律继续循环操作；
步骤5、应力加载：打开油泵(24)，给液压千斤顶(10)施压，利用液压加载油路恒压器(23)进行稳压；加载平台(17)向下移动，利用压力头(20)对岩样(13)试压。
10.一种泥岩自愈程度定量评价方法，其特征在于：
针对非金属超声波检测分析仪(2)上测得的超声波振幅和波速，提出对应的愈合度公式：
式中：YA或YV分别为根据超声波振幅和波速计算得到的愈合度，A1和V1为自愈试验前损伤泥岩的超声波振幅和波速初始值，A0和V0为完好无损伤泥岩岩样的超声波振幅和波速，At和Vt为泥岩岩样自愈过程中实时测得的超声波的振幅和波速，根据岩样的愈合程度可得，A1≤At≤A0，V1≤Vt≤V0；
当YA或YV趋近于0时，泥岩损伤程度严重，愈合程度差；当YA或YV逐渐增大时，表示泥岩的愈合程度越来越大；当YA或YV趋近于1时，泥岩接近于完全愈合。
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