CN113504119A - 一种拉伸作用下的岩石渗流装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉伸作用下的岩石渗流装置，包括：油压装置、拉伸控制装置、渗流装置、拉伸夹具、压力室、数据采集处理系统、底座外框架、岩石试件；渗流装置用于对岩石试件开展渗流实验；拉伸夹具用于对岩石试件产生拉伸作用；油压装置用于控制压力室内部围压大小；拉伸控制装置用于对拉伸夹具顶部进行拉伸操作；数据采集处理系统用于采集拉伸过程中岩石试件的实时应变数据，分析岩石试件应变变化情况。本发明结构简单，有较强的综合性，可以岩石在拉应力和渗流耦合条件下渗透率的变化过程和规律，对于建立拉伸作用下的力学本构模型有重要的现实意义，也提高了试验精度，能够测试不同水压、围压和拉应力下岩石的应变过程及渗透率的变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验领域，尤其涉及一种拉伸作用下的岩石渗流装置及试验方法。
背景技术
在岩土工程设计和施工中，岩石的抗拉强度是一个重要的力学指标。实际上，地下工程岩体经常处于复杂的应力状态。有的工程处于压缩应力状态，有的工程处于拉伸应力状态，且对于地下隧道围岩失稳而言其总是从拉应力区开始破坏。同时，围岩的渗透特性也会因拉伸破坏而出现变化。因此，岩石在拉伸过程中的渗流测试对岩体工程结构长期稳定性维护具有重要意义。
目前，随着我国重大岩石力学工程的不断建设，导致渗流和应力耦合作用下岩石材料的损伤破坏及渗透特性成为工程学科的热点问题，因此寻求一种拉伸作用下的岩石渗流装置及试验方法迫在眉睫。同时，对于拉伸作用下岩石的渗流研究离不开试验设备的自主创新，目前已有研究涉及到剪切渗流-应力耦合的试验设备，试验装置能够测试岩石剪切过程中的渗透特性的变化规律，并能测试渗透率的演化程度。但这些耦合是剪切渗流作用下进行的，没有考虑到拉伸的情况。
发明内容
本发明提供一种拉伸作用下的岩石渗流装置及试验方法，以克服以上问题。
本发明装置包括：油压装置、拉伸控制装置、渗流装置、拉伸夹具、压力室、数据采集处理系统、底座外框架、岩石试件；
所述底座外框架，包括：基础底座与四个立柱，基础底座与四个立柱固定连接；
油压装置和压力室固定连接；
所述拉伸控制装置固定连接在压力室的上方；
所述渗流装置通过防水胶固定连接在压力室的上方；
所述拉伸夹具固定在压力室的内部，所述拉伸夹具上部分与拉伸控制装置固定连接，所述拉伸夹具下部分与所述岩石试件固定连接；
所述压力室固定连接在基础底座上方；
所述数据采集处理系统固定连接在岩石试件上；
所述岩石试件固定连接在拉伸夹具中；
压力室用于将岩石试件置入压力室内部开展拉伸及渗流试验；
底座外框架用于固定压力室底部；
渗流装置用于对岩石试件开展渗流实验；
拉伸夹具用于对岩石试件产生拉伸作用，测试岩石试件在拉伸过程中的渗透率的变化；
油压装置用于对压力室内部进行冲油、卸油，控制压力室内部围压大小；
拉伸控制装置用于对拉伸夹具顶部进行拉伸操作，控制岩石试件上下拉伸，使岩石试件受到不同荷载作用，产生应力环境场；
数据采集处理系统用于采集拉伸过程中岩石试件的实时应变数据，分析岩石试件应变变化情况。
进一步地，拉伸控制装置，包括：伺服控制器、伺服油泵、伺服电液系统；伺服控制器下部和伺服油泵上部固定连接，伺服油泵下部和伺服电液系统上部固定连接。
进一步地，油压装置，包括：油泵、进油管、进油口、出油口、出油管；
油泵下部和进油管上部固定连接，进油管下部和进油口上部固定连接；进油口下部和压力室右上部分固定连接，压力室左上部和出油口下部固定连接，出油口上部和出油管下部固定连接。
进一步地，本发明还包括：千斤顶装置，所述千斤顶装置包括：液压千斤顶、平衡球头、顶部加载轴；
顶部加载轴下部和液压千斤顶上部固定连接，液压千斤顶下部和平衡球头上部固定连接；
所述千斤顶装置用于对岩石试件产生拉伸作用，所述千斤顶装置由拉伸控制装置控制。
进一步地，渗流装置包括：水泵、输水阀门、进水管、进水口、透水垫片、出水口、出水管；
水泵下部与输水阀门上部固定连接，输水阀门下部与进水管上部固定连接，进水管下部与进水口上部固定连接，透水垫片固定连接在岩石试件的上部；出水口固定连接在压力室的下部，出水管上部与出水口下部固定连接；
进一步地，本发明还包括：防水加固套和防水稳固套；
防水加固套与岩石试件固定连接，防水稳固套是套在防水加固套的外面；
防水加固套和防水稳固套，用于以不透水的方式固定岩石。
进一步地，数据采集处理系统，包括：轴向应变传感器、径向应变传感器、数据收集分析器、数据显示器；
轴向应变传感器固定连接在岩石试件表面；
径向应变传感器固定连接在岩石试件表面；
所述轴向应变传感器、径向应变传感器通过数据线与数据收集分析器连接；
数据收集分析器通过数据线与数据显示器连接。
本发明方法包括：
步骤1、将加工完成的岩石试件放入到压力室内的拉伸夹具中固定，在岩石试件周围安装轴向应变传感器、径向应变传感器；
步骤2、利用油压装置对压力室内部进行冲油操作，并保持足够的时间直至出油口渗出油，用油压装置增加围压；
步骤3、确认压力室密封完好，即不漏水不透油；拉伸控制装置对拉伸夹具进行控制加载，直至加载的数值到设计值，所述设计值不大于30MPa；拉伸夹具可以对岩石试件产生轴向拉伸作用；
步骤4、通过渗流装置通过水泵对透水垫片加压，轴向应变传感器、径向应变传感器记录岩石试件应变变化、应变时间变化数据；渗流装置记录流量和时间变化情况数据，计算岩石试件渗透率；
步骤5、记录数据信息采集装置收集到的应变值ε、拉伸及流量时间Δt、水流量ΔQ、竖向位移h及拉伸应力σ等参数，进而绘制出拉伸过程中岩石试件(9)的全应力-应变关系曲线，分析在拉伸过程中渗透率的变化规律。
9、根据权利要求8所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置的试验方法，其特征在于，岩石试件渗透率的计算公式为：
其中，Δt为记录点的间隔；时间k为岩石试件在Δt时间内的平均渗透率；μ为流体黏滞率；ΔQ为在Δt时间内流经岩石试件的水流体积；L为水流渗流长度，即岩石试件的高度；ΔP为岩石试件的上、下游渗透压差。
本发明结构简单，有较强的综合性，可以岩石在拉应力和渗流耦合条件下渗透率的变化过程和规律，且能够得到拉伸过程中岩石的全应力-应变曲线。通过该装置的渗流装置、油压装置和拉伸控制装置能够精确的控制水压、围压和拉伸应力，以此能够测试不同水压、围压和拉应力下岩石的应变过程及渗透率的变化规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种拉伸作用下岩石渗流装置整体结构示意图；
图2为压力室与多个装置的连接示意图；
图3为本发明中渗流装置的结构示意图；
图4为本发明中拉伸控制装置结构示意图；
图5为本发明中拉伸夹具的结构示意图；
图6为本发明中数据采集处理系统的示意图；
图7为本发明中渗流过程及密封结构示意图；
图8为本发明中一种拉伸作用下岩石渗流试验方法的流程图。
附图标号说明：
100、轴向应变传感器；200、径向应变传感器；1、油压装置；2、拉伸控制装置；3、渗流装置；4、千斤顶装置；5、岩石拉伸夹具；6、压力室；7、数据采集处理系统；8、底座外框架；9、岩石试件；11、油泵；12、进油口；13、出油口；14、进油管；15、出油管；21、伺服电液系统；22、伺服油泵；23、伺服控制器；31、水泵；32、输水阀门；33、进水管；34、进水口；35、透水垫片；36、出水口；37、出水管；41、液压千斤顶；42、顶部加载轴；43.平衡球头；53、防水加固套；54、防水稳固套；71、数据收集处理器；72、数据显示器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例的方法可以包括：
如图1所示为一种拉伸作用下岩石的渗流装置，包括了油压装置1、拉伸控制装置2、渗流装置3、千斤顶装置4、拉伸夹具5、压力室6、数据采集处理系统7、底座外框架8、轴向应变传感器100及径向应变传感器200。将岩石试件安装在拉伸夹具5中并固定完成后，将其放入到压力室6内。同时，可通过油压装置1的油泵11经进油管14对进油口12进行冲油操作，当压力室6内部充满油后会从出油口溢出，最后经出油管15流出；如图2所示将拉伸控制装置2、渗流装置3、油压装置1、数据采集处理系统7与压力室6安装连接至合适状态。
进一步的，如图3所示为渗流测量装置示意图，当需要开展渗流试验时，通过水泵31产生水压和水流，此时输水阀门32为打开状态，水流通过进水管33和进水口34向透水垫片35进行渗流操作，这时水流会通过试件流向出水口36，并最终通过37出水管流出。如图4所示，拉伸控制装置2，包括：伺服电液系统21、伺服油泵22、伺服控制器23，千斤顶装置4，包括：液压千斤顶41、顶部加载轴42、平衡球头43，系统工作状态为压力控制状态。拉伸控制装置2的运行原理是伺服控制器23控制伺服电液系统21向伺服油泵22传递信号，使之冲油和回油控制液压千斤顶41向下传递拉伸荷载，其顶部加载轴42与液压千斤顶41相连，平衡球头43最下方，平衡球头43上部与顶部加载轴42相连，平衡球头43与拉伸夹具5上部分相连。
进一步的，如图5所示，为拉伸夹具的结构示意图，此时是需要将待测岩石试件9放入至下拉伸夹具部分5中的防水加固套53内且用胶固定，之后在外层套入防水稳固套54，最后扣上拉伸夹具上部分5并用胶固定，此时拉伸夹具5就可以对岩石试件9进行轴向拉伸作用。
进一步的，如图6所示为数据采集处理系统的结构示意图。包括监测轴向应变变化传感器100、监测径向应变变化传感器200、数据收集处理器71和数据显示器72，所述所有传感器均位于压力室6内部，所述温度传感器和应变变化传感器和位移计监测信息通过数据线与外部数据收集分析器连通，能够分析随时监测压力室内部温度、岩石试件应变变化情况。图7为渗流密封的结构示意图，以此能够使岩石在拉伸过程中的渗流更加准确，使水流能够从岩石的上表面流经至下表面。
实施例2
拉伸作用下岩石的渗流试验方法具体流程如下：首先将加工完成的岩石试件9放入到压力室6内的拉伸夹具5中固定，然后在试件周围安装轴向变形传感器100和径向变形传感器200，之后利用油压装置1通过进油口12将压力室6内部进行冲油，并保持足够的时间当出油口13溢出时停止进油，之后进行加围压操作，这是围压必须大于水压方可测试渗透率。当确认压力室密封完好后，利用拉伸控制装置2对拉伸夹具5进行控制加载，直至加载到试样破坏。此时，拉伸夹具5可以对岩石产生轴向拉伸作用。同时，在施加轴向拉伸应力的过程中，按照渗流过程通过渗流装置3加载水压，通过应变传感器100监测岩石试件应变变化和渗流装置3监测流量和时间变化情况等试验数据，之后按照达西定律公式计算试样渐裂过程中的渗透率。
当试验结束后，记录数据信息采集装置7收集到的应变值ε、拉伸及流量时间Δt、水流量ΔQ、竖向位移h及拉伸应力σ等参数，进而绘制出拉伸过程中岩石的全应力-应变关系曲线，从而分析在拉伸过程中渗透率的变化规律。
实施例3
如图8所示，一种拉伸作用下岩石渗流试验方法，包括以下步骤：
步骤1、将加工完成的岩石试件9放入到压力室内6的拉伸夹具5中固定，在岩石试件9周围安装轴向应变传感器100、径向应变传感器200；
步骤2、利用油压装置1对压力室6内部进行冲油操作，并保持足够的时间直至出油口13渗出油，用油压装置1增加围压；
步骤3、确认压力室6密封完好，即不漏水不透油；拉伸控制装置2对拉伸夹具5进行控制加载，直至加载的数值到设计值，所述设计值不大于30MPa；拉伸夹具5可以对岩石试件9产生轴向拉伸作用；
步骤4、通过渗流装置3通过水泵31对透水垫片35加压，轴向应变传感器100、径向应变传感器200记录岩石试件9应变变化、应变时间变化数据；渗流装置3记录流量和时间变化情况数据，计算岩石试件渗透率；
步骤5、通过步骤1-4，记录数据信息采集装置收集到的应变值ε、拉伸及流量时间Δt、水流量ΔQ、竖向位移h及拉伸应力σ等参数，进而绘制出拉伸过程中岩石试件9的全应力-应变关系曲线，分析在拉伸过程中渗透率的变化规律。
用于测试岩样渗透率的表达式如下：
其中，k为红砂岩在Δt时间内的平均渗透率(m2)，1μm2≈1.013Darcy；μ为流体黏滞率，不同温度作用下的动力粘度不同，本试验取μ＝1×10-3Pa·s(水温20℃)；ΔQ为在Δt时间内流经红砂岩样品的水流体积(m3)；L为水流渗流长度，即本试验中岩样的高度，L＝0.1m；ΔP为岩样渗流上、下游渗透压差(Pa)；Δt为记录点的间隔时间(s)。
有益效果：
本发明结构简单，有较强的综合性，可以岩石在拉应力和渗流耦合条件下渗透率的变化过程和规律，且能够得到拉伸过程中岩石的全应力-应变曲线。通过该装置的渗流装置、油压装置和拉伸控制装置能够精确的控制水压、围压和拉伸应力，以此能够测试不同水压、围压和拉应力下岩石的应变过程及渗透率的变化规律。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，包括：油压装置(1)、拉伸控制装置(2)、渗流装置(3)、拉伸夹具(5)、压力室(6)、数据采集处理系统(7)、底座外框架(8)、岩石试件(9)；
所述底座外框架(8)，包括：基础底座(81)与四个立柱(82)，基础底座(81)与四个立柱(82)固定连接；
油压装置(1)和压力室(6)固定连接；
所述拉伸控制装置(2)固定连接在压力室(6)的上方；
所述渗流装置(3)固定连接在压力室(6)的上方；
所述拉伸夹具(5)固定在压力室(6)的内部，所述拉伸夹具(5)上部分与拉伸控制装置(2)固定连接，所述拉伸夹具(5)下部分与所述岩石试件固定连接；
所述压力室(6)固定连接在基础底座(81)上方；
所述数据采集处理系统(7)固定连接在岩石试件(9)上；
所述岩石试件(9)固定连接在拉伸夹具(5)中；
压力室(6)用于将岩石试件(9)置入压力室(6)内部开展拉伸及渗流试验；
底座外框架(8)用于固定压力室(6)底部；
渗流装置(3)用于对岩石试件(9)开展渗流实验；
拉伸夹具(5)用于对岩石试件(9)产生拉伸作用，测试岩石试件(9)在拉伸过程中的渗透率的变化；
油压装置(1)用于对压力室(6)内部进行冲油、卸油操作，控制压力室(6)内部围压大小；
拉伸控制装置(2)用于对拉伸夹具(5)顶部进行拉伸操作，控制岩石试件(9)进行上下拉伸，使岩石试件(9)受到不同荷载作用，进而产生应力环境场；
数据采集处理系统(7)用于采集拉伸过程中岩石试件(9)的实时应变数据，分析岩石试件(9)应变变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，拉伸控制装置(2)，包括：伺服控制器(23)、伺服油泵(22)、伺服电液系统(21)；伺服控制器(23)下部和伺服油泵(22)上部固定连接，伺服油泵(22)下部和伺服电液系统(21)上部固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，油压装置(1)，包括：油泵(11)、进油管(14)、进油口(12)、出油口(13)、出油管(15)；
油泵(11)下部和进油管(14)上部固定连接，进油管(14)下部和进油口(12)上部固定连接；进油口(12)下部和压力室(6)右上部分固定连接，压力室(6)左上部和出油口(13)下部固定连接，出油口(13)上部和出油管(15)下部固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，还包括：千斤顶装置(4)，所述千斤顶装置(4)包括：液压千斤顶(41)、平衡球头(43)、顶部加载轴(42)；
顶部加载轴(42)下部和液压千斤顶(41)上部固定连接，液压千斤顶(41)下部和平衡球头(43)上部固定连接；
所述千斤顶装置(4)用于对岩石试件(9)产生拉伸作用，所述千斤顶装置(4)由拉伸控制装置(2)控制。
5.根据权利要求1所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，渗流装置(3)包括：水泵(31)、输水阀门(32)、进水管(33)、进水口(34)、透水垫片(35)、出水口(36)、出水管(37)；
水泵(31)下部与输水阀门(32)上部固定连接，输水阀门(32)下部与进水管(33)上部固定连接，进水管(33)下部与进水口(34)上部固定连接，透水垫片(35)固定连接在岩石试件(9)的上部；出水口(36)固定连接在压力室(6)的下部，出水管(37)上部与出水口(36)下部固定连接；
6.根据权利要求1所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，还包括：防水加固套(53)和防水稳固套(54)；
防水加固套(53)与岩石试件固定连接，防水稳固套(54)是套在防水加固套(53)的外面；
防水加固套(53)和防水稳固套(54)，用于以不透水的方式固定岩石。
7.根据权利要求1所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置，其特征在于，所述数据采集处理系统(7)，包括：轴向应变传感器(100)、径向应变传感器(200)、数据收集分析器(71)、数据显示器(72)；
轴向应变传感器(100)固定连接在岩石试件(9)表面；
径向应变传感器(200)固定连接在岩石试件(9)表面；
所述轴向应变传感器(100)、径向应变传感器(200)通过数据线与数据收集分析器(71)连接；
所述数据收集分析器(71)通过数据线与数据显示器(72)连接。
8.一种基于权利要求1-7中任意一项的拉伸作用下的岩石渗流装置的试验方法，其特征在于，包括：
步骤1、将加工完成的岩石试件(9)放入到压力室(6)内的拉伸夹具(5)中固定，在岩石试件(9)周围安装轴向应变传感器(100)、径向应变传感器(200)；
步骤2、利用油压装置(1)对压力室(6)内部进行冲油操作，并保持足够的时间直至出油口(13)渗出油，用油压装置(1)增加围压；
步骤3、确认压力室(6)密封完好，即不漏水不透油；拉伸控制装置(2)对拉伸夹具(5)进行控制加载，直至加载的数值到设计值，所述设计值不大于30MPa；拉伸夹具(5)可以对岩石试件(9)产生轴向拉伸作用；
步骤4、通过渗流装置(3)通过水泵(31)对透水垫片(35)加压，轴向应变传感器(100)、径向应变传感器(200)记录岩石试件(9)应变变化、应变时间变化数据；渗流装置(3)记录流量和时间变化情况数据，计算岩石试件渗透率；
步骤5、记录数据信息采集装置收集到的应变值ε、拉伸及流量时间Δt、水流量ΔQ、竖向位移h及拉伸应力σ等参数，进而绘制出拉伸过程中岩石试件(9)的全应力-应变关系曲线，分析在拉伸过程中渗透率的变化规律。
9.根据权利要求8所述的一种拉伸作用下的岩石渗流装置的试验方法，其特征在于，岩石试件(9)渗透率的计算公式为：
其中，Δt为记录点的间隔时间；k为岩石试件(9)在Δt时间内的平均渗透率；μ为流体黏滞率；ΔQ为在Δt时间内流经岩石试件(9)的水流体积；L为水流渗流长度，即岩石试件(9)的高度；ΔP为岩石试件(9)的上、下游渗透压差。
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|---|---|---|---|---|
| CN103063518A (zh) * | 2012-12-31 | 2013-04-24 | 河海大学 | 一种岩石拉伸状态下渗流应力耦合的试验系统 |
| CN108519317A (zh) * | 2018-04-24 | 2018-09-11 | 钦州学院 | 直接拉伸荷载下的岩石应力-渗流耦合试验装置 |
| CN112697600A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-23 | 大连海事大学 | 一种高温环境作用下岩石蠕变试验装置及试验方法 |
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2021
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Patent Citations (3)
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