CN114739882B - 一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提出一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置，其包括上加载盘，所述上加载盘具有第一通道；压力传感器，所述压力传感器设置于所述上加载盘的顶部；下承载盘，所述下承载盘具有第二通道和第三通道，所述第二通道与所述第三通道连通；测试样件，所述测试样件具有第四通道，所述测试样件的顶部抵触于所述上加载盘的底部，所述测试样件的底部抵触于所述下承载盘的顶部，所述第一通道与所述第四通道连通，所述第二通道与所述第四通道连通；托盘，所述下承载盘放置于所述托盘内；以及端口装置，所述端口装置包括导水管、阀门和压力表。本发明不仅简化了横向渗透率和孔隙水压力的测量，而且可提高测量的准确性。

Description

一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验 装置

技术领域

本发明涉及岩土工程试验装置技术领域，具体涉及一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置。

背景技术

随着社会改造活动的加剧，越来越多的岩土工程问题亟待解决。目前，针对岩土工程问题已研究出多种物理实验装置，可用于调查各类岩石在不同应力状态下的物性特征变化以及裂缝动态扩展过程，其中包括对孔隙水压力以及渗透率的测量装置，孔隙水压力以及渗透率在不同应力下的数值大小变化情况对岩土工程的施工会产生很大的影响。

现有相关技术中，用于测量孔隙水压力和渗透率的物理实验装置大多数是独立的，而且多是在三轴实验机的应力加载下实现，该实验装置对实验机的性能要求高，操作冗繁，测试样品大，且密封性差，容易泄漏，不易获取样品内孔准确的孔隙水压力值。另外，现有测试渗透率的实验装置多数比较复杂，且均集中在样品受压状态下垂向渗透率的测试，缺少环向或横向渗透率测试。如果需要求解某个受力状态下的样品渗透率时，还需要将当前实验暂停，易导致测试结果不准确。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置，以简化环向渗透率的测试装置，同时亦可获取较为精确的孔隙水压力值。

本发明提供了一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置，包括上加载盘，所述上加载盘具有第一通道，所述第一通道具有第一端口和第二端口；压力传感器，所述压力传感器设置于所述上加载盘的顶部；下承载盘，所述下承载盘具有第二通道和第三通道，所述第二通道具有第三端口和第四端口，所述第三通道具有第五端口，所述第二通道与所述第三通道连通且共用所述第四端口；测试样件，所述测试样件具有第四通道，所述测试样件的顶部抵触于所述上加载盘的底部，所述测试样件的底部抵触于所述下承载盘的顶部，所述第一通道经由所述第二端口与所述第四通道连通，所述第二通道经由所述第四端口与所述第四通道连通；托盘，所述下承载盘放置于所述托盘内；以及端口装置，所述端口装置包括导水管、阀门和压力表，所述第一端口和所述第三端口均设置有端口装置；其中，所述上加载盘的底部和所述测试样件的顶部之间设置有第一密封件，所述下加载盘的顶部和所述测试样件的底部之间设置有第二密封件，所述第一端口处的所述导水管通过所述第一通道和所述第一密封件伸入所述第四通道；所述第三端口处的所述导水管通过所述第二通道和所述第二密封件伸入所述第四通道。

由于本发明的第一端口和第三端口均设有端口装置，可通过对比两个端口装置中压力表的数值，验证流水通道的密封性，减少实验损耗，从而提高孔隙水压力测量的精准性。

在一些实施例中，所述第一通道和所述第二通道为L型通道。

在一些实施例中，所述上加载盘的底部开设第一沉孔，所述第一密封件设置在所述第一沉孔内。

在一些实施例中，所述下承载盘的顶部开设第二沉孔，所述第二密封件设置在所述第二沉孔内。

在一些实施例中，所述第四通道的中间任一位置设有应力传感器，所述应力传感器设有应力传感线，所述应力传感线具有第一端和第二端，所述第一端与所述应力传感器联接，所述第二端通过所述第四通道和所述第四端口接入所述第三通道，从所述第五端口伸出。

在一些实施例中，所述测试样件沿周向均布设置有四个声发射探头。

在一些实施例中，所述第一端口和所述第三端口为光孔。

在一些实施例中，所述第一端口为螺纹孔，所述第三端口为光孔。

在一些实施例中，所述第一端口处的所述导水管端部设有水管接头，所述水管接头通过螺纹连接嵌入所述第一端口的螺纹孔；所述第三端口处的所述导水管通过所述第二通道和所述第二密封件伸入所述第四通道。

附图说明

图1是本发明一个实施例的基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置的结构示意图，其中，省略部分单轴试验机；

图2是本发明一个实施例的基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置的另一个结构示意图，其中，省略部分单轴试验机；

基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置100；

10-压力传感器；

20-上加载盘，21-第一通道，211-第一端口，212-第二端口,22-第一沉孔；

30-测试样件，31-第四通道；

40-下承载盘，41-第三通道，411-第五端口，42-第二通道，421-第三端口，422-第四端口，43-第二沉孔；

50-托盘；

60-端口装置，61-导水管，62-阀门，63-压力表；

70-底座；80-加载轴；90-移动加载盘；

1-第一密封件；2-声发射探头；3-第二密封件；

4-应力传感线，A-第一端，B-第二端；

5-应力传感器；6-水管接头；7-密封垫。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非对本发明的限制。

参考图1至图2，本发明实施例的一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置100，包括上加载盘20，上加载盘20具有第一通道21，第一通道21具有第一端口211和第二端口212；压力传感器10，压力传感器10设置于上加载盘20的顶部，用于测量并显示初始预压应力值；下承载盘40，下承载盘40具有第二通道42和第三通道41，第二通道42具有第三端口421和第四端口422，第三通道41具有第五端口411，第二通道42与第三通道41连通且共用第四端口422；测试样件30，测试样件30具有第四通道31，测试样件30的顶部抵触于上加载盘20的底部，测试样件30的底部抵触于下承载盘40的顶部，第一通道21经由第二端口212与第四通道31连通，第二通道42经由第四端口422与第四通道31连通，第一通道21、第二通道42和第四通道31共同形成水流通路；托盘50，下承载盘40放置于托盘50内，用于收集试验过程中测试样件渗出的水流，并通过水量计算不同孔隙水压力下测试样件30的渗透率；以及端口装置60，端口装置60包括导水管61、阀门62和压力表63，第一端口211和第三端421口均设置有端口装置60，可通过对比两个端口压力表63的数值，验证水流通路的密封性，从而获得更为精确的孔隙水压力，另外，端口装置中的阀门62可用于控制水流的输入和输出。

在一些实施例中，第一通道21和第二通道42为L型通道。第一通道21沿上加载盘20的周向任一位置开设，由此形成水平方向和竖直方向两个端口，水平方向端口为第一端口211，竖直方向端口为第二端口212,第二端口212的中心线与上加载盘20的中心线共线；第二通道42沿下承载盘40的周向任一位置开设，由此形成水平方向和竖直方向两个端口，水平方向端口为第三端口421，竖直方向端口为第四端口422，第四端口422的中心线与下承载盘40的中心线共线；第一端口211和第三端口421开口方向一致，且第一端口211的中心线和第三端口421的中心线共面。

在一些实施例中，上加载盘20的底部和测试样件30的顶部之间设置有第一密封件1，第一密封件1的顶部抵触于第一通道21的第二端口212，第一密封件1的底部抵触于第四通道31的顶部，上加载盘20的底部开设第一沉孔22，第一沉孔22形成在上加载盘20的底面中心处，第一密封件1设置在第一沉孔22内。由此，保证第一通道21和第四通道31联接处的密封性。

在一些实施例中，下承载盘40的顶部和测试样件30的底部之间设置有第二密封件3，第二密封件3的顶部抵触于第四通道31的底部，第二密封件3的底部抵触于第二通道42的第四端口422，下承载盘40的顶部开设第二沉孔43，第二沉孔43形成在下承载盘40的上平面中心处，第二密封件3设置在第二沉孔43内。由此，保证第二通道42和第四通道31联接处的密封性。

在一些实施例中，第四通道31的中间任一位置设有应力传感器5，应力传感器5设有应力传感线4，应力传感线4具有第一端A和第二端B，第一端A与应力传感器5联接，第二端B通过第四通道31和第四端口422接入第三通道41，从第五端口411伸出。由此，可将应力传感器5的数据通过应力传感线4输出，从而直接得出测试样件30内部的孔隙水压力大小。

在一些实施例中，测试样件30沿周向均布设置有四个声发射探头2，声发射探头2用于监测在轴向压力和孔隙水压力的双重作用下，样品内部微裂纹发生情况，并将宏观破裂状态与声发射定位信息进行匹配。

如图1所示，在一些实施例中，第一端口211和第三端口421为光孔。

如图1所示，在一些实施例中，第一端口211处的导水管61通过第一通道21和第一密封件1伸入第四通道31；第三端口421处的导水管61通过第二通道42和第二密封件3伸入第四通道31。由此，第一端口211处的导水管61和第三端口421处的导水管61可同时将水流注入第四通道31，第一端口211处的导水管61为进水管，第三端口421处的导水管61既是进水管又是出水管。

如图2所示，在一些实施例中，第一端口为螺纹孔，第三端口为光孔。

如图2所示，在一些实施例中，第一端口211处的导水管61端部设有水管接头6，水管接头6通过螺纹连接嵌入第一端口211的螺纹孔。由此，当第一端口211处的阀门62打开时，导水管61的水流通过水管接头6流入第一通道21，进而流入第四通道31，第一端口处的导水管61为进水管；第三端口421处的导水管61通过第二通道42和第二密封件3伸入第四通道31。由此，当第三端口421的阀门62打开时，第四通道31中的水可通过第三端口421处的导水管61排出，第三端口421处的导水管61为出水管。

根据本发明的一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置100，该装置结构简单，便于安装、拆卸和运移，同时简化了原有的横向渗透率的测量装置。另外，孔隙水压力的大小和变化情况可直接通过第四通道31内设置的应力传感器5输出。除此之外，第一端口211和第三端421口均设有压力表63，可通过对比两个压力表63的数值，验证水流通路的密封性，减少了实验结果的干扰因素，从而获得更为精确的孔隙水压力。

如图1和图2所示，第一通道21的第二端口212的中心线和第二通道42的第四端口422的中心线与测试样件30的第四通道31的中心线共线。

如图1和图2所示，第三通道41用于通过应力传感线4，第二通道42用于通过导水管61，第三通道41的截面积小于第二通道42的截面积。

如图1和图2所示，该实验装置固定于单轴试验机底座70上，压力传感器10与加载轴80联接，加载轴80与移动加载盘90联接,单轴试验机底座70、托盘50、下承载盘40、测试样机30、上加载盘20、加载轴80以及移动加载盘90的中心线在同一直线上，并通过加载轴80对测试样件30施加竖直方向的轴向压力。

如图1和图2所示，上加载盘20、下承载盘40和托盘50可拆卸，便于安装。可根据测试样件30的大小更换不同尺寸的上加载盘20、下承载盘40和托盘50，以开展不同尺寸试样的实验，适用范围广。

如图1和图2所示，第一端口211和第三端421口设有的压力表63，可根据测试样件30渗透率的经验值选择适当量程的压力表，以提高测试的准确性。

下面描述根据本发明一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置100。如图1所示，第一端口211和第三端口421为光孔。第一端口211处的导水管61通过第一通道21和第一密封件1伸入第四通道31；第三端口421处的导水管61通过第二通道42和第二密封件3伸入第四通道31，第一端口211处的导水管61为进水管，第三端口421处的导水管61既是进水管又是出水管。实验开始前，第一端口211和第三端口421处端口装置60中的阀门62均为关闭状态。单轴试验机系统控制移动加载盘90向下移动，进而控制加载轴80缓慢向下移动，直至上加载盘20刚好与测试样件30的顶部接触，此时的压力传感器10可显示初始预压应力值。随后，打开第一端口211和/或第三端口421处端口装置60中的阀门62，可将两端导水管61的水流直接注入第四通道31，即测试样件30的中心圆孔内，注满后，关闭两端的阀门，然后比较两端的压力表63数值，确认压力表63数值相差不大水流通路无泄漏后，再缓慢向下加压，测试样件30在轴向压力和孔隙水压力的双重作用下，测试样件30内部会产生微裂纹，可通过测试样件30内部的应力传感器5直接得出测试样件内部的孔隙水压力大小，同时也可通过测试样件30周向均布设置的四个声发射探头2监测样件内部微裂纹的情况，并将宏观破裂状态与声发射定位信息进行匹配。实验结束后，将第三端口421处的阀门62打开，通过第三端口421处的导水管61将测试样件30中剩余的水排出，完成排水后再通过单轴试验机系统将加载轴80缓慢提起，解除测试样件的轴向压力，然后拆除整个实验装置，拆除托盘50时需要收集托盘50中的水量，用以计算测试样件30的横向渗透率。另外，还可在实验开始前，对测试样件30的表面喷涂散斑标记，并借助于非接触式全场应变监测装置，监测实验过程中，测试样件30表面的位移场变化并分析破裂机制。

如图2所示，第一端口211为螺纹孔，第三端口421为光孔。第一端口211处的导水管61为进水管，端口处设有水管接头6，再通过螺纹连接嵌入第一端口211的螺纹孔，而第三端口421处的导水管61为出水管，通过第二通道42和第二密封件3直接伸入第四通道31。实验开始前，第一端口211和第三端口421处端口装置60中的阀门62均为关闭状态。单轴试验机系统控制移动加载盘90向下移动，进而控制加载轴80缓慢向下移动，直至上加载盘20刚好与测试样件30的顶部接触，此时的压力传感器10可显示初始预压应力值。随后，打开第一端口211处端口装置60中的阀门62，向测试样机30的第四通道31注水，第一端口211处的导水管61中的水流先通过第一通道21再流入第四通道31，水注满后，关闭第一端口211处的阀门62，然后比较第一端口211和第三端口421处的压力表63数值，确认压力表63数值相差不大水流通路无泄漏后，再缓慢向下加压，测试样件30在轴向压力和孔隙水压力的双重作用下，测试样件30内部会产生微裂纹，可通过测试样件30内部的应力传感器5直接得出测试样件30内部的孔隙水压力大小，同时也可通过测试样件30周向均布设置的四个声发射探头2监测样件内部微裂纹的情况，并将宏观破裂状态与声发射定位信息进行匹配。实验结束后，将第三端口421处的阀门62打开，通过第三端口421处的导水管61将测试样件30中剩余的水排出，完成排水后再通过单轴试验机系统将加载轴80缓慢提起，解除测试样件的轴向压力，然后拆除整个实验装置，拆除托盘50时需要收集托盘50中的水量，用以计算测试样件30的横向渗透率。另外，还可在实验开始前，对测试样件30的表面喷涂散斑标记，并借助于非接触式全场应变监测装置，监测实验过程中，测试样件30表面的位移场变化并分析破裂机制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“联接”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于单轴试验机的监测孔隙水压力及横向渗透率的实验装置，其特征在于，包括：

上加载盘，所述上加载盘具有第一通道，所述第一通道具有第一端口和第二端口；

压力传感器，所述压力传感器设置于所述上加载盘的顶部；

下承载盘，所述下承载盘具有第二通道和第三通道，所述第二通道具有第三端口和第四端口，所述第三通道具有第五端口，所述第二通道与所述第三通道连通且共用所述第四端口；

测试样件，所述测试样件具有第四通道，所述测试样件的顶部抵触于所述上加载盘的底部，所述测试样件的底部抵触于所述下承载盘的顶部，所述第一通道经由所述第二端口与所述第四通道连通，所述第二通道经由所述第四端口与所述第四通道连通，所述第四通道的中间任一位置设有应力传感器，所述应力传感器设有应力传感线，所述应力传感线具有第一端和第二端，所述第一端与所述应力传感器联接，所述第二端通过所述第四通道和所述第四端口接入所述第三通道，从所述第五端口伸出；

托盘，所述下承载盘放置于所述托盘内；以及

端口装置，所述端口装置包括导水管、阀门和压力表，所述第一端口和所述第三端口均设置有端口装置；

其中，所述第一通道沿所述上加载盘的周向任一位置开设，所述第一通道为L型通道，所述第一端口为水平方向端口，所述第二端口为竖直方向端口，所述第二端口的中心线与所述上加载盘的中心线共线；所述第二通道沿所述下承载盘的周向任一位置开设，所述第二通道为L型通道，所述第四端口的中心线与所述下承载盘的中心线共线；所述第一端口与所述第三端口的开口方向一致；所述第二端口的中心线、所述第四端口的中心线和所述第四通道的中心线共线；所述上加载盘的底部和所述测试样件的顶部之间设置有第一密封件，所述下承载盘的顶部和所述测试样件的底部之间设置有第二密封件，所述第一端口处的所述导水管通过所述第一通道和所述第一密封件伸入所述第四通道；所述第三端口处的所述导水管通过所述第二通道和所述第二密封件伸入所述第四通道。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述上加载盘的底部开设第一沉孔，所述第一密封件设置在所述第一沉孔内。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述下承载盘的顶部开设第二沉孔，所述第二密封件设置在所述第二沉孔内。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述测试样件沿周向均布设置有四个声发射探头。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述第一端口和所述第三端口为光孔。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述第一端口为螺纹孔，所述第三端口为光孔。

7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述第一端口处的所述导水管的端部设有水管接头，所述水管接头通过螺纹连接嵌入所述第一端口的螺纹孔；所述第三端口处的所述导水管通过所述第二通道和所述第二密封件伸入所述第四通道。