CN1603784A - 应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置。该装置包含盒体(1)、一对加载轴(2)、两个水嘴(3)、水泵(4)、控制阀(5)、两根水管(6)、容器(7)；其特征在于，在盒体(1)透明材料(8)的另一侧上下方各安装一个水嘴(3)，上方的水嘴(3)与水管(6)连接为出水口，下方水嘴(3)经水管(6)通过控制阀(5)与水泵(4)连接为进水口。主要优点是实现了应力—水流—化学腐蚀三场耦合过程的岩石试件单轴压缩细观力学实验，便于试验过程和裂纹扩展全过程的细观及宏观观察。
Description
技术领域：
本发明涉及岩石细观力学试验，更具体涉及岩石单轴压缩应力-水流-化学耦合作用下变形破裂全过程的细观力学试验。适用于考虑单向压应力、水流、化学腐蚀等影响的岩石细观力学加载试验。
背景技术：
裂隙岩石的化学-水流-应力耦合过程研究是国际岩石力学领域最前沿的课题之一，是核废料地下处置、地下能源储存、地下二氧化碳储存、地热开发、石油开采、坝基、边坡、硐室等众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一，具有十分重要的科学意义。主要体现在，一方面，在岩石工程的安全性的诸多影响因素中，水是最活跃的一个因素。岩土体受化学溶液侵蚀作用后，由于水-岩作用削弱了矿物颗粒间联结、或腐蚀矿物颗粒晶格而使岩土体物理力学性质变异，同时水溶液通过溶蚀岩土体而将溶蚀物质带走，使岩土体性状变差，甚至出现工程事故，对岩土工程的长期稳定性产生威胁。如世界文化遗产之一—洛阳龙门石窟，由于石窟区灰岩渗水溶蚀作用，致使大多数硐窟终年渗水不断，加之硐窟顶部植被发育，化学溶液引起的溶蚀孔隙仍在不断增大，目前尚无良好的治理方案；而堪称世界第九大奇迹的浙江龙游石窟，该建筑群所面临的主要变形破坏的工程问题之一，也是地下水渗透溶蚀引起的砂岩塌顶掉块问题。另一方面，利用化学的作用可以提高钻井效率。有关研究表明：湿润条件下的破坏韧性值比干燥条件下的要低，裂纹扩展速度加快。ξ电位与裂纹增长、钻进效率具有一定的关系。ξ电位等于O时，岩石材料脆性增强，对环境的影响更加敏感，抗压强度最低，亚临界裂纹扩展速度将提高1个数量级以上。因此，如果将一些零ξ电位的化学溶液加入到钻井液与破裂液中，就可以提高岩石的可钻性和可破裂性。近现代以来出现的低渗透油气田的酸化开采、岩土体的化学灌浆加固与防渗等，表明化学的作用在岩土工程中的应用已愈来愈广泛。
上述研究尚未涉及化学-水流-应力耦合下裂隙相互作用的机制及其分析方法研究。实际上，节理岩体存在多裂隙的，许多情况下化学溶液对岩体的腐蚀破坏是从岩体介质初始结构面即初始损伤开始的，Palmer曾指出大型溶洞体系大多是沿岩石中先存的层面或结构面发育的，在所研究的数千洞穴中，57％沿层面发育，而42％沿先存裂隙网络发育，仅有1％沿岩石颗粒间的孔隙发育。而且，许多裂隙(节理)岩体的安全性往往受到化学、水流、应力耦合作用的影响。因此，研究化学、水流、应力耦合作用下岩石裂隙萌生、扩展、贯通及相互作用的内部损伤演化过程、规律，化学环境的腐蚀破裂机理、新裂隙的形成与新形成裂隙的化学物质的吸附作用以及发生速度等具有更为重要而广泛的科学意义；化学-水流-应力耦合作用下多裂隙岩石破坏过程的本构关系还未建立起来，从而未能实现对受化学、水流、应力耦合作用的岩石破裂过程进行有效的模拟和行为预测。其根本原因是缺乏与研究相配套的实验方法及设备。
CT实时扫描试验与显微镜实时观测试验等细观力学试验是揭示岩石破裂过程中其内部损伤演化规律的一种有效的手段，但CT实时扫描试验与显微镜实时观测试验不能实现水化学腐蚀、水流与应力耦合的岩石破裂全过程研究。
既然水-岩作用的实质是削弱矿物颗粒间联结或腐蚀矿物颗粒晶格而使岩土体物理力学性质变异，同时化学溶液通过溶蚀岩土体而将溶蚀物质带走，使岩土体性状变差。因此，需要采用细观力学试验方法，揭示这种应力-水流-化学腐蚀耦合作用下岩石破裂过程中其内部损伤演化规律。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种应力-水流-化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置。该装置主要是在盒体一侧安装透明材料，以及两个水嘴，一个水嘴与水泵连接，用于向盒体提供液体，另一个水嘴与水管连接，用于将盒体中高于该水嘴的液体排出。主要优点是实现了应力-水流-化学腐蚀三场耦合过程的岩石单轴压缩细观力学实验，并便于试验过程中试件裂纹扩展全过程的显微镜放大与CCD观察。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应力-水流-化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置，该装置包含盒体、一对加载轴、两个水嘴、水泵、控制阀、两根水管和容器。盒体为上方敞开的中空长方体，其一侧为硬质透明材料，盒体两端的中间开有同轴圆孔，一对加载轴均为圆柱体，大小与圆孔相匹配，分别安装在两个圆孔中，加载轴与圆孔间用O型密封圈密封，在盒体透明材料的另一侧上下方各安装一个水嘴，上方的水嘴尽量靠近盒体顶端，并与水管连接，下方水嘴经水管通过控制阀与水泵连接，上方水嘴的水管和水泵均放入容器中。
本发明在岩石细观力学试验中的应用：
1、盒体上部是敞开的，从这里将岩石试件放于两个加载轴中间，并夹紧。
2、在容器中倒入试验需要的化学溶液，把水泵放入容器中，使得水泵能完全浸没在化学溶液中。
3、位于盒体上方水嘴的水管为出水管，其出水口置于容器的上方，并高于化学溶液的表面，以便于溶液顺利流出。
4、水泵将容器中的化学溶液抽到盒体中，当化学溶液高过盒体上方水嘴时，会通过出水管将高过上方水嘴的化学溶液流回到容器中，此时，试件浸没在化学溶液中。
5、控制阀是用于控制化学溶液在盒体中的流速，根据试验要求，通过调节控制阀来控制盒体中化学溶液流速的大小。
6、将本装置放在加载试验台上，使一对加载轴均匀受力，一对加载轴则将所受的力传递到试件上，进行应力-水流-化学耦合的力学试验。由于盒体有一侧采用了透明材料，便于对试件破坏全过程的CCD观测或者录像记录。
7、用不同化学溶液、在不同流速、以及不同的荷载共同作用下，其对岩石试件的破坏过程、方式亦会有相应的变化。本装置的目的就是为观察、记录该变化提供试验手段，为应力-水流-化学腐蚀三场耦合对岩石破坏作用的理论分析提供依据。
本发明具有的优点和积极效果在于：
1、本装置可进行不同化学溶液、不同流速、以及不同荷载共同作用对岩石破坏的影响，能满足应力-水流-化学腐蚀三场耦合对岩石细观力学实验的需要；
2、由于本装置有一侧采用了透明材料，便于对试件破坏全过程的CCD观测或者录像记录；
3、本装置简单、易行，且成本低廉，具有抗化学腐蚀能力；
4、为核废料处理、地热开发、石油钻井、地震机制、有毒有害物质的储存，岩土工程长期稳定性评价等需考虑不同化学溶液、不同流速、以及不同荷载共同作用对岩石破坏影响的岩土工程，提供了更全面、可靠的试验手段。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为盒体、2为加载轴、3为水嘴、4为水泵、5为控制阀、6为水管、7为容器、8为透明材料。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明作进一步的说明：
由图1可知，本发明的一种应力-水流-化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置包含盒体1、一对加载轴2、两个水嘴3、水泵4、控制阀5、两根水管6、容器7；盒体1为上方敞开的中空长方体，其一侧为硬质透明材料8如有机玻璃、其它部分采用不锈钢材料，盒体1两端的中间开有同轴圆孔，一对加载轴2均为圆柱体，大小与圆孔相匹配，分别安装在两个圆孔中，加载轴2与圆孔间用O型密封圈密封，在盒体1透明材料8的另一侧上下方各安装一个水嘴3，上方的水嘴3尽量靠近盒体1顶端，并与水管6连接，下方水嘴3经水管6通过控制阀5与水泵4连接，上方水嘴3的水管6和水泵4均放入容器7中。
Claims (1)
1、一种应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置，其特征在于，该装置包含盒体(1)、一对加载轴(2)、两个水嘴(3)、水泵(4)、控制阀(5)、两根水管(6)、容器(7)；盒体(1)为上方敞开的中空长方体，其一侧为硬质透明材料(8)，盒体(1)两端的中间开有同轴圆孔，一对加载轴(2)均为圆柱体，大小与圆孔相匹配，分别安装在两个圆孔中，加载轴(2)与圆孔间用O型密封圈密封，在盒体(1)透明材料(8)的另一侧上下方各安装一个水嘴(3)，上方的水嘴(3)尽量靠近盒体(1)顶端，并与水管(6)连接，下方水嘴(3)经水管(6)通过控制阀(5)与水泵(4)连接，上方水嘴(3)的水管(6)和水泵(4)均放入容器(7)中。
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