CN1619294A - 应力－水流－化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力－水流－化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统。该系统由伺服控制系统(1、2、3)、U型刚性加载平台(4)、活动支架(5)、可移动支架(6)、三维视频显微数字记录系统(8)、两个监视器(9、11)、视频分配器(10)、两台数字摄像机(12、13)和两台CCD摄像机(14、15)组成。该系统将伺服控制系统安置在U型刚性加载平台(4)上，适合放置应力－水流－化学耦合岩石单轴细观力学试验装置和化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置，可进行应力－水流－化学腐蚀三场耦合岩石破裂细观力学试验，以及不同围压下化学腐蚀的岩石破裂细观力学实验，并对试件的裂纹扩展全过程进行显微放大与CCD观察、记录。

Description

应力—水流—化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统

技术领域：

本发明涉及岩石细观力学试验，更具体涉及应力—水流—化学耦合作用和不同围压下的应力—化学耦合作用的岩石变形破裂全过程的细观力学试验。适用于考虑复杂条件下多影响因素如应力、围压、水流、化学腐蚀等影响的岩石力学试验。

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0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。

上述研究尚未涉及应力-水流-化学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应力、水流、化学耦合作用的影响。因此，研究应力、水流、化学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；应力-水流-化学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试验设备。

实际中的工程岩体都具有一定的埋深，受到一定的围压作用，进行不同围压下的化学腐蚀岩石力学实验，更能满足实际工程的需要，计算结果也更接近于实际工程。研究不同围压、不同化学溶液作用下岩石破坏损伤演化过程、规律，不同围压下化学环境的腐蚀破裂机理具有更为重要而广泛的科学意义；受实验方法及设备的限制，目前还无法实现对受不同围压、不同化学溶液作用的岩石破裂过程进行有效的模拟和行为预测。

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。

三维视频显微数字记录系统(美国科视达公司生产该产品)包含显微镜、摄像光缆、存储记录器。显微镜通过摄像光缆连接到照相接口，将显微镜所监测到的图像信息存储记录，三维视频显微数字记录系统设有s视频接口，通过该接口可将存储记录器中的信息向外传输。该系统可对图像进行显微放大，并存储记录，可提供1600×1200像素的高分辨率和高清晰度画质，对记录的图像进行处理。

现用于岩石单轴及三轴压缩全破裂过程实验的伺服控制系统主要包含载荷传感器、作动器和油源，作动器包含加载油缸和加载活塞，其不足之处在于，不便安装应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置、专利申请号200410061081.2，及化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置和细观观测装置、专利申请号200410061080.8，因而无法实现应力—水流—化学耦合的岩石全破裂过程细观力学试验。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种应力—水流—化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统。该系统是将伺服控制系统的载荷传感器、加载活塞与U型刚性加载平台连接，采用三维视频显微数字记录系统、两个监视器、视频分配器、两个数字摄像机和两个CCD摄像机，可多方位、多角度实时观测并记录试验信息。适合放置应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置(专利申请号200410061081.2)和化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置(专利申请号200410061080.8)。

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—化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统，该系统由伺服控制系统、U型刚性加载平台、活动支架、可移动支架、三维视频显微数字记录系统、第一监视器、视频分配器、第二监视器、第一数字摄像机、第二数字摄像机、第一CCD摄像机和第二CCD摄像机组成。

其中：伺服控制系统包含载荷传感器、作动器和油源，作动器包含加载活塞和加载油缸；三维视频显微数字记录系统包含显微镜。

U型刚性加载平台为U形，其两端的中间开有同轴圆孔，一端圆孔的大小与载荷传感器的大小相匹配，载荷传感器固定在圆孔中，并凸出U型刚性加载平台的内壁，另一端圆孔的大小与加载活塞的大小相匹配，作动器安装在该端，将作动器的加载活塞从U型刚性加载平台的外壁插入该圆孔，活塞与圆孔间用O型密封圈密封，作动器的加载油缸固定在U型刚性加载平台该端的外壁；显微镜安装在可移动支架上，可移动支架置于U型刚性加载平台的一侧，使得显微镜能在U型刚性加载平台的上方移动，显微镜通过摄像光缆与三维视频显微数字记录系统的照相接口连接，三维视频显微数字记录系统的s视频接口与第一监视器视频输入端连接，第一监视器的视频输出端与第一数字摄像机的输入端连接；活动支架固定在U型刚性加载平台的两端，两台CCD摄像机安装在活动支架上，两台CCD摄像机均可在活动支架上移动，并任意调整摄像的高度和角度，第一CCD摄像机的视频输出端与视频分配器的视频输入端连接，第二CCD摄像机的视频输出端与视频分配器的另一个视频输入端连接，视频分配器的视频输出端与第二监视器的视频输入端连接，第二监视器的视频输出端与第二数字摄像机视频输入端连接。

本发明在岩石细观力学试验中的应用：

1、将岩石试件放于应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置(专利申请号200410061081.2)或化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置(专利申请号200410061080.8)中。

2、将应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置或化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置放于U型刚性加载平台上。

3、将可移动支架上的显微镜移动到试件正上方，调整活动支架上的两个CCD摄像机，使其能监测到试件两个表面的全场图像。

4、通过伺服控制系统对U型刚性加载平台施加压力。

5、移动显微镜，对试件上表面各部分进行显微放大监测，当监测到试件初始破裂发生时，对准该部位进行破裂全过程监测。

6、显微镜对试件的破坏过程进行显微放大并将信号传输至三维视频显微数字记录系统进行存储，三维视频显微数字记录系统同时将信号传输至第一监视器进行显示并由第一数字摄像机记录。

7、两个CCD摄像机从不同方位同时对试件的两个表面的裂纹扩展全过程进行实时观测并记录，并通过两路视频信号传输至视频分配器中，视频分配器将两路视频信号同时显示在第二监视器上并由第二数字摄像机记录。

8、不同围压、不同化学溶液、不同流速、以及不同的荷载的耦合作用下，其对岩石试件的破坏过程、方式亦会有相应的变化。本系统的目的就是为观察、记录该变化提供试验手段，为应力—水流—化学腐蚀三场耦合以及不同围压下化学溶液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、本系统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细观力学试验，也可以进行不同围压下化学溶液对岩石腐蚀破坏的细观力学试验，为应力、水流、化学以及应力、围压、化学的耦合作用诱发的岩石破坏的机制分析提供有力的依据；

2、高精度、高分辨率地对岩石试件破坏过程中裂纹的起裂、扩展进行实时捕捉、跟踪、识别。通过显微镜可以对试件某一局部点的破坏过程进行全程监测与记录，用CCD摄像可以对整个试件的破坏过程进行全场扫描观测记录；

3、可以对试件的不同破坏面进行全场观测或局部放大观测；

4、本系统操作简单；

5、全过程回放，可以有利于深入理解岩石的微裂纹的初始破裂、扩展、贯通、扩张和破坏的形成过程与孕育机制；

6、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为载荷传感器、2为加载活塞、3为作动器、4为U型刚性加载平台、5为活动支架、6为可移动支架、7为显微镜、8为三维视频显微数字记录系统、9为第一监视器、10为视频分配器、11为第二监视器、12为第一数字摄像机、13为第二数字摄像机、14为第一CCD摄像机、15为第二CCD摄像机。

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，一种应力—水流—化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统，该系统由伺服控制系统、U型刚性加载平台4、活动支架5、可移动支架6、三维视频显微数字记录系统8、第一监视器9、视频分配器10、第二监视器11、第一数字摄像机12、第二数字摄像机13、第一CCD摄像机14和第二CCD摄像机15组成。

其中：伺服控制系统包含载荷传感器1和作动器3，作动器3包含加载活塞2和加载油缸；三维视频显微数字记录系统8包含显微镜7。

U型刚性加载平台4为U形，其两端的中间开有同轴圆孔，一端圆孔的大小与载荷传感器1的大小相匹配，载荷传感器1固定在圆孔中，并凸出U型刚性加载平台4的内壁，另一端圆孔的大小与加载活塞2的大小相匹配，作动器3安装在该端，将作动器3的加载活塞2从U型刚性加载平台4的外壁插入该圆孔，活塞与圆孔间用O型密封圈密封，作动器3的加载油缸固定在U型刚性加载平台4该端的外壁；显微镜7安装在可移动支架6上，可移动支架6置于U型刚性加载平台4的一侧，使得显微镜7能在U型刚性加载平台4的上方移动，显微镜7通过摄像光缆与三维视频显微数字记录系统8的照相接口连接，三维视频显微数字记录系统8的s视频接口与第一监视器9视频输入端连接，第一监视器9的视频输出端与第一数字摄像机12的输入端连接；活动支架5固定在U型刚性加载平台4的两端，两台CCD摄像机14、15安装在活动支架5上，两台CCD摄像机14、15均可在活动支架上5移动，并任意调整摄像的高度和角度，第一CCD摄像机14的视频输出端与视频分配器10的视频输入端连接，第二CCD摄像机15的视频输出端与视频分配器10的另一个视频输入端连接，视频分配器10的视频输出端与第二监视器11的视频输入端连接，第二监视器11的视频输出端与第二数字摄像机13视频输入端连接。

Claims (1)

1、一种应力—水流—化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载系统，其特征在于，该系统由伺服控制系统、U型刚性加载平台(4)、活动支架(5)、可移动支架(6)、三维视频显微数字记录系统(8)、两个监视器(9、11)、视频分配器(10)、两台数字摄像机(12、13)和两台CCD摄像机(14、15)组成；U型刚性加载平台(4)为U形，其两端的中间开有同轴圆孔，一端圆孔的大小与载荷传感器(1)的大小相匹配，载荷传感器(1)凸出U型刚性加载平台(4)的内壁，并固定在圆孔中，另一端圆孔的大小与加载活塞(2)的大小相匹配，作动器(3)安装在该端，将作动器(3)的加载活塞(2)从U型刚性加载平台(4)的外壁插入该圆孔，活塞与圆孔间用O型密封圈密封，作动器(3)的加载油缸固定在U型刚性加载平台(4)该端的外壁；可移动支架(6)置于U型刚性加载平台(4)的一侧，显微镜(7)安装在可移动支架(6)上，显微镜(7)通过摄像光缆与三维视频显微数字记录系统(8)的照相接口连接，三维视频显微数字记录系统(8)的s视频接口与第一监视器(9)视频输入端连接，第一监视器(9)的视频输出端与第一数字摄像机(12)的输入端连接；活动支架(5)固定在U型刚性加载平台(4)的两端，两台CCD摄像机(14、15)安装在活动支架(5)上，第一CCD摄像机(14)的视频输出端与视频分配器(10)的视频输入端连接，第二CCD摄像机(15)的视频输出端与视频分配器(10)的另一个视频输入端连接，视频分配器(10)的视频输出端与第二监视器(11)的视频输入端连接，第二监视器(11)的视频输出端与第二数字摄像机(13)视频输入端连接。