CN203224426U - 一种环向裂隙岩石试件的mhc耦合渗流实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测试环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，具有：位于实验装置上方，提供实验压力的稳压机构，位于稳压机构下方，传递压力的加载头，位于加载头下方，提供液体围压和试件轴向压力实验环境的围压室，该围压室具有竖直设置的环形围压室侧壁，围压室侧壁的上方和下方分别设有密封上盖和密封下盖，所述密封上盖和密封下盖分别具有一通孔，所述的两通孔同轴；所述围压室侧壁开有至少一个溶液流孔；位于围压室下方的传力柱；该传力柱的内部具有管路I。各试件置于有一定压力的腐蚀性溶液之中，溶液压力既提供围压也提供进水的水头，试件两端通过加载装置和储气罐稳压装置提供蠕变测试的长期荷载。

Description

一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种岩石试件渗流试验装置，尤其涉及一种MHC耦合的环向裂隙岩石试件渗流试验装置。涉及专利分类号G01测量；测试G01N借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料G01N15/00测试颗粒的特性；测试多孔材料的渗透性，孔隙体积或者孔隙表面积G01N15/08测试多孔材料的渗透性，孔隙体积或孔隙表面积。

背景技术

岩体是富含裂隙的复杂介质，又处于复杂的地应力和地下水环境作用下，受到应力以及水的物理和化学的复杂作用，对于岩体的力学行为和稳定性造成很大的影响。

首先是渗流-应力耦合的问题，例如著名的Tekon大坝的溃坝事件，就是典型的岩体渗流破坏问题，自从该事件发生，人们对于裂隙岩体的渗流问题日益重视。其次是化学腐蚀对于岩体的影响，化学腐蚀造成岩石介质细观结构和裂隙变化，从而造成力学性质和力学、水力参数（例如渗透系数）的变化，该方面的问题已经成为核废料存储、石油开采领域的关键科学热点问题。再次是上述渗流-应力-化学多场耦合过程的时间效应，上述过程引起的长期变形的问题，即岩石的流变效应问题，也成为领域研究的热点。上述的岩体处于复杂的应力和环境的演化过程本质上是诸多因素综合在一起的M-H-C多场耦合的过程，既是当今世界学科领域的前沿热点，也是日益增多的岩石力学工程需要迫切解决的问题。

岩石的M-H-C耦合的研究在国际上日益受到重视，相关的试验设备也在不断地研制和应用。但是综观已有的室内试验设备，对于岩体裂隙的渗流测试还存在一定局限性，主要表现为：1）大多渗流-应力-化学耦合试验设备结构复杂，造价昂贵，这样导致试验成本高。2）目前的渗流-应力-化学耦合试验一次试验一般只能采用一个试件，由于进行复杂流变试验时操作耗时过长（一般为几个月、甚至几年），所以效率比较低。3）大多基于标准试件，进水端和出水端分别在试件的两端，裂隙贯穿试件。而实际岩体工程的渗流条件是千差万别的，相当复杂。以深部隧道渗流为例，渗流临空面是弧面而不是平面。

如何研制符合更加复杂应力多样性的、更为经济实用高效的M-H-C的多场耦合岩石试验设备对于探索应力场-水力场-化学场耦合机制是相当必要的，而且已经成为当务之急。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研制的一种测试环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，具有：

位于实验装置上方，提供实验压力的稳压机构，

位于稳压机构下方，传递压力的加载头，

位于加载头下方，提供液体围压和试件轴向压力实验环境的围压室，该围压室具有竖直设置的环形围压室侧壁，围压室侧壁的上方和下方分别设有密封上盖和密封下盖，所述密封上盖和密封下盖分别具有一通孔，所述的两通孔同轴；所述围压室侧壁开有至少一个溶液流孔；

位于围压室下方的传力柱；该传力柱的内部具有管路I；

工作使用状态下，所述加载头的下端穿过所述密封上盖的通孔；所述传力柱的上端穿过所述密封下盖的通孔；密封上盖、围压室侧壁、密封下盖、加载头和传力柱形成一近似封闭的空间；试件承受加载头施加的轴向压力固定在所述加载头和传力柱之间；所述试件与所述加载头接触的一端封闭，其内部管路通过所述传力柱的管路I与外部的量筒连通；

实验溶液通过外部的围压泵加压进入外部管路I，经所述溶液流孔进入空间，形成围压，透过径向贯通裂隙进入试件内部，最终流入量筒。

所述加载头连接有感知试件轴向位移的位移传感器。

所述外部管路I设有控制实验溶液围压，为围压室提供长期稳定围压的稳压静态伺服阀。

所述环形围压室侧壁的上端和下端分别具有向围压室内部延伸的内沿，所述的两个内沿分别具有与所述密封上盖和密封下盖的通孔内径尺寸一致的通孔I和通孔II；所述加载头与试件的结合部位于所述通孔I内，所述传力柱与试件的结合部位于所述通孔II内；

所述加载头、试件和传力柱与所述的通孔I和通孔II过盈配合。

所述通孔I和通孔II的上底和下底加工成沉孔，在所述沉孔中固定有密封圈。

位于设备外部的加载架，所述加载架具有顶板和底板；顶板的下表面与所述稳压装置接触；所述底板通过装置底座支撑所述实验装置。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的测试装置通过由液压泵提供溶液压力和溶液，可以灵活地调整轴向荷载和侧向压力，增强了试验条件适应性。试件内腔与外侧通过密封隔开，各试件置于有一定压力的腐蚀性溶液之中，溶液压力既提供围压也提供进水的水头，试件两端通过加载装置和储气罐稳压装置提供蠕变测试的长期荷载。试件内腔通过引水管与外部相连，可以测得流量。含径向贯通裂隙圆筒性试件更为有用的是实质上可看成隧道缩尺模型，在隧道渗流机理分析中具有明显的优点。另外，由于本装置简单易行，成本比较低，可以同时采用多联岩石试件进行试验。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的侧视图

图2为本实用新型采用双装置并联的侧视图

图3为本实用新型围压室的示意图

图4为本实用新型围压室BB截面示意图

图5为本实用新型围压室的AA截面示意图

图6为本实用新型岩石试件的剖视图

图7为本实用新型岩石试件的BB截面示意图

图8为本实用新型岩石试件的AA截面示意图

图9为本实用新型稳压静态伺服阀的示意图

具体实施方式

为使本实用新型的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图6-7所示：一种环向裂隙岩石试件，具有：管状的试件3，优选的为圆管状，该试件3的管壁开有至少一个径向贯通裂隙31。可以根据不同的实验环境，设定不同的裂隙，比如张裂隙和剪切裂隙，保证试件3外部的实验液体，能够在实验围压状态下渗入试件3内部的管路即可。

为了能够对本实用新型公开的特殊岩石试件，进行MHC耦合环境下的渗流实验，如图1所示：一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，主要包括：

稳压机构2、围压室1和外部设备。

稳压机构2位于实验装置的上方，主要为试件提供轴向的实验压力。

考虑到岩石渗流实验的时间通常耗时惊人，少则几月，多则一年，需要连续不断的为试件提供轴向压力，故优选的，所述稳压机构2主要包含两部分：位于上部的稳压装置21和位于下部的加载装置22，所述稳压装置21可以采用能够连续不断提供压力的气泵或气垫。加载装置22可以使用千斤顶等。

在稳压机构2的下方设有加载头11，上端承托所述加载装置22，下端与试件直接接触，提供轴向的压力。

考虑到，通常情况下，加载装置22的直径都要大于试件3的直径，作为一个较佳的实施方式：加载头11的上端为一水平托盘，在托盘的下方一体设置有一金属圆柱。

加载头11下方，为本实用新型的核心设备，为岩石试件提供液体围压和试件轴向压力实验环境的围压室1。

围压室1主要包括：使用状态下，竖直设置的圆环形围压室侧壁13。在围压室侧壁13的上方和下方分别设有一个密封上盖12和一个密封下盖15。所述密封上盖12和密封下盖13分别具有一通孔，作为一个较佳的实施方式，所述的两通孔同轴，两通孔的尺寸分别与所述加载头11下方的金属圆柱的直径和传力柱14的直径相配合，构成过盈配合。在围压室侧壁13开有至少一个供实验溶液通过进行围压室1的溶液流孔17。

在围压室1的下方，设有传力柱14，作为岩石试件3的支撑，同时传力柱14内部设有一管路I16，用于将渗入试件3内部的实验溶液，导出至外部，通过观测导出溶液的量，通过计算即可获得岩石试件3的渗流参数。

当整个装置处于工作使用状态下，所述加载头11的下端穿过所述密封上盖12的通孔，即深入围压室1内的空间10。同时，所述传力柱14的上端穿过所述密封下盖15的通孔，也深入围压室1内的空间10。

此时，密封上盖12、围压室侧壁13和密封上盖12还包括与密封上盖12和密封上盖12分别过盈配合的加载头11和传力柱14一起形成一近似封闭的空间10（由于溶液流孔17的存储，故为近似封闭）。

试件3承受加载头11施加的轴向压力而固定在所述加载头11和传力柱14之间。此时，所述试件3与所述加载头11接触的一端封闭由于与加载头11紧密贴合而封闭，时间3内部的管路通过所述传力柱14的管路I16与外部的量筒5连通。

实验溶液通过外部的围压泵15加压进入外部管路I40，经所述溶液流孔17进入空间10，形成围压，透过径向贯通裂隙31进入试件3内部，最终流入量筒5。

为了能够记录岩石试件3的轴向位移，作为一个较佳的实施方式，所述加载头11连接有感知试件3轴向位移的位移传感器18。

考虑到，实验的时间通常比较长，而且由于时间渗流的存在，需要向围压室1内部持续不断的、实时调节的实验溶液，故作为一个较佳的实施方式，所述外部管路I40设有控制实验溶液围压，为围压室1提供长期稳定围压的稳压静态伺服阀7，如图9所示：P1为试验设计压力（计算机或手动调控）；P2是实际工作压力（由P1决定的可调值）；P是泵源压力；F1是活塞大端的面积；F2是活塞小端的面积；P1×F1=N1，P2×F2=N2。当N1=N2时处于平衡位置，为静态稳压状态，当N1>N2时（工作压力低于设定压力）时，顶杆下移，P进入A腔，P2压力上升，当达到N1=N2时，此过程为动态稳压过程。渗透压稳压控制的设计压力P1即为预加的气压值，只要该气压保持不变，实际工作压力P2大小保持不变。

为了进一步的加强围压室1的密封性，作为一个较佳的实施方式，所述环形围压室侧壁13的上端和下端分别具有向围压室13内部延伸的内沿131，所述的两个内沿131分别具有与所述密封上盖12和密封下盖15的通孔内径尺寸一致的通孔I132和通孔II133，以便于与加载头和传力柱通过，同时形成过盈配合，增强密封性。

所述加载头11与试件3的结合部位于所述通孔I132内，所述传力柱14与试件3的结合部位于所述通孔II133内。

为了更进一步的增加密封性，所述通孔I132和通孔II133的上底和下底分别加工成沉孔，在所述沉孔中固定有密封圈19。

作为一个较佳的实施方式，还设有位于设备外部的加载架8，所述加载架8具有顶板81和底板82；顶板81的下表面与所述稳压装置21接触；所述底板82通过装置底座9支撑所述实验装置。

考虑到，在实际试验环境下，会需要同时测试多个岩石试样，故本装置允许使用在加载架8内部设置多个试验装置。如图2所示。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，具有：

位于实验装置上方，提供实验压力的稳压机构（2），

位于稳压机构（2）下方，传递压力的加载头（11），

位于加载头（11）下方，提供液体围压和试件轴向压力实验环境的围压室（1），该围压室（1）具有竖直设置的环形围压室侧壁（13），围压室侧壁（13）的上方和下方分别设有密封上盖（12）和密封下盖（15），所述密封上盖（12）和密封下盖（13）分别具有一通孔，所述的两通孔同轴；所述围压室侧壁（13）开有至少一个溶液流孔（17）；

位于围压室（1）下方的传力柱（14）；该传力柱（14）的内部具有管路I（16）；

工作使用状态下，所述加载头（11）的下端穿过所述密封上盖（12）的通孔；所述传力柱（14）的上端穿过所述密封下盖（15）的通孔；密封上盖（12）、围压室侧壁（13）、密封下盖（15）、加载头（11）和传力柱（14）形成一近似封闭的空间（10）；试件（3）承受加载头（11）施加的轴向压力固定在所述加载头（11）和传力柱（14）之间；所述试件（3）与所述加载头（11）接触的一端封闭，其内部管路通过所述传力柱（14）的管路I（16）与外部的量筒（5）连通；

实验溶液通过外部的围压泵（15）加压进入外部管路I（40），经所述溶液流孔（17）进入空间（10），形成围压，透过径向贯通裂隙（31）进入试件（3）内部，最终流入量筒（5）。

2.根据权利要求1所述的一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，其特征还在于：所述加载头（11）连接有感知试件（3）轴向位移的位移传感器（18）。

3.根据权利要求1所述的一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，其特征还在于：所述外部管路I（40）设有控制实验溶液围压，为围压室（1）提供长期稳定围压的稳压静态伺服阀（7）。

4.根据上述任意一项权利要求所述的一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，其特征还在于：所述环形围压室侧壁（13）的上端和下端分别具有向围压室（13）内部延伸的内沿（131），所述的两个内沿（131）分别具有与所述密封上盖（12）和密封下盖（15）的通孔内径尺寸一致的通孔I（132）和通孔II（133）；所述加载头（11）与试件（3）的结合部位于所述通孔I（132）内，所述传力柱（14）与试件（3）的结合部位于所述通孔II（133）内；

所述加载头（11）、试件（3）和传力柱（14）与所述的通孔I（132）和通孔II（133）过盈配合。

5.根据权利要求4所述的一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，其特征还在于：

所述通孔I（132）和通孔II（133）的上底和下底加工成沉孔，在所述沉孔中固定有密封圈（19）。

6.根据权利要求1所述的一种环向裂隙岩石试件的MHC耦合渗流实验装置，其特征在于还具有：位于设备外部的加载架（8），所述加载架（8）具有顶板（81）和底板（82）；顶板（81）的下表面与所述稳压装置（21）接触；所述底板（82）通过装置底座（9）支撑所述实验装置。

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