CN103439189A - 一种应力－水流－化学耦合下的岩石双轴压缩细观试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石细观试验装置，特别是一种应力－水流－化学耦合下的岩石双轴压缩细观试验装置，属仪器设备类。本发明采用在试验装置中增设了侧向加载轴，改善了现有试验装置中单轴压缩的加载方式，盒体中增设了垂直隔板，将盒体分为单独的两部分，一部分作为试验舱进行试验，一部分作为侧向加载的工作舱，进水口和出水口与试验舱配套，可控制其形成稳定水流，增设水平调节螺栓可调节盒体高度，保证盒体始终处于水平状态。本装置可实现对岩石试样双轴压缩加载，控制化学溶液流速，以实现不同化学溶液作用条件下对岩石的双轴压缩试验，试验装置设计合理，操作使用方便，适用于各类岩石的应力-水流-化学耦合的双轴压缩试验。

Description

一种应力-水流-化学耦合下的岩石双轴压缩细观试验装置

技术领域

本发明涉及岩石细观试验装置，具体涉及矩形岩体双轴细观压缩试验，特别是一种应力－水流－化学耦合下的岩石双轴压缩细观试验装置，属仪器设备类。

背景技术

应力-水流-化学耦合条件下裂隙岩石的破坏行为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、二氧化碳地下储存、地热开发、石油开采、坝基、边坡、硐室等众多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。在岩石工程安全性的诸多影响因素中，水是最活跃的一个因素。岩土体受水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。实际上，节理岩体存在多裂隙，许多情况下水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：裂隙（节理）岩体的安全性也往往受到化学、水流、应力的耦合作用影响。在自然界中，大多数情况下，岩石处于三轴压缩状态。在一些特定情况下，会出现平面应力状态，即双轴受力状态。双轴压缩是自然界中一种典型的应力状态，地下硐室的边界如顶、底板和侧墙常常处于双轴压缩应力场中。地下工程岩体通常处于三向不等的应力状态和一定的孔隙压力中，在工程扰动的作用下，岩体状态通常由于如加卸载的作用而变得更加复杂。

因此，研究复杂应力、流体压力和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与规律，化学环境下的腐蚀破裂机理、新裂隙的形成与新形成裂隙中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。

既然水-岩作用的实质是通过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。因此，需要采用细观力学试验方法，揭示这种应力、水流、化学耦合作用下岩石破裂过程中其内部损伤演化规律。国内外学者在应力-水流-化学耦合方面也开展了深入的研究工作，前人的研究成果也有涉及复杂应力、水压力和化学耦合下岩石裂隙破坏的机制及其分析方法研究，但并不全面。中国专利公开号CN1603784A，公开日2005年4月6日，发明名称为（应力-水流-化学耦合的岩石单轴压缩细观力学实验装置），该申请案的技术方案只涉及岩石单轴压缩下的应力-水流-化学耦合问题，试验难以解释复杂地应力并有溶液腐蚀环境下的裂隙岩体的破坏机理。中国专利公开号CN1619294A，公开日2005年5月25日，发明名称为（应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程细观力学加载***），该细观力学加载***能实现单轴条件下的岩石破裂过程实验，但尚未完全解决复杂应力、流体作用和化学腐蚀三者耦合作用下，岩石裂隙萌生、扩展、贯通及相互作用的损伤演化过程与岩石破裂规律的机理研究问题。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种考虑应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程的双轴压缩细观力学试验装置，试验中可以考虑不同化学溶液流速、不同应力条件（如加卸载等不同应力路径）和不同流体作用的影响。可实现双轴压缩状态下带预制裂纹矩形岩石试样破裂全过程的观察与记录。

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－化学耦合的岩石双向加载的细观力学试验装置，包括盒体和对称开在盒体两侧壁上同轴圆孔及分别活动置于同轴圆孔中的轴向加载轴，设置在盒体上的进水口和出水口，所述盒体内设置有垂直隔板，垂直隔板平行于盒体的两个端面，垂直隔板上开有圆孔，盒体的一个端面为组接式，盒体的固定端面内壁上固定设置有反力板，千斤顶固定置于隔板和组接端面形成的空间中，侧向加载轴活动置于垂直隔板的圆孔中，千斤顶的轴线、侧向加载轴与反力板的中心线同轴，盒体的固定端面和垂直隔板组成空间的两侧壁上对称开有同轴圆孔，轴向加载轴活动置于同轴圆孔中，该空间中固定设置有试样台，试样台的中心位于两侧壁圆孔的轴线与千斤顶和反力板的轴线的交点的垂线上，在盒体的底部对称设有水平调节螺栓。

所述的进水口和出水口分别设置于盒体的固定端面和垂直隔板组成空间的一侧壁上，出水口位于进水口上方。

由于采用了以上技术方案，本发明采用在试验装置中增设了侧向加载轴，改善了现有试验装置中单轴压缩的加载方式，盒体中增设了垂直隔板，将盒体分为单独的两部分，一部分作为试验舱进行试验，一部分作为侧向加载的工作舱，进水口和出水口与试验舱配套，可控制其形成稳定水流，水平调节螺栓可调节盒体高度，保证盒体始终处于水平状态。

本发明具有的优点和积极效果在于：

1 本装置可实现对试样双轴压缩加载，控制化学溶液流速，以实现不同化学溶液作用条件下对岩石的双轴压缩试验，能满足不同化学溶液、不同流速、不同加载条件下对岩石破坏全过程影响的岩石双轴细观力学实验需要，双轴加载可以真实模拟地下硐室的边界如顶、底板和侧墙的应力状况，为研究这些部位的破坏机理提供依据；

2 本装置上方为开放式，便于对试件破坏全过程进行细观与宏观观测或者录像记录；

3 本装置便于在试验过程中对矩形试样表面的多个裂纹（不同长度、方向、排列方式）萌生、延伸、扩展全过程进行显微放大与CCD全场观察。为细观、宏观观测、记录该变化提供试验手段，为不同化学溶液、不同围压以及不同轴向载荷对岩石破坏作用的理论分析提供依据。

4 本装置为高放核废物地质处置、地热开发、二氧化碳地质封存、页岩气开发，岩土工程稳定性评价等需要考虑不同化学溶液腐蚀作用以及不同轴向载荷共同作用对岩石破坏影响的岩土工程，提供了可靠的试验手段。

5 本发明试验装置设计合理，操作使用方便，适用于各类岩样的应力-水流-化学耦合的双轴压缩试验。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理进行详细说明，参见图1、图2：

一种应力－水流－化学耦合的岩石双向加载的细观力学试验装置，该试验装置与中国专利公开号CN1619294A，公开日2005年5月25日，发明名称为（应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程细观力学加载***）配合使用，试验装置由盒体9、垂直隔板、试样台2、反力板3、轴向加载轴4、侧向加载轴5、侧向千斤顶6、水平微调螺母10组成。垂直隔板设置在盒体9内，平行于盒体9的两个端面，垂直隔板上开有圆孔，盒体9的一个端面为组接式，可采用与盒体9主体螺栓连接方式，作用在于方便侧向千斤顶6的安装，反力板3于试验开始前固定于盒体9的固定端面内壁上，同时设置载荷传感器于反力板3上，便于记录侧向加载的数据。侧向千斤顶6固定置于隔板和组接端面形成的空间中，侧向加载轴5活动置于垂直隔板的圆孔中，侧向千斤顶6的轴线、侧向加载轴5与反力板3的中心线同轴，且与两侧壁上圆孔轴线共面，保证试样双轴加载在同一平面内进行。盒体9的固定端面和垂直隔板组成空间的两侧壁上对称开有同轴圆孔，轴向加载轴4均为圆柱体，活动置于同轴圆孔中，直径与圆孔相匹配，该轴向加载轴4作为加载传力柱，与应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程细观力学加载***中的伺服控制***相连接，并要求其横截面的直径大于长方体试件1横截面对角线的长度，轴向加载轴4、侧向加载轴5与盒体9间用“O”型密封圈密封，保证轴向加载轴4、侧向加载轴5在受力与传力过程中与侧壁完全密封，不引起盒体9内溶液的渗出。盒体9的固定端面和垂直隔板组成空间中固定设置有试样台2，试样台2的中心位于两侧壁圆孔的轴线与侧向千斤顶6和反力板3的轴线的交点的垂线上，试样台2高度取决于所需试验中试样1的厚度，保证试样1的中心线与轴向加载轴4、侧向加载轴5的轴线共面。试验时，将试样1放置于试样台2上，垫块放置于试样1两侧，利用加载设备施力，夹紧垫块使试样1不能再移动。盒体9的底部四角对称设有水平调节螺栓10，用于调节整个盒体9的高度，保证盒体9内试样1的加载面与轴向加载轴4、侧向加载轴5垂直，避免出现受力不均的情况。

所述的进水口7和出水口8分别设置于盒体9的固定端面和垂直隔板组成空间的一侧壁上，出水口8位于进水口7上方，进水口7中水嘴经水管通过控制阀与水泵连接，置于称有化学溶液的容器内，进水口7用于向盒体9中提供化学溶液或其他液体，控制阀用于控制盒体9中的液体量或为形成稳定水流提供条件，出水口8中水嘴与水管连接，也放于该容器内。

    盒体9上方呈开放状，便于试验过程中对试件表面的裂纹扩展全过程进行显微放大与CCD全场观察并记录。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。

本发明在岩石细观力学试验中的应用步骤：

1组装应力-水流-化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载***。

2放置侧向千斤顶6，打开盒体9组接端面上螺钉，将盒体9组接端面取下，将侧向加载轴5活动置于该圆孔中，并将侧向千斤顶6放入盒体9，将侧向加载轴5与侧向千斤顶6连接，此时将螺钉拧上，固定该端面。

3 固定反力板3，将反力板3固定于盒体9的固定端面内壁上，同时固定载荷传感器于反力板3上，便于记录侧向加载的数据。

4放置盒体9，将盒体9放置于细观力学加载***中，轴向加载轴4与应力-水流-化学耦合的岩石破裂过程细观力学加载***的伺服设备相连接。

5固定试样台2，将试样台2固定于盒体9的轴向加载轴4、侧向加载轴5中间，保证试样台2的中心位于两侧壁圆孔的轴线与侧向千斤顶6和反力板3的轴线的交点的垂线上。

6 放置试样1，将试样1放于盒体9中的试样台2上，将垫块置于试样台2上试样1两侧相应位置，用侧向千斤顶6施力夹紧试样，然后再控制伺服设备施力夹紧试样1。

7 注入溶液，进水口7中水嘴经水管通过控制阀与水泵连接，置于称有化学溶液的容器内，水泵通过进水口7向盒体9中加入试验需要的化学溶液，当出水口8中水嘴与水管连接有溶液流出时，关闭控制阀（或计算出所需流速，调整水泵流量）。

8 加载，用伺服设备与侧向千斤顶6对岩样施加均匀压力，轴向加载轴4、侧向加载轴5则将所受的力传递给试样，进行化学腐蚀下的双轴压缩岩石力学试验。装置可以控制不同液体流速、选择不同化学溶液、并考虑不同双轴载荷共同作用下，岩石试件的破坏过程、方式也会有相应的变化。本装置的目的就是为细观、宏观观察、记录该变化提供试验手段，为不同化学溶液、不同流速以及不同双向荷载对岩石破坏作用。 

Claims (2)

1.一种应力－水流－化学耦合的岩石双向加载的细观力学试验装置，包括盒体（9）和对称开在盒体（9）两侧壁上同轴圆孔及分别活动置于同轴圆孔中的轴向加载轴（4），设置在盒体上的进水口（7）和出水口（8），其特征在于：所述盒体（9）内设置有垂直隔板，垂直隔板平行于盒体（9）的两个端面，垂直隔板上开有圆孔，盒体（9）的一个端面为组接式，盒体（9）的固定端面内壁上固定设置有反力板（3），千斤顶（6）固定置于隔板和组接端面形成的空间中，侧向加载轴（5）活动置于垂直隔板的圆孔中，千斤顶（6）的轴线、侧向加载轴（5）与反力板（3）的中心线同轴，盒体（9）的固定端面和垂直隔板组成空间的两侧壁上对称开有同轴圆孔，轴向加载轴（4）活动置于同轴圆孔中，该空间中固定设置有试样台（2），试样台（2）的中心位于两侧壁圆孔的轴线与千斤顶（6）和反力板（3）的轴线的交点的垂线上，在盒体（9）的底部对称设有水平调节螺栓（10）。

2.如权利要求1所述的一种应力－水流－化学耦合的岩石双向加载的细观力学试验装置，其特征在于：所述的进水口（7）和出水口（8）分别设置于盒体（9）的固定端面和垂直隔板组成空间的一侧壁上，出水口（8）位于进水口（7）上方。

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