CN111579464A - 一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置及试验方法，属于岩石力学渗流试验领域，用以在三轴试验机上进行岩石渗流各向异性渗流试验。本发明通过在中部含水平贯通裂隙的岩石试样内部加工透水孔，利用过水通道及控制阀门改变裂隙面流体渗流方向，从而获得裂隙面在不同方向上的流量；此外，本发明所能密封的水压较高，将三轴室内的围压升高至水压的两倍以上，即可进行高水压条件下的渗流试验。本发明简单可靠，成本较低，可通过对含有渗流功能的三轴试验机的上进水压头进行改造，即可进行渗流各向异性渗流试验，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学渗流试验领域，特别是涉及一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置及试验方法。
背景技术
地下岩体中存在着大量的天然裂隙，裂隙的发育会劣化岩体的工程特性，从而导致地下工程失稳或发生安全事故。在高放废物深地质处置中，放射性核素会随地下水沿岩石中裂隙形成的通道向生物圈迁移和扩散。因此，裂隙岩体渗流特性是高放废物处置库围岩工程特性的研究重点。在实际的工程应用中，岩体裂隙内流体的流动不仅仅只是简单的平直流，还会存在由内向外的辐射流。此时二维平行板模型将不再适用，而需进行辐射流的研究。岩石裂隙三维表面形态存在各向异性特征，导致流体在不同方向上流过裂隙面时的渗透性能差异较大，因而需要对裂隙面上渗流的各向异性进行研究。
室内辐射流渗透试验研究对于揭示岩石的渗透特性及外部条件对于裂隙渗透特性的影响、建立并验证相应的理论模型具有重要意义。裂隙辐射流渗流试验需要实现在不同外部条件下的渗流过程，因此对试验条件的要求较高。目前，国内外学者研发了大量裂隙应力-渗流耦合试验装置。但现有这些装置无法测量裂隙面各个方向的渗流性能，且所能密封的最大水压较低。因此，建立一种简单可靠的辐射流各向异性试验装置及测试方法，是岩石裂隙辐射流各向异性研究的要求，对上述工程应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置及试验方法，用以在三轴试验机上进行岩石渗流各向异性渗流试验。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，包括进水压头、岩石试样和出水压头，所述岩石试样夹持于所述进水压头和所述出水压头之间；所述岩石试样中部含有水平贯通裂隙，所述水平贯通裂隙用于将所述岩石试样分为上部试样和下部试样；所述进水压头设置有进水口，所述进水口通过进水通道与所述上部试样或所述下部试样连通；所述出水压头设置有出水口，所述上部试样或所述下部试样内在多向分别设置出水通道与所述出水口连通；各所述出水通道上均设置有密封阀门，用于控制对应出水通道的闭通；
所述试验装置用于使用安装在具有渗流功能的三轴试验机上。
可选的，所述进水通道由所述岩石试样的内部通道与所述进水压头的内部通道相连而成，接口处设置有密封圈。
可选的，所述出水通道由所述岩石试样的内部通道与所述出水压头的内部通道相连而成，接口处设置有密封圈。
可选的，所述出水通道周向均匀设置有八条，各条所述出水通道垂直分布；所述出水通道一端连至所述水平贯通裂隙，另一端汇集于所述出水口。
可选的，所述密封阀门包括堵头，所述堵头的一端径向贯通设置通水孔，另一端设置用于控制所述堵头进退的螺母；调节所述螺母使所述通水孔与所述出水通道完全错开，所述出水通道关闭；调节所述螺母使所述通水孔与所述出水通道交叉重合，所述出水通道连通。
可选的，所述水平贯通裂隙的外周缝隙通过硅胶层密封。
可选的，所述岩石试样的外层包裹有热缩管，所述热缩管通过箍圈绑扎固定在进水压头和出水压头上。
同时，本发明提供一种基于上述适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置的试验方法，主要包括如下步骤：
步骤一、制备岩石试样：取一个中部含水平贯通裂隙的岩石试样进行加工，一端试样中心打一小孔，作为渗流中心进水边界；另一端试样周向打一圈小孔，作为出水边界；之后将上、下两端试样压紧贴合，并用硅胶将侧面的缝隙密封；
步骤二、安装岩石试样：将制备好的岩石试样置于出水压头和进水压头之间，确保岩石试样与出水压头之间的密封，以及进水通道和各出水通道的贯通；之后在岩石试样外侧采用热缩管进行密封处理，并用箍圈将热缩管固定在进水压头和出水压头；
步骤三、施加外部条件：将出水压头需要测量方向上的密封阀门打开，并施加一定的围压和轴压，随后对进水口和出水口施加不同的水压分别进行渗流试验；
步骤四、测量不同方向出水通道的流量：待渗流保持稳定后测量对应出水通道的渗流流量；测量完成后将水压、围压按顺序卸载，保持轴压恒定，在将三轴室内的油排干后通过调节密封阀门来改变渗流方向；随后保持轴压恒定，再将三轴室进行密封，施加一定的围压和水压进行流量测定，如此循环，直至完成所有方向上出水通道的流量测量。
可选的，步骤三中施加的水压不超过围压的二分之一，以保证水不会经过岩石试样与热缩管间的缝隙到达出水口。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置及试验方法，通过在中部含水平贯通裂隙的岩石试样内部加工透水孔，利用过水通道及控制阀门改变裂隙面流体渗流方向，从而获得裂隙面在不同方向上的流量；此外，本发明所能密封的水压较高，将三轴室内的围压升高至水压的两倍以上，即可进行高水压条件下的渗流试验。本发明简单可靠，成本较低，可通过对含有渗流功能的三轴试验机的上进水压头进行改造，即可进行渗流各向异性渗流试验，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置的结构示意图；
图2为本发明进水压头的结构示意图；
图3为图2的剖面图；
图4为图2的俯视图；
图5为本发明出水压头的结构示意图；
图6为图5的剖面图；
图7为图5的俯视图；
图8为本发明密封密封阀门的结构示意图；
图9为图8的剖面图；
图10为图8的俯视图；
其中，附图标记为：进水压头-1，岩石试样-2，出水压头-3，密封阀门-4，螺母-41，堵头-42，通水孔-43，出水压头管路-5，出水口-6，上垂直管路-7，下垂直管路-8，进水压头中心通道-9，进水口-10，密封圈-11，硅胶层-12，热缩管-13，箍圈-14，水平贯通裂隙-15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
本实施例提供一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，用以在三轴试验机上进行岩石渗流各向异性渗流试验，主要包括进水压头1、岩石试样2、出水压头3和密封阀门4。岩石试样2夹持于进水压头1和出水压头3之间；岩石试样2中部含有水平贯通裂隙15，水平贯通裂隙15作为渗流各向异性研究对象，将岩石试样分为上部试样和下部试样；进水压头1设置有进水口10，进水口10通过进水通道与上部试样或下部试样连通；出水压头3设置有出水口6，上部试样或下部试样内在多向分别设置出水通道与出水口6连通；各出水通道上均设置有密封阀门4，用于控制对应方向出水通道的闭通。
如图1所示，于本具体实施例中，进水压头1设置于岩石试样2的下方，作为下压头与下部试样连通；出水压头3设置于岩石试样2的上方，作为上压头与上部试样连通。其中，进水压头1中心开有一条进水压头中心通道9，与进水口10连接，形成进水通道；出水压头3内部开有八条垂直均匀分布的出水压头管路5，各出水压头管路5最终汇集于出水口6，形成出水通道；各出水通道上设置有密封阀门4，且密封阀门4安装在出水压头3的外周。
本实施例中，如图1-7所示，岩石试样2中部含有水平贯通裂隙15，将岩石试样2分为上下两部分；岩石试样2上半部分开有八条垂直均匀分布的上垂直管路7，下半部分中心开有一条下垂直管路8。各上垂直管路7与出水压头管路5相连，接口处用密封圈11密封；下垂直管路8与进水压头中心通道9相连；水平贯通裂隙15的外周侧面缝隙涂有硅胶层12，岩石试样2的外层整个包裹有热缩管13，并通过箍圈14将热缩管绑扎在上下压头上。
本实施例中，如图8-10所示，密封阀门4外有螺母41控制堵头42进退；如上所述堵头42内部设有径向贯通的通水孔43，通水孔43与出水压头管路5连通时该水路打开，否则该水路关闭。
下面对基于上述试验装置进行岩石渗流各向异性试验的方法作具体说明，主要包括如下步骤：
步骤一：制备岩石试样。
取一个中部含水平贯通裂隙15的岩石试样进行加工，下部岩样中心打一小孔，作为渗流中的中心进水边界；上部岩样在较贴近侧面的位置均匀地打一圈小孔，作为出水边界；将试样上下部分压紧贴合后，用硅胶将侧面的缝隙密封。
步骤二：安装岩石试样。
将岩样置于上下压头之间，将试样的小孔与压头上的小孔对齐，并安装岩样与上压头之间的密封圈；岩样侧面使用热缩管进行密封处理，并用箍圈将热缩管固定在上下压头上。
步骤三：施加外部条件。
将上压头需要测量的方向对应密封阀门打开，施加一定的围压和轴压；随后对进水口和出水口施加不同的水压进行渗流试验；实验过程中施加的水压不应超过围压的二分之一，以保证水不会经过岩样与热缩管间的缝隙到达出水口。上述施加水压的方式为现有技术，采用现有的三轴试验机即可实现，在此不再赘述。
步骤四：测量不同方向的流量。
待渗流保持稳定后测量渗流流量；测量完成后将水压、围压按顺序卸载，保持轴压恒定，在将三轴室内的油排干后通过调节上压头处的阀门来改变渗流方向；随后保持轴压恒定，再将三轴室进行密封，施加一定的围压和水压进行流量测定。如此循环，直至完成所有方向上流量的测量。
当进水压头作为上压头、出水压头作为下压头时，该试验装置的试验原理以及试验过程均与上述相同，在此不再赘述。
由此可见，本发明利用带有过水通道及控制阀门的上下压头改变裂隙面流体渗流方向，从而获得裂隙面在不同方向上的流量。此外，本发明所能密封的水压较高，将三轴室内的围压升高至水压的两倍以上，即可进行高水压条件下的渗流试验。本发明简单可靠，成本较低，仅需对含有渗流功能的三轴试验机的上下压头进行改造，即可进行渗流各向异性渗流试验。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：包括进水压头、岩石试样和出水压头，所述岩石试样夹持于所述进水压头和所述出水压头之间；所述岩石试样中部含有水平贯通裂隙，所述水平贯通裂隙作为渗流各向异性研究对象，将所述岩石试样分为上部试样和下部试样；所述进水压头设置有进水口，所述进水口通过进水通道与所述上部试样或所述下部试样连通；所述出水压头设置有出水口，所述上部试样或所述下部试样内在多向分别设置出水通道与所述出水口连通；各所述出水通道上均设置有密封阀门，用于控制对应出水通道的闭通；
所述试验装置用于使用安装在具有渗流功能的三轴试验机上。
2.根据权利要求1所述的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：所述进水通道由所述岩石试样的内部通道与所述进水压头的内部通道相连而成，接口处设置有密封圈。
3.根据权利要求1所述的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：所述出水通道由所述岩石试样的内部通道与所述出水压头的内部通道相连而成，接口处设置有密封圈。
4.根据权利要求1所述的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：所述出水通道周向均匀设置有八条，各条所述出水通道垂直分布；所述出水通道一端连至所述水平贯通裂隙，另一端汇集于所述出水口。
5.根据权利要求1所述的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：所述密封阀门包括堵头，所述堵头的一端径向贯通设置通水孔，另一端设置用于控制所述堵头进退的螺母；调节所述螺母使所述通水孔与所述出水通道完全错开，所述出水通道关闭；调节所述螺母使所述通水孔与所述出水通道交叉重合，所述出水通道连通。
6.根据权利要求1所述的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：所述水平贯通裂隙的外周缝隙通过硅胶层密封。
7.根据权利要求1所述的适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置，其特征在于：所述岩石试样的外层包裹有热缩管，所述热缩管通过箍圈绑扎固定在进水压头和出水压头上。
8.一种基于权利要求1-7任意一项所述适用于三轴试验机渗流各向异性试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、制备岩石试样：取一个中部含水平贯通裂隙的岩石试样进行加工，一端试样中心打一小孔，作为渗流中心进水边界；另一端试样周向打一圈小孔，作为出水边界；之后将上、下两端试样压紧贴合，并用硅胶将侧面的缝隙密封；
步骤二、安装岩石试样：将制备好的岩石试样置于出水压头和进水压头之间，确保岩石试样与出水压头之间的密封，以及进水通道和各出水通道的贯通；之后在岩石试样外侧采用热缩管进行密封处理，并用箍圈将热缩管固定在进水压头和出水压头；
步骤三、施加外部条件：将出水压头需要测量方向上的密封阀门打开，并施加一定的围压和轴压，随后对进水口和出水口施加不同的水压分别进行渗流试验；
步骤四、测量不同方向出水通道的流量：待渗流保持稳定后测量对应出水通道的渗流流量；测量完成后将水压、围压按顺序卸载，保持轴压恒定，在将三轴室内的油排干后通过调节密封阀门来改变渗流方向；随后保持轴压恒定，再将三轴室进行密封，施加一定的围压和水压进行流量测定，如此循环，直至完成所有方向上出水通道的流量测量。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：步骤三中施加的水压不超过围压的二分之一，以保证水不会经过岩石试样与热缩管间的缝隙到达出水口。
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