一種應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀的製作方法
2023-05-27 11:57:06
專利名稱：一種應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種巖土體在不同應力水平、不同種類、不同流速的化學 溶液作用下的單軸壓縮蠕變試驗裝置，主要用於解決深部巖土工程領域中由於 應力和地下水流動耦合作用引起的巖土體蠕變變形而造成的圍巖長期穩定性 問題，屬於深部巖土工程領域。
背景技術：
巖石在應力、水流、化學耦合過程中物理力學特性變化研究是國際巖石力 學領域最前沿的課題之一，是核廢料地下處置、地下能源儲存、地下二氧化碳 儲存、地熱開發、石油開採、壩基、邊坡、硐室等眾多與水相關的巖石工程的 最基礎性研究課題。主要體現在， 一方面，在巖石工程安全性的諸多影響因素 中，水是最活躍的因素之一。巖土體受水化學溶液侵蝕作用後，由於水-巖作用 使得巖體中某些活性礦物與化學溶液發生反應，水溶液通過溶蝕巖土體而將溶 蝕物質帶走，使巖體中空洞增加，物理力學性質降低，甚至出現工程事故，對 巖土工程的長期穩定性產生威脅。另一方面，賦存於地下水環境下的巖體長期 在應力場作用下會產生"蠕變"現象，巖體的蠕變特性決定巖體在應力作用下， 變形會隨時間逐漸增加，最終導致巖體蠕變破壞。而水的作用無疑是巖體蠕變 變形的"天然催化劑"，地下水中的某些離子與巖石中礦物發生化學反應，致 使巖石變軟，更易於發生蠕變。由於蠕變本身具有其非確定性，再加上化學作 用於其中，對理論研究提出了很大的挑戰，目前少數學者已建立了考慮耦合作 用下巖石蠕變特性的數學模型，但模型的可靠性差，並沒有試驗測試數據進行 驗證，試驗多是定性的分析，定量的測定有關重要參數的試驗相對較少，從而 限制了巖石流變理論體系的發展。目前試驗數據的缺乏(特別是全面、綜合的 試驗數據)嚴重製約了巖土體介質中固、液、氣相互作用與多場耦合模型以及 巖石流變理論的發展以及預測結果準確性。 發明內容針對上述存在問題，本實用新型的目的在於提供一種對巖土體在不同種類流動的化學溶液、軸向加載的耦合作用下，試樣的縱(徑)向變形、裂紋擴展、破壞模式等進行實時觀測和監測的試驗儀器。
其技術解決方案為 一種應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀，它包括儲液器，反力架，千斤頂，密封蓋板，球角壓頭，囊式儲能器，換向閥，壓力表，油泵，位移計及徑向測位儀。儲液器活動放置在反力架上，儲液器兩側分別置有進水口和出水口，儲液器上方置有用於密封巖樣的密封蓋板，球角壓頭的球面與千斤頂的球面端活動接觸，球角壓頭外壁設置有支杆，千斤頂的平面端頂置在反力架的內頂壁，千斤頂通過油管連接在穩壓裝置油路的出口接頭上。穩壓裝置由囊式儲能器、壓力表及基座構成，壓力表和囊式儲能器固定安裝在基座上，與基座油路連通。換向閥上設置有並聯的兩個以上的油路接頭，穩壓裝置油路的進口接頭與換向閥的油路接頭通過油管連接，換向閥的另一端與油泵連接。徑向測位儀由變形圈、變形片、拉簧、螺栓構成，變形圈呈開口狀，在變形圈開口處的兩端分別設有止臺，止臺間設置有拉簧，螺栓活動穿過其中一個止臺旋裝於另外一個止臺上，變形片呈L狀，變形片固定安裝於止臺的端部。
由於採用了以上技術方案，本實用新型的應力、化學、水流耦合巖石單軸壓縮蠕變儀具有以下優點-
1. 可開展不同應力水平、不同種類化學溶液、不同流速的水化學溶液耦合作用下，巖石的蠕變試驗，並可通過透明的有機玻璃儲液器觀測巖石的裂紋擴展和破壞模式。
2. 通過控制進(出)水流速，可真實模擬賦存在地下水環境中巖石力學特性和化學效應的變化。
3. —臺油泵通過換向閥的多通油路接頭可以控制兩套以上加載系統，儀器的可擴展性較強。
4. 當設備由於外界環境變化的影響而造成壓力不穩時，囊式儲能器可對整個系統及時補充壓力，起到較好的穩壓作用。
5. 利用位移計和徑向測位儀可對巖石在變形過程中的軸向變形和徑向變
4形進行實時測定，精度高，可操作性強。
6、通過外接數碼攝像系統可對巖石的變形進行全過程採集、分析和可視化輸入與輸出。
附圖1為本實用新型的結構示意圖附圖2為徑向測位儀的結構示意圖具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步詳細描述
一種應力、水流、化學耦合作用下巖石單軸壓縮蠕變儀，它包括儲液器5，
反力架1，千斤頂2，密封蓋板4，球角壓頭3，囊式儲能器14，換向閥16,壓力表15，油泵18，位移計10及徑向測位儀9。反力架1、千斤頂2、密封蓋板4、儲液器5、球角壓頭3構成巖樣夾持裝置。基座17、壓力表15、囊式儲能器14構成穩壓裝置，囊式儲能器14和壓力表15固定在基座17的油路通道上，油泵18為加載裝置。徑向測位儀9由變形圈21、變形片20、拉簧22、螺栓19構成。儲液器5採用耐酸鹼高強度的有機玻璃，儲液器5活動放置在反力架1上，儲液器5兩側分別置有進水口 7和出水口 8，進水口7通過柔性水管與水泵12相連，柔性水管上設置有流速調節器13，出水口8連接柔性排水管，柔性排水管上設置有流速調節器13。儲液器5上方置有用於密封巖樣6的密封蓋板4，球角壓頭3的球面端穿過密封蓋板4與千斤頂2的球面端活動接觸，千斤頂2的平面端頂放在反力架1的內頂壁，千斤頂2通過油管連接在穩壓裝置油路的出口接頭上，穩壓裝置由囊式儲能器14，壓力表15及基座17構成，壓力表15和囊式儲能器14固定安裝在基座17上，與基座17油路連通。球角壓頭3的平面端正放在巖樣上，球角壓頭3外壁設置有支杆11，支杆11與位移計10的觸頭相接觸，位移計10採用磁性表座固定。油泵18通過油管與換向閥16的進口端相連，換向閥16上設有並聯的兩個以上的油路出口接頭，通常採用兩個油路出口，每個油路出口接頭分別通過油管連接穩壓裝置上油路的進口接頭，穩壓裝置上油路的出口接頭通過油管與巖樣夾持裝置上的千斤頂2的進口接頭相連。徑向測位儀9的變形圈21採用耐酸鹼腐蝕的不鏽鋼材質，變形圈21呈開口狀，在變形圈21開口處的兩端分別設有止臺，止臺間設置有拉簧22，螺栓19活動穿過其中一個止臺旋裝於另外一個止臺上，變形片20呈L狀，變形片20固定安裝於止臺的端部。
本實用新型應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀的工作原理將徑向測位儀套裝在置放於儲液器中的巖樣的外壁，在徑向測位儀上的變形片上安裝應變片，並與應變儀相連；將球角壓頭的平面端正放在巖樣斷面上，球面端與千斤頂的球面端接觸，千斤頂的平面端頂放在發力架的內壁上，千斤頂連接穩壓裝置，穩壓裝置連接換向閥，換向閥連接油泵，採用兩聯換向閥可同時接兩套穩壓裝置和兩套巖樣夾持裝置，可同時開展兩組試驗，如關閉其中一個閥，可開展單組試驗。再將位移計通過磁性表座固定，使位移計的觸頭與設在球角壓頭上的支杆完全接觸。試驗開始時，通過油泵對巖樣進行加載，當達到試驗設計荷載值時，停止加載，關閉閥門，此時系統保持恆壓狀態，如系統受到環境變化的影響壓力有所變化時，穩壓裝置可即時補壓，使得整個系統在任意時刻都保持恆定壓力。同時通過水泵將化學溶液經儲液器上的進水口抽入儲 液器，達到一定水位後，從儲液器上的出水口溢出，裝置在柔性水管上的流速調節器可調節進(出)水流速。通過位移計和徑向測位儀的讀數變化，可得出巖石在不同壓力、不同化學溶液、不同水流速度耦合作用下巖石的變形規律及特徵，這樣就可以模擬賦存在自然界中的巖體在開放的地下水環境下，受自重、初始地應力等外力作用下，巖石的蠕變特性。同時，試驗過程中通過透明的有機玻璃儲液器可適時觀測巖樣的裂紋擴展規律以及破壞模式，通過外接的數碼攝像系統可對加載過程中巖石的變形以及裂紋擴展模式進行實時監控。
權利要求1一種應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀，其特徵在於它包括儲液器(5)，反力架(1)，千斤頂(2)，密封蓋板(4)，球角壓頭(3)，囊式儲能器(14)，換向閥(16)，壓力表(15)，油泵(18)，位移計(10)及徑向測位儀(9)，儲液器(5)活動放置在反力架(1)上，儲液器(5)兩側分別置有進水口(7)和出水口(8)，儲液器(5)上方設置有用於密封巖樣(6)的密封蓋板(4)，球角壓頭(3)的球面端與千斤頂(2)的球面端活動接觸，球角壓頭(3)外壁設置有支杆(11)，千斤頂(2)的平面端頂置在反力架(1)的內頂壁，千斤頂(2)通過油管連接在穩壓裝置油路的出口接頭上，穩壓裝置油路的進口接頭與換向閥(16)的油路接頭通過油管連接，換向閥(16)的另一端通過油管與油泵(18)連接，徑向測位儀(9)由螺栓(19)，變形片(20)，變形圈(21)，拉簧(22)構成，變形圈(21)呈開口狀，在變形圈(21)開口處的兩端分別設有止臺，止臺間設置有拉簧(22)，螺栓(19)活動穿過其中一個止臺旋裝於另外一個止臺上，變形片(20)呈L狀，變形片(20)固定安裝於止臺的端部。
2.如權利要求1所述一種應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀，其 特徵在於所述的穩壓裝置由囊式儲能器(14)，壓力表(15)及基座(17) 構成，壓力表(15)和囊式儲能器(14)固定安裝在基座(17)上，與基座(17) 油路連通。
3.如權利要求1所述一種應力、水流、化學耦合巖石單軸壓縮蠕變儀，其 特徵在於換向閥(16)上設置有並聯的兩個以上的油路接頭。
專利摘要本實用新型公開了一種應力、水流、化學耦合作用下，巖土體蠕變試驗分析裝置，它由液壓加載系統、囊式補壓系統、水流循環系統、變形監測系統四部分構成。本試驗系統可以實現多場耦合條件下巖土體流變特性的試驗研究，是集監測、控制與數據採集於一體，實現對巖土體在應力、不同流速化學溶液侵蝕耦合作用下，對蠕變試驗過程中的變形進行實時顯示和監控，通過數據採集程序對試驗數據進行全過程採集、分析和可視化輸入與輸出，試驗系統具有結構簡潔、組裝靈活、可擴充性強、試驗周期短以及應用面廣的特點。對於巖土工程、水利工程、石油工程、礦業工程以及地下工程等領域的多場耦合巖土體力學特性及滲流特性的研究具有廣泛的應用價值。
文檔編號G01N33/24GK201266192SQ200820191318
公開日2009年7月1日 申請日期2008年10月8日 優先權日2008年10月8日
發明者馮夏庭, 劉繼光, 輝 周, 強 崔, 強 薛 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所