一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置。本實用新型涉及的裝置包括軸壓伺服系統(tǒng)、圍壓伺服系統(tǒng)、水(氣)壓伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可開展靜水壓縮、三軸壓縮全過程及加卸載循環(huán)下的應(yīng)力－滲流耦合試驗。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時測量記錄巖石試樣當(dāng)前圍壓、偏壓值，軸向、環(huán)向以及體積應(yīng)變值，進、出口端壓力值；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)繪制出相應(yīng)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，進、出口端壓力－時程曲線，試樣變形與孔隙水(氣)壓曲線，然后自動計算出巖石試樣的滲透率、孔隙率、軸向及側(cè)向Biot系數(shù)，并進行存儲及顯示。該測量裝置可完成巖石材料特別是低滲巖石在復(fù)雜應(yīng)力路徑下應(yīng)力－滲流耦合試驗，試驗結(jié)果可靠，并可直觀顯示。
【專利說明】一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種耦合裝置，尤其是涉及一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的變形特性與滲透特性研究是大型水利水電、深部資源開采、油/氣能源地下儲存、地下空間利用等領(lǐng)域重大工程建設(shè)迫切需要解決的關(guān)鍵問題。由于巖石賦存環(huán)境的復(fù)雜性，在各種工程荷載的作用下，巖石初始地應(yīng)力場受到改造，應(yīng)力場分布發(fā)生變化，巖石產(chǎn)生變形和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化，從而導(dǎo)致巖石的滲透特性發(fā)生變化；相應(yīng)地，巖石滲透特性的變化將導(dǎo)致滲流場的分布發(fā)生改變，從而又進一步改造巖石應(yīng)力場。巖石滲流場和應(yīng)力場的這種相互作用和相互影響稱為巖石滲流-應(yīng)力耦合作用，巖石應(yīng)力-滲流耦合試驗是開展巖石應(yīng)力場和滲流場耦合機理研究的關(guān)鍵。然而，常規(guī)的現(xiàn)場試驗方法很難獲取巖石變形過程中滲透特性的變化規(guī)律，采用巖石室內(nèi)三軸壓縮過程中的滲透試驗可以揭示其應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中滲透率的演化規(guī)律。
[0003]自上世紀(jì)50年代以來，巖石三軸壓縮過程中的滲透特性研究受到了學(xué)術(shù)界和工程界的重視。然而，國內(nèi)外許多學(xué)者的大部分滲透性試驗主要針對滲透系數(shù)比較高滲透率在10_12?10_16m2量級的巖樣，三軸壓縮過程中低滲巖石滲透率在10_16?10_22m2量級的滲透性試驗成果并不多見。已有研究成果表明，巖石在三軸壓縮過程中的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分為初始壓密階段、彈性變形階段、局部損傷階段、劇烈損傷階段及峰后破壞階段，在此過程中巖石的滲透特性相應(yīng)地表現(xiàn)為初始下降、彈性穩(wěn)定、峰前穩(wěn)定增大、峰值附近劇烈增大及峰后下降等特征。
[0004]當(dāng)前，巖石(尤其是低滲巖石)在三軸壓縮過程中的滲透性試驗研究已成為國際巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，試驗手段多采用瞬態(tài)壓力脈沖法，滲透流體多采用水或氣體如氮氣、氦氣。然而，由于巖石三軸壓縮過程中滲透特性試驗的特殊性和復(fù)雜性，國內(nèi)目前尚未研發(fā)出功能完善的巖石三軸壓縮-水(氣)耦合裝置。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
[0006]一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，其特征在于，包括軸壓伺服系統(tǒng)、圍壓伺服系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、流體滲透系統(tǒng)，以及與所述系統(tǒng)相連的數(shù)據(jù)采集、處理裝置。
[0007]在上述的一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，所述軸壓伺服系統(tǒng)包括軸壓伺服高精度液壓泵、與之相連的第一液壓閥門，緊接第一液壓閥門后的軸壓傳感器；所述軸壓伺服高精度液壓泵還與數(shù)據(jù)采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器還與氣體滲透系統(tǒng)連接。
[0008]在上述的一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，所述圍壓伺服系統(tǒng)包括圍壓伺服高精度液壓泵、與之相連的第二液壓閥門，緊接第一液壓閥門后的圍壓傳感器；所述圍壓伺服高精度液壓泵還與數(shù)據(jù)采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器還與氣體滲透系統(tǒng)連接。[0009]在上述的一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，所述流體注入系統(tǒng)包括依此相連的高壓氮氣、氣閥、氣體減壓閥，水瓶及與水瓶相連的水閥，水/氣壓伺服高精度液壓泵以及第三液壓閥門相連，所述第三液壓閥門前與水(氣)壓高精度液壓泵相連后與上述水閥連接，再與氣體滲透系統(tǒng)相連。
[0010]在上述的一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，所述流體滲透系統(tǒng)包括進口端、試樣及試樣密封系統(tǒng)、三軸壓力室及支撐傳力裝置、出口端；其中進口端包括進口端壓力傳感器、第四液壓閥門、進口端鋼瓶、第五液壓閥門；所述第四液壓閥門前與進口端壓力傳感器，后與進口端鋼瓶、第五液壓閥門依次相連；所述試樣兩端放置滲透活塞，橡皮套將試樣和滲透活塞包裹，封氣箍緊箍在橡皮套兩端將試樣密封；所述三軸壓力室及支撐傳力裝置包括三軸壓力室、支架、千斤頂、置于壓力室底端并與一個流體回收容器相連的第六液壓閥門，置于壓力室上連通大氣的第七液壓閥門；出口端包括出口端壓力傳感器，第八液壓閥門以及順次相連的出口端鋼瓶、第九液壓閥門，第十液壓閥門，其中出口端壓力傳感器分別與第八液壓閥門、第十液壓閥門相連；進口端與出口端由第十一液壓閥門相連通。
[0011]在上述的一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，所述數(shù)據(jù)采集、處理裝置包括計算機采集及處理系統(tǒng)。
[0012]本實用新型涉及到的三個過程如下:
[0013]力學(xué)過程:軸壓、圍壓伺服系統(tǒng)可實現(xiàn)靜水壓縮、三軸壓縮全過程及加卸載循環(huán)等復(fù)雜應(yīng)力路徑過程，操作方便、自動化程度高，加壓過程完全在計算機控制下進行；軸壓、圍壓伺服系統(tǒng)可以在巖石試樣軸向施加O?375MPa偏壓,側(cè)向施加O?60MPa圍壓，施壓控制精度為0.0lMPa，可在兩個月內(nèi)保持穩(wěn)定，誤差不超過1% ;軸向偏壓加載可以選用位移、軸向應(yīng)變率、常壓力梯度和變應(yīng)力梯度四種方式控制，側(cè)向圍壓加載可以選用環(huán)向應(yīng)變率、常壓力和變應(yīng)力三種方式控制。
[0014]滲流過程:通過水/氣壓伺服系統(tǒng)可在巖石試樣進、出口端施加孔隙水(氣)壓，水/氣壓伺服系統(tǒng)由流體注入系統(tǒng)和流體滲透系統(tǒng)組成；流體注入系統(tǒng)可提供O?40MP的孔隙水壓或者0.1?IOMPa的高純氮氣，施壓控制精度為0.0lMPa，誤差不超過1% ;流體滲透系統(tǒng)可進行管道回路和鋼瓶回路兩個不同量程的水(氣)滲透試驗。管道回路可進行10_16?IO-22Hi2量程的流體滲透試驗，由進口管道、試樣、出口管道組成，進口管道與出口管道由液壓閥連接；鋼瓶回路可進行10_12?10_18m2量程的流體滲透試驗，由進口管道、進口鋼瓶、試樣、出口鋼瓶、出口管道組成。
[0015]耦合過程:通過軸壓、圍壓伺服系統(tǒng)，施加至預(yù)設(shè)的圍壓、偏壓值并保持穩(wěn)定，在巖石試樣進、出口端通過水/氣壓伺服系統(tǒng)施加孔隙水(氣)壓進行耦合試驗。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時測量記錄巖石試樣當(dāng)前圍壓、偏壓值，軸向、環(huán)向以及體積應(yīng)變值，進、出口端壓力值；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)繪制出相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，進、出口端壓力一時程曲線，試樣變形與孔隙水(氣)壓曲線，然后自動計算出巖石試樣的滲透率、孔隙率、軸向及側(cè)向Biot系數(shù)，并進行存儲及顯示。
[0016]因此，本實用新型具有如下優(yōu)點:能夠完成巖石材料特別是低滲巖石在復(fù)雜應(yīng)力路徑下應(yīng)力一滲流耦合試驗，試驗結(jié)果可靠，并可直觀顯示。
【專利附圖】

【附圖說明】[0017]附圖1為巖石三軸壓縮一水(氣)耦合裝置示意圖。
[0018]附圖2為軸壓、圍壓伺服系統(tǒng)示意圖。
[0019]附圖3a為靜水壓縮示意圖。
[0020]附圖3b為三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變示意圖。
[0021]附圖3c為加卸載循環(huán)示意圖。
[0022]附圖4為流體注入系統(tǒng)示意圖。
[0023]附圖5為流體滲透系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步具體的說明。附圖中:軸壓伺服高精度液壓泵1、第一液壓閥門2、軸壓傳感器3、圍壓伺服高精度液壓泵4、第二液壓閥門5、圍壓傳感器6、高壓氮氣7、氣閥8、氣體減壓閥9、水瓶10、水閥11、水/氣壓伺服高精度液壓泵12、第三液壓閥門13、進口端壓力傳感器14、流體回收容器15、封氣箍16、橡皮套17、試樣18、滲透活塞19、三軸壓力室20、支架21、千斤頂22、第六液壓閥門23、第七液壓閥門24、第十一液壓閥門25、第四液壓閥門26、進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28、第八液壓閥門29、出口端鋼瓶30、第九液壓閥門31、出口端壓力傳感器32、第十液壓閥門33、計算機采集及處理系統(tǒng)34。
[0025]實施例:
[0026]本實用新型包括軸壓伺服系統(tǒng)、圍壓伺服系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、流體滲透系統(tǒng)，以及與所述系統(tǒng)相連的數(shù)據(jù)采集、處理裝置。
[0027]其中，軸壓伺服系統(tǒng)包括軸壓伺服高精度液壓泵1、與之相連的第一液壓閥門2，緊接第一液壓閥門2后的軸壓傳感器3 ;所述軸壓伺服高精度液壓泵I還與數(shù)據(jù)采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器3還與氣體滲透系統(tǒng)連接。
[0028]圍壓伺服系統(tǒng)包括圍壓伺服高精度液壓泵4、與之相連的第二液壓閥門5，緊接第一液壓閥門5后的圍壓傳感器6 ;所述圍壓伺服高精度液壓泵4還與數(shù)據(jù)采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器6還與氣體滲透系統(tǒng)連接。
[0029]流體注入系統(tǒng)包括依此相連的高壓氮氣7、氣閥8、氣體減壓閥9，水瓶11及與水瓶11相連的水閥10，水/氣壓伺服高精度液壓泵12以及第三液壓閥門13相連，所述第三液壓閥門13前與水(氣)壓高精度液壓泵12相連后與上述水閥10連接，再與氣體滲透系統(tǒng)相連。
[0030]流體滲透系統(tǒng)包括進口端、試樣及試樣密封系統(tǒng)、三軸壓力室及支撐傳力裝置、出口端；其中進口端包括進口端壓力傳感器14、第四液壓閥門26、進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28 ;所述第四液壓閥門26前與進口端壓力傳感器14，后與進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28依次相連；所述試樣18兩端放置滲透活塞19，橡皮套17將試樣18和滲透活塞19包裹，封氣箍16緊箍在橡皮套17兩端將試樣18密封；所述三軸壓力室及支撐傳力裝置包括三軸壓力室20、支架21、千斤頂22、置于壓力室20底端并與一個流體回收容器15相連的第六液壓閥門23，置于壓力室20上連通大氣的第七液壓閥門24 ;出口端包括出口端壓力傳感器32，第八液壓閥門29以及順次相連的出口端鋼瓶30、第九液壓閥門31，第十液壓閥門33，其中出口端壓力傳感器32分別與第八液壓閥門29、第十液壓閥門33相連；進口端與出口端由第十一液壓閥門25相連通。
[0031]數(shù)據(jù)采集、處理裝置包括計算機采集及處理系統(tǒng)34。
[0032]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
[0033]盡管本文較多地使用了軸壓伺服高精度液壓泵1、第一液壓閥門2、軸壓傳感器3、圍壓伺服高精度液壓泵4、第二液壓閥門5、圍壓傳感器6、高壓氮氣7、氣閥8、氣體減壓閥
9、水瓶10、水閥11、水/氣壓伺服高精度液壓泵12、第三液壓閥門13、進口端壓力傳感器14、流體回收容器15、封氣箍16、橡皮套17、試樣18、滲透活塞19、三軸壓力室20、支架21、千斤頂22、第六液壓閥門23、第七液壓閥門24、第十一液壓閥門25、第四液壓閥門26、進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28、第八液壓閥門29、出口端鋼瓶30、第九液壓閥門31、出口端壓力傳感器32、第十液壓閥門33、計算機采集及處理系統(tǒng)34等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。
【權(quán)利要求】
1.一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，其特征在于，包括軸壓伺服系統(tǒng)、圍壓伺服系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、流體滲透系統(tǒng)，以及與所述系統(tǒng)相連的數(shù)據(jù)采集、處理裝置； 所述軸壓伺服系統(tǒng)包括軸壓伺服高精度液壓泵(I)、與之相連的第一液壓閥門(2)，緊接第一液壓閥門(2)后的軸壓傳感器(3);所述軸壓伺服高精度液壓泵(I)還與數(shù)據(jù)采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器(3)還與氣體滲透系統(tǒng)連接； 所述圍壓伺服系統(tǒng)包括圍壓伺服高精度液壓泵(4)、與之相連的第二液壓閥門(5)，緊接第一液壓閥門(5)后的圍壓傳感器(6);所述圍壓伺服高精度液壓泵(4)還與數(shù)據(jù)采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器(6)還與氣體滲透系統(tǒng)連接； 所述流體注入系統(tǒng)包括依此相連的高壓氮氣(7)、氣閥(8)、氣體減壓閥(9)，水瓶(11)及與水瓶(11)相連的水閥(10)，水/氣壓伺服高精度液壓泵(12)以及第三液壓閥門(13)相連，所述第三液壓閥門(13)前與水氣壓高精度液壓泵(12)相連后與上述水閥(10)連接，再與氣體滲透系統(tǒng)相連； 所述流體滲透系統(tǒng)包括進口端、試樣及試樣密封系統(tǒng)、三軸壓力室及支撐傳力裝置、出口端；其中進口端包括進口端壓力傳感器(14)、第四液壓閥門(26)、進口端鋼瓶(27)、第五液壓閥門(28);所述第四液壓閥門(26)前與進口端壓力傳感器(14)，后與進口端鋼瓶(27)、第五液壓閥門(28)依次相連；所述試樣(18)兩端放置滲透活塞(19)，橡皮套(17)將試樣(18)和滲透活塞(19)包裹，封氣箍(16)緊箍在橡皮套(17)兩端將試樣(18)密封；所述三軸壓力室及支撐傳力裝置包括三軸壓力室(20)、支架(21)、千斤頂(22)、置于壓力室(20)底端并與一個流體回收容器(15)相連的第六液壓閥門(23)，置于壓力室(20)上連通大氣的第七液壓閥門(24);出口端包括出口端壓力傳感器(32)，第八液壓閥門(29)以及順次相連的出口端鋼瓶(30)、第九液壓閥門(31)，第十液壓閥門(33)，其中出口端壓力傳感器(32)分別與第八液壓閥門(29)、第十液壓閥門(33)相連；進口端與出口端由第十一液壓閥門(25)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖石水氣滲流-應(yīng)力耦合試驗裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集、處理裝置包括計算機采集及處理系統(tǒng)(34 )。
【文檔編號】G01N15/08GK203376239SQ201320336643
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月9日
【發(fā)明者】陳益峰, 胡少華, 魏凱, 胡冉, 周創(chuàng)兵 申請人:武漢大學(xué)