專利名稱：應力—水流—化學耦合的巖石單軸壓縮細觀力學試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖石細觀力學試驗，更具體涉及巖石單軸壓縮應力-水流-化學耦合作用下變形破裂全過程的細觀力學試驗。適用于考慮單向壓應力、水流、化學腐蝕等影響的巖石細觀力學加載試驗。
背景技術：
裂隙巖石的化學-水流-應力耦合過程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(fā)、石油開采、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之一，具有十分重要的科學意義。主要體現(xiàn)在，一方面，在巖石工程的安全性的諸多影響因素中，水是最活躍的一個因素。巖土體受化學溶液侵蝕作用后，由于水-巖作用削弱了礦物顆粒間聯(lián)結、或腐蝕礦物顆粒晶格而使巖土體物理力學性質(zhì)變異，同時水溶液通過溶蝕巖土體而將溶蝕物質(zhì)帶走，使巖土體性狀變差，甚至出現(xiàn)工程事故，對巖土工程的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。如世界文化遺產(chǎn)之一—洛陽龍門石窟，由于石窟區(qū)灰?guī)r滲水溶蝕作用，致使大多數(shù)硐窟終年滲水不斷，加之硐窟頂部植被發(fā)育，化學溶液引起的溶蝕孔隙仍在不斷增大，目前尚無良好的治理方案；而堪稱世界第九大奇跡的浙江龍游石窟，該建筑群所面臨的主要變形破壞的工程問題之一，也是地下水滲透溶蝕引起的砂巖塌頂?shù)魤K問題。另一方面，利用化學的作用可以提高鉆井效率。有關研究表明濕潤條件下的破壞韌性值比干燥條件下的要低，裂紋擴展速度加快。ξ電位與裂紋增長、鉆進效率具有一定的關系。ξ電位等于O時，巖石材料脆性增強，對環(huán)境的影響更加敏感，抗壓強度最低，亞臨界裂紋擴展速度將提高1個數(shù)量級以上。因此，如果將一些零ξ電位的化學溶液加入到鉆井液與破裂液中，就可以提高巖石的可鉆性和可破裂性。近現(xiàn)代以來出現(xiàn)的低滲透油氣田的酸化開采、巖土體的化學灌漿加固與防滲等，表明化學的作用在巖土工程中的應用已愈來愈廣泛。
上述研究尚未涉及化學-水流-應力耦合下裂隙相互作用的機制及其分析方法研究。實際上，節(jié)理巖體存在多裂隙的，許多情況下化學溶液對巖體的腐蝕破壞是從巖體介質(zhì)初始結構面即初始損傷開始的，Palmer曾指出大型溶洞體系大多是沿巖石中先存的層面或結構面發(fā)育的，在所研究的數(shù)千洞穴中，57％沿層面發(fā)育，而42％沿先存裂隙網(wǎng)絡發(fā)育，僅有1％沿巖石顆粒間的孔隙發(fā)育。而且，許多裂隙(節(jié)理)巖體的安全性往往受到化學、水流、應力耦合作用的影響。因此，研究化學、水流、應力耦合作用下巖石裂隙萌生、擴展、貫通及相互作用的內(nèi)部損傷演化過程、規(guī)律，化學環(huán)境的腐蝕破裂機理、新裂隙的形成與新形成裂隙的化學物質(zhì)的吸附作用以及發(fā)生速度等具有更為重要而廣泛的科學意義；化學-水流-應力耦合作用下多裂隙巖石破壞過程的本構關系還未建立起來，從而未能實現(xiàn)對受化學、水流、應力耦合作用的巖石破裂過程進行有效的模擬和行為預測。其根本原因是缺乏與研究相配套的實驗方法及設備。
CT實時掃描試驗與顯微鏡實時觀測試驗等細觀力學試驗是揭示巖石破裂過程中其內(nèi)部損傷演化規(guī)律的一種有效的手段，但CT實時掃描試驗與顯微鏡實時觀測試驗不能實現(xiàn)水化學腐蝕、水流與應力耦合的巖石破裂全過程研究。
既然水-巖作用的實質(zhì)是削弱礦物顆粒間聯(lián)結或腐蝕礦物顆粒晶格而使巖土體物理力學性質(zhì)變異，同時化學溶液通過溶蝕巖土體而將溶蝕物質(zhì)帶走，使巖土體性狀變差。因此，需要采用細觀力學試驗方法，揭示這種應力-水流-化學腐蝕耦合作用下巖石破裂過程中其內(nèi)部損傷演化規(guī)律。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種應力-水流-化學耦合的巖石單軸壓縮細觀力學試驗裝置。該裝置主要是在盒體一側安裝透明材料，以及兩個水嘴，一個水嘴與水泵連接，用于向盒體提供液體，另一個水嘴與水管連接，用于將盒體中高于該水嘴的液體排出。主要優(yōu)點是實現(xiàn)了應力-水流-化學腐蝕三場耦合過程的巖石單軸壓縮細觀力學實驗，并便于試驗過程中試件裂紋擴展全過程的顯微鏡放大與CCD觀察。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種應力-水流-化學耦合的巖石單軸壓縮細觀力學試驗裝置，該裝置包含盒體、一對加載軸、兩個水嘴、水泵、控制閥、兩根水管和容器。盒體為上方敞開的中空長方體，其一側為硬質(zhì)透明材料，盒體兩端的中間開有同軸圓孔，一對加載軸均為圓柱體，大小與圓孔相匹配，分別安裝在兩個圓孔中，加載軸與圓孔間用O型密封圈密封，在盒體透明材料的另一側上下方各安裝一個水嘴，上方的水嘴盡量靠近盒體頂端，并與水管連接，下方水嘴經(jīng)水管通過控制閥與水泵連接，上方水嘴的水管和水泵均放入容器中。
本發(fā)明在巖石細觀力學試驗中的應用1、盒體上部是敞開的，從這里將巖石試件放于兩個加載軸中間，并夾緊。
2、在容器中倒入試驗需要的化學溶液，把水泵放入容器中，使得水泵能完全浸沒在化學溶液中。
3、位于盒體上方水嘴的水管為出水管，其出水口置于容器的上方，并高于化學溶液的表面，以便于溶液順利流出。
4、水泵將容器中的化學溶液抽到盒體中，當化學溶液高過盒體上方水嘴時，會通過出水管將高過上方水嘴的化學溶液流回到容器中，此時，試件浸沒在化學溶液中。
5、控制閥是用于控制化學溶液在盒體中的流速，根據(jù)試驗要求，通過調(diào)節(jié)控制閥來控制盒體中化學溶液流速的大小。
6、將本裝置放在加載試驗臺上，使一對加載軸均勻受力，一對加載軸則將所受的力傳遞到試件上，進行應力-水流-化學耦合的力學試驗。由于盒體有一側采用了透明材料，便于對試件破壞全過程的CCD觀測或者錄像記錄。
7、用不同化學溶液、在不同流速、以及不同的荷載共同作用下，其對巖石試件的破壞過程、方式亦會有相應的變化。本裝置的目的就是為觀察、記錄該變化提供試驗手段，為應力-水流-化學腐蝕三場耦合對巖石破壞作用的理論分析提供依據(jù)。
本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果在于1、本裝置可進行不同化學溶液、不同流速、以及不同荷載共同作用對巖石破壞的影響，能滿足應力-水流-化學腐蝕三場耦合對巖石細觀力學實驗的需要；2、由于本裝置有一側采用了透明材料，便于對試件破壞全過程的CCD觀測或者錄像記錄；3、本裝置簡單、易行，且成本低廉，具有抗化學腐蝕能力；4、為核廢料處理、地熱開發(fā)、石油鉆井、地震機制、有毒有害物質(zhì)的儲存，巖土工程長期穩(wěn)定性評價等需考慮不同化學溶液、不同流速、以及不同荷載共同作用對巖石破壞影響的巖土工程，提供了更全面、可靠的試驗手段。
圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
其中1為盒體、2為加載軸、3為水嘴、4為水泵、5為控制閥、6為水管、7為容器、8為透明材料。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明
由圖1可知，本發(fā)明的一種應力-水流-化學耦合的巖石單軸壓縮細觀力學試驗裝置包含盒體1、一對加載軸2、兩個水嘴3、水泵4、控制閥5、兩根水管6、容器7；盒體1為上方敞開的中空長方體，其一側為硬質(zhì)透明材料8如有機玻璃、其它部分采用不銹鋼材料，盒體1兩端的中間開有同軸圓孔，一對加載軸2均為圓柱體，大小與圓孔相匹配，分別安裝在兩個圓孔中，加載軸2與圓孔間用O型密封圈密封，在盒體1透明材料8的另一側上下方各安裝一個水嘴3，上方的水嘴3盡量靠近盒體1頂端，并與水管6連接，下方水嘴3經(jīng)水管6通過控制閥5與水泵4連接，上方水嘴3的水管6和水泵4均放入容器7中。
權利要求
1.一種應力—水流—化學耦合的巖石單軸壓縮細觀力學試驗裝置，其特征在于，該裝置包含盒體(1)、一對加載軸(2)、兩個水嘴(3)、水泵(4)、控制閥(5)、兩根水管(6)、容器(7)；盒體(1)為上方敞開的中空長方體，其一側為硬質(zhì)透明材料(8)，盒體(1)兩端的中間開有同軸圓孔，一對加載軸(2)均為圓柱體，大小與圓孔相匹配，分別安裝在兩個圓孔中，加載軸(2)與圓孔間用O型密封圈密封，在盒體(1)透明材料(8)的另一側上下方各安裝一個水嘴(3)，上方的水嘴(3)盡量靠近盒體(1)頂端，并與水管(6)連接，下方水嘴(3)經(jīng)水管(6)通過控制閥(5)與水泵(4)連接，上方水嘴(3)的水管(6)和水泵(4)均放入容器(7)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應力—水流—化學耦合的巖石單軸壓縮細觀力學試驗裝置。該裝置包含盒體(1)、一對加載軸(2)、兩個水嘴(3)、水泵(4)、控制閥(5)、兩根水管(6)、容器(7)；其特征在于，在盒體(1)透明材料(8)的另一側上下方各安裝一個水嘴(3)，上方的水嘴(3)與水管(6)連接為出水口，下方水嘴(3)經(jīng)水管(6)通過控制閥(5)與水泵(4)連接為進水口。主要優(yōu)點是實現(xiàn)了應力—水流—化學腐蝕三場耦合過程的巖石試件單軸壓縮細觀力學實驗，便于試驗過程和裂紋擴展全過程的細觀及宏觀觀察。
文檔編號G01N3/56GK1603784SQ20041006108
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權日2004年11月10日
發(fā)明者馮夏庭, 丁梧秀, 譚衛(wèi)東, 胡元育 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所