各向異性巖石損傷程度測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種各向異性巖石損傷程度測試裝置。適用于地下工程領域。
【背景技術】
[0002] 地下工程開挖以后由于應力的二次調(diào)整圍巖會受到損傷，特別是現(xiàn)在深部地下巖 石工程不斷增多，埋深越來越大，地應力和巖體強度之間的矛盾越來越尖銳，導致圍巖的損 傷程度也不斷加大，損傷的存在將直接影響到巖石本身的力學性能，進而影響地下工程的 整體穩(wěn)定。
[0003] 在巖石中的應力損傷是不可恢復的，并且會導致巖石的內(nèi)部結構產(chǎn)生永久性的變 化，這些變化將導致巖石的物理力學特性發(fā)生變化，這些變化可以被直接量測，如裂紋數(shù)量 統(tǒng)計、聲波測試、聲發(fā)射監(jiān)測、CT掃描、滲透試驗等。這些測試方法已經(jīng)在工程實踐中得到 了推廣應用，但是由于巖石普遍具有各向異性特征，導致上述測量只能反映出一個總體損 傷程度，尤其是由于應力損傷將加劇巖石的各向異性特征，導致測試成果大多停留在定性 的角度，無法準確判斷損傷對巖石造成的準確損傷程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種結構簡單、操作 方便、成本較低的各向異性巖石損傷程度測試裝置，以直接量測損傷巖石不同方向的氣體 滲透性。
[0005] 本實用新型所采用的技術方案是：一種各向異性巖石損傷程度測試裝置，用于測 試巖樣的環(huán)向氣體滲透系數(shù)和軸向氣體滲透系數(shù)，該裝置包括對巖樣軸向和環(huán)向加壓的軸 向加壓裝置和環(huán)向加壓裝置，巖樣中間具有中間鉆孔，其特征在于：該裝置還具有加壓盤、 密閉套筒、加壓栗、儲水容器、壓力表和量管，所述巖樣上套有與巖樣同軸的密閉套筒，巖樣 的上下兩端與軸向加壓裝置之間墊有加壓盤，所述加壓栗經(jīng)進氣管接于巖樣下端，巖樣上 端依次經(jīng)出氣管和量管接至儲水容器內(nèi)，出氣管上接有壓力表；
[0006] 測試環(huán)向氣體滲透系數(shù)時，所述加壓盤為密封盤，在巖樣上端的密封盤與軸向加 壓裝置之間填充頂部孔隙介質(zhì)層，密閉套筒與巖樣之間填充側面孔隙介質(zhì)層，且側面孔隙 介質(zhì)層頂部與頂部孔隙介質(zhì)層連成一體；所述進氣管的出氣口穿過巖樣下端的密封盤連通 巖樣的中間鉆孔，所述出氣管進氣口連通頂部孔隙介質(zhì)層；
[0007] 測試軸向氣體滲透系數(shù)時，所述加壓盤為通氣壓盤，密閉套筒與巖樣之間填充硅 膠密封層，所述巖樣的中間鉆孔內(nèi)充填硅膠；所述進氣管的出氣口連通巖樣下端的通氣壓 盤，所述出氣管進氣口連通上端的通氣壓盤。
[0008] 所述頂部孔隙介質(zhì)層和側面孔隙介質(zhì)層由級配良好的沙粒充填形成。
[0009] 本實用新型的有益效果是：本實用新型結構簡單、操作方便，將測到的氣體滲透 系數(shù)進行匯總，得到不同環(huán)向壓力、不同軸向壓力、不同時間的滲透系數(shù)，并分別建立時 間-滲透系數(shù)、環(huán)向壓力-環(huán)向滲透系數(shù)、軸向壓力-軸向滲透系數(shù)表達關系式，揭示滲透 系數(shù)隨時間的演化關系和壓力對滲透系數(shù)的影響，為各向異性巖石在不同時間、不同應力 條件下的損傷程度判斷提供最直接的實驗數(shù)據(jù)。本實用新型直接評價巖石的損傷程度，能 夠反映出巖石的各向異性特征，實驗裝置簡單、易于操作，只需要對現(xiàn)有的加載設備進行改 造，節(jié)省實驗儀器投資，并且可以進行循環(huán)利用和后期其它類型實驗。
【附圖說明】
[0010] 圖1為實施例中測試環(huán)向氣體滲透系數(shù)的裝置示意圖。
[0011] 圖2為實施例中測試軸向氣體滲透系數(shù)的裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本實施例為一種各向異性巖石損傷程度測試裝置，包括軸向加壓裝置3、環(huán)向加壓 裝置2、加壓盤、密閉套筒13、加壓栗4、進、出氣管5、6、儲水容器8、壓力表9和量管7,該裝 置可分別用于測試巖樣1 (具有中間鉆孔101)的環(huán)向氣體滲透系數(shù)和軸向氣體滲透系數(shù)。
[0013] 圖1為用于測試巖樣1的環(huán)向氣體滲透系數(shù)的測試裝置，巖樣1置于環(huán)向加壓裝 置2內(nèi)，環(huán)向加壓裝置對巖樣施加環(huán)向壓力，巖樣1上下兩端設有軸向加壓裝置3,為巖樣施 加軸向壓力。本例在巖樣下端與軸向加壓裝置之間設有加壓盤，巖樣上端與軸向加壓裝置 之間由下而上依次設有加壓盤和頂部孔隙介質(zhì)層11，在環(huán)向滲透系數(shù)測試裝置中加壓盤采 用密封盤10,防止氣體從巖樣1兩端泄漏。在巖樣1上套有一個與巖樣同軸布置的密閉套 筒13,在密閉套筒13與巖樣之間的空隙內(nèi)設置側面孔隙介質(zhì)層12,該側面孔隙介質(zhì)層頂部 12與頂部孔隙介質(zhì)層11連成一體。加壓栗4連接進氣管5,進氣管的出氣口穿過巖樣下端 的密封盤10連通巖樣的中間鉆孔101，頂部孔隙介質(zhì)層11依次經(jīng)出氣管6和量管7接至儲 水容器8內(nèi)，出氣管6上設有壓力表9。頂部孔隙介質(zhì)層11和側面孔隙介質(zhì)層12由級配良 好的沙粒充填形成，有利于受力的傳遞和氣體的流動。頂部孔隙介質(zhì)層11和側面孔隙介質(zhì) 層12形成了一個從底部進入，兩側溢出，最終從頂部流出的環(huán)向氣體流通通道，可以直接 測試巖樣1的環(huán)向氣體滲透系數(shù)。
[0014] 圖2為用于測試巖樣1的軸向氣體滲透系數(shù)的測試裝置，巖樣1置于環(huán)向加壓裝 置2內(nèi)，環(huán)向加壓裝置對巖樣施加環(huán)向壓力，巖樣1上下兩端設有軸向加壓裝置3,為巖樣施 加軸向壓力。在巖樣上、下兩端與軸向加壓裝置3之間設有加壓盤，在軸向滲透系數(shù)測試裝 置中加壓盤采用通氣壓盤15,通氣壓盤15有利于受力的傳遞和氣體的流動。本實施例中在 巖樣1上套有一個與巖樣同軸布置的密閉套筒13,在密閉套筒13與巖樣之間的空隙內(nèi)設 置硅膠密封層14(由硅膠充填形成），防止氣體從側面溢出；在巖樣1的中間鉆孔101內(nèi)充 填硅膠。該裝置中加壓栗4連接進氣管5,進氣管的出氣口連通巖樣下端的通氣壓盤15,巖 樣上端的通氣壓盤15依次經(jīng)出氣管6和量管7接至儲水容器8內(nèi)，出氣管6上設有壓力表 9。通氣壓盤15和硅膠密封層14形成一個從巖樣底部進入、巖樣頂部流出的軸向氣體流通 通道，可以直接測試巖樣1的軸向氣體滲透系數(shù)。
[0015]本實施例的測試方法如下：
[0016] 1、取芯：在開挖損傷區(qū)中取出巖芯，巖芯尺寸要大于100X50mm，建議尺寸為 200X100mm，以方便后期的加工。取芯鉆孔方向最好與結構面保持垂直，以降低結構面 對巖石物理力學特性的影響。將取出的200XIOOmm巖芯在中間進行鉆孔，鉆孔尺寸為 100X50mm，作為巖樣I;
[0017] 2、環(huán)向氣體滲透系數(shù)測試：
[0018] 2. 1、將巖樣1裝入環(huán)向氣體滲透系數(shù)的測試裝置；
[0019] 2. 2、軸向加壓裝置3和環(huán)向加壓裝置2對巖樣1加壓至設定值；
[0020] 2. 3、打開加壓栗4往巖樣1的中間鉆孔101內(nèi)注入氮氣；
[0021] 2. 3、實時記錄壓力表9和量管7讀數(shù)；
[0022] 3、軸向氣體滲透系數(shù)測試：
[0023] 3. 1、往巖樣中間鉆孔101內(nèi)充填硅膠；
[0024] 3. 2、將巖樣1裝入軸向氣體滲透系數(shù)的測試裝置；
[0025] 3. 3、軸向加壓裝置3和環(huán)向加壓裝置2對巖樣加壓至設定值；
[0026] 3. 4、打開加壓栗4往巖樣的中間鉆孔內(nèi)注入氮氣；
[0027] 3. 5、實時記錄壓力表9和量管7讀數(shù)；
[0028] 4、根據(jù)所記錄數(shù)據(jù)及滲透系數(shù)計算公式計算滲透系數(shù)，計算公式如下：
[0030] 式中，K為滲透系數(shù)（m2)，Q為氣體流速（m3/s)(由步驟2、3記錄的數(shù)據(jù)計算得到）， y為氣體粘度（Pa*s)，L為試驗用巖樣長度（m)，A是巖樣的截面面積（m2)，P。為大氣壓力 (Pa)，P為注入氣體壓力（Pa)。
[0031] 5、建立時間-滲透系數(shù)、環(huán)向壓力-環(huán)向滲透系數(shù)、軸向壓力-軸向滲透系數(shù)表達 關系式。
[0032] 本實施例中注入的氮氣壓力為0? 2MPa，加載環(huán)向壓力為2~30MPa，軸向壓力壓不 超過單軸抗壓強度的60%，一次測試時間為3~4天。
【主權項】
1. 一種各向異性巖石損傷程度測試裝置，用于測試巖樣（1)的環(huán)向氣體滲透系數(shù)和軸 向氣體滲透系數(shù)，該裝置包括對巖樣軸向和環(huán)向加壓的軸向加壓裝置（3)和環(huán)向加壓裝置 (2)，巖樣中間具有中間鉆孔（101)，其特征在于：該裝置還具有加壓盤、密閉套筒（13)、加 壓栗（4)、進、出氣管（5、6)、儲水容器（8)、壓力表（9)和量管（7)，所述巖樣（1)上套有與 巖樣同軸的密閉套筒（13)，巖樣的上下兩端與軸向加壓裝置之間墊有加壓盤，所述加壓栗 (4)經(jīng)進氣管（5)接于巖樣下端，巖樣上端依次經(jīng)出氣管（6)和量管（7)接至儲水容器（8) 內(nèi)，出氣管上接有壓力表（9); 測試環(huán)向氣體滲透系數(shù)時，所述加壓盤為密封盤（10)，在巖樣上端的密封盤與軸向加 壓裝置之間填充頂部孔隙介質(zhì)層（11)，密閉套筒與巖樣之間填充側面孔隙介質(zhì)層（12)，且 側面孔隙介質(zhì)層頂部（12)與頂部孔隙介質(zhì)層（11)連成一體；所述進氣管（5)的出氣口穿 過巖樣下端的密封盤（10)連通巖樣的中間鉆孔，所述出氣管（6)進氣口連通頂部孔隙介質(zhì) 層（11); 測試軸向氣體滲透系數(shù)時，所述加壓盤為通氣壓盤（15)，密閉套筒與巖樣之間填充硅 膠密封層（14)，所述巖樣的中間鉆孔（101)內(nèi)充填硅膠；所述進氣管（5)的出氣口連通巖 樣下端的通氣壓盤（15)，所述出氣管（6)進氣口連通上端的通氣壓盤（15)。2. 根據(jù)權利要求1所述的各向異性巖石損傷程度測試裝置，其特征在于：所述頂部孔 隙介質(zhì)層（11)和側面孔隙介質(zhì)層（12)由級配良好的沙粒充填形成。
【專利摘要】本實用新型涉及一種各向異性巖石損傷程度測試裝置。本實用新型的目的是提供一種結構簡單、操作方便、成本較低的各向異性巖石損傷程度測試裝置，以直接量測損傷巖石不同方向的氣體滲透性。本實用新型的技術方案是：該測試裝置用于測試巖樣的環(huán)向氣體滲透系數(shù)和軸向氣體滲透系數(shù)，該裝置包括對巖樣軸向和環(huán)向加壓的軸向加壓裝置和環(huán)向加壓裝置，巖樣中間具有中間鉆孔，該裝置還具有加壓盤、密閉套筒、加壓泵、儲水容器、壓力表和量管，巖樣上套有與巖樣同軸的密閉套筒，巖樣的上下兩端與軸向加壓裝置之間墊有加壓盤，加壓泵經(jīng)進氣管接于巖樣下端，巖樣上端依次經(jīng)出氣管和量管接至儲水容器內(nèi)，出氣管上接有壓力表。本實用新型適用于地下工程領域。
【IPC分類】G01N15/08, G01N7/10
【公開號】CN204789257
【申請?zhí)枴緾N201520402801
【發(fā)明人】劉寧, 倪紹虎, 房敦敏, 吳關葉, 朱紅波, 周曉明, 王恒樂
【申請人】中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年6月11日