同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置及方法

摘要

本发明公开了一种同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置及方法，包括固定装置和渗透实验装置，固定装置包含钢索、螺旋连接器、铝制环，岩石试样位于铝制环内，铝制环的两端分别与螺旋连接器连接，每个螺旋连接器的中部连接有钢索，钢索的头部安装有水准球；渗透实验装置包含用于盛装放射性同位素的化学试液的第一压力容器和第二压力容器，第一岩石试样的一端与第一压力容器连接，岩石试样的另一端与第二压力容器连接，第一压力容器和第二压力容器有渗透压差，第一压力容器和第二压力容器同时与增压装置连接。本发明可以较准确的研究岩石的内部裂纹扩展情况，同时避免了大量的重复实验，提高了工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置及方法，属于岩石领域。

背景技术

岩体相关的大型实际工程的破坏，往往是由于其内部岩体大量微细观裂纹的萌生，发展，贯通而引起宏观裂纹的出现而导致。因此，研究岩体中微裂纹的起裂演化以及与损伤发展的相互关系具有重要的使用价值和工程意义。

从细观角度来看，岩石在外荷载作用下的破坏过程是从岩石的细观结构内部损伤开始，包括裂纹的起裂、形成、发展、贯通以及宏观裂纹形成几个过程。自从20世纪20年代起国内外很多学者在岩石的细观损伤演化方面作出了很多有价值的研究成果。但在实验上的研究方法主要声发射技术、扫描电镜技术和CT技术。声发射技术能连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，但未能反映整个加载过程中岩石内部微裂纹萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化过程。扫描电镜技术是一种非常形象和直观的研究裂纹萌生和扩展的工具，但不足是只能观测试件表面的裂纹；采用X射线CT技术无损探测岩石内部结构和裂纹演化过程，但不够形象直观，国内的研究主要集中在对CT数的分析和理论研究上，尽管能建立岩石破坏过程的裂纹演化重构，但重构模型毕竟有别实际情况。而且要进行大量实验和数据分析，以期更接近实际情况。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置及方法，可以较准确的研究岩石的内部裂纹扩展情况，同时避免了大量的重复实验，提高了工作效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置，包括固定装置和渗透实验装置，固定装置包含钢索、螺旋连接器、铝制环，岩石试样位于铝制环内，铝制环的两端分别与螺旋连接器连接，每个螺旋连接器的中部连接有钢索，钢索通过带动螺旋连接器从而拉伸岩石试件，钢索的头部安装有水准球；渗透实验装置包含用于盛装放射性同位素的化学试液的第一压力容器和第二压力容器，第一岩石试样的一端与第一压力容器连接，岩石试样的另一端与第二压力容器连接，第一压力容器和第二压力容器有渗透压差，第一压力容器和第二压力容器同时与增压装置连接。

作为优选，所述岩石试件通过粘结物粘结在铝制环上，岩石试件的两侧安装有束带。

作为优选，所述粘结物和束带均为环氧树脂。

一种基于上述的同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)先准备质地良好的岩石试件，通过粘结剂和束带将岩石试件牢固的固定在铝制环上，通过钢索施加的拉力与岩石试件的轴心位于同一直线上，并将渗透实验装置连接好；

(2)通过增压装置，在某个压力下，向岩石试件加入具有固定浓度的放射性同位素的化学试液，经过一段时间后，测定放射性同位素的位置和量化指标，以确定相应时刻岩石试样中的裂纹扩展情况；

(3)改变增压装置的压力，重复实验步骤(2)，向岩石试件加入具有固定浓度的放射性同位素的化学试液，经过一段时间后，测定放射性同位素的位置和量化指标，以确定相应时刻岩石试样中的裂纹扩展情况。

作为优选，所述增压装置的压力变化的顺序为0Mpa、1MPa、2MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、6MPa。

有益效果：本发明的同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置，通过粘结剂将岩石试件牢固的固定在铝制环上，通过水准球实时的调整将钢索的拉力与岩石试件同轴心，装置结构巧妙；同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置的方法，采用放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，利用放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在岩石试样外表面测量而获得结果，方法简便，效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的裂隙通道原型图；

附图：1.钢索，2.螺旋连接器，3.环，4.岩石试样，5.束带，6.粘结物，7.电压表，8.盛有同位素化学试剂的容器，9.增压装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置，包括固定装置和渗透实验装置，固定装置包含钢索1、螺旋连接器2、铝制环3，岩石试样4位于铝制环3内，铝制环3的两端分别与螺旋连接器2连接，每个螺旋连接器2的中部连接有钢索1，钢索1通过带动螺旋连接器2从而拉伸岩石试件4，钢索1的头部安装有水准球；渗透实验装置包含用于盛装放射性同位素的化学试液的第一压力容器8和第二压力容器10，第一岩石试样4的一端与第一压力容器8连接，岩石试样4的另一端与第二压力容器10连接，第一压力容器8和第二压力容器10有渗透压差，第一压力容器8和第二压力容器10同时与增压装置9连接，第一压力容器8和第二压力容器10和增压装置9之间设有多个压力表7。

在本发明中，所述岩石试件通过粘结物6粘结在铝制环3上，岩石试件的两侧安装有束带5，所述粘结物6和束带5均为环3氧树脂。

一种基于上述的同位素跟踪法研究岩石细观损伤实时发展的装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)先准备质地良好的岩石试件，通过粘结剂和束带5将岩石试件牢固的固定在铝制环3上，通过钢索1施加的拉力与岩石试件的轴心位于同一直线上，并将渗透实验装置连接好；

(2)通过增压装置9，在0Mpa压力下，向岩石试件加入具有固定浓度的放射性同位素的化学试液，经过一段时间后，测定放射性同位素的位置和量化指标，以确定相应时刻岩石试样4中的裂纹扩展情况；

(3)依次改变增压装置9的压力1MPa、2MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、6MPa，重复实验步骤(2)，向岩石试件加入具有固定浓度的放射性同位素的化学试液，经过一段时间后，测定放射性同位素的位置和量化指标，以确定相应时刻岩石试样4中的裂纹扩展情况。

在本发明中，第一压力容器8和第二压力容器10中盛有同位素跟踪化学试液，常用跟踪试剂有含碳14(14C)、硫35(35S)、磷32(32P)、碘131(131I)、氢3(3H)等。本发明的理论依据是放射性元素衰变原理、质量守恒定理和水在岩石中的渗流原理。因为液体的渗流主要在岩体的裂隙和空隙中进行，尤其在裂隙中的流动比较集中，以此确定岩石的初始损伤情况。在实验过程中要保持第一压力容器8和第二压力容器10溶液中示踪同位素的浓度不变，在不同的加载过程中，隔一定时间，测定放射性同位素的位置和量化指标，以确定相应时刻岩石试样4中的裂纹扩展情况，从细观角度分析岩石的损伤演化规律。放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在岩石试样4外表面测量而获得结果，这就大大简化了实验过程。

本发明实验的关键点在于：一岩石试件与夹具之间要有很好的粘结力，二通过钢索1施加的拉力必须与岩石试件同轴心。这一步是通过钢索1下面的水准球来控制的，施加作用力前调整好轴心位置使水准球中气泡对中平衡，施加作用力过程中，如发现水准球中气泡偏离平衡位置，调整使通过钢索1施加的拉力必须与岩石试件同轴心。调整岩石试件两端的压力差，向岩石试件加入带有放射性同位素的化学试液，然后测试放射性元素在岩石内部的分布情况，包括放射性同位素的位置测定和放射性同位素的量化测定。因为物理性质良好的岩石试样4，其初始状态的内部密实度高，微裂隙很少，含有放射性同位素的化学试液在岩石介质中的渗透性主要取决于加载过程中微裂隙的大小、形状和连通情况。由于液体渗流主要在岩体的裂隙和空隙中进行，尤其在在裂隙中的流动比较集中如图2所示。以此确定岩石的初始损伤情况。在实验过程中要保持溶液中示踪同位素的浓度不变，每次加渗透压前取少量例如用量筒量取5ml试液，用液体闪烁计数法测定其中放射性同位素含量，浓度变化时适当增加或减少溶质或溶液。在不同的加载过程中，隔一定时间，测定放射性同位素的的位置和量化指标，以确定岩石中的裂纹扩展情况，例如当应力在0Mpa、1MPa、2MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、6MPa时测定放射性同位素的位置和量化指标，以确定相应时刻岩石试样4中的裂纹扩展情况，从细观角度分析岩石的损伤演化规律。放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，利用放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在岩石试样4外表面测量而获得结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。