复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统及方法

摘要

本发明所设计的复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统，它包括水密试验舱、三轴应力加载系统、水压加载系统、排水系统和测量系统，其中，三轴应力加载系统包括透水钢板、传力钢板、千斤顶、液压管路和压力控制器，所述水压加载系统包括高压水泵和压力水管路，排水系统包括透水底座和排水管路，测量系统包括渗压计、流量计、应变计、声波换能器、数据线和计算机。本发明可作为工程岩体水力耦合机制研究的有效、可靠的研究手段。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，具体地指一种复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统及方法。

技术背景

水电站、水封储油库等岩石工程的建基岩体受水力耦合作用，岩体水力耦合机制是岩体力学研究的重要领域。国内外的岩体水力耦合试验，多在室内、针对小尺寸试件进行，试件为含随机裂隙网络的试件或含单裂隙试件，其在研究工程岩体的水力耦合问题时，存在以下不足：含随机裂隙网络的试件，因试件尺寸较小，不能充分反映复杂裂隙岩体的结构特征；含单裂隙试件则不能反映工程岩体的渗流场、应力场状态。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统及方法，该系统和方法可作为工程岩体水力耦合机制研究的有效、可靠手段。

为实现此目的，本发明所设计的复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统，其特征在于：它包括水密试验舱、三轴应力加载系统、水压加载系统、排水系统和测量系统，其中，三轴应力加载系统包括透水钢板、传力钢板、千斤顶、液压管路和压力控制器，所述水压加载系统包括高压水泵和压力水管路，排水系统包括透水底座和排水管路，测量系统包括渗压计、流量计、应变计、声波换能器、数据线和计算机；

在岩体试件的侧面和顶面分别设置透水钢板，每个透水钢板的表面均设置传力钢板，每个传力钢板的表面均设置千斤顶，每个千 斤顶的控制端均通过液压管路与压力控制器连接，压力控制器置于水密试验舱的外部；

所述压力水管路的一端设置在水密试验舱内，压力水管路的另一端与高压水泵的出水端连接；

在岩体试件的底部设置透水底座，透水底座位于水密试验舱的底面，排水管路的一端与透水底座排水口连接，排水管路的另一端置于水密试验舱的外部；

渗压计、应变计和声波换能器埋设于岩体试件中，流量计设置于排水管路中，渗压计、流量计、应变计和声波换能器的信号输出端均通过数据线连接计算机的数据通信端，计算机置于水密试验舱的外部。

一种利用上述系统进行复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：制备岩体试件；

步骤2：将岩体试件移入水密试验舱，针对岩体试件安装三轴应力加载系统、水压加载系统、排水系统和测量系统，水密试验舱的洞壁作为试验荷载的反力支撑；

步骤3：采用水压加载系统将水密试验舱注满水，水经透水钢板渗入岩体试件并经透水底座渗出，透水底座渗出的水经排水管路排出水密试验舱，调控压力水管路和排水管路中的阀门，使水密试验舱内形成预设的稳定水压；

步骤4：调控压力控制器给岩体试件施加三向荷载，形成主应力σ₁、σ₂、σ₃，该主应力σ₁、σ₂、σ₃为千斤顶产生的荷载在岩体试件表面形成的压力计量，主应力σ₁为岩体试件的轴向主应力，主应力σ₂、σ₃分别为岩体试件的2个侧向主应力；

在以上给岩体试件施加三向荷载的过程中，采用渗压计测岩体试件的渗透压力，采用流量计测岩体试件的渗透流量，采用应变计测岩体试件的应变，采用声波换能器测岩体试件的弹性波波速，采用压力表计量液压。

本发明的有益效果在于：适用大尺寸岩体试件，可反映复杂裂隙岩体的结构特征；试件整体处于有压水环境，可模拟工程岩体渗流场；三向荷载独立控制，可模拟工程岩体应力场。因而试验条件与工程岩体水力耦合作用环境相似，可作为工程岩体水力耦合机制研究的有效、可靠手段。

附图说明

图1为本发明中复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统的结构示意图；

图2为本发明中测量系统的结构框图。

其中，1—水密试验舱、21—透水钢板、22—传力钢板、23—千斤顶、24—液压管路、25—压力控制器、31—高压水泵、32—压力水管路、41—透水底座、42—排水管路、51—渗压计、52—流量计、53—应变计、54—声波换能器、55—数据线、56—计算机、6—岩体试件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验系统，如图1和图2所述，它包括水密试验舱1、三轴应力加载系统、水压加载系统、排水系统和测量系统，其中，三轴应力加载系统包括透水钢板21、传力钢板22、千斤顶23、液压管路24和压力控制器25，所述水压加载系统包括高压水泵31和压力水管路32，排水系统包括透水底座41和排水管路42，测量系统包括渗压计51、流量计52、应变计53、声波换能器54、数据线55和计算机56；

在岩体试件6的侧面和顶面分别设置透水钢板21，每个透水钢板21的表面均设置传力钢板22，每个传力钢板22的表面均设置千斤顶23，每个千斤顶23的控制端均通过液压管路24与压力控制器25连接，压力控制器25置于水密试验舱1的外部；

所述压力水管路32的一端设置在水密试验舱1内，压力水管路32的另一端与高压水泵31的出水端连接；

在岩体试件6的底部设置透水底座41，透水底座41位于水密试验舱1的底面，排水管路42的一端与透水底座41排水口连接，排水管路42的另一端置于水密试验舱1的外部；

渗压计51、应变计53和声波换能器54埋设于岩体试件6中，流量计52设置于排水管路42中，渗压计51、流量计52、应变计53和声波换能器54的信号输出端均通过数据线55连接计算机56的数据通信端，计算机56置于水密试验舱1的外部。渗压计51用于测量试件的渗透压力，流量计52用于测量试件的渗透流量，应变计53用于测量试件的应变，声波换能器54用于测量试件的弹性波波速。

上述技术方案中，所述水密试验舱1利用现场勘探平洞构建(试验在现场实施，减小岩体试件因运输导致的性状的改变；利用洞壁作为试验荷载的反力支撑，便于实施现场大尺寸试件的高压试验载荷)，洞壁涂抹防水、耐压材料，安装防水、耐压门，内部空间实现高压水密封，便于实现试验所必需的可控制的高压水环境。

一种利用上述系统进行复杂裂隙岩体水力耦合现场三轴试验的方法，按以下步骤实施：在现场水密试验舱内针对岩体试件安装三轴应力加载系统、水压加载系统、排水系统、测量系统；将试验舱注满水，并形成水压，使岩体试件内部出现渗流；给试件施加三向荷载，加载过程测量试件的渗透压力、渗透流量、应变、弹性波波速。基于岩体试件的裂隙网络描述，以及实测应力、应变、渗透压力、渗透流量，结合数值模拟，建立岩体水力耦合模型，具体来说包括如下步骤：

步骤1：制备岩体试件6，该岩体试件6为含裂隙的Ⅲ₂类玄武岩，并描述岩体试件6的裂隙网络的几何结构和裂隙开度，并将岩体试件6的裂隙网络的几何结构和裂隙开度信息储存在计算机56中；

步骤2：将岩体试件6移入水密试验舱1，针对岩体试件6安装 三轴应力加载系统、水压加载系统、排水系统和测量系统，水密试验舱1的洞壁作为试验荷载的反力支撑；

步骤3：采用水压加载系统将水密试验舱1注满水，水经透水钢板21渗入岩体试件6并经透水底座41渗出，透水底座41渗出的水经排水管路42排出水密试验舱1，调控压力水管路32和排水管路42中的阀门，使水密试验舱1内形成预设的稳定水压；

步骤4：调控压力控制器25给岩体试件6施加三向荷载，形成主应力σ₁、σ₂、σ₃，该主应力σ₁、σ₂、σ₃为千斤顶23产生的荷载在岩体试件6表面形成的压力计量，主应力σ₁为岩体试件的轴向主应力，主应力σ₂、σ₃分别为岩体试件的2个侧向主应力；

在以上给岩体试件6施加三向荷载的过程中，采用压力表计量液压，并根据液压计算岩体试件6的应力，采用渗压计51测岩体试件6的渗透压力，采用流量计52测岩体试件6的渗透流量，采用应变计53测岩体试件6的应变，采用声波换能器54测岩体试件6的弹性波波速，并将测得的岩体试件6的应力、应变、渗透压力、渗透流量、以及弹性波波速传输给计算机56

步骤5：基于岩体试件6的裂隙网络描述，以及岩体试件6的应力、应变、渗透压力、渗透流量、以及弹性波波速，结合数值模拟，建立岩体水力耦合模型。

上述技术方案中，所述岩体试件6为长方体岩体试件，该长方体岩体试件的长宽高分别为50cm、50cm、100cm，试验岩体为含裂隙的Ⅲ₂类玄武岩。

上述技术方案中，所述步骤3中，调控压力水管路32和排水管路42中的阀门，使水密试验舱1内形成2MPa的稳定水压。

上述技术方案的步骤4中，调控压力控制器25给岩体试件6施加三向荷载的具体步骤为：首先采用三轴应力加载系统对岩体试件6加载至以下应力状态：σ₁＝6MPa、σ₂＝6MPa、σ₃＝4MPa，然后保持σ₂＝6MPa、σ₃＝4MPa，分级加载σ₁直至岩体试件6破坏。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的 现有技术。