岩土材料冻融热循环三轴渗流多功能压力室

摘要

发明公开了一种岩土材料冻融热循环三轴渗流多功能压力室，包括安装台，还包括座体，该座体包括竖直设置的方形面板，该方形面板的左端面四个角上各设置有一个螺纹孔，且中部横向设置有一个圆形的大通孔，所述套管体伸入到所述方形体的空腔内部，且所述套管体的内部并排设置有多个轴承；所述安装台上对设有两个支脚，两个所述支脚分别位于所述方形体的前后两侧，且每个该支脚的上端面通过螺栓连接有固定卡板，各个固定卡板从上往下对应压迫固定在所述横腰板的上端。发明设计合理、结构简单、便于生产和操作，通过一体成型整个座体，并多次对座体的结构进行加强，使得座体结构了牢固，使用起来电机运行稳定、精确且可靠。

说明书

技术领域

发明属于岩土试验装置领域，特别是涉及一种岩土材料冻融热循环三轴渗流多功能压力室。

背景技术

受地域及工程条件的影响，自然界中很多岩土工程，比如寒冷地区的边坡工程、尾矿库工程、路基工程以及煤矿井下为防治煤与瓦斯突出而采用的液氮冷却煤增透、温升驱气瓦斯增产工程等，均涉及到岩土材料的冻融热循环过程，岩土材料作为三相多孔介质材料，固、液、气三相之间相互作用，使得岩土材料冻融过程中的力学性质及其复杂，冻融循环现象对岩土材料的物理、力学及变形特征造成严重影响。

近年来，低温破岩技术迅速发展，液氮等低温流体注入岩体后，在岩体内部产生很大的温度梯度，温度应力超过岩体抗拉强度使得岩体破裂，而且液氮冷裂具有节约水资源、无环境污染等优势，是一种提高煤储层渗透率的可行方法，已开始受到国内外研究者的关注。

1.冻融循环土体物理力学性质研究

在寒冷地区，土体表面和内部所含水分的冻结和融化交替出现，成为冻融循环，当岩土体内部水分结成冰，体积产生膨胀，当膨胀应力较大时，会使岩土体内部产生新的裂缝，影响到岩土体的物理力学性质。针对冻融循环条件下岩土体物理力学性质的研究较多，涉及到围压、含水量、应力应变、弹性模量和抗剪强度参数等物理力学性质的变化规律。

2.液氮冷裂增透煤储层研究

低温破岩技术迅速发展，液氮等低温流体注入岩体后，在岩体内部产生很大的温度梯度，温度应力超过岩体抗拉强度使得岩体破裂，同时，液氮的气化体积可膨胀694倍，巨大的气体压力也加剧了岩体破裂，相比于其他方法，液氮冷裂具有独特的优势，开始受到国内外的关注。研究涉及到经过液氮处理岩体的渗透能力和空隙尺度等问题。

3.温升驱气增渗研究

温度改变对于渗透率的影响一直是注热开采研究的焦点问题，大量学者进行了相关问题的研究。程瑞端等进行了温度对煤样的渗透系数影响实验研究，实验结果表明，围压对煤样渗透率的影响要大于轴压，并得出了在应力固定时，温度和煤样渗透系数之间的等式，提高煤层渗透率的方法有两个：降低有效应力和增加煤体温度。

现有技术中，重庆大学于2009年08月12日申请的专利号为CN200910104609.2发明专利。该发明专利在试验腔内设有导向装置，该导向装置由上定心盘、下定心盘以及四根螺杆组成。上定心盘和下定心盘的中心都开有圆孔，支撑轴经下定心盘的中心圆孔伸出，加压活塞杆经上定心盘中心的圆孔伸入与试件接触。该导向装置一是在试件安装过程中可对三轴压力室上座进行导向，能够让上座与下座进行很好的对位；二是上定心盘和下定心盘的中心开孔可很好地对加压活塞杆和支撑轴进行导向，实现加压活塞杆和支撑轴的对位，不至于在加压过程中产生晃动，保证试件受压均匀而稳定。该发明的技术方案存在的缺陷是不能进行冻融循环条件下的瓦斯渗流试验，而且该压力室只有一个内腔，内腔内充满液压油以提供围压，不能试验试样的冷裂试验。

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所于2010年09月20日申请的专利号为CN 201010289207.7的发明专利。该发明专利可直接测量试样上下端的温度以及围压室内的温度，并作为反馈值输入温控器。而且此压力室可以固定在冻融循环试验机上使用，进行单独的冻胀、融沉试验以及冻融循环试验；也可以固定在三轴试验机上使用，进行冻土以及经历冻融循环以后土体的三轴试验。此多功能压力室；不但在试验过程中不需要多次安装和取出试样，不会对试样造成扰动，使试验过程简化；而且能实现土体在冻融过程中或三轴试验过程中内部细观结构变化的实时CT扫描观测，拓展了新的试验过程。该专利提供的技术方案的缺陷在于但是此装置采用冷冻液循环管为制冷装置，影响到试样的制冷效果，而且该装置不能实现对试样的全方位温度传递，影响试样内部温度分布。

北京交通大学于2008年12月12日申请的专利号为CN200810239517.0的发明专利。该发明专利用于岩土工程中饱和土圆柱形试样热固结试验，用来测定变化温度荷载和外力荷载耦合作用下试样的热固结变形量及三轴剪切强度。该发明专利的技术方案采用筒状电热板为加热装置，决定了该装置只能进行升温测试，而且采用电阻丝进行加热存在漏电等安全性问题。

中国矿业大学(北京)于2012年03月30日申请的专利号为CN201210091067.1的发明专利。此发明专利的技术方案中采用弹性护套将压力室中的环形压力室与轴向压力室隔离开来，使得压力室中的岩土试件的轴向压力与径向压力绝对隔离，从而使得该试件室中的岩土试件承受的轴向压力与径向压力之间相互独立，可以通过各自施加压力，实现岩土试件的径向压力与轴向压力之间不同数值对比，以模拟岩土张拉等多种不同情况下的应力场，从而使得岩土流变试验应用场合更加广泛，试验结果的参考价值更大，可大大提高岩土流变试验的应用水平。该装置同样使用加热套进行温度控制，不能实现对试件的冻融循环处理，也不能实现对试件的全方位温度控制。

中山大学于2009年01月13日申请的申请号为CN200910036623.3的发明专利。该发明专利的技术方案中压力室承压缸体一侧开有透明窗口用于显微观测，透明窗口外有密封窗固定在外，起到加固作用，使透明窗口能够承受岩石力学试验所需的较大围压，底座侧面有四个窗口，分别是水循环系统、不与岩石作用的其他液体循环系统进出口，保证本压力室可以用水也可用其他不与岩石相互作用的液体提供围压，满足岩石力学试验的多方面需要。通过固定螺栓可将承压缸体的底座固定，承压缸体和底座可以自由分离，试件不再需要从侧面透明窗口处取放，可从轴向取放，使透明窗口和承压缸体真正成为一个整体，承压缸体能够承受较大的围压。该发明专利提供的技术方案适用于需用水提供围压或需用不与岩石作用的液体提供围压的岩石单轴或三轴试验中，可对试件进行边浸泡边加载边观测。但该装置不能进行温度控制，也不能进行应力状态下试样的渗流试验。

中国科学院武汉岩土力学研究所于2013年10月11日申请的专利号为CN201310471580.8的发明专利。该发明专利中压力室的压力室筒和压力室上固定法兰以及压力室下固定法兰胶结一起，并通压力室上盖和压力室底座密封，加载活塞安置在压力室上盖上，试样底座安置在压力室底座上，压力室内部加载活塞和试样底座之间置放下压头、试样、上压头，反力架包括固定在压力室上盖上的反力柱，之间的固定通过反力柱锁紧螺母，一种用于CT三轴试验的压力室，其扁千斤顶置于加载活塞和反力架之间，为试样提供轴向加载。该装置结构简单和轻便，解决了装置过重影响旋转台的旋转精度的问题，且在进行CT扫描同时还能够对围压、轴压和试样变形进行采集。该发明专利的缺陷在于难以对试验温度的控制以及对冷裂试验的研究。

上海市城市建设设计研究院于2010年01月08日申请的专利号为CN201020002016.3的使用新型专利。该实用新型专利在测试时，顶升平台受外力驱动上升，推动上面的压力室单元同时向上移动，活塞及其上方力传感器受到其顶部反力平台的限制无法移动，反作用于试样。试样在活塞和底座的夹压下产生形变，最终破坏。在试样形变直至破坏过程中，体变传感器通过软管的上排水接头的连接，感测到试样的体变并向外发出体变信息；与此同时，孔压传感器感测孔内流体压力变化并向外发出压力变化信息。综合传感器的信息，可计算出试样抗剪强度。该装置的缺陷在于不能实现对试验温度的控制，也不能进行试样的渗流测试。

基于上述缺陷，研制一种多功能压力室进行岩土材料冻融循环的实验室试验，对于掌握其物理、力学性质，指导现场实际具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种岩土材料冻融热循环三轴渗流多功能压力室。

发明的技术方案如下：一种岩土材料冻融热循环三轴渗流多功能压力室，包括呈筒状的外腔体，该外腔体固定于底座上，外腔体侧壁的上部开设外腔循环液出口，在所述外腔体内设有内腔体，内腔体的下端与底座固定，内腔体的上端穿过外腔体顶部设置的顶盖，且内腔体与外腔体之间形成环形腔室；

在所述内腔体的上端口中竖直向下滑动穿设有上压头，该上压头下端的内部设有密闭的第一空腔，且上压头的底面设置有多个上压头凹槽，在所述上压头上设置有上压头循环液进入管路和上压头循环液排出管路，且所述上压头循环液进入管路的下端口向下延伸到所述第一空腔的下部，上压头循环液排出管路的下端口向下延伸到所述第一空腔的上端，所述上压头上还设置有上压头气液排出管路，该上压头气液排出管路的下端口与所述上压头凹槽接通；

在所述底座的中部凸出地设置有下压头，下压头的上端位于内腔体中，该下压头上端的内部设有密闭的第二空腔，且下压头顶面设置有多个下压头凹槽，在所述底座上设置有通入到第二空腔的下压头内循环液放残管路、下压头循环液进入管路和下压头循环液排出管路，所述底座上还设置有下压头气液进入管路，该下压头气液进入管路穿过第二空腔，并与所述下压头凹槽接通，所述底座上设置的循环液排出管路和循环液进入管路两个管路的上端口位于所述内腔体与外腔体之间的环形腔室内，所述底座上设置的加压油给排管路的上端口通入到所述内腔体内；在所述上压头与下压头之间设置有变形测试装置，该变形测试装置由下压头支撑。

采用以上技术方案，外腔体和内腔体之间形成的空腔用于灌注加热或制冷的循环液，内腔体内用于灌注给待研究试样加围压的加压油。向外腔体和内腔体之间空腔内灌入循环液通过循环液进入管路实现，灌入的循环液通过外腔循环液出口排出，在试验完成后残留在内的循环液通过循环液排出管路排出。内腔体内加压油的灌入和排出均通过加压油给排管路实现。下压头用于安放待研究试样，且用上压头和下压头给待研究试样的两端加轴压。上压头内的第一空腔和下压头内的第二空腔同样用于灌注加热或制冷的循环液。因此通过上压头循环液进入管路和下压头循环液进入管路分别向第一空腔和第二空腔内通入循环液，通过上压头循环液排出管路和下压头循环液排出管路排出循环液。在部分试验中需要向待研究试样通入空气或水分，则通过下压头气液进入管路向待研究试样通入空气或水分，通入的空气和水分可以通过上压头气液排出管路排出。第二空腔内的残留循环液可以通过下压头内循环液放残管路排出。变形测量装置放置在上压头和下压头之间，用于安装在待研究试样的外部，帮助对待研究试样进行检测。

进一步，为了满足冻融循环试验和温升驱气试验的需要，所述内腔体具有上小下大的两段式管筒，该管筒的下段长度明显大于上段长度，且管筒的下端嵌入底座顶面开设的环槽中，管筒上下段之间的台阶面与顶盖的底面贴合，并通过螺栓固定。

进一步，为了满足冷裂试样的需要，所述内腔体由圆筒型弹性套管、上座和下座构成，上座嵌装在顶盖及外腔体的顶板中，在上座的底面一体形成有第一环形凸台，弹性套管的上端套入第一环形凸台，由抱箍箍紧，所述下座与底座之间通过止口定位，并由螺栓固定，在下座的顶面一体形成有第二环形凸台，弹性套管的下端套入第二环形凸台，也通过抱箍箍紧。

进一步，为了满足冻融循环试验和温升驱气试验的需要，在所述内腔体中以及内腔体与外腔体之间的环形腔室中各设置一个温度传感装置。

进一步，为了满足冷裂试样的需要，在所述内腔体中设置有温度传感装置。

进一步，根据待研究试样的形状特征，轴向上全方位地测量出待研究试样上的温度，所述温度传感装置由上、中、下三个温度传感器组成，两相邻温度传感器之间的距离相等，各温度传感器由对应的硬直导线支撑，三个温度传感器的硬直导线的下端固定于同一个接口上。

进一步，为了实际试验中，通过上压头凹槽和下压头凹槽排出的空气或液体与待研究试样的两端接触得更加充分，所述上压头底面的上压头凹槽和下压头顶面的下压头凹槽均呈蛛网状。

进一步，为了将用于测试待检测试样形变量的弹性应变圈更加可靠地安置在待检测试样上，所述变形测试装置包括一个圆管状的弹性胶膜，该弹性胶膜沿轴向设置有多个弹性应变圈，每个所述弹性应变圈的外周上设置有一个挂钩，所述弹性应变圈上与该挂钩相对的一端设置有一个锁扣。

进一步，为了尽量保证外腔体内循环液的温度恒定，所述外腔体的侧壁内嵌设有隔热保温层。

本发明的有益效果如下:

1.给出的技术方案采用分体式结构，可以通过更换内腔体来实现冻融循环试验、冷裂试验和温升驱气试验三个试验，且在冻融热循环条件下的三轴流固耦合渗流试验中能够避免对试样的扰动；

2.上压头和下压头均设有空腔，在使用时可以在向该空腔内灌注加热或冷却液，实现了对待研究试样的全方位温度控制；

3.变形测量装置采用多组可伸缩弹性应变圈均匀布置于弹性胶膜的方式，采用挂钩和锁扣将该装置固定于测试试样的表面，可获得试验过程中试样的整体变形情况。

附图说明

图1是本发明中环形外腔体及底座的连接结构示意图。

图2是本发明中选装第一压力室内腔体的结构示意图。

图3是本发明中选装第二压力室内腔体的结构示意图。

图4是本发明中变形测量装置的结构示意图。

图5是本发明中温度传感装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：

如图1到图5所示的岩土材料冻融热循环三轴渗流多功能压力室，呈筒状的外腔体2固定于底座1上。外腔体2侧壁的上部开设外腔循环液出口3，在外腔体2内设有内腔体，内腔体的下端与底座1固定。内腔体的上端穿过外腔体2顶部设置的顶盖12，且内腔体与外腔体2之间形成环形腔室。外腔体2的侧壁内嵌设有隔热保温层39。

作为本发明的一种优选方式，内腔体具有上小下大的两段式管筒21，该管筒21的下段长度明显大于上段长度，且管筒21的下端嵌入底座1顶面开设的环槽22中，管筒21上下段之间的台阶面与顶盖12的底面贴合，并通过螺栓固定，且在内腔体中以及内腔体与外腔体2之间的环形腔室中各设置一个温度传感装置29。

作为本发明的另一种优选方式，内腔体由圆筒型弹性套管24、上座25和下座26构成，上座25嵌装在顶盖12及外腔体2的顶板27中，在上座25的底面一体形成有第一环形凸台23，弹性套管24的上端套入第一环形凸台23，由抱箍箍紧，下座26与底座1之间通过止口定位，并由螺栓固定，在下座26的顶面一体形成有第二环形凸台28，弹性套管24的下端套入第二环形凸台28，也通过抱箍箍紧，且在内腔体中设置有温度传感装置29。

如图5所示，温度传感装置29由上、中、下三个温度传感器30组成，两相邻温度传感器30之间的距离相等，各温度传感器30由对应的硬直导线31支撑，三个温度传感器30的硬直导线31的下端固定于同一个接口32上。

如图2和图3所示，在内腔体的上端口中竖直向下滑动穿设有上压头4，该上压头4下端的内部设有密闭的第一空腔5，且上压头4的底面设置有多个上压头凹槽，该上压头凹槽呈蛛网状。在上压头4上设置有上压头循环液进入管路6和上压头循环液排出管路7，且上压头循环液进入管路6的下端口向下延伸到第一空腔5的下部。上压头循环液排出管路7的下端口向下延伸到第一空腔5的上端，上压头4上还设置有上压头气液排出管路8，该上压头气液排出管路8的下端口与上压头凹槽接通。在底座1的中部凸出地设置有下压头9，下压头9的上端位于内腔体中，该下压头9上端的内部设有密闭的第二空腔10，且下压头9顶面设置有多个下压头凹槽11，下压头凹槽11均蛛网状。在底座1上设置有通入到第二空腔10的下压头内循环液放残管路13、下压头循环液进入管路14和下压头循环液排出管路17，底座1上还设置有下压头气液进入管路16，该下压头气液进入管路16穿过第二空腔10，并与下压头凹槽11接通。

如图1到图4所示，底座1上设置的循环液排出管路15和循环液进入管路18两个管路的上端口位于内腔体与外腔体2之间的环形腔室内，底座1上设置的加压油给排管路19的上端口通入到内腔体内；在上压头4与下压头9之间设置有变形测试装置20，该变形测试装置20由下压头9支撑。变形测试装置20包括一个圆管状的弹性胶膜34，该弹性胶膜34沿轴向设置有多个弹性应变圈35，每个弹性应变圈35的外周上设置有一个挂钩36，弹性应变圈35上与该挂钩36相对的一端设置有一个锁扣37。

本实施例在冻融循环试验或温升驱气试验的实施过程中，将待研究试样按照国际岩石力学标准做成直径50mm，高度100mm的圆柱状，并安置在下压头9上。选用管筒21作为内腔体安装在底座1上表面的环槽22中，然后将外腔体2通过该螺栓安装在底座1上，最后再通过螺栓将顶盖12安装在外腔体2的上端，将管筒21安装牢固。出于对密封性能的要求，在环槽22底端，顶盖12的内圈上和外腔体2上端的内圈上，均设置有密封胶圈。在待研究试样安装时，选用等间距地设置五个弹性应变圈35的变形测试装置20，并将变形测试装置20套装在待研究试样上。套装好后将每个弹性应变圈35上的挂钩36和锁扣37对应扣接起来，保证整个变形测试装置20紧密贴合地包裹在待研究试样上。在安装外腔体2和管筒21时分别在管筒21内，以及管筒21和外腔体2之间的空腔内各安装一个温度传感装置29。在具体安装中，保证温度传感装置29上的三个温度传感器30分别对应到待研究试样的上、中、下位置。安装好后，通过上压头4向下滑动，向待研究试样加载轴向压力，通过加压油给排管路19向管筒21内通入加压油，对待研究试样进行围压加载。轴向压力盒围压加载按照应力梯级加载的方式进行。压力加载好后，通过循环液进入管路18、上压头循环液进入管路6和下压头循环液进入管路14通入加热或者冷却的循环液体，实际通入哪种液体，以及液体的温度根据试验计划选定。通入的循环液体通过外腔循环液出口3、上压头循环排出管路7和下压头循环液排出管路17排出完成循环。根据试验方案，通过下压头气液进入管路16向待研究试样通入气体，研究温度变化过程中待研究试样的气体渗透性。

通过温度传感装置29，变形测试装置20的到温度和应变数据，并通过上压头4加载压力的预先设定，取得应力加载值，通过对加压油流量的控制得到围压压力数值，通过对循环液流量的控制得到温度数值。上述所有数值作为试验需要研究的必要数值，记录下来，作为研究材料。

在冷裂试验中，与上述试验的不同之处在于，选用弹性套管24、上座25和下座26构成的内腔体。向该内腔体内通过下压头气液进入管路16通入液氮进行冷裂处理。同时，在内腔体和外腔体之间的空腔内通入液压油，油压通过弹性套管24传递给待检测试样以施加围压。在待研究试样旁装设声发射探头，并通过在底座1上增加接口用于满足声发射探头的电连接需求。声发射探头可以帮助进行冷裂裂隙演化的研究。

以上详细描述了发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。