一种随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置的制作方法

本发明涉及渗透压加载试验设备技术领域，特别是涉及一种随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置。

背景技术：

地下岩体工程往往处于复杂地质环境下，许多与地下水相关的工程灾害(如矿井岩溶突水、隧道涌水等)均是由于地下开拓行为诱使渗流场外部环境的改变，促使岩体内裂隙劈裂扩展、相互贯通，进而引发地质灾害。在力学范畴内，开挖行为被定义为一种工程卸荷过程，岩体中的节理裂隙将随卸荷过程的进行而发生相互滑移、扩展和相互作用，并对岩体的力学特性产生显著的影响，导致岩体逐渐劣化并直至最后屈服。随着资源开采、水电工程引水隧洞、核废料地下处置、国防等地下工程采掘深度的不断增大，深部岩体工程中涉及到的高水压情况越来越多，高水头压力带来的岩体力学问题已经成为岩土工程中亟待解决的前沿性课题，并吸引了大批优秀研究学者从事这一领域的研究工作。

综合目前有关渗透水压作用的研究成果，理论分析与数值模拟是两种主要的研究方法和技术手段。理论分析过程中，主要是考虑到了渗透水压的力学作用，而忽略渗流场对节理面的软化效果；数值研究方法，则是基于成熟的商业软件平台来实现，而商业软件的开发也是建立在力学基础之上，与理论研究本质上没有区别，它只是将理论研究实现可视化而已。

而针对渗透水压作用开展的试验研究工作并不多，周志华(单轴循环载荷与渗透水压下预应力裂隙岩石破坏试验研究，2014年)、陈红江(裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论、试验及工程应用研究，2010年)、付金伟(含三维裂隙试件在双轴压力和水压作用下压裂试验与数值模拟研究，2015年)的研究成果比较有代表性，并更接近研究对象的问题本质：周志华设计了一种渗透水压加载装置(CN201120502167.X；CN201120519929.7)，通过油泵向模型试件的预制内置闭合裂隙中施加一定大小的油压，然后保持油压稳定，对裂隙体模型进行一系列单轴压缩试验；陈红江在常规三轴腔中，通过水泵对含有贯通裂隙的圆柱形模型施加一定大小的水压，并保持围压稳定，实施了一系列三轴加载条件下的渗透水压试验测试工作；付金伟设计了一套水压致裂加水装置(CN201410034987.9)，并在含预制内置裂隙的类岩石树脂模型试件中开展了一系列单轴及双轴加载试验。

综上所述，现有的施加渗透压的试验装置及方法，存在一个共同的缺点：其所施加渗透压力，并不能随裂纹扩展而保持稳定。现有技术虽然能够在加载初期(预制裂隙尖端无微裂纹发育、扩展)保持裂纹面上渗透水压的稳定，但是随着裂纹扩展现象的出现，内部裂隙将发生扩容现象，如若要保持渗透水压恒定，需向模型试件内部供应等体积高压液体，由于裂隙体破坏过程极不稳定，或缓或急，上述试验装置很难实现等体积液体的同步输入，更难以维持渗透水压的稳定。然而实际工程中，地下水随岩体裂隙扩展而发生转移的过程中，压力是基本保持恒定的，它也是突涌水发生的动力来源。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置，包括空气压缩机和稳压加载系统；所述稳压加载系统为内部设置有水平中央隔板的密闭空心圆柱体，所述水平中央隔板为中心设置有漏斗状通孔的圆板，所述水平中央隔板将所述稳压加载系统内部分隔成上下两个腔室，其中上部腔室为储气室，下部腔室为储水室，所述漏斗状通孔处设置有浮标阀门用于控制所述漏斗状通孔的通断，所述浮标阀门设置于所述储水室一侧的球状体部分为空心结构，所述浮标阀门其它部分为实心结构，所述稳压加载系统顶端设置有一与所述储气室相通的气压表；所述空气压缩机通过一进气管与所述储气室连通，所述储气室与所述进气管连通处设置有进气阀门，所述储水室通过一出水管连通试验模型，所述储水室与所述出水管连通处设置有出水阀门，所述实验模型为待测裂隙体试样。

可选地，所述空气压缩机提供的高压空气压力不小于30MPa。

可选地，所述储气室与所述储水室的体积比不小于1。

可选地，所述气压表量程大于所述空气压缩机所能提供峰值压力的2倍。

可选地，所述浮标阀门材质为高弹高强耐老化橡胶。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、高压水随裂隙扩展而流动时，由高压气体扩容来补偿，根据气态方程，当气体扩容较小时，其压强基本保持不变，能够实现裂纹扩展过程中渗透水压仍保持稳定的目的；

2、当裂隙体因发生屈服而有大量高压水喷射流出时，浮标阀门能够自动切断高压气体进入储水室的通路，保证测试过程的安全；

3、试验装置原理简单、制作简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置结构示意图；

图2为本发明实施例中的水平中央隔板的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例中的随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置的A-A向剖面结构示意图；

图中：1-空气压缩机、2-进气管、3-进气阀门、4-储气室、5-气压表、6-浮标阀门、7-储水室、8-水平中央隔板、9-稳压加载系统、10-出水阀门、11-出水管、12-漏斗状通孔、13-实验模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本实施例提供一种随裂纹扩展稳定施加渗透压的试验装置，如图1-3所示，包括空气压缩机1和稳压加载系统9；稳压加载系统9为内部设置有水平中央隔板8的密闭空心圆柱体，水平中央隔板8为中心设置有漏斗状通孔12的圆板，漏斗状通孔12表面光滑无毛刺，无尖锐凸起，水平中央隔板8将稳压加载系统内部分隔成上下两个腔室，其中上部腔室为储气室4，下部腔室为储水室7，并且储气室4与储水室7的体积比不小于1，漏斗状通孔12处设置有浮标阀门6用于控制漏斗状通孔12的通断，浮标阀门6材质为高弹高强耐老化橡胶，浮标阀门6设置于储水室7一侧的球状体部分为空心结构，浮标阀门6其它部分为实心结构，稳压加载系统9顶端设置有一与储气室4相通的气压表5，气压表5量程大于空气压缩机1所能提供峰值压力的2倍；空气压缩机1通过一进气管2与储气室4连通，储气室4与进气管2连通处设置有进气阀门3，空气压缩机1是一部能够提供高压空气的设备，空气压缩机1提供的高压空气压力不小于30MPa，进气管2将空气压缩机1产生的高压气体，通过稳压加载系统9的进气阀门3，输入储气室4中；储水室7通过一出水管11连通试验模型13，储水室7与出水管11连通处设置有出水阀门10，出水管11通过稳压加载系统9的出水阀门10，将高压水输入到实验模型13中的裂隙体试样中施加渗透压力，进气阀门3与出水阀门10能够保持高压状况下的密封特性良好。

如图1所示，在上述结构设计的基础上，本发明提供的实验装置的具体实施步骤如下：

1、注水：通过出水阀门10向稳压加载系统9的储水室7中注入一定体积的水，由于浮标阀门6设置于储水室7一侧的球状体部分为空心结构，使得储水室7中注满水之后浮标阀门6上浮，水平中央隔板8的漏斗状通孔12处于打开状态，然后关闭出水阀门10；

2、加压：将空气压缩机1与稳压加载系统9通过进气管2进行连通，打开进气阀门3，开启空气压缩机1，通过进气管2向稳压加载系统9的储气室4输入高压空气，观察气压表5的读数，待其达到设计要求时，关闭空气压缩机1，同时关闭进气阀门3，然后拆掉进气管2；

3、密封性检查：保持进气阀门3与出水阀门10处于关闭状态10mins，观察气压表5的读数是否有下降，若保持稳定，证明稳压加载系统9的密封性满足要求，若缓慢下降，则不满足试验要求，需要检修稳压加载系统9；

4、施加渗透压：通过出水管11，将试验模型13进水口与稳压加载系统9的出水阀门10相连接，缓慢打开出水阀门10，观察试验模型13进水口是否有水流出，同时观察气压表5读数是否有明显下降，均为否，则试验模型13的渗透水压施加成功；

5、试验模型加载试验：开启压力试验机，进行试验模型13的单轴、双轴、三轴的加载或卸载试验，直至试验结束；

6、释放储气室高压空气：关闭出水阀门10，拆掉出水管11，缓慢打开进气阀门3，将储气室4内的高压空气缓慢释放，同时观察气压表5的读数，直至读数归零；

7、排出储水室液体：缓慢打开出水阀门10，待储水室7水体完全排出后，关闭出水阀门10与进气阀门3；

8、试验结束：整理好空气压缩机1，及稳压加载系统9，关闭试验机，清扫实验室，结束本次试验。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。