岩石侵水-失水循环力学实验系统及其实验方法与流程

本发明涉及一种岩石侵水-失水循环力学实验系统及其实验方法。

背景技术：

岩石在侵水-失水状态下的力学性能研究是研究库坝及水边坡稳定性的关键，岩石侵水-失水力学实验获得数据的准确性对后续研究具有重要影响。然而，传统的研究往往将岩石的侵水-失水过程和力学性质实验分离开来，其实验过程如下：①将待测岩样加工成目标尺寸的岩样，保证岩样表面平整，确定侵水-失水循环次数，具体方法是将岩样在水中浸泡一段时间，之后进行自然风干或烘箱烘干，重复以上步骤直到达到目标循环次数；②将岩样应变监测器贴在待观察的岩样表面，使用单轴加压装置，将侵水-失水后的岩样进行单轴加压试验，获得岩样的相关数据；③对比研究不同侵水-失水循环次数岩样的实验数据，得出结论。该实验过程的缺点是岩样侵水-失水与单轴加压的分割开来进行，每次都需将岩样侵水-失水后再放入单轴加压装置进行加压破坏。岩样侵水-失水过程周期长，必将受到众多因素影响，如温度、湿度、人为因素等，导致实验结果存在较大误差，直接影响研究的进展。并且该实验若要进行较多岩样的侵水-失水实验，过程繁琐，浪费不必要的资源。

综上所述，岩石侵水-失水力学实验急需开发一种高效实用的岩石侵水-失水循环力学实验系统。

中国专利申请201310553277.2公开了一种岩石损伤和渗透测试方法，步骤1：将岩石试件放置于密封的容器内，将测量装置与容器中的岩石试件配合连接；对岩石试件施加一定的压力，并且记录压力数据；步骤2：调节实验温度，对岩石试件内注入水流，然后继续对岩石试件施加压力测量压力值和渗透压数值；步骤3：利用超声波检测装置检测超声波传播时间计算其传播速度；步骤4：根据上述检测出的压力数据值、渗透压数据、超声波波速值对岩石的损伤和渗透率进行研究和计算。该测试方法没有水循环系统，在测试试验过程中注水时，需人工进行，这会导致测试的效率降低，并且每次注水过程难以控制，增加试验过程中引入不必要的变量，试验结果准确性难以保证。

中国专利申请201310554863.9公开了一种温度应力环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗透测试系统和测试方法，系统包括冻胀力测试装置和渗透测试装置；渗透测试装置包括装载待测岩石试件的压力室、压力加载装置、渗透压加压及测量装置、水浴加热装置、超声损伤测试装置和数据采集装置。利用冻胀力测试装置对岩石进行反复冻融实验后测量该岩石试件的冻胀力变化，再将岩石放置于压力室内，利用压力加载装置对岩石试件施加压力、在不同温度的流动液体和压力作用下，实现岩石渗透系数k的测定和超声波波速传播时间t的测定，从而研究岩石的渗透性和损伤情况。该发明专利将岩样在测试系统外进行冻融循环，再进行压力测试，不足之处在于无法获得岩石在冻融循环过程中的应力应变和损伤情况，这不利于对研究岩石的损伤演变的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种岩石侵水-失水循环力学实验系统及其实验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种岩石侵水-失水循环力学实验系统，包括水循环腔体，水循环腔体上端通过密封件密封安装有密封盖，，密封盖中央设有密封管，密封管内设有两层密封圈，将岩石单轴加压装置的岩样加压部分密封置于水循环腔体内，水循环腔体内还设置有温度-湿度探测器，在岩样加压部分的岩样上设置有岩样应变监测器，水循环腔体上设置开口，分别为信号输出口、出水口和进水/气口，其中，温度-湿度探测器和岩样应变监测器的数据线通过信号输出口引出，出水口通过管线与外部回水装置连通，进水/气口通过管线与储水及储气装置连通；通过进出气/水口可控制水循环腔体内气/水含量，温度-湿度探测器用于监控腔内温度和湿度，应变监测仪器输出岩样应变数据。

所述水循环腔体为圆筒体，其中的信号输出口设置圆筒体一侧，出气口设置于密封盖上，出水口设置于圆筒体的底部，进水/气口设置于圆筒体另一侧面的靠近底部位置。

所述密封件为橡胶密封圈。

所述出气口上设置有出气口开关，并与外接大气相通。

所述出水口与外部储水装置相连的管线上设置有出水口开关。

所述进水/气口与储水及储气装置相连的管线上设置有压力表和分向开关，分向开关的a、b端口通过管线分别与储水装置和储气装置相连，且该段管线上设置有管线转接装置。

所述储水装置和储气装置为独立的水存储罐和气体存储罐，两者的外部均设置有加压装置。

所述管线为橡皮管。

一种基于岩石侵水-失水循环力学实验系统的实验方法，包括以下步骤：

（1）岩样加工

将待测的岩样加工成圆柱形试样，保证岩样的表面平整；

（2）岩样加载

将岩样放置于岩石单轴加压装置的上、下加压板之间，并将岩样应变监测器贴在待观察的岩样表面；将水循环腔体封闭，启动单轴加压装置，控制加压速率，将压力升至目标压力后停止；

（3）岩样侵水

打开出气口开关，关闭出水口开关，将分向开关打开至a端口，在加压装置作用下，水存储罐内的水可通过连接管线，经进水/气口流进水循环腔体内，达到预定水位即淹没岩样，对岩样侵水一段时间即可完成岩样侵水；

（4）岩样失水

将分向开关打开至b端口，同时关闭出气口开关，气体存储罐的气体在加压装置作用下，经进水/气口进入水循环腔体，打开出水口开关，随着水循环腔内气压增加，废水会通过出水口，压入储水装置，待水循环腔体内水被完全排干净后关闭出水口开关，待岩样自然失水一段时间；

（5）岩样侵水-失水循环

重复步骤（3）、（4），实现岩样在恒定压力作用下的侵水-失水循环，到达目标循环次数；

（6）整理设备

待试验完成后，将水循环腔体内的水完全排除后，再卸载压力，关闭单轴加压装置，取出试验后的岩样，清理干净水循环腔；

（7）试验数据整理

对保存在计算机内的试验监测数据进行整理和分析。

本发明中的岩石单轴加压装置为现有设备，在此不再赘述。

本发明实验系统总体上可分为水循环腔体和水气循环系统。水循环腔体是本装置的主体部分，是实现岩石侵水-失水循环和加载同步的核心装置。水循环腔体通过密封盖整体密封，在其外壳上有孔洞，分别是用于输出信号的信号输出口，位于密封盖中央的出气口，将腔内水排出到废水储水装置的出水口，与水气循环系统连接的进水/气口。水循环腔上方为单轴加压装置，对岩样进行单轴加压。

水气循环系统主要包括水存储罐、气体存储罐、废水储水装置以及连接管线和开关、压力表等部分。连接管线采用橡皮管，与水存储罐和气体存储罐连接时为密封连接，不出现漏气、漏水现象。水气循环系统是实现对岩样侵水-失水循环的重要部分。为了减少对水循环腔的开口，尽可能保证其整体性，将进水和进气口合二为一，其技术措施是采用分向开关来控制水、气进入水循环腔。水储存罐和气体存储罐通过管线连接至分向开关，分向开关控制水、气的通过。打开a端口，则管中只能通过水；若打开b端口，则管中只能通过气体，这样就实现了水、气的单通，可试验根据需要进行选择控制。由于利用加压装置进行水气循环，因此在水循环腔水/气口连接管线上安装有压力表，对连接管线内的压力进行实时监测，可以实现对水气循环的控制，保证该试验的高效安全。对于水气循环系统产生的废气，由于并未受到污染，可直接通过出气口排出。产生的废水，通过回收废水的储水装置进行回收处理。废水储水装置也通过连接管与出水口连接，同样采用橡皮管密封连接。

本发明重点解决了岩石侵水-失水力学试验存在的缺点，通过设置水循环腔将岩石侵水-失水与单轴加压同步，避免了岩样在侵水-失水过程中外界因素的影响，实现岩样的侵水-失水循环在相对稳定的环境下进行，将岩样侵水-失水和单轴加压的一体化，实现了岩样在加压状态下的侵水-失水循环，提高了实验的效率和准确性。水循环腔与外界水、气循环系统相连通，共同组成了水、气循环系统，可以实现水循环腔内的水、气循环，保证岩样的侵水-失水过程准确无误。水循环腔内置温度和湿度传感器，可确保整个试验过程的安全进行。该试验方法可以大幅提高试验效率，试验数据结果更加准确，并且能够获得岩样在侵水-失水循环过程中的监测数据。使得岩石的侵水-失水循环的数据更加全面、详细。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是岩石侵水-失水循环同步加载装置水循环腔的俯视图；

其中，1.密封盖，2.橡胶密封圈，3.出气口开关，4.出气口，5.密封圈，6.密封管，7.岩样承台，8.温度-湿度探测器，9.岩样应变监测器，10.水循环腔体，11.单轴加压装置，12.岩样，13.进水/气口，14.压力表，15.分向开关，16.管线转接装置，17.管线，18.水存储罐，19.气体存储罐，20.出水口，21.出水口开关，22.废水储水装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参看图1，一种岩石侵水-失水循环同步加载装置，水循环腔体10用于对岩样进行侵水-失水循环，是本发明的主要部分。水循环腔体10内安装有用于监测水循环腔状态的温度-湿度探测器8，用于测量岩样应变的岩样应变监测器9，以及岩样12，单轴加压装置11，岩样承台7；并且水循环腔体10上具有多个开口及开关，包括出气口4，出气口开关3，出水口20，出水口开关21，进水/气口13；压力表14，分向开关15，管线转接装置16，连接管线17，外部还包括用于回收废水的储水装置22，用于水循环的水存储罐18，气循环的气体存储罐19；连接水循环腔和外部装置的是连接管线17，在进水/气口端安装有用于监测管内压力的压力表14，用于控制管内通过水/气的分向开关15。

参看图2，一种岩石侵水-失水循环同步加载装置水循环腔的俯视图。

岩石侵水-失水循环同步加载装置的位置和连接关系是：

本装置总体上可分为水循环腔和水气循环系统。水循环腔体10是本装置的主体部分，是实现岩石侵水-失水循环和加载同步的核心装置。水循环腔体10与密封盖1通过橡胶密封圈2整体密封，密封盖1中央设有密封管6，密封管内设有两层密封圈5，在其外壳上有开口孔洞，分别是用于输出信号的信号输出口，排出腔内气体的出气口4，将腔内水排出到废水储水装置的出水口20，与水气循环系统连接的进水/气口13。信号输出口设置水循环腔体10一侧，出气口设置于密封盖1上，出水口20设置于水循环腔体10的底部，进水/气口13设置于水循环腔体10另一侧面的靠近底部位置。水循环腔体10上方为单轴加压装置，对岩样进行单轴加压。岩石单轴加压装置11的岩样加压部分密封置于水循环腔体10内。

水气循环系统主要包括水存储罐18、气体存储罐19、废水储水装置22以及连接管线17和开关、压力表等部分。连接管线17采用橡皮管，与水存储罐18和气体存储罐19连接时为密封连接，不出现漏气、漏水现象。水气循环系统是实现对岩样侵水-失水循环的重要部分。为了减少对水循环腔的开口，尽可能保证其整体性，将进水和进气口合二为一，其技术措施是采用分向开关来控制水、气进入水循环腔。水储存罐和气体存储罐通过管线连接至分向开关，分向开关控制水、气的通过。打开a，则管中只能通过水；若打开b，则管中只能通过气体，这样就实现了水、气的单通，可试验根据需要进行选择控制。由于利用加压装置进行水气循环，因此在水循环腔水/气口连接管线上安装有压力表，对连接管线内的压力进行实时监测，可以实现对水气循环的控制，保证该试验的高效安全。对于水气循环系统产生的废气，由于并未受到污染，可直接通过出气口排出。产生的废水，通过回收废水的储水装置进行回收处理。废水储水装置也通过连接管与出水口连接，同样采用橡皮管密封连接。

基于上述装置的岩石侵水-失水循环同步加载试验步骤如下：

（1）岩样加工

将待测的岩样加工成高100mm，直径为50mm的圆柱形试样，保证岩样的表面平整。

（2）岩样加载

将岩样放置于上、下加压板之间，并将岩样应变监测器贴在待观察的岩样表面。将水循环腔封闭，启动单轴加压装置，控制加压速率，将压力升至目标压力后停止。

（3）岩样侵水

打开出气口开关，关闭出水口开关，将分向开关打开至a端，在加压装置作用下，水存储罐内的水可通过连接管线，经进水/气口流进水循环腔内，达到预定水位（淹没岩样），对岩样侵水一段时间即可完成岩样侵水。

（4）岩样失水

将分向开关打开至b端，同时关闭出气口开关，气体存储罐的气体在加压装置作用下，经进水/气口进入水循环腔，打开出水口开关，随着水循环腔内气压增加，废水会通过出水口，压入储水装置，待水循环腔内水被完全排干净后关闭出水口开关，待岩样自然失水一段时间。

（5）岩样侵水-失水循环

重复步骤（3）、（4），实现岩样在恒定压力作用下的侵水-失水循环，到达目标循环次数。

（6）整理设备

待试验完成后，将水循环腔内的水完全排除后，再卸载压力，关闭单轴加压装置，取出试验后的岩样，清理干净水循环腔。

（7）试验数据整理

对保存在计算机内的试验监测数据进行整理和分析。

该试验全程都需要通过温度-湿度探测器实时监测水循环腔状态，通过压力表实时监测连接管线内的压力情况，确保本试验安全、有效进行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。