一种单裂隙岩体渗流应力耦合系统及方法与流程

本发明涉及一种岩体力学实验系统，尤其涉及一种单裂隙岩体渗流应力耦合系统及方法。

背景技术：

地下工程中，岩体不仅受上部载荷作用产生应力场，还受地下水渗流场的影响，地下水在岩体裂隙中流动产生孔隙水压力，从而改变了岩体的应力场，导致岩石骨架及岩体裂隙发生变形，使得孔隙度及裂隙的隙宽发生变化，进一步影响渗流场的变化，这就是裂隙岩体渗流应力耦合的机理。

裂隙渗流和应力的实验研究是关于裂隙岩体渗流和应力耦合分析的基础性课题，实验研究的目的在于探索裂隙渗流与应力的耦合机理，从而建立裂隙渗流和应力耦合关系的数学表达式，主要需要解决的问题是找出渗流量和应力变化的对应关系，从而得出渗流应力耦合数学表达式。

现有的耦合实验装置多以剪切应力耦合为主，例如授权公开号为cn106018748b“一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统及试验”和cn104316447a“一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统及方法”，并没有考虑由于法向应力作用导致的隙宽变化，所用的实验方法也没有得出渗流量与应力变化的关系。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种能够获得渗流量与正应力关系的单裂隙岩体渗流应力耦合系统及方法。

技术方案：本发明包括耦合装置和渗流测量装置，所述的耦合装置包括用于放置裂隙岩石试件的底座，所述的渗流测量装置套在底座与裂隙岩石试件的外侧，渗流测量装置采用对称结构，其两侧分别通过出水通道连接出水箱，所述出水通道的出水口与裂隙岩石试件的裂隙位于同一水平面，并在出水口处设有流速传感器，所述流速传感器的一端与渗流测量装置的筒壁连接，另一端与出水通道连接，所述的出水通道上还连接有出水流量测量仪。

所述的流速传感器通过导线连接流速测量仪，通过流速测量仪可测得裂隙岩石试件在裂隙出水口处的流速。

所述的出水箱上设有活塞，出水箱底部设有出水阀门，活塞能够保持出水箱内的气压与外界气压一致。

所述的渗流测量装置与裂隙岩石试件之间留有间隙，避免试件加载过程中受力太大发生破碎，从而对装置产生破坏影响，间隙内设有垫圈，所述的垫圈为橡胶垫圈，其上表面与裂隙岩石试件的裂隙位于同一水平面，橡胶垫圈一方面能够固定裂隙岩石试件，另一方面能够防止水储存在裂隙岩石试件和渗流测量装置之间的间隙。

所述的底座呈凸字形，内部设有进水通道，所述进水通道的进水口通过打压装置与进水箱连接，出水口与裂隙岩石试件的中心孔对齐。

所述的打压装置上安装有压力测量仪，打压装置靠近底座的一侧上还连接有进水流量测量仪，进水流量测量仪采用电子读数式传感器，可准确测出进水流量。

所述裂隙岩石试件的顶部设有上压力板，上压力板呈t型结构，其凸起部分位于渗流测量装置内，并与渗流测量装置的内壁无缝接触。

所述上压力板的顶部连接有压力伺服机，压力伺服机可通过上压力板对裂隙试件加压，并可直接读取压力加载的数值大小。

所述渗流测量装置筒壁的内径与上压力板及底座凸起部分的外径相等。

基于权利要求1～9所述一种单裂隙岩体渗流应力耦合系统的方法，包括以下步骤：

(1)加工裂隙岩石试件，并安装好渗流应力耦合系统；

(2)打开打压装置并施加一定水压，保证系统及水路密封良好，使岩石试件注水，充满裂隙并浸润裂隙周围的岩体；

(3)启动压力伺服机，从0mpa开始逐级增压，对裂隙岩石试件施加正应力；

(4)梯级施加渗透压，开展不同水力梯度下的裂隙渗流试验，并在每级渗透压稳定后，采集数据进行处理；

(5)重复步骤(3)和(4)，进行下一级设定值的轴压加载正应力和流体渗透压力值；

(6)根据记录的每级正应力值及相应的流量值和流速值，绘制出相应的渗流量与应力曲线水力梯度和水流速度曲线，完成试验。

有益效果：本发明设计的渗流测量装置既可以测得渗流量的大小，又可以测出裂隙岩体边界，即裂隙试件外径处的流速，得出渗流量与正应力的关系，以及水头压力和水流速度的关系；并完成裂隙岩石的在不同正应力和渗透压力相互耦合情况下的渗流应力耦合实验，实验过程操作简单，结果可靠。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的耦合装置结构示意图；

图3为本发明的渗流测量装置结构示意图；

图4为本发明的裂隙岩石试件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明包括上压力板1，渗流测量装置2，裂隙岩石试件3，垫圈4，底座5，进水通道6，进水流量测量仪7，压力测量仪8，打压装置9，进水箱10和压力伺服机11。

如图2所示的耦合装置包括用于放置裂隙岩石试件3的底座5，底座5置于试验台上，底座5的横截面呈凸字形，其凸起部分的外径为φ220mm，内部的中央位置设有l型进水通道6。进水通道6的进水口通过打压装置9与进水箱10连接，打压装置9上安装有压力测量仪8，打压装置9靠近底座5的一侧上还连接有进水流量测量仪7，进水流量测量仪7采用电子读数式传感器，可准确测出进水流量，精度为0.01cm³；出水口连接裂隙岩石试件3的中心孔32，进水通道6的宽度与中心孔32的宽度相等，并与中心孔32对齐。

底座5的上方放置有裂隙岩石试件3，裂隙岩石试件3中含有自然横向裂隙31和人工钻的沿竖直方向的中心孔32，中心孔32的高度高于裂隙31，如图4所示。裂隙岩石试件3的外径为φ200mm，高400mm，中心孔32的直径为φ40～50mm，中心孔32和底座5中的进水通道6对齐。

如图3所示为本发明的渗流测量装置2，包括流速测量仪21、导线22、流速传感器23、出水流量测量仪24、活塞25、出水箱26、出水通道27和出水阀门28。渗流测量装置2采用对称结构，并套在底座5与裂隙岩石试件3的外侧，其内径为φ220mm，与底座5的凸起部分刚好无缝装配，与裂隙岩石试件3的左右两侧则分别留有10mm的间隙，为了避免试件加载过程中受力太大发生破碎，对装置产生破坏影响，所以在裂隙岩石试件3和渗流测量装置2之间空有10mm的缓冲空间。该缓冲空间内设有橡胶垫圈4，其上表面与裂隙岩石试件3的裂隙31位于同一水平面，橡胶垫圈4一方面能够固定裂隙岩石试件3，另一方面能够防止水储存在裂隙岩石试件3和渗流测量装置2之间的间隙内。

渗流测量装置2的两侧分别通过出水通道27连接出水箱26，出水通道27呈l型，l型出水通道27的水平通道与裂隙岩石试件3的裂隙31位于同一水平面，并在出水口处设有流速传感器23，流速传感器23的一端与渗流测量装置2的筒壁通过螺纹紧密连接，另一端与出水通道27通过螺纹紧密连接。流速传感器23通过导线22连接流速测量仪21，通过流速测量仪21可测得裂隙岩石试件3在裂隙31出水口处的流速。出水通道27上还连接有出水流量测量仪24，与进水流量测量仪7的型号一致，测量精度一致。出水箱26上设有活塞25，从而保持出水箱26内的气压与外界气压一致，出水箱26底部设有出水阀门28。

如图1所示，裂隙岩石试件3的顶部设有上压力板1，并与试件紧密接触，上压力板1呈t型结构，其凸起部分的外径为φ220mm，并位于渗流测量装置2内，与渗流测量装置2的内壁无缝接触。上压力板1的顶部连接有压力伺服机11，压力伺服机11可通过上压力板1对裂隙岩石试件3加压，并可直接读取压力加载的数值大小，精度为1pa，压力伺服机11的另一端放置在试验台上。

本发明的一种单裂隙岩体渗流应力耦合系统的方法，包括以下步骤：

(1)准备工作：加工如图4所示的裂隙岩石试件，并按照图1所示安装好渗流应力耦合系统；

(2)测试系统并使裂隙试件达到饱和状态：打开打压装置并施加一定水压，保证系统及水路密封良好，使岩石试件注水，充满裂隙并浸润裂隙周围的岩体；

(3)力学加载：启动压力伺服机，从0mpa开始以0.5mpa为梯度逐级增压，对裂隙岩石试件施加正应力；

(4)流体渗透：梯级施加渗透压，开展不同水力梯度下的裂隙渗流试验，并在每级渗透压稳定后，采集数据进行处理，读取出水流量测量仪数值q，通过压力测量仪记录水力压力值i，记录流速测量计的流速值v，通过压力伺服机记录正应力σ；

(5)重复步骤(3)和(4)，进行下一级设定值的轴压加载正应力σ和流体渗透压力值i；

(6)数据采集：根据记录的每级正应力值及相应的流量值和流速值，绘制出相应的渗流量q与正应力σ曲线，压力测量仪记录水头压力值i和速度v曲线，完成试验。