一种模拟岩石渗流的试验装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及岩土工程技术领域，具体而言，涉及一种模拟岩石渗流的试验装置。


背景技术：

[0002]
在地下工程中，经开挖后的硐室围岩受各种外界扰动的作用，岩石的物理力学性质发生了明显的变化，其中机械钻凿、交通荷载等动荷载是重要的影响因素。岩石的渗透性是评价地下工程稳定性的重要指标。
[0003]
室内试验中，现有技术方案绝大部分是在岩石试样受静载压缩的情况下，测试其渗透率。这种测试方法使岩石试样所受的载荷单一，不能全面反映岩土试样的渗透规律。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的在于提供一种模拟岩石渗流的试验装置，能够从微观角度反映动载荷扰动下，岩石的渗透性变化规律。
[0005]
本实用新型的实施例是这样实现的：
[0006]
本实用新型实施例提供一种模拟岩石渗流的试验装置，其包括试样架和图像采集器，所述试样架用于放置待测试样，所述试样架连接有加载组件，所述加载组件连接有伺服泵组，所述伺服泵组通过所述加载组件向所述待测试样施加动载荷并注入渗透流体，所述待测试样连通集液器，所述集液器收集从所述待测试样流出的渗透流体，所述图像采集器朝向所述待测试样，用于采集所述渗透流体在所述待测试样内运移路径的图像。
[0007]
可选地，所述伺服泵组包括液压泵和轴压泵，所述液压泵用于向所述待测试样注入渗透流体，所述轴压泵用于向所述待测试样施加动载荷。
[0008]
可选地，所述加载组件包括反力板、与所述反力板连接的压头和活塞，所述反力板和所述活塞分别设在所述试样架相对的两端，所述压头对应位于靠近所述待测试样的一端，所述轴压泵和所述活塞连通，以通过所述活塞向所述待测试样施加动载荷，所述液压泵和所述压头连通，以通过所述压头向所述待测试样注入渗透流体。
[0009]
可选地，所述液压泵通过输液管道与所述压头连通。
[0010]
可选地，所述液压泵分别通过第一轴压通道和第二轴压通道与所述活塞连通。
[0011]
可选地，所述试样架包括相对设置的两个支撑柱以及位于两个所述支撑柱之间底座，所述底座和所述活塞连接。
[0012]
可选地，所述图像采集器为高速摄像机。
[0013]
可选地，所述待测试样包括壳体，所述壳体具有两个相对设置的两个开口，分别用于使所述渗透流体流入和流出，所述壳体内设有骨架，所述骨架包括多个平行排列的单体，相邻所述单体之间设有间隙，所述壳体的一个面上设有透明盖板，所述图像采集器朝向所述透明盖板。
[0014]
本实用新型实施例的有益效果包括：
[0015]
本实用新型实施例提供的模拟岩石渗流的试验装置，待测试样放置在试样架内，试样架连接加载组件，伺服泵通过加载组件向待测试样的一端施加动载荷，伺服泵还通过加载组件向待测试样的另一端注入渗透流体，使渗透流体在待测试样的孔隙间流动，集液器收集从待测试样流出的渗透流体，通过集液器内渗透流体的量，采用达西定律即可计算动载荷扰动下待测试样的渗透率。图像采集器朝向待测试样，用于采集渗透流体在待测试样内运移路径的图像，获取渗透流体在待测试样中的流动过程，以得到渗透流体在待测试样内运移路径。通过在扰动载荷下得到的渗透流体在待测试样内的运移路径和渗透率，可有效、直观地观测渗透流体在待测试样的孔隙介质中的运移规律，以及不同形式的动力参数施加后渗透流体状态的显著变化，从微观上使渗透流体状态的变化和渗透率的计算结果互为验证，这对于从根本上解释渗透率的变化(增大或减小)具有重要的机理作用。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0017]
图1为本实用新型实施例提供的模拟岩石渗流的试验装置结构示意图；
[0018]
图2为本实用新型实施例提供的待测试样结构示意图；
[0019]
图3为动荷载扰动下渗透流体在待测试样内的运移路径示意图；
[0020]
图4为动荷载扰动下渗透介质的显著变化及本方案的预期效果之一；
[0021]
图5为动荷载扰动下渗透介质的显著变化及本方案的预期效果之二；
[0022]
图6为本实用新型实施例提供的模拟岩石渗流的试验方法流程图。
[0023]
图标：1－反力板；2－压头；3－支撑柱；4－活塞；5－待测试样；51－壳体；52－单体；53－透明盖板；54－滤网；55－孔隙；6－底座；7－伺服泵组；81－输液管道；82－排液管道；83－集液器；91－第一轴压通道；92－第二轴压通道；10－高速摄像机；11－渗透流体。
具体实施方式
[0024]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0025]
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0026]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0027]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者
是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0028]
此外，“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0029]
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0030]
在地下工程中，经开挖后的硐室围岩受各种外界扰动的作用，岩石的物理力学性质发生了明显的变化，其中机械钻凿、交通荷载等动荷载是重要的影响因素。岩石的渗透性是评价地下工程稳定性的重要指标。室内试验中，现有技术方案绝大部分是在岩石试样受静载压缩的情况下，测试其渗透率。
[0031]
为了清楚渗透流体11在周期性动态荷载的作用下其运动和迁移规律，以形象直观的方式呈现其在模试样内的运动轨迹，本实施例提供一种模拟岩石渗流的试验装置及其试验方法，针对动荷载扰动下的岩石渗透性的研究，主要是给待测试样5施加周期性的交替荷载，从宏观的角度，获得试样渗透率的变化规律。同时，还从微观的角度，来探究动荷载扰动下渗透流体11在岩石内的运移规律，有助于从机理上解释和阐述周期荷载作用下渗透率升高或降低的直接原因，而非仅仅停留在规律性的认识上，从而为研究围岩的渗透性规律提供机理支撑。
[0032]
请参照图1，本实施例提供一种模拟岩石渗流的试验装置，其包括试样架和图像采集器，试样架用于放置待测试样5，试样架连接有加载组件，加载组件连接有伺服泵组7，伺服泵组7通过加载组件向待测试样5施加动载荷并注入渗透流体11，待测试样5连通集液器83，集液器83收集从待测试样5流出的渗透流体11，图像采集器朝向待测试样5，用于采集渗透流体11在待测试样5内运移路径的图像。
[0033]
试样架用于放置待测试样5，试样架包括两个相对设置的支撑柱3以及位于两个支撑柱3之间底座6，待测试样5夹在两个支撑柱3之间，并固定在底座6上，试样架连接有加载组件，加载组件包括反力板1、与反力板1连接的压头2和活塞4，加载组件位于试样架的两端，其中一端用于施加动载荷、另一端用于注入渗透流体11。
[0034]
具体地，反力板1和活塞4分别设在试样架相对的两端，压头2对应位于靠近待测试样5的一端，也就是说，反力板1和压头2为一组，位于试样架的一开口端，活塞4位于试样架设有底座6一端，活塞4和底座6连接。
[0035]
加载组件连接有伺服泵组7，伺服泵组7通过加载组件向待测试样5施加动载荷并注入渗透流体11。
[0036]
具体地，伺服泵组7包括液压泵和轴压泵，液压泵用于注入渗透流体11，轴压泵用于施加动载荷。
[0037]
轴压泵与活塞4连接，通过活塞4向待测试样5施加动载荷，以模拟动载荷扰动。液压泵与压头2连接，通过压头2向待测试样5注入渗透流体11。这样一来，待测试样5的一端被施加动载荷、另一端被注入渗透流体11。
[0038]
待测试样5连通集液器83，集液器83收集从待测试样5流出的渗透流体11，通过集液器83内渗透流体11的量，采用达西定律即可计算动载荷扰动下待测试样5的渗透率。
[0039]
图像采集器朝向待测试样5，用于采集渗透流体11在待测试样5内运移路径的图像，具体地，图像采集器可为高速摄像机10，拍摄渗透流体11在待测试样5中的流动过程，以得到渗透流体11在待测试样5内运移路径，如图3所示。
[0040]
通过在扰动载荷下得到的渗透流体11在待测试样5内的运移路径，和上述得到的渗透率对应分析，可有效、直观地观测渗透流体11在待测试样5的孔隙55介质中的运移规律，以及不同形式的动力参数施加后渗透流体11状态的显著变化，从微观上使渗透流体11状态的变化和渗透率的计算结果互为验证，这对于从根本上解释渗透率的变化(增大或减小)具有重要的机理作用。
[0041]
需要强调的是，该模拟试验中的渗透流体11一般不可用水，应该采用粘稠度较大的流体，使其在待测试样5中缓慢流动，通过在渗透流体11中添加无害颜料，跟踪其运动轨迹。
[0042]
本实用新型实施例提供的模拟岩石渗流的试验装置，待测试样5放置在试样架内，试样架连接加载组件，伺服泵通过加载组件向待测试样5的一端施加动载荷，伺服泵还通过加载组件向待测试样5的另一端注入渗透流体11，使渗透流体11在待测试样5的孔隙55间流动，集液器83收集从待测试样5流出的渗透流体11，通过集液器83内渗透流体11的量，采用达西定律即可计算动载荷扰动下待测试样5的渗透率。图像采集器朝向待测试样5，用于采集渗透流体11在待测试样5内运移路径的图像，获取渗透流体11在待测试样5中的流动过程，以得到渗透流体11在待测试样5内运移路径。通过在扰动载荷下得到的渗透流体11在待测试样5内的运移路径和渗透率，可有效、直观地观测渗透流体11在待测试样5的孔隙55介质中的运移规律，以及不同形式的动力参数施加后渗透流体11状态的显著变化，从微观上使渗透流体11状态的变化和渗透率的计算结果互为验证，这对于从根本上解释渗透率的变化(增大或减小)具有重要的机理作用。
[0043]
具体地，液压泵通过输液管道81与压头2连通，压头2中内置输液通道，输液管道81的两端分别连通液压泵和待测试样5，可以将液压泵中的渗透流体11通过输液管道81注入待测试样5内。
[0044]
另一方面，轴压泵还分别通过第一轴压通道91和第二轴压通道92与活塞4连通。轴压泵分别通过第一轴压通道91和第二轴压通道92向活塞4输送压力油，压力油驱动活塞4伸出，推动待测试样5顶住压头2，向待测试样5施加动载荷。
[0045]
底座6通过排液管道82和集液器83连通，以将从待测试样5内流出的渗透流体11经排液管道82排向集液器83。通过集液器83中渗透流体11的量，用达西定律动可求动荷载扰动下待测试样5的渗透率。
[0046]
如图6所示，本实施例还提供一种模拟岩石渗流的试验方法，采用上述的模拟岩石渗流的试验装置，该方法包括：
[0047]
s100：制备待测试样5并安装。
[0048]
待测试样5包括壳体51，壳体51具有两个相对设置的两个开口，分别用于使渗透流体11流入和流出，壳体51内设有骨架，骨架包括多个平行排列的单体52，相邻单体52之间设有间隙，壳体51的一个面上设有透明盖板53，图像采集器朝向透明盖板。
[0049]
图2展示了岩石细观结构的简化和制作方法。模拟岩石细观结构的待测试样5由壳体51、单体52和透明盖板53组成。壳体51为一个矩形框架，具有三个开口，其中一个开口用于设置透明盖板53，另两个开口分别用于使渗透流体11流入和流出。
[0050]
骨架由多个单体52构成，单体52为圆柱形，单体52的高度与壳体51和透明盖板53之间的距离相等，错落有序的整齐排列。单体52之间留有缝隙，即为孔隙55，较好的模拟了岩石作为天然材料所特有的孔隙55介质特性。滤网54置于压头2和整齐排列的单体52之间，起到过滤杂质的目的。
[0051]
设置透明盖板53的目的是为了方便高速摄像机10拍摄，高速摄像机10朝向透明盖板53拍摄，渗透流体11从单体52之间的孔隙55流过，透过透明盖板53，高速摄像机10可获取孔隙55中的渗透流体11的运移路径。
[0052]
需要强调的是，待测试样5可以由工程现场获取的完整大块岩石，经高精度雕刻机雕刻后形成壳体51和骨架，进而安装透明盖板53组成一个整体；待测试样5也可以是采用3d打印技术，将强度和透明度较好的材料直接打印制成；待测试样5的结构不仅局限于图2所示的形状，也可以为蜂窝状等无规则的结构。
[0053]
s110：向待测试样5施加动载荷。
[0054]
s111：将待测试样5安装好后，启动液压泵和轴压泵等，向待测试样5施加预紧载荷，使待测试样5的一端与加载组件抵持，以对待测试样5预紧。
[0055]
待测试样5在轴压泵的作用下带动活塞4向上移动，待测试样5与反力板1接触并有一定的预紧作用。
[0056]
s112：向待测试样5施加动载荷。
[0057]
本实施例中通过轴压泵向待测试样5施加的为动载荷。
[0058]
s120：向待测试样5注入渗透流体11。
[0059]
液压泵通过输液管道81向待测试样5内注入渗透流体11，可在渗透流体11中添加无害颜料，方便高速摄像机10清楚拍摄渗透流体11在待测试样5中的运移路径。
[0060]
s130：获取渗透流体11在待测试样5中的运移路径。
[0061]
通过高速摄像机10对渗透试验的全过程进行全局拍摄，可以捕捉到持续的周期动荷载作用下，渗透流体11的运动方向和在待测试样5的孔隙55中的分布状态。将渗透流体11中掺加无害的颜料的目的正是为了识别和清楚的观察到渗透流体11在待测试样5内的运动过程。
[0062]
s140：获取从待测试样5流出的渗透流体11，计算待测试样5的渗透率。
[0063]
通过集液器83中液体的量，用达西定律动可求动荷载扰动下待测试样5的渗透率。
[0064]
渗透率从宏观角度表现待测试样5在动载荷扰动下的变化规律，通过高速摄像机10拍摄的渗透流体11在待测试样5中的运移路径，使从微观角度表现待测试样5在动载荷扰动下的变化规律，两者相互印证。
[0065]
进一步的，图4和图5给出了动荷载扰动下渗透流体11状态的显著变化。在图5中，渗透流体11在静荷载的作用下附着于骨架表面缓慢流动。当轴向的周期荷载作用后，流体
克服表面张力的作用，逐渐脱离骨架，从而在孔隙55中快速流动，在宏观上表现为渗透率的明显增加。
[0066]
同样地，图5给出了微观试验中动荷载作用下渗透流体11的另外一种变化情况，即动荷载的施加使孔隙55中原本汇集成团的渗透流体11发生了分离，形成了更小单元的渗透流体11并附着在骨架上。在此种情况下，渗透流体11的流动性变得相对迟缓，在宏观上表现为渗透率的减小。
[0067]
通过高速摄像机10对试样的局部进行捕捉拍摄，可以获得流体状态的显著变化。值得说明的是，采用不同黏度的流体、施加不同的荷载形式(静荷载、动静组合荷载)以及施加不同的动力参数(如频率、振幅等)，均会表现出不同的效果。
[0068]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。