一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置。本實用新型涉及的裝置包括軸壓伺服系統、圍壓伺服系統、水(氣)壓伺服系統、數據采集系統及數據處理系統，可開展靜水壓縮、三軸壓縮全過程及加卸載循環下的應力－滲流耦合試驗。通過數據采集系統實時測量記錄巖石試樣當前圍壓、偏壓值，軸向、環向以及體積應變值，進、出口端壓力值；數據處理系統繪制出相應的應力－應變曲線，進、出口端壓力－時程曲線，試樣變形與孔隙水(氣)壓曲線，然后自動計算出巖石試樣的滲透率、孔隙率、軸向及側向Biot系數，并進行存儲及顯示。該測量裝置可完成巖石材料特別是低滲巖石在復雜應力路徑下應力－滲流耦合試驗，試驗結果可靠，并可直觀顯示。
【專利說明】一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種耦合裝置，尤其是涉及一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置。
【背景技術】
[0002]巖石在復雜應力環境下的變形特性與滲透特性研究是大型水利水電、深部資源開采、油/氣能源地下儲存、地下空間利用等領域重大工程建設迫切需要解決的關鍵問題。由于巖石賦存環境的復雜性，在各種工程荷載的作用下，巖石初始地應力場受到改造，應力場分布發生變化，巖石產生變形和細觀結構的演化，從而導致巖石的滲透特性發生變化；相應地，巖石滲透特性的變化將導致滲流場的分布發生改變，從而又進一步改造巖石應力場。巖石滲流場和應力場的這種相互作用和相互影響稱為巖石滲流-應力耦合作用，巖石應力-滲流耦合試驗是開展巖石應力場和滲流場耦合機理研究的關鍵。然而，常規的現場試驗方法很難獲取巖石變形過程中滲透特性的變化規律，采用巖石室內三軸壓縮過程中的滲透試驗可以揭示其應力-應變全過程中滲透率的演化規律。
[0003]自上世紀50年代以來，巖石三軸壓縮過程中的滲透特性研究受到了學術界和工程界的重視。然而，國內外許多學者的大部分滲透性試驗主要針對滲透系數比較高滲透率在10_12?10_16m2量級的巖樣，三軸壓縮過程中低滲巖石滲透率在10_16?10_22m2量級的滲透性試驗成果并不多見。已有研究成果表明，巖石在三軸壓縮過程中的全應力-應變曲線可劃分為初始壓密階段、彈性變形階段、局部損傷階段、劇烈損傷階段及峰后破壞階段，在此過程中巖石的滲透特性相應地表現為初始下降、彈性穩定、峰前穩定增大、峰值附近劇烈增大及峰后下降等特征。
[0004]當前，巖石(尤其是低滲巖石)在三軸壓縮過程中的滲透性試驗研究已成為國際巖石力學領域的研究熱點，試驗手段多采用瞬態壓力脈沖法，滲透流體多采用水或氣體如氮氣、氦氣。然而，由于巖石三軸壓縮過程中滲透特性試驗的特殊性和復雜性，國內目前尚未研發出功能完善的巖石三軸壓縮-水(氣)耦合裝置。
實用新型內容
[0005]本實用新型的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0006]一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，其特征在于，包括軸壓伺服系統、圍壓伺服系統、流體注入系統、流體滲透系統，以及與所述系統相連的數據采集、處理裝置。
[0007]在上述的一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，所述軸壓伺服系統包括軸壓伺服高精度液壓泵、與之相連的第一液壓閥門，緊接第一液壓閥門后的軸壓傳感器；所述軸壓伺服高精度液壓泵還與數據采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器還與氣體滲透系統連接。
[0008]在上述的一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，所述圍壓伺服系統包括圍壓伺服高精度液壓泵、與之相連的第二液壓閥門，緊接第一液壓閥門后的圍壓傳感器；所述圍壓伺服高精度液壓泵還與數據采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器還與氣體滲透系統連接。[0009]在上述的一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，所述流體注入系統包括依此相連的高壓氮氣、氣閥、氣體減壓閥，水瓶及與水瓶相連的水閥，水/氣壓伺服高精度液壓泵以及第三液壓閥門相連，所述第三液壓閥門前與水(氣)壓高精度液壓泵相連后與上述水閥連接，再與氣體滲透系統相連。
[0010]在上述的一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，所述流體滲透系統包括進口端、試樣及試樣密封系統、三軸壓力室及支撐傳力裝置、出口端；其中進口端包括進口端壓力傳感器、第四液壓閥門、進口端鋼瓶、第五液壓閥門；所述第四液壓閥門前與進口端壓力傳感器，后與進口端鋼瓶、第五液壓閥門依次相連；所述試樣兩端放置滲透活塞，橡皮套將試樣和滲透活塞包裹，封氣箍緊箍在橡皮套兩端將試樣密封；所述三軸壓力室及支撐傳力裝置包括三軸壓力室、支架、千斤頂、置于壓力室底端并與一個流體回收容器相連的第六液壓閥門，置于壓力室上連通大氣的第七液壓閥門；出口端包括出口端壓力傳感器，第八液壓閥門以及順次相連的出口端鋼瓶、第九液壓閥門，第十液壓閥門，其中出口端壓力傳感器分別與第八液壓閥門、第十液壓閥門相連；進口端與出口端由第十一液壓閥門相連通。
[0011]在上述的一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，所述數據采集、處理裝置包括計算機采集及處理系統。
[0012]本實用新型涉及到的三個過程如下:
[0013]力學過程:軸壓、圍壓伺服系統可實現靜水壓縮、三軸壓縮全過程及加卸載循環等復雜應力路徑過程，操作方便、自動化程度高，加壓過程完全在計算機控制下進行；軸壓、圍壓伺服系統可以在巖石試樣軸向施加O?375MPa偏壓,側向施加O?60MPa圍壓，施壓控制精度為0.0lMPa，可在兩個月內保持穩定，誤差不超過1% ;軸向偏壓加載可以選用位移、軸向應變率、常壓力梯度和變應力梯度四種方式控制，側向圍壓加載可以選用環向應變率、常壓力和變應力三種方式控制。
[0014]滲流過程:通過水/氣壓伺服系統可在巖石試樣進、出口端施加孔隙水(氣)壓，水/氣壓伺服系統由流體注入系統和流體滲透系統組成；流體注入系統可提供O?40MP的孔隙水壓或者0.1?IOMPa的高純氮氣，施壓控制精度為0.0lMPa，誤差不超過1% ;流體滲透系統可進行管道回路和鋼瓶回路兩個不同量程的水(氣)滲透試驗。管道回路可進行10_16?IO-22Hi2量程的流體滲透試驗，由進口管道、試樣、出口管道組成，進口管道與出口管道由液壓閥連接；鋼瓶回路可進行10_12?10_18m2量程的流體滲透試驗，由進口管道、進口鋼瓶、試樣、出口鋼瓶、出口管道組成。
[0015]耦合過程:通過軸壓、圍壓伺服系統，施加至預設的圍壓、偏壓值并保持穩定，在巖石試樣進、出口端通過水/氣壓伺服系統施加孔隙水(氣)壓進行耦合試驗。通過數據采集系統實時測量記錄巖石試樣當前圍壓、偏壓值，軸向、環向以及體積應變值，進、出口端壓力值；數據處理系統繪制出相應的應力一應變曲線，進、出口端壓力一時程曲線，試樣變形與孔隙水(氣)壓曲線，然后自動計算出巖石試樣的滲透率、孔隙率、軸向及側向Biot系數，并進行存儲及顯示。
[0016]因此，本實用新型具有如下優點:能夠完成巖石材料特別是低滲巖石在復雜應力路徑下應力一滲流耦合試驗，試驗結果可靠，并可直觀顯示。
【專利附圖】
【附圖說明】[0017]附圖1為巖石三軸壓縮一水(氣)耦合裝置示意圖。
[0018]附圖2為軸壓、圍壓伺服系統示意圖。
[0019]附圖3a為靜水壓縮示意圖。
[0020]附圖3b為三軸壓縮全應力-應變示意圖。
[0021]附圖3c為加卸載循環示意圖。
[0022]附圖4為流體注入系統示意圖。
[0023]附圖5為流體滲透系統示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面通過實施例，并結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步具體的說明。附圖中:軸壓伺服高精度液壓泵1、第一液壓閥門2、軸壓傳感器3、圍壓伺服高精度液壓泵4、第二液壓閥門5、圍壓傳感器6、高壓氮氣7、氣閥8、氣體減壓閥9、水瓶10、水閥11、水/氣壓伺服高精度液壓泵12、第三液壓閥門13、進口端壓力傳感器14、流體回收容器15、封氣箍16、橡皮套17、試樣18、滲透活塞19、三軸壓力室20、支架21、千斤頂22、第六液壓閥門23、第七液壓閥門24、第十一液壓閥門25、第四液壓閥門26、進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28、第八液壓閥門29、出口端鋼瓶30、第九液壓閥門31、出口端壓力傳感器32、第十液壓閥門33、計算機采集及處理系統34。
[0025]實施例:
[0026]本實用新型包括軸壓伺服系統、圍壓伺服系統、流體注入系統、流體滲透系統，以及與所述系統相連的數據采集、處理裝置。
[0027]其中，軸壓伺服系統包括軸壓伺服高精度液壓泵1、與之相連的第一液壓閥門2，緊接第一液壓閥門2后的軸壓傳感器3 ;所述軸壓伺服高精度液壓泵I還與數據采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器3還與氣體滲透系統連接。
[0028]圍壓伺服系統包括圍壓伺服高精度液壓泵4、與之相連的第二液壓閥門5，緊接第一液壓閥門5后的圍壓傳感器6 ;所述圍壓伺服高精度液壓泵4還與數據采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器6還與氣體滲透系統連接。
[0029]流體注入系統包括依此相連的高壓氮氣7、氣閥8、氣體減壓閥9，水瓶11及與水瓶11相連的水閥10，水/氣壓伺服高精度液壓泵12以及第三液壓閥門13相連，所述第三液壓閥門13前與水(氣)壓高精度液壓泵12相連后與上述水閥10連接，再與氣體滲透系統相連。
[0030]流體滲透系統包括進口端、試樣及試樣密封系統、三軸壓力室及支撐傳力裝置、出口端；其中進口端包括進口端壓力傳感器14、第四液壓閥門26、進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28 ;所述第四液壓閥門26前與進口端壓力傳感器14，后與進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28依次相連；所述試樣18兩端放置滲透活塞19，橡皮套17將試樣18和滲透活塞19包裹，封氣箍16緊箍在橡皮套17兩端將試樣18密封；所述三軸壓力室及支撐傳力裝置包括三軸壓力室20、支架21、千斤頂22、置于壓力室20底端并與一個流體回收容器15相連的第六液壓閥門23，置于壓力室20上連通大氣的第七液壓閥門24 ;出口端包括出口端壓力傳感器32，第八液壓閥門29以及順次相連的出口端鋼瓶30、第九液壓閥門31，第十液壓閥門33，其中出口端壓力傳感器32分別與第八液壓閥門29、第十液壓閥門33相連；進口端與出口端由第十一液壓閥門25相連通。
[0031]數據采集、處理裝置包括計算機采集及處理系統34。
[0032]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
[0033]盡管本文較多地使用了軸壓伺服高精度液壓泵1、第一液壓閥門2、軸壓傳感器3、圍壓伺服高精度液壓泵4、第二液壓閥門5、圍壓傳感器6、高壓氮氣7、氣閥8、氣體減壓閥
9、水瓶10、水閥11、水/氣壓伺服高精度液壓泵12、第三液壓閥門13、進口端壓力傳感器14、流體回收容器15、封氣箍16、橡皮套17、試樣18、滲透活塞19、三軸壓力室20、支架21、千斤頂22、第六液壓閥門23、第七液壓閥門24、第十一液壓閥門25、第四液壓閥門26、進口端鋼瓶27、第五液壓閥門28、第八液壓閥門29、出口端鋼瓶30、第九液壓閥門31、出口端壓力傳感器32、第十液壓閥門33、計算機采集及處理系統34等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。
【權利要求】
1.一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，其特征在于，包括軸壓伺服系統、圍壓伺服系統、流體注入系統、流體滲透系統，以及與所述系統相連的數據采集、處理裝置； 所述軸壓伺服系統包括軸壓伺服高精度液壓泵(I)、與之相連的第一液壓閥門(2)，緊接第一液壓閥門(2)后的軸壓傳感器(3);所述軸壓伺服高精度液壓泵(I)還與數據采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器(3)還與氣體滲透系統連接； 所述圍壓伺服系統包括圍壓伺服高精度液壓泵(4)、與之相連的第二液壓閥門(5)，緊接第一液壓閥門(5)后的圍壓傳感器(6);所述圍壓伺服高精度液壓泵(4)還與數據采集、處理裝置連接；所述軸壓傳感器(6)還與氣體滲透系統連接； 所述流體注入系統包括依此相連的高壓氮氣(7)、氣閥(8)、氣體減壓閥(9)，水瓶(11)及與水瓶(11)相連的水閥(10)，水/氣壓伺服高精度液壓泵(12)以及第三液壓閥門(13)相連，所述第三液壓閥門(13)前與水氣壓高精度液壓泵(12)相連后與上述水閥(10)連接，再與氣體滲透系統相連； 所述流體滲透系統包括進口端、試樣及試樣密封系統、三軸壓力室及支撐傳力裝置、出口端；其中進口端包括進口端壓力傳感器(14)、第四液壓閥門(26)、進口端鋼瓶(27)、第五液壓閥門(28);所述第四液壓閥門(26)前與進口端壓力傳感器(14)，后與進口端鋼瓶(27)、第五液壓閥門(28)依次相連；所述試樣(18)兩端放置滲透活塞(19)，橡皮套(17)將試樣(18)和滲透活塞(19)包裹，封氣箍(16)緊箍在橡皮套(17)兩端將試樣(18)密封；所述三軸壓力室及支撐傳力裝置包括三軸壓力室(20)、支架(21)、千斤頂(22)、置于壓力室(20)底端并與一個流體回收容器(15)相連的第六液壓閥門(23)，置于壓力室(20)上連通大氣的第七液壓閥門(24);出口端包括出口端壓力傳感器(32)，第八液壓閥門(29)以及順次相連的出口端鋼瓶(30)、第九液壓閥門(31)，第十液壓閥門(33)，其中出口端壓力傳感器(32)分別與第八液壓閥門(29)、第十液壓閥門(33)相連；進口端與出口端由第十一液壓閥門(25)相連通。
2.根據權利要求1所述的一種巖石水氣滲流-應力耦合試驗裝置，其特征在于，所述數據采集、處理裝置包括計算機采集及處理系統(34 )。
【文檔編號】G01N15/08GK203376239SQ201320336643
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月9日 優先權日:2013年6月9日
【發明者】陳益峰, 胡少華, 魏凱, 胡冉, 周創兵 申請人:武漢大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
