化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置

1、一种化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置， 其特征在于，该装置包含盒体(1)、一对加载轴(2)、水嘴(3)、增 压器(4)、不锈钢管(5)、排气阀(6)；盒体(1)为中空长方体， 盒体(1)的顶端及其一侧为透明材料(7)，其中盒体(1)顶端的透 明材料(7)与盒体(1)间用O型密封圈密封，将透明材料(7)中 的螺孔与盒体(1)上的螺孔(8)对齐，用螺钉固定在盒体(1)上， 盒体(1)两端的中间开有同轴圆孔，一对加载轴(2)均为圆柱体， 大小与圆孔相匹配，分别安装在两个圆孔中，加载轴(2)与圆孔间 用O型密封圈密封，在盒体(1)一侧为透明材料(7)的另一侧上 方安装排气阀(6)，排气阀(6)尽量靠近盒体(1)顶端，下方安装 水嘴(3)经不锈钢管与增压器(4)连接。

技术领域：\n本发明涉及岩石变形破裂全过程的细观力学试验，更具体涉及三 向受压时化学腐蚀下的岩石破裂全过程的细观力学试验。适用于考虑 围压及化学溶液影响的岩石变形破裂全过程的细观力学加载试验。\n背景技术：\n化学腐蚀下的岩石强度和破裂特性的研究是核废料处理、地热开 发、石油钻井、地震机制、有毒有害物质的储存、岩土工程的长期稳 定性评价等方面的最基础课题之一，也是岩石力学研究的最前沿课题 之一。其主要原因是：地下水无处不在。环境中的腐蚀物质的化学反 应、应力腐蚀，使得岩石的强度降低、破裂加快，最终导致失稳。探 讨地质过程中化学对裂纹增长的影响，可以为岩硐的长期稳定性、地 震机制和核废料处理过程中的长期亚临界裂纹增长提供重要的基本 数据。例如，如果水中含有一定离子浓度的NaCl、CaCl2或者Na2SO4， 则使砂岩的滑移摩擦系数降低20-46％，而且这种滑移摩擦系数的降 低程度取决于离子的浓度和pH值。\n另一方面，利用化学的作用可以提高钻井效率。有关研究表明： 湿润条件下的破坏韧性值比干燥条件下的要低，裂纹扩展速度加快。 ξ电位与裂纹增长、钻进效率具有一定的关系。ξ电位等于0时，岩 石材料脆性增强，对环境的影响更加敏感，抗压强度最低，亚临界裂 纹扩展速度将提高1个数量级以上。因此，如果将一些零ξ电位的 化学溶液加入到钻井液与破裂液中，就可以提高岩石的可钻性和可破 裂性。\n实际中的工程岩体都具有一定的埋深，受到一定的围压作用，进 行不同围压下的化学腐蚀岩石力学实验，更能满足实际工程的需要， 计算结果也更接近于实际工程。研究不同围压、不同化学溶液作用下 岩石破坏损伤演化过程、规律，不同围压下化学环境的腐蚀破裂机理 具有更为重要而广泛的科学意义；目前还无法实现对受不同围压、不 同化学溶液作用的岩石破裂过程进行有效的模拟和行为预测。其根本 原因是缺乏与研究相配套的实验方法及设备。\nCT实时扫描试验与显微镜实时观测试验等细观力学试验是揭示 岩石破裂过程中其内部损伤演化规律的一种有效的手段，但CT实时 扫描试验与显微镜实时观测试验不能实现三向加载条件下化学腐蚀 的岩石破裂全过程研究。\n发明内容\n本发明的目的在于，提供一种化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压 缩细观力学试验装置。该装置主要是在盒体上端与一侧安装透明材 料，水嘴及排气阀，水嘴与增压器连接，用于向盒体中提供液体及围 压，排气阀用于将盒体中的气体排出。主要优点是实现了三向加载条 件下的化学腐蚀的岩石变形破裂全过程的细观力学实验，并便于试验 过程及其对多个试件表面的裂纹扩展全过程进行显微放大与CCD全 场观察。\n为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：\n一种化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩细观力学试验装置，该 装置包含盒体、一对加载轴、水嘴、增压器、不锈钢管、排气阀。盒 体为中空长方体，盒体顶端及一侧为硬质透明材料，其中盒体顶端的 透明材料与盒体间用O型密封圈密封，将透明材料中的螺孔与盒体 上的螺孔对齐，用螺钉固定在盒体上，盒体两端的中间开有同轴圆孔， 一对加载轴均为圆柱体，大小与圆孔相匹配，分别安装在两个圆孔中， 加载轴与圆孔间用O型密封圈密封，在盒体一侧为透明材料的另一 侧上方安装排气阀，排气阀尽量靠近盒体顶端，下方安装水嘴经不锈 钢管与增压器连接。\n本发明在岩石力学试验中的应用：\n1、打开盒体顶端的螺钉，将透明材料取下，把岩石试件放于两 个加载轴中间，并夹紧，密封圈放于盒体顶端凹槽处，透明材料用螺 钉固定在盒体上。\n2、将本装置放在加载试验台上。\n3、向增压器中加入试验需要的化学溶液，开启增压器向盒体中 注入试验需要的化学溶液，当盒体上的排气阀中有溶液流出时，关闭 排气阀。\n4、增压器继续向盒体加压，当盒体中围压达到试验要求时，关 闭增压器。\n5、对一对加载轴均匀施加压力，一对加载轴则将所受的力传递 到试件上，进行三轴压缩下的化学腐蚀岩石力学试验。由于盒体的顶 端与一侧采用了透明材料，便于对试件的上表面和一个侧面的破坏过 程进行显微放大与CCD全场观测或者录像记录。\n6、不同围压、不同化学溶液、以及不同荷载的共同作用下，其 对岩石试件的破坏过程、方式亦会有相应的变化。本装置的目的就是 为细观、宏观观察、记录该变化提供试验手段，为不同化学溶液、不 同围压以及不同轴向荷载对岩石破坏作用的理论分析提供依据。\n本发明具有的优点和积极效果在于：\n1、本装置可进行不同围压下不同化学溶液与不同轴向荷载共同 作用对岩石破坏的影响，能满足不同围压下，不同化学溶液对岩石破 坏全过程影响的岩石细观力学实验的需要；\n2、由于本装置一个侧面与上表面采用了透明材料，便于对试件 破坏过程进行细观与宏观观测或者录像记录；\n3、本装置简单、易行，且成本低廉，具有抗化学腐蚀能力；\n4、为核废料处理、地热开发、石油钻井、地震机制、有毒有害 物质的储存，岩土工程长期稳定性评价等需考虑不同围压、不同化学 溶液、以及不同荷载共同作用对岩石破坏影响的岩土工程，提供了更 全面、可靠的试验手段。\n附图说明：\n图1为本发明的结构示意图。\n其中：1为盒体、2为加载轴、3为水嘴、4为增压器、5为不锈 钢管、6为排气阀、7为透明材料、8为螺孔。\n具体实施方式：\n以下结合附图对本发明作进一步的说明：\n由图1可知，本发明的一种化学腐蚀下岩石破裂全过程三轴压缩 细观力学试验装置包含盒体1、一对加载轴2、水嘴3、增压器4、不 锈钢管5、排气阀6；盒体1为中空长方体，盒体1的顶端及其一侧 为透明材料7如有机玻璃，其它部分采用不锈钢材料，其中盒体1顶 端的透明材料7与盒体间用O型密封圈密封，将透明材料7中的螺 孔与盒体1上的螺孔8对齐，用螺钉固定在盒体1上，盒体1两端的 中间开有同轴圆孔，一对加载轴2均为圆柱体，大小与圆孔相匹配， 分别安装在两个圆孔中，加载轴2与圆孔间用O型密封圈密封，在 盒体1一侧为透明材料7的另一侧上方安装排气阀6，排气阀6尽量 靠近盒体1顶端，下方安装水嘴3经不锈钢管与增压器4连接。