应力—水流—化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置

1、一种应力-水流-化学耦合的岩石单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)、两个水嘴 (3)、水泵(4)、控制阀(5)、两根水管(6)、容器(7)；盒体(1) 为上方敞开的中空长方体，其一侧为硬质透明材料(8)，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)透明材料(8)的另一侧上下方各安装一个水 嘴(3)，上方的水嘴(3)靠近盒体(1)顶端，并与一水管(6)连 接，下方水嘴(3)经另一水管(6)通过控制阀(5)与水泵(4)连 接，上方水嘴(3)的水管(6)和水泵(4)均放入容器(7)中。

技术领域：\n本发明涉及岩石细观力学试验，更具体涉及岩石单轴压缩应力- 水流-化学耦合作用下变形破裂全过程的细观力学试验。适用于考虑 单向压应力、水流、化学腐蚀等影响的岩石细观力学加载试验。\n背景技术：\n裂隙岩石的化学-水流-应力耦合过程研究是国际岩石力学领域 最前沿的课题之一，是核废料地下处置、地下能源储存、地下二氧化 碳储存、地热开发、石油开采、坝基、边坡、硐室等众多与水相关的 岩石工程的最基础性研究课题之一，具有十分重要的科学意义。主要 体现在，一方面，在岩石工程的安全性的诸多影响因素中，水是最活 跃的一个因素。岩土体受化学溶液侵蚀作用后，由于水-岩作用削弱 了矿物颗粒间联结、或腐蚀矿物颗粒晶格而使岩土体物理力学性质变 异，同时水溶液通过溶蚀岩土体而将溶蚀物质带走，使岩土体性状变 差，甚至出现工程事故，对岩土工程的长期稳定性产生威胁。如世界 文化遗产之一-洛阳龙门石窟，由于石窟区灰岩渗水溶蚀作用，致使 大多数硐窟终年渗水不断，加之硐窟顶部植被发育，化学溶液引起的 溶蚀孔隙仍在不断增大，目前尚无良好的治理方案；而堪称世界第九 大奇迹的浙江龙游石窟，该建筑群所面临的主要变形破坏的工程问题 之一，也是地下水渗透溶蚀引起的砂岩塌顶掉块问题。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。近现代以来出 现的低渗透油气田的酸化开采、岩土体的化学灌浆加固与防渗等，表 明化学的作用在岩土工程中的应用已愈来愈广泛。\n上述研究尚未涉及化学-水流-应力耦合下裂隙相互作用的机制 及其分析方法研究。实际上，节理岩体存在多裂隙的，许多情况下化 学溶液对岩体的腐蚀破坏是从岩体介质初始结构面即初始损伤开始 的，Palmer曾指出大型溶洞体系大多是沿岩石中先存的层面或结构面 发育的，在所研究的数千洞穴中，57％沿层面发育，而42％沿先存裂 隙网络发育，仅有1％沿岩石颗粒间的孔隙发育。而且，许多裂隙(节 理)岩体的安全性往往受到化学、水流、应力耦合作用的影响。因此， 研究化学、水流、应力耦合作用下岩石裂隙萌生、扩展、贯通及相互 作用的内部损伤演化过程、规律，化学环境的腐蚀破裂机理、新裂隙 的形成与新形成裂隙的化学物质的吸附作用以及发生速度等具有更 为重要而广泛的科学意义；化学-水流-应力耦合作用下多裂隙岩石破 坏过程的本构关系还未建立起来，从而未能实现对受化学、水流、应 力耦合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水化学腐蚀、水流与应力耦 合的岩石破裂全过程研究。\n既然水-岩作用的实质是削弱矿物颗粒间联结或腐蚀矿物颗粒晶 格而使岩土体物理力学性质变异，同时化学溶液通过溶蚀岩土体而将 溶蚀物质带走，使岩土体性状变差。因此，需要采用细观力学试验方 法，揭示这种应力-水流-化学腐蚀耦合作用下岩石破裂过程中其内部 损伤演化规律。\n发明内容\n本发明的目的在于，提供一种应力-水流-化学耦合的岩石单轴 压缩细观力学试验装置。该装置主要是在盒体一侧安装透明材料，以 及两个水嘴，一个水嘴与水泵连接，用于向盒体提供液体，另一个水 嘴与水管连接，用于将盒体中高于该水嘴的液体排出。主要优点是实 现了应力-水流-化学腐蚀三场耦合过程的岩石单轴压缩细观力学 实验，并便于试验过程中试件裂纹扩展全过程的显微镜放大与CCD 观察。\n为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：\n一种应力-水流-化学耦合的岩石单轴压缩细观力学试验装置， 该装置包含盒体、一对加载轴、两个水嘴、水泵、控制阀、两根水管 和容器。盒体为上方敞开的中空长方体，其一侧为硬质透明材料，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， 在盒体透明材料的另一侧上下方各安装一个水嘴，上方的水嘴尽量靠 近盒体顶端，并与水管连接，下方水嘴经水管通过控制阀与水泵连接， 上方水嘴的水管和水泵均放入容器中。\n本发明在岩石细观力学试验中的应用：\n1、盒体上部是敞开的，从这里将岩石试件放于两个加载轴中间， 并夹紧。\n2、在容器中倒入试验需要的化学溶液，把水泵放入容器中，使 得水泵能完全浸没在化学溶液中。\n3、位于盒体上方水嘴的水管为出水管，其出水口置于容器的上 方，并高于化学溶液的表面，以便于溶液顺利流出。\n4、水泵将容器中的化学溶液抽到盒体中，当化学溶液高过盒体 上方水嘴时，会通过出水管将高过上方水嘴的化学溶液流回到容器 中，此时，试件浸没在化学溶液中。\n5、控制阀是用于控制化学溶液在盒体中的流速，根据试验要求， 通过调节控制阀来控制盒体中化学溶液流速的大小。\n6、将本装置放在加载试验台上，使一对加载轴均匀受力，一对 加载轴则将所受的力传递到试件上，进行应力-水流-化学耦合的力 学试验。由于盒体有一侧采用了透明材料，便于对试件破坏全过程的 CCD观测或者录像记录。\n7、用不同化学溶液、在不同流速、以及不同的荷载共同作用下， 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 是为观察、记录该变化提供试验手段，为应力-水流-化学腐蚀三场 耦合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、本装置可进行不同化学溶液、不同流速、以及不同荷载共同 作用对岩石破坏的影响，能满足应力-水流-化学腐蚀三场耦合对岩 石细观力学实验的需要；\n2、由于本装置有一侧采用了透明材料，便于对试件破坏全过程 的CCD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化学溶液、不同 流速、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为水泵、5为控制阀、 6为水管、7为容器、8为透明材料。\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，本发明的一种应力-水流-化学耦合的岩石单轴压 缩细观力学试验装置包含盒体1、一对加载轴2、两个水嘴3、水泵4、 控制阀5、两根水管6、容器7；盒体1为上方敞开的中空长方体， 其一侧为硬质透明材料8如有机玻璃、其它部分采用不锈钢材料，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透明材料8的另一侧上下方各安装一个水嘴3，上 方的水嘴3尽量靠近盒体1顶端，并与水管6连接，下方水嘴3经水 管6通过控制阀5与水泵4连接，上方水嘴3的水管6和水泵4均放 入容器7中。