[发明专利]一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统及方法，特别适用于岩土、地质的裂隙岩体或者孔隙介质渗流的测试系统及方法。

背景技术

地下裂隙或者孔隙岩体的渗流特性对地下工程的设计和安全运行具有重要的影响。在自然条件下，含裂隙或孔隙岩土体的渗透特性与地下应力环境密切相关。有研究表明，裂隙宽度的微小改变将引起裂隙渗流量的巨大变化，裂隙开度受裂隙面上的应力控制。渗透压力也可以影响裂隙面的有效应力，为准确分析含裂隙或孔隙岩体的渗流问题，需要考虑应力与渗流的耦合作用。目前，应力对裂隙或孔隙岩土体渗透特性的影响尚需进行深入研究。现有仪器设备不具备长时间高渗透率、加载与渗流同时进行以及双向加载互不影响的特点。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统及方法，解决现有仪器设备不具备长时间高渗透率、加载与渗流同时进行以及双向加载互不影响的问题。

技术方案：本发明的裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，包括：渗流实验装置、应力和位移加载系统和数据采集系统；渗流实验装置与应力和位移加载系统连接，渗流实验装置与应力和位移加载系统的电控数据输送到数据采集系统，根据数据采集系统将采集到电控数据对渗流实验装置与应力和位移加载系统进行控制。

所述的渗流实验装置包括：过滤阀、电动试压泵、溢流阀、换向阀、限流阀、蓄能器、流量传感器、压力传感器、截止阀、贮水箱、水管、渗透仪装置、滤液阀和拓展接口；过滤阀、电动试压泵、换向阀、限流阀和流量传感器顺序连接，并连接有二个截止阀，一个截止阀连接到贮水箱内，一个截止阀与水管连接，在电动试压泵和换向阀之间通过溢流阀连接至水池内，在流量传感器两端或者在限流阀和储水箱之间的管道上连接有蓄能器和压力传感器，水管的另一端连接二个截止阀，一截止阀与贮水箱的底部连接，一个截止阀与渗透仪装置的上入口连接，在该截止阀上还通截止阀并联有拓展接口，渗透仪装置的下出口通过滤液阀连接至水池内。

所述的渗透仪装置包括：渗透仪上压头、梯形垫块、PVC密封带、带有圆形浅凹槽的渗透仪下压头和弹性垫块；渗透仪装置的下端到上端依次为带有圆形浅凹槽的渗透仪下压头、梯形垫块、弹性垫块、裂隙试样、弹性垫块、梯形垫块、渗透仪上压头，裂隙试样两端的梯形垫块与弹性垫块关于裂隙试样反对称放置；用PVC密封带把渗透仪的所有装置密封连接。

所述的裂隙试样为横截面为正方形的长方体多孔介质或相似模拟试样。

通过电动试压泵和贮水箱设备提供渗流水源，利用限流阀、溢流阀、换向阀以及压力与流量传感器调节渗透压力及流量。

所述的应力和位移加载系统包括：手动试压泵、液压油泵、液压油管、侧向液压加载装置、侧压反力架、轴压反力架、带压头和手轮的梯形螺杆、液压加载装置、位移传感器、液压油缸、球形压头支座、球形压头、平压板、圆柱销、小钢球、法兰轴承、直线光轴和侧压支架；在轴压反力架下底板上还连接有侧压支架，在侧压支架上固定有直线光轴，侧向液压加载装置通过法兰轴承连接在直线光轴上；手动试压泵和液压油泵并联，分别通过换向阀、液压油管与应力和位移加载装置连接，在液压油管上连接有蓄能器、压力传感器和液压油缸；侧向液压油缸外壳固定在侧压反力架一端底板，受液压油缸控制的球形压头支座顺序连接有球形压头、圆柱销和平压板，在侧压反力架另一端底板顺序连接圆柱销和平压板，在二平压板间为渗透仪装置；在球形压头支座和侧压反力架另一端底板之间连接有位移传感器；渗透仪装置的渗透仪下压头通过小钢球与带压头和手轮的梯形螺杆连接；侧向液压加载装置包括：液压油缸和球形压头支座，液压油缸和球形压头支座顺序连接；平压板在圆柱销上沿轴向加载方向滑动，小钢球在浅凹槽内自由滑动，法兰轴承沿直线光轴滑动，共同组成互不相关三自由度滑动系统。

所述的侧向液压加载装置通过法兰轴承、直线光轴和侧压支架与轴向位移加载系统固定在一起形成共同的加载空间，侧向液压加载装置随法兰轴承在直线光轴上滑动；渗透仪装置放置在共同加载空间内，渗透仪上压头固定在轴向反力架上底板；侧向液压加载装置由液压油泵和手动试压泵提供液压源，侧向压力从液压油缸依次通过球形压头支座、球形压头、圆柱销、平压板传递到渗透仪装置侧面，轴向位移通过梯形螺杆上的压头和小钢球施加在带有圆形浅凹槽渗透仪下压头上。