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原文传递低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法

专利名称：	低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法
摘要：	本发明公开了一种低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法，包括渗透系统；供水系统与渗透系统的水流入口连接，竖向荷载加载系统的轴压输出端与渗透系统的轴压加载端连接进行轴压加载，环向荷载加载系统的围压输出端与渗透系统的围压加载端连接进行围压加载，干湿循环系统的热气输出端与渗透系统的热气入口连接，渗透系统的出水口与渗流量测量系统连接，渗透系统的热气出口与干湿循环系统的热气干燥端连接，进行干湿循环试验，变形量测量系统的输入端与渗透系统的轴向变形端和环向变形端连接；渗透系统包括底座、上下透水石、圆形不透水钢板和圆形透水钢板。解决了目前未考虑低应力与干湿循环的环境条件影响实验结果真实性的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	长沙理工大学
发明人：	邱祥;刘忠伟;付宏渊;胡红波;罗震宇;蒋煌斌;杨顺;姬云鹏;陈淼
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-08T00:00:00+0800
申请号：	CN201910814353.8
公开号：	CN110426337A
代理机构：	西安知诚思迈知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	麦春明
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	410114 湖南省长沙市天心区万家丽南路2段960号
主权项：	1.低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，包括渗透系统(2)、供水系统(3)、竖向荷载加载系统(4)、环向荷载加载系统、干湿循环系统、渗流量测量系统和变形量测量系统；供水系统(3)与渗透系统(2)的水流入口连接，竖向荷载加载系统(4)的轴压输出端与渗透系统(2)的轴压加载端连接，环向荷载加载系统的围压输出端与渗透系统(2)的围压加载端连接，干湿循环系统的热气输出端与渗透系统(2)的热气入口连接，渗透系统(2)的出水口与渗流量测量系统连接，渗透系统(2)的热气出口与干湿循环系统的热气干燥端连接，变形量测量系统的输入端与渗透系统(2)的轴向变形端和环向变形端连接。 2.根据权利要求1所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述渗透系统(2)由底座(21)、下透水石(22)、上透水石(24)、圆形不透水钢板(25)、圆柱形岩土体试样(26)和圆形透水钢板(27)组成；圆柱形岩土体试样(26)位于底座(21)上，下透水石(22)置于圆柱形岩土体试样(26)与底座(21)之间，圆柱形岩土体试样(26)的顶部设有从下到上依次放置的上透水石(24)、圆形透水钢板(27)和圆形不透水钢板(25)。 3.根据权利要求2所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述圆形不透水钢板(25)上设有球支座和两个圆形通孔，球支座上设有空心半球形凹槽；所述渗透系统(2)通过圆形不透水钢板(25)上的一个圆形通孔与供水系统(3)连接，其通过圆形不透水钢板(25)上的另一个圆形通孔与干湿循环系统连接，并通过圆形不透水钢板(25)上的球支座与竖向荷载加载系统(4)连接；所述底座(21)上设有引流槽(29)、出水孔和多圈从外向内依次嵌套的环形槽；出水孔嵌于最内圈的环形槽内，引流槽(29)一端与最外圈的环形槽相通，另一端向内依次连通所有环形槽后与出水孔相通；下透水石(22)与底座(21)上的环形槽相贴合，且下透水石(22)与底座(21)上最外圈的环形槽直径相等；所述渗透系统(2)通过底座(21)上的出水孔分别与渗流量测量系统和干湿循环系统连接。 4.根据权利要求3所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述竖向荷载加载系统(4)由阻力砝码(41)、斜杆(42)、竖直杆(43)、竖直加载杆(44)、加载砝码托盘(45)和加载砝码(46)组成；竖直杆(43)竖直固定于渗透系统(2)一侧，斜杆(42)一端用螺栓与竖直杆(43)的上部转动连接，加载砝码托盘(45)固定于斜杆(42)的另一端；竖直加载杆(44)位于竖直杆(43)和加载砝码托盘(45)之间；竖直加载杆(44)一端用螺栓与斜杆(42)转动连接，其另一端设有与球支座的空心半球形凹槽相匹配的钢球，竖向荷载加载系统(4)通过竖直加载杆(44)上的钢球以及球支座上的空心半球形凹槽与渗透系统(2)的球支座咬合固定；阻力砝码(41)固定于斜杆(42)与竖直杆(43)固定连接的一端，且阻力砝码(41)位于竖直杆(43)远离竖直加载杆(44)的一侧，加载砝码托盘(45)内放置加载砝码(46)。 5.根据权利要求2所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述环向荷载加载系统为依次套设在圆柱形岩土体试样(26)外侧面的多层规格相同的弹性橡胶膜(23)，第一层的弹性橡胶膜(23)通过防水胶固定套设在圆柱形岩土体试样(26)外侧面；所述下透水石(22)、上透水石(24)、圆形不透水钢板(25)和圆形透水钢板(27)均位于第一层的弹性橡胶膜(23)内；下透水石(22)、上透水石(24)、圆形不透水钢板(25)、圆柱形岩土体试样(26)和圆形透水钢板(27)的直径均与弹性橡胶膜(23)的内径相等，且这五者的外侧壁与第一层的弹性橡胶膜(23)的内壁相接触。 6.根据权利要求2～5任一项所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述供水系统(3)由储水装置(31)、入水管(33)和抽水泵(34)组成；入水管(33)一端经抽水泵(34)与储水装置(31)连通，其另一端与渗透系统(2)的圆形不透水钢板(25)上的一个圆形通孔相通，入水管(33)上设有第一阀门和测压计(32)；所述变形量测量系统由轴向变形量测量系统和环向变形量测量系统组成；所述轴向变形量测量系统由固定杆和千分表(61)组成，千分表(61)竖直固定在固定杆上，其测头置于圆形不透水钢板(25)上并与圆形不透水钢板(25)相接触；所述环向变形量测量系统由测距仪(62)、支撑杆(63)和可旋转底座(64)组成；可旋转底座(64)套设于底座(21)下部的外侧壁上，其可绕底座(21)转动；支撑杆(63)位于渗透系统(2)的侧面，并竖直固定在可旋转底座(64)上；测距仪(62)水平固定在支撑杆(63)上，且其测距端朝向圆柱形岩土体试样(26)；所述测距仪(62)的输出端与计算机电性连接。 7.根据权利要求6所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述干湿循环系统由热风机(51)、真空泵(52)和干燥装置(53)组成；热风机(51)经第二阀门与入水管(33)相通，真空泵(52)通过风管与渗透系统(2)的圆形不透水钢板(25)上的另一个圆形通孔相通，干燥装置(53)通过出水管(28)与渗透系统(2)的底座(21)上的出水孔相通。 8.根据权利要求7所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述渗流量测量系统由集水器(65)和电子天平(66)组成，集水器(65)置于电子天平(66)上；所述出水管(28)一端与底座(21)的出水孔连接，其另一端分成两个支路，一个支路经第三阀门与干燥装置(53)相通，另一个支路经第五阀门与渗流量测量系统的集水器(65)相通；所述风管一端与圆形不透水钢板(25)上的圆形通孔相通，其另一端分成两个支路，一个支路经第四阀门与真空泵(52)连接，另一个支路经第六阀门与外部空气相通；所述竖直杆(43)、固定杆和可旋转底座(64)均置于试验台(1)上，试验台(1)分为第一层台面(11)和第二层台面(12)两层；竖直杆(43)、固定杆和可旋转底座(64)固定在第一层台面(11)上，干燥装置(53)和电子天平(66)放置在第二层台面(12)上；出水管(28)贯穿第一层台面后分成两个支路分别与干燥装置(53)和集水器(65)一一对应连通；所述可旋转底座(64)为一个轴承，其内圈与试验台(1)固定连接，其外圈与支撑杆(63)固定连接；底座(21)嵌于可旋转底座(64)的内圈中，并与试验台(1)固定连接；所述支撑杆(63)由竖杆、横杆和调节杆组成，测距仪(62)固定于调节杆上；竖杆一端与可旋转底座(64)的外圈固定连接，其另一端与水平放置的横杆固定连接，横杆上设有竖直的螺纹通孔，调节杆上设有与该螺纹通孔相匹配的外螺纹，调节杆通过其上的外螺纹以及横杆上的螺纹通孔与横杆螺纹连接；所述下透水石(22)和上透水石(24)的厚度均为10mm；所述测距仪(62)采用激光测距仪；所述弹性橡胶膜(23)的厚度为0.5～1mm。 9.如权利要求8所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤S1、制备圆柱形岩土体试样(26)，原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模，制成试验所需的圆柱形岩土体试样(26)；步骤S2、组装变形量测试系统，在圆柱形岩土体试样(26)的外侧壁上刷一层防水胶并套上第一层的弹性橡胶膜(23)，然后在圆柱形岩土体试样(26)上表面放置上透水石(24)、圆形透水钢板(27)和圆形不透水钢板(25)，并在圆柱形岩土体试样(26)下表面放置下透水石(22)，同时用第一层的弹性橡胶膜(23)包裹，上透水石(24)与圆形透水钢板(27)相贴合，圆形透水钢板(27)与圆形不透水钢板(25)相贴合；步骤S3、围压加载，通过在第一层的弹性橡胶膜(23)外侧依次套上多层的弹性橡胶膜(23)，以达到施加设计围压的要求；步骤S4、竖向荷载加载，将竖直加载杆(44)下端的钢球与圆形不透水钢板(25)上的球支座经其空心半球形凹槽咬合固定，然后将加载设计重量的加载砝码(46)放入加载砝码托盘(45)中；步骤S5、渗透控制，打开第一阀门，使水流通过入水管(33)，依次流经抽水泵(34)、测压计(32)和圆形不透水钢板(25)，通过测压计(32)和第一阀门来控制渗流所需的水压和水流量；步骤S6、干湿循环控制，先打开第一阀门、第六阀门，使水流进入圆形不透水钢板(25)下方，待第六阀门所在的风管支路处有水流溢出时，关闭第一阀门和第六阀门，当集水器(65)中水的重量不发生变化时，关闭第五阀门，接着打开第四阀门和真空泵(52)，排出圆柱形岩土体试样(26)中的空气，使圆柱形岩土体试样(26)饱和，24h后关闭第四阀门和真空泵(52)，打开第二阀门、第三阀门和热风机(51)，使热风通过圆柱形岩土体试样(26)带走水分后，进入干燥装置(53)进行脱湿，直至圆柱形岩土体试样(26)干燥完毕后关闭第二阀门和热风机(51)，接着打开第六阀门，使脱湿后热气经出水管(28)和圆柱形岩土体试样(26)后从风管排出，此为一个干湿循环；重复该步骤，直至达到试验所需干湿循环次数为止；步骤S7、变形测量与渗透系数的监测，通过千分表(61)、测距仪(62)实时读数，对竖向变形、环向整体变形进行监测，每隔t时间段用电子天平(66)对集水器(65)和干燥装置(53)进行称量并记录其质量，通过计算单位时间内通过出水管(28)的水量和通过干燥装置(53)的水量得到渗透系数；并依据圆柱形岩土体试样(26)上加载的轴压、围压，以及其竖向变形和环向整体变形，得出干湿循环条件下不同渗透压力作用下渗透系数的变化规律。 10.根据权利要求9所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的试验方法，其特征在于，所述圆柱形岩土体试样(26)在t时间段内的渗透系数根据以下公式确定：式中，d为圆柱形岩土体试样(26)的直径，Q为渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样(26)的渗流量，H为圆柱形岩土体试样(26)的高度，P为渗透压力即水压；所述渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样(26)的渗流量Q根据以下公式确定： Q＝(m1-m′1)+(m2-m′2)；式中，m′1为集水器(65)的初始重量，m′2为干燥装置(53)的初始重量，m1为集水器(65)在加载t时间段稳定后的重量，m2为干燥装置(53)在加载t时间段稳定后的重量；所述干燥装置(53)的含水率增至生石灰质量的70％时，即认为圆柱形岩土体试样(26)干燥完毕，关闭第二阀门和热风机(51)。
所属类别：	发明专利