[發明專利]一種巖土水力耦合分析系統及其控制方法

在審

• 申請號: 201810081441.7
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108088860A
• 公開（公告）日: 2018-05-29
• 發明（設計）人: 楊典森;李康;陳衛忠;王燕
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N23/046
• 分類號: G01N23/046;G01N23/083;G01N23/087;G01N23/10
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 朱昀

本申請公開了一種巖土水力耦合分析系統及其控制方法。分析系統，包括：密閉容器，內部構成用以容納試樣的密閉空間，其上設有濕度傳感器；夾持件，設于密閉容器的內部，用以固定試樣；濕度控制儀，與密閉容器通過管路密閉連接，用以控制密閉容器內的濕度；伺服加壓裝置，其液壓缸的側壁密閉的穿過密閉容器的底部，伺服加壓裝置的加載活塞用以對試樣進行軸向加載；CT掃描裝置，包括用以對試樣進行CT掃描的射線源和探測器，射線源和探測器以可沿密閉容器旋轉的方式分別設在密閉容器的兩側；數據采集控制系統，與濕度傳感器、濕度控制儀、CT掃描裝置連接，可以實現試樣不同壓力、不同濕度下的CT掃描測量。

技術領域

本公開一般涉及巖土實驗測量儀器技術領域，尤其涉及一種巖土水力耦合分析系統及其控制方法。

背景技術

非飽和問題是巖土工程的重要議題之一，諸多巖土工程災害都與材料的非飽和特性密切相關，比如土質邊坡由于地下水位的變化使得非飽和部分力學特性逐漸弱化而引起失穩，地下隧道由于濕度季節性周期性變化導致圍巖產生大量裂紋，使得力學特性和水力特性弱化而對工程安全造成危險。目前，巖土介質水力耦合微觀結構機理的研究發展相對緩慢。

就非飽和土而言，土體在工程荷載作用下，應力場發生變化，固相土體骨架壓縮或破壞，會導致孔隙水壓力改變，同時土體細觀孔隙結構的變化還伴隨著土水特性和滲透率的改變。反過來，土體滲透特性的變化又會影響土體中的流動過程，通過滲透力、孔隙水壓力、毛細作用力作用于土體應力場，影響土體的強度。我們把這個力學過程和流體流動過程的相互作用稱為水力耦合過程。水力耦合過程在礦山開采、圍巖開挖等巖石體工程中并不少見。相對而言，巖體中除了存在微孔隙、微裂隙之外，還存在軟弱結構面、節理面，這些微孔隙、微裂紋和結構面的存在從習慣結構上決定了巖石的宏觀各向異性。

對于巖土體而言，孔隙中通常存在一種或多種流體在流動，其流動的驅動機制和受力情況較為復雜，孔隙水的存在和流動將毫無疑問的影響巖土體的承載能力和工程穩定性。在堤防工程、深埋隧洞建設、油氣資源開采、地下水封油庫、二氧化碳的地下儲存、高放射物的地下處置等眾多的大型巖土體工程領域中，都不可避免的涉及到孔隙流體和巖土體之間的相互作用問題。因此，探究孔隙流體和巖土介質之間的相互作用機制，了解水力耦合過程的微觀作用機理成為一個亟需解決的重要課題。

現有技術中，在對巖土工程介質的水敏感性進行分析的時候，傳統的水敏感性測試從宏觀角度研究水分對試樣強度、體積、滲透率等特性的影響，即通過干濕循環試驗采用飽和鹽溶液控制相對濕度。根據熱力學原理，飽和鹽溶液對應的液面上方一定范圍內的相對濕度是相對穩定的，在溫度、飽和度等因素不變的情況下，液面上方的相對濕度也保持不變，而不同的飽和鹽溶液，因為化學本質的不同，所對應的液面上方的相對濕度的穩定值也不一樣，這樣就可以選取不同種類的鹽溶液，不斷改變試樣的保存環境，可以實現一定效果的干濕循環。

然而，盡管飽和鹽溶液可以控制穩定的相對濕度，但是不同鹽溶液控制的相對濕度之間差別較大，因此試驗的濕度條件是不連續的，呈現為跳躍性變化；所以傳統的干濕循環試驗無法做到對濕度環境的精細控制，也無法獲得試件在不同連續濕度條件下的相關性能。而這種方式只能測量不連續濕度條件下水敏感性的相關性能，且無法對試樣施力加載，必然無法滿足觀測水力耦合過程中微觀作用機理的條件。

此外，在過去的幾十年里，一大批國內外學者致力于從細觀孔隙結構和顆粒級配上入手研究水力耦合機制。也有不少學者借助高精度的巖石CT掃描圖像，采用一種或幾種數值算法建立數字巖芯還原真實的孔隙結構，從而實現孔隙細觀結構的數值建模，隨著X-CT成像設備的發展，借助一些數值重建方法，如高斯隨機場方法，模擬退火法，順序指示模擬法，過程模擬法，多點模擬法等方法發展起來的數字巖石物理技術實現了對巖石微觀孔隙結構的三維可視化重現，并逐步建立了細觀結構和宏觀表象（彈模、孔隙率、滲透率等）之間的被再聯系。孔隙尺度的數值建模有利于從細觀上揭示孔隙流體和固體顆粒的相互作用機制，是認識水力耦合機制的一個新角度。但是至今為止，尚未出現能夠觀測并分析現實狀態下孔隙流體和巖土介質之間在水力耦合過程中、其相互作用下的微觀作用機理的裝置及方法。