[發明專利]采用穩態法測量黏土巖剪切裂隙滲透系數演化的試驗機

在審

• 申請號: 201810259148.5
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108333060A
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發明（設計）人: 龔哲;楊衛星;彭定新;和禮紅
• 申請（專利權）人: 武漢市政工程設計研究院有限責任公司
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N15/08
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立;陳振玉

本發明涉及采用穩態法測量黏土巖剪切裂隙滲透系數演化的試驗機，包括剪切盒，以及水壓伺服加載器、水壓傳感器和LVDT位移傳感器；黏土巖試樣為1～2cm厚的扁平圓柱體形結構，水壓伺服加載器通過管道連通至黏土巖試樣的上方，且為黏土巖試樣提供孔隙水并施加孔隙水壓力，黏土巖試樣的下方通過管道連通至大氣，黏土巖試樣的剪切方向與孔隙水在黏土巖試樣中的滲透路徑平行。在施加剪切位移的同時，在1～2cm厚的扁平圓柱體形結構的黏土巖試樣上方施加孔隙水壓，黏土巖試樣的下方通過管道連通至大氣，這樣就可以在受剪切的黏土巖試樣上下方形成恒定水頭差，從而產生穩態滲流，進而可以采用穩態法精確的測得低滲透性的黏土巖的滲透系數。

技術領域

本發明涉及巖土工程試驗設備，具體涉及一種采用穩態法測量黏土巖剪切裂隙滲透系數演化的試驗機。

背景技術

黏土巖是一種材料性質介于巖石和土之間軟巖，往往具有一定塑性，滲透系數低，內部裂隙則在水化作用下一般可以緩慢的閉合。正是由于這樣的特性，黏土巖(包括膨潤土塊)常被用于防滲材料，在世界各地更是常被用作高放核廢料儲庫的母巖和緩沖材料。剪切裂隙是黏土巖地下洞室中的常見裂隙形式，因此研究黏土巖在剪切過程中滲透系數演化是一個重要課題。

當前測量巖土材料在剪切破壞時滲透性演化主要是采用滲流-應力耦合的三軸試驗機進行試驗：在試樣三軸剪切(或三軸壓縮)過程中，通過在圓柱形試樣的頂部和底部直接施加水壓差來測量滲透系數。這種方法較適合于滲透性相對較大的巖土介質如砂巖等，而對于黏土巖這種滲透性很低，且裂隙有較強的自閉合特性的巖體，如果制備成普通的三軸試樣，由于滲透路徑較長無法采用穩態法測量滲透系數，而只能采用脈沖法來測量。脈沖法測量得到的滲透系數本身的誤差較大，因此這種方法通常無法得到規律性較好的試驗結果。而且三軸剪切的剪切裂隙往往不是上下貫通的，這就導致測得的滲透系數遠小于實際值。如果將黏土巖試樣制備成扁平圓柱，則無法進行三軸剪切，同樣無法達到試驗目的。

2012年1月出版的《Engineering Geology》第124卷第47-58頁介紹了一種可測量黏土巖剪切裂隙的滲透系數的滲流-應力耦合空心圓柱三軸儀，在三軸壓縮的過程中通過在空心圓柱試樣的內外側分別測量水壓力和流量，可以計算出黏土巖試樣在剪切過程中的滲透性的變化規律。空心試樣的壁厚較小，可以采用穩態法測量滲透系數，測量的數據比較精確，能較好地反映黏土巖剪切過程中的滲透系數變化。但是這種方法試驗儀器復雜，且在試驗過程中空心圓柱的頂部、底部均需要密封，試樣內外壁均需包裹橡皮膜并安裝傳感器，難度大、耗時長。另外黏土巖的空心圓柱試樣本身的加工的難度也較大。此外，剪切裂隙的位置也較難控制。

2014年1月出版的《Rock Mechanics and Rock Engineering》第47卷第1期第87–99頁介紹了采用預制裂隙的試樣進行試驗以測量黏土巖剪切裂隙的滲透系數的方法，由于黏土巖的滲透性比較低，試樣采用厚度較小(1cm～2cm)的圓片試樣。采用這種方法只能測得黏土巖的裂隙的滲透性以及在水的作用下裂隙自閉合，滲透性逐漸降低的特性，不能測得剪切過程中的滲透性的演化，而且預先剪裂的裂隙面上的巖屑流失也可能會對試驗結果準確性造成影響。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種采用穩態法測量黏土巖剪切裂隙滲透系數演化的試驗機，可以實現采用較簡單的實驗裝備以較高的精度測量黏土巖在剪切過程中滲透系數演化的規律。