采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机制造技术

本发明专利技术涉及采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，包括剪切盒，以及水压伺服加载器、水压传感器和LVDT位移传感器；黏土岩试样为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，水压伺服加载器通过管道连通至黏土岩试样的上方，且为黏土岩试样提供孔隙水并施加孔隙水压力，黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在黏土岩试样中的渗透路径平行。在施加剪切位移的同时，在1～2cm厚的扁平圆柱体形结构的黏土岩试样上方施加孔隙水压，黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，这样就可以在受剪切的黏土岩试样上下方形成恒定水头差，从而产生稳态渗流，进而可以采用稳态法精确的测得低渗透性的黏土岩的渗透系数。

【技术实现步骤摘要】
采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机
本专利技术涉及岩土工程试验设备，具体涉及一种采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机。
技术介绍
黏土岩是一种材料性质介于岩石和土之间软岩，往往具有一定塑性，渗透系数低，内部裂隙则在水化作用下一般可以缓慢的闭合。正是由于这样的特性，黏土岩(包括膨润土块)常被用于防渗材料，在世界各地更是常被用作高放核废料储库的母岩和缓冲材料。剪切裂隙是黏土岩地下洞室中的常见裂隙形式，因此研究黏土岩在剪切过程中渗透系数演化是一个重要课题。当前测量岩土材料在剪切破坏时渗透性演化主要是采用渗流-应力耦合的三轴试验机进行试验：在试样三轴剪切(或三轴压缩)过程中，通过在圆柱形试样的顶部和底部直接施加水压差来测量渗透系数。这种方法较适合于渗透性相对较大的岩土介质如砂岩等，而对于黏土岩这种渗透性很低，且裂隙有较强的自闭合特性的岩体，如果制备成普通的三轴试样，由于渗透路径较长无法采用稳态法测量渗透系数，而只能采用脉冲法来测量。脉冲法测量得到的渗透系数本身的误差较大，因此这种方法通常无法得到规律性较好的试验结果。而且三轴剪切的剪切裂隙往往不是上下贯通的，这就导致测得的渗透系数远小于实际值。如果将黏土岩试样制备成扁平圆柱，则无法进行三轴剪切，同样无法达到试验目的。2012年1月出版的《EngineeringGeology》第124卷第47-58页介绍了一种可测量黏土岩剪切裂隙的渗透系数的渗流-应力耦合空心圆柱三轴仪，在三轴压缩的过程中通过在空心圆柱试样的内外侧分别测量水压力和流量，可以计算出黏土岩试样在剪切过程中的渗透性的变化规律。空心试样的壁厚较小，可以采用稳态法测量渗透系数，测量的数据比较精确，能较好地反映黏土岩剪切过程中的渗透系数变化。但是这种方法试验仪器复杂，且在试验过程中空心圆柱的顶部、底部均需要密封，试样内外壁均需包裹橡皮膜并安装传感器，难度大、耗时长。另外黏土岩的空心圆柱试样本身的加工的难度也较大。此外，剪切裂隙的位置也较难控制。2014年1月出版的《RockMechanicsandRockEngineering》第47卷第1期第87–99页介绍了采用预制裂隙的试样进行试验以测量黏土岩剪切裂隙的渗透系数的方法，由于黏土岩的渗透性比较低，试样采用厚度较小(1cm～2cm)的圆片试样。采用这种方法只能测得黏土岩的裂隙的渗透性以及在水的作用下裂隙自闭合，渗透性逐渐降低的特性，不能测得剪切过程中的渗透性的演化，而且预先剪裂的裂隙面上的岩屑流失也可能会对试验结果准确性造成影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，可以实现采用较简单的实验装备以较高的精度测量黏土岩在剪切过程中渗透系数演化的规律。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，包括用于冲剪黏土岩试样的剪切盒，以及水压伺服加载器、水压传感器和LVDT位移传感器；所述黏土岩试样安置在所述剪切盒内，且所述黏土岩试样为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，所述剪切盒通过液压驱动活塞运动使所述黏土岩试样产生剪切；所述水压伺服加载器通过管道连通至位于所述剪切盒内的黏土岩试样的上方，且为所述黏土岩试样提供孔隙水并施加孔隙水压力，所述黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在所述黏土岩试样中的渗透路径平行；所述水压传感器包括孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器，所述孔隙水水压传感器安装在所述水压伺服加载器连通至所述黏土岩试样的上方的管道上，所述活塞缸水压传感器用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切压力；所述LVDT位移传感器安装在所述剪切盒上，且用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切位移。本专利技术的有益效果是：在本专利技术一种采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机中，黏土岩试样被加工为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，在施加剪切位移的同时，在黏土岩试样上方施加孔隙水压，黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，这样就可以在受冲剪的黏土岩试样上下方形成恒定水头差，从而产生稳态渗流，进而可以采用稳态法精确的测得低渗透性的黏土岩的渗透系数；由于采用冲剪的方式对黏土岩试样进行剪切，则对黏土岩试样的剪切位移可控；由于剪切盒对黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在黏土岩试样中的渗透路径平行，则可以精确评估剪切裂隙对黏土岩试样渗透系数的影响，通过在不同剪切位移下分别测量黏土岩试样的渗透系数，可以得到剪切变形对试样渗透系数的影响规律；同时，在剪切过程中通过读取LVDT位移传感器和活塞缸水压传感器的读数，可以计算得到黏土岩试样的剪切应力-应变关系；另外，在剪切裂隙形成以后，控制黏土岩试样的剪切位移保持恒定，使黏土岩试样的裂隙逐渐自闭合，在不同的时间测量其渗透系数，可以得到黏土岩试样自闭过程中的渗透系数演化规律。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，还包括计算机、控制器和放大器，所述计算机通过所述控制器与所述水压伺服加载器相连，所述LVDT位移传感器通过所述放大器与所述计算机相连，所述孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器还均与所述控制器相连。采用上述进一步方案的有益效果是：计算机既可以读取压力、位移等数据，也可以对压力、位移进行控制，方便试验的进行。进一步，所述剪切盒包括剪切盒顶盖和剪切盒底座，所述剪切盒顶盖安装在所述剪切盒底座上，所述剪切盒顶盖的底部设有开口向下的上部活塞缸，所述剪切盒底座的顶部设有开口向上的下部活塞缸，且所述上部活塞缸与所述下部活塞缸的位置相对，所述上部活塞缸中滑动设有上部活塞，所述上部活塞的侧壁与所述上部活塞缸的侧壁之间密封，所述下部活塞缸中滑动设有下部活塞，所述下部活塞的侧壁与所述下部活塞缸的侧壁之间密封，所述黏土岩试样位于所述上部活塞和下部活塞之间，且通过驱动所述上部活塞并在所述下部活塞的配合下对所述黏土岩试样进行冲剪。采用上述进一步方案的有益效果是：通过驱动上部活塞和下部活塞对黏土岩试样进行冲剪式的剪切，可以保证黏土岩试样的剪切位移可控。进一步，所述水压伺服加载器还通过管道分别与所述上部活塞缸和下部活塞缸连通，所述水压伺服加载器通过管道向所述上部活塞缸和下部活塞缸中注入水压，且通过水压驱动所述上部活塞并在所述下部活塞的配合下对所述黏土岩试样进行剪切；所述活塞缸水压传感器设有两个，两个所述活塞缸水压传感器对应安装在所述水压伺服加载器分别与所述上部活塞缸和下部活塞缸连通的管道上。采用上述进一步方案的有益效果是：黏土岩试样的剪切裂隙采用冲剪的方式形成，冲剪则是通过水压驱动上部活塞和下部活塞的移动来实现，这样一方面剪切裂隙形成时不会破坏试验的边界条件，另一方面也可以确保剪切裂隙形状和方向，从而可以提高试验结果的精度。进一步，所述上部活塞的顶端伸出所述剪切盒顶盖，所述LVDT位移传感器安装在所述上部活塞的顶端上，且所述LVDT位移传感器的感应端与所述剪切盒顶盖的上端面相接触。进一步，所述黏土岩试样通过下透水板安置在所述下部活塞缸中，所述上部活塞缸中设有上透水板，所述黏土岩试样夹装在所述上透水板和下透水板之间；所述上透水板和下透水板均分别包括圆形透水板和环形透水板，所述圆形透水板位于所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，其特征在于：包括用于冲剪黏土岩试样的剪切盒，以及水压伺服加载器、水压传感器和LVDT位移传感器；所述黏土岩试样安置在所述剪切盒内，且所述黏土岩试样为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，所述剪切盒通过液压驱动活塞运动使所述黏土岩试样产生剪切；所述水压伺服加载器通过管道连通至位于所述剪切盒内的黏土岩试样的上方，且为所述黏土岩试样提供孔隙水并施加孔隙水压力，所述黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在所述黏土岩试样中的渗透路径平行；所述水压传感器包括孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器，所述孔隙水水压传感器安装在所述水压伺服加载器连通至所述黏土岩试样的上方的管道上，所述活塞缸水压传感器用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切压力；所述LVDT位移传感器安装在所述剪切盒上，且用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切位移。

【技术特征摘要】
1.采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，其特征在于：包括用于冲剪黏土岩试样的剪切盒，以及水压伺服加载器、水压传感器和LVDT位移传感器；所述黏土岩试样安置在所述剪切盒内，且所述黏土岩试样为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，所述剪切盒通过液压驱动活塞运动使所述黏土岩试样产生剪切；所述水压伺服加载器通过管道连通至位于所述剪切盒内的黏土岩试样的上方，且为所述黏土岩试样提供孔隙水并施加孔隙水压力，所述黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在所述黏土岩试样中的渗透路径平行；所述水压传感器包括孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器，所述孔隙水水压传感器安装在所述水压伺服加载器连通至所述黏土岩试样的上方的管道上，所述活塞缸水压传感器用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切压力；所述LVDT位移传感器安装在所述剪切盒上，且用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切位移。2.根据权利要求1所述的采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，其特征在于：还包括计算机、控制器和放大器，所述计算机通过所述控制器与所述水压伺服加载器相连，所述LVDT位移传感器通过所述放大器与所述计算机相连，所述孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器还均与所述控制器相连。3.根据权利要求1或2所述的采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，其特征在于：所述剪切盒包括剪切盒顶盖和剪切盒底座，所述剪切盒顶盖安装在所述剪切盒底座上，所述剪切盒顶盖的底部设有开口向下的上部活塞缸，所述剪切盒底座的顶部设有开口向上的下部活塞缸，且所述上部活塞缸与所述下部活塞缸的位置相对，所述上部活塞缸中滑动设有上部活塞，所述上部活塞的侧壁与所述上部活塞缸的侧壁之间密封，所述下部活塞缸中滑动设有下部活塞，所述下部活塞的侧壁与所述下部活塞缸的侧壁之间密封，所述黏土岩试样位于所述上部活塞和下部活塞之间，且通过驱动所述上部活塞并在所述下部活塞的配合下对所述黏土岩试样进行冲剪。4.根据权利要求3所述的采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，其特征在于：所述水压伺服加载器还通过管道分别与所述上部活塞缸和下部活塞缸连通，所述水压伺服加载器通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚哲，杨卫星，彭定新，和礼红，
申请(专利权)人：武汉市政工程设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42