本发明专利技术公开了一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置及其方法，涉及岩石力学试验技术。本装置包括刚性框架、油缸、压力传感器、高压腔体、压柱、剪切板、法向压板、岩样、胶套、计算机、流体注入计量泵、流体回流计量泵、围压跟踪泵、X向位移传感器、Y向位移传感器和Z向位移传感器。本方法是：岩样制备；组合件组装；组合件放置；管线连接；应力加载；密封性检查；应力和温度调整；流体注入；剪切测试；应力卸载；清理装置。本发明专利技术能够实现高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体真三轴剪切渗流试验，并解决了剪切时对高渗透流体的密封问题，最高渗透压可达50MPa，并能精准控制和计量渗流流体的体积和压力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩石力学试验技术，尤其涉及一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置及其方法。
技术介绍
岩体剪切装置是一种可直接测定岩体（节理）的剪切强度及其变形等参数的岩石力学测试装置，常用来测试工程岩体的力学特性参数，指导岩土工程的设计及安全评估。近年来，随着地下工程和采矿工程的深部扩展，地下水严重影响了岩体工程的稳定性，因此开展岩体剪切渗流耦合研究极为重要。目前国内外已开展了大量研究工作，同时研发出多种岩体剪切渗流耦合试验装置，但这些装置都存在着渗透流体压力较小的问题，无法突破高压流体密封的难题，致使高压流体条件下的剪切渗流试验无法开展。近年来，全球二氧化碳地址封存研究取得较大发展，现已有大量工程应用项目正进行或已竣工。但在工程实施过程中及已完成项目中发现较多问题，尤其在项目安全评估上缺少最基本的超临界二氧化碳作用下的岩体力学特性参数及本构模型。目前的剪切装置无法满足高压流体下岩体剪切渗流试验；一种能够完成高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体剪切渗流试验装置对研究岩体在高温、高应力、高渗透压作用下的力学特性、变形破坏机制及本构模型有很重要的作用。如今，液压伺服控制技术国内外已取得了长足的发展，在此基础上研制的真三轴伺服控制压力机已十分成熟，可满足当前各种力学实验的应力控制及边界条件的实现。各种耐高温、高强度橡胶材料已普遍应用于各种极端环境下，使得进行适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置的研发变为可能。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于提供一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置及其方法，该装置能够实现高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体真三轴剪切渗流试验，最高渗透压可达50MPa。采用特殊设计的密封胶套能克服岩体剪切过程中高压流体密封难的问题以及岩体中流体的压力和体积不能精准测量和控制的问题；该装置的加载能力能够满足完整岩石剪切的高应力要求，并能实现三个方向应力的独立加载，同时能够高精度的测量岩样三个方向的变形，为深入研究岩石或节理的渗流特性、剪切强度、变形破坏机制及本构模型等相关内容提供了可能。本专利技术的目的是这样实现的：一、适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置（简称装置）本装置包括刚性框架、油缸、压力传感器、高压腔体、压柱、剪切板、法向压板、岩样、密封胶套、计算机、流体注入计量泵、流体回流计量泵、围压跟踪泵、X向位移传感器、Y向位移传感器和Z向位移传感器；其位置和连接关系是：在刚性框架内设置有高压腔体，在高压腔体内设置有一个由剪切板、法向压板、岩样和密封胶套构成剪切渗流密封的组合件，所述的组合件的结构是：岩样置于胶套的中心，在岩样的上下分别设置有法向压板，在岩样的左右分别设置有剪切板；在刚性框架内部的左侧、右侧和上侧分别固定有油缸，油缸的活塞与压力传感器连接，通过压柱压紧组合件，对组合件施加法向应力和剪切应力；在高压腔体上部设置有液压油注入孔和管线通道，内部空腔为围压室；并在围压室内设置有刚性垫块、温度传感器和加热盘管；温度传感器和加热盘管分别计算机连接，能够实现围压室内部温度的控制；在密封胶套内嵌有变形胶囊和变形隔板；围压跟踪泵分别与变形胶囊和围压室连接，能够使变形胶囊内部压力和围压室的压力始终保持一致；流体注入计量泵和流体回流计量泵分别与左侧和右侧的剪切板上的流体通道连接，能够对岩样注入流体的压力和流量进行测量和控制；X向位移传感器设有X向位移探测支架和X向位移固定支架；X向位移传感器通过X向位移探测支架和X向位移固定支架固定于组合件上；Y向位移传感器设有Y向位移探测支架和Y向位移固定支架；Y向位移传感器通过Y向位移探测支架和Y向位移固定支架固定于组合件上；Z向位移传感器设有Z向位移固定支架；Z向位移传感器通过Z向位移固定支架固定于组合件；能够测量岩样的X、Y和Z向的变形；流体注入计量泵、流体回流计量泵、围压跟踪泵、X向位移传感器、Y向位移传感器和Z向位移传感器分别计算机连接，实现位移和压力信息的采集。二、适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验的方法（简称方法）本方法包括下列步骤：第1、岩样制备将待测试岩石加工成长×宽×高=100mm×100mm×100mm的立方体，并将各表面打磨平整光滑；若待测试为岩石节理，需将节理面处于横切立方体的中心位置；第2、组合件组装首先将变形胶囊和变形隔板内嵌在密封胶套内，然后将岩样装入密封胶套内；岩样上下两面贴上减摩片后再装法向压板和剪切板，并压紧岩样，最终形成组合件；通过各向位移固定支架和位移探测支架将相应的位移传感器固定在组合件上；第3、组合件放置将组合件放在围压室的刚性垫块的中心位置，并将组合件上下轴心与上压柱轴心重合，左右轴心与左右压柱轴心重合，使压柱压紧组合件；第4、管线连接将围压室内的流体管线、胶囊注油管及各传感器线缆分别与剪切板、变形胶囊及相应的传感器相连，并检查传感器工作状态，最后关闭高压腔体，拧紧螺丝；第5、应力加载首先对岩样施加法向应力至5MPa，然后同时对围压室和变形胶囊注入液压油至5MPa；第6、密封性检查通过流体注入和回流管路对岩样抽真空，达到一定真空度，关闭管路，检查系统的密封性；待确定岩样密封性良好，可进行下一步，否则找出问题所在，并加以解决；第7、应力和温度调整根据预定的法向应力和围压，对岩样施加法向应力和围压，在施加围压过程中，围压跟踪泵能使变形胶囊的内部压力与围压始终保持一致；待法向应力和围压稳定后启动加温装置，使围压室内的液压油升至预定温度，并保持2h；第8、流体注入打开流体注入泵和流体回流泵对岩样注入流体，待流体的压力或流量稳定后进行测试；第9、剪切测试打开相关参数监视系统，确保各系统工作正常后，对岩样按预定控制模式加载剪切应力，直至达到预定剪切位移；根据试验需要继续进行数据监测或其他试验项目；第10、应力卸载测试完成后，关闭加温系统及监测系统；待液压油温度降至一定值时，首先对流体泄压，流体泄压后再缓慢卸载围压、剪切应力和法向应力；第11、清理装置应力完全卸载之后，排出围压室内的液压油，然后打开高压腔体，取出组合件；小心拆开组合件，并将相应部件归类放置。本专利技术具有下列优点和积极效果：1、通过特殊设计的密封胶套可以实现对高压流体的良好密封性；2、密封胶套内嵌有变形胶囊、变形隔板，变形胶囊与围压跟踪泵相连，可以实现剪切区域的体积变形，因而在保证良好的密封性的同时也可满足较大剪切位移；3、在围压室内设置有加热盘管可以实现不同温度下的各种剪切渗流试验；4、通过围压室中的高压液压油可以对岩样施加侧向应力、法向压板施加法向应力和剪切板施加剪切力，实现了剪切渗流试验的真三轴应力条件；5、在剪切压板上设置有流体通道，可以实现剪切-渗流耦合试验及不同流体环境下的剪切试验；6、岩体四周没有多余的死空间，便于对岩体注入流体的压力和体积进行精确控制和测量；7、在组合件上设置有Z向的位移传感器可以检测岩样Z向变形情况，进而深入研究岩体剪切变形机制等。总之，本专利技术能够实现高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体真三轴剪切渗流试验，并解决了剪切时对高渗透流体（最高渗透压可达50MPa）的密封问题，并能精准控制和计量渗流流体的体积和压力。附图说明图1是本装置的结构示意图（主视，剖）；图2是本装置的剪切渗流密封组合件的结构原理图；本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置，其特征在于：在刚性框架（1）内设置有高压腔体（4），在高压腔体（4）内设置有一个由剪切板（6）、法向压板（7）、岩样（8）和密封胶套（9）构成剪切渗流密封的组合件，所述的组合件的结构是：岩样（8）置于胶套（9）的中心，在岩样（8）的上下分别设置有法向压板（7），在岩样（8）的左右分别设置有剪切板（6）；在刚性框架1内部的左侧、右侧和上侧分别固定有油缸2，油缸2的活塞与压力传感器3连接，通过压柱5压紧组合件，对组合件施加法向应力和剪切应力；在高压腔体（4）上部设置有液压油注入孔（4‑2）和管线通道（4‑3），内部空腔为围压室（4‑1）；并在围压室（4‑1）内设置有刚性垫块（4‑4）、温度传感器（4‑5）和加热盘管（4‑6）；温度传感器（4‑5）和加热盘管（4‑6）分别计算机（10）连接，实现围压室（4‑1）内部温度的控制；在密封胶套（9）内嵌有变形胶囊（9‑1）和变形隔板（9‑2）；围压跟踪泵（13）分别与变形胶囊（9‑1）和围压室（4‑1）连接，能够使变形胶囊（9‑1）内部压力和围压室（4‑1）的压力始终保持一致；流体注入计量泵（11）和流体回流计量泵（12）分别与左侧和右侧的剪切板（6）上的流体通道连接，能够对岩样（8）的注入流体的压力和流量进行测量和控制；X向位移传感器（14）设有X向位移探测支架（14‑1）和X向位移固定支架（14‑2）；X向位移传感器（14）通过X向位移探测支架（14‑1）和X向位移固定支架（14‑2）固定于组合件上；Y向位移传感器（15）设有Y向位移探测支架（15‑1）和Y向位移固定支架（15‑2）；Y向位移传感器（15）通过Y向位移探测支架（15‑1）和Y向位移固定支架（15‑2）固定于组合件上；Z向位移传感器（16）设有Z向位移固定支架（16‑1）；Z向位移传感器（16）通过Z向位移固定支架（16‑1）固定于组合件；能够测量岩样（8） X、Y和Z向的变形；流体注入计量泵（11）、流体回流计量泵（12）、围压跟踪泵（13）、X向位移传感器（14）、Y向位移传感器（15）和Z向位移传感器（16）分别计算机（10）连接，实现位移和压力信息的采集。...
【技术特征摘要】
1.一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置，其特征在于：在刚性框架（1）内设置有高压腔体（4），在高压腔体（4）内设置有一个由剪切板（6）、法向压板（7）、岩样（8）和密封胶套（9）构成剪切渗流密封的组合件，所述的组合件的结构是：岩样（8）置于胶套（9）的中心，在岩样（8）的上下分别设置有法向压板（7），在岩样（8）的左右分别设置有剪切板（6）；在刚性框架1内部的左侧、右侧和上侧分别固定有油缸2，油缸2的活塞与压力传感器3连接，通过压柱5压紧组合件，对组合件施加法向应力和剪切应力；在高压腔体（4）上部设置有液压油注入孔（4-2）和管线通道（4-3），内部空腔为围压室（4-1）；并在围压室（4-1）内设置有刚性垫块（4-4）、温度传感器（4-5）和加热盘管（4-6）；温度传感器（4-5）和加热盘管（4-6）分别计算机（10）连接，实现围压室（4-1）内部温度的控制；在密封胶套（9）内嵌有变形胶囊（9-1）和变形隔板（9-2）；围压跟踪泵（13）分别与变形胶囊（9-1）和围压室（4-1）连接，能够使变形胶囊（9-1）内部压力和围压室（4-1）的压力始终保持一致；流体注入计量泵（11）和流体回流计量泵（12）分别与左侧和右侧的剪切板（6）上的流体通道连接，能够对岩样（8）的注入流体的压力和流量进行测量和控制；X向位移传感器（14）设有X向位移探测支架（14-1）和X向位移固定支架（14-2）；X向位移传感器（14）通过X向位移探测支架（14-1）和X向位移固定支架（14-2）固定于组合件上；Y向位移传感器（15）设有Y向位移探测支架（15-1）和Y向位移固定支架（15-2）；Y向位移传感器（15）通过Y向位移探测支架（15-1）和Y向位移固定支架（15-2）固定于组合件上；Z向位移传感器（16）设有Z向位移固定支架（16-1）；Z向位移传感器（16）通过Z向位移固定支架（16-1）固定于组合件；能够测量岩样（8）X、Y和Z向的变形；流体注入计量泵（11）、流体回流计量泵（12）、围压跟踪泵（13）、X向位移传感器（14）、Y向位移传感器（15）和Z向位移传感器（16）分别计算机（10）连接，实现位移和压力信息的采集。2.按权利要求1所述的一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置，其特征在于：所述的密封胶套（9）是一种由三元乙丙橡胶制成的呈中心对称的近似十字形状的壳体，壳体厚度约2mm，上下左右开口；在密封胶...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡少斌，李小春，张强，白冰，刘明泽，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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