滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)的研制

1、滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)的研制滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)的研制 *收稿日期：2006-06-22 作者簡介：徐增輝（1976），男，清華大學(xué)水利系，在讀博士 科學(xué)基金：國家自然科學(xué)基金委員會、二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號50539020）徐增輝 劉光廷 葉源新 陳鳳岐（清華大學(xué)水利水電工程系 北京 100084）摘要：為了進(jìn)行巖石、混凝土的滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合研究，由于缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備，因此研制了一套可用于三場耦合實(shí)驗(yàn)研究的試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了三軸可控下的滲流、溫度與三軸應(yīng)力系列試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)恒定應(yīng)力下水溫和巖體溫度、溫度梯度對滲透系數(shù)影

2、響試驗(yàn)和恒定溫度下應(yīng)力對巖體滲透系數(shù)影響試驗(yàn)。通過雙組分可固化導(dǎo)熱硅脂解決了密封、加壓、量測和溫控的矛盾。水壓和流量量測具有高精度、水壓和溫度具有較高的穩(wěn)定性。其試驗(yàn)研究成果結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要，對于在軟弱基礎(chǔ)上的大壩設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合；三軸應(yīng)力；溫度梯度；低滲透巖石；中圖分類號：G484 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：巖體的滲透性能是關(guān)系到巖體穩(wěn)定和壩體安全的一個(gè)重要的指標(biāo)。而現(xiàn)有模型大多是僅僅單獨(dú)考慮滲流場、溫度場與應(yīng)力場的影響，而沒有考慮其耦合影響，但其三場耦合作用不可忽視1 2。而現(xiàn)有耦合研究大多缺乏溫度、應(yīng)力對巖體的滲透系數(shù)的影響試驗(yàn)研究，缺乏相應(yīng)的

3、試驗(yàn)設(shè)備，因此研制滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)并進(jìn)行三場耦合試驗(yàn)研究是非常必要的，在巖體多場耦合研究中具有重要的意義3 4 5 。1. 滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)簡介和試驗(yàn)原理1.1 三場試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成該套滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)由水壓壓力源系統(tǒng)、多路獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)、試件夾具、加載和自動控制系統(tǒng)、流量量測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成，如圖1所示。水壓壓力源系統(tǒng)提供010MPa的穩(wěn)定壓力，壓力穩(wěn)定在工作水頭的0.5以內(nèi)；獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)控制試件各個(gè)面的溫度和水溫，溫度范圍在0100，精度在0.25以內(nèi)，可以在試件上形成一定的溫度條件和溫度梯度；雙軸徐變儀加載提供所需的恒定的應(yīng)力條

4、件；采用高精度的電子天平來量測滲透低滲透率的軟巖滲流量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供整個(gè)系統(tǒng)的全程數(shù)據(jù)記錄和分析；滲透夾具的設(shè)計(jì)中，采用可固化高導(dǎo)熱的硅膠作為密封材料，采用多項(xiàng)措施來避免量測和密封這個(gè)兩難的課題。實(shí)現(xiàn)了高精度溫度、流量量測和滲流過程中的密封問題。1.2 試驗(yàn)原理按照試驗(yàn)原理，室內(nèi)滲透試驗(yàn)方法可分為兩大類：一類是在試件的兩端施加一定或變化的水壓差，通過測量滲流量來計(jì)算試件的滲透系數(shù)，傳統(tǒng)的定水位和變水位法即屬于此類；另一類是向試件的一端以一定流量注水或直接施加壓力脈沖，通過測量試件兩端間壓力差隨時(shí)間的變化來計(jì)算試件的滲透系數(shù)。滲流、溫度與應(yīng)力耦合試驗(yàn)的目的是研究在溫度和應(yīng)力變化下材料滲透能力

5、的變化規(guī)律。那么，在改變溫度、應(yīng)力等條件后的測量階段，必須保持孔隙水壓的穩(wěn)定分布，才能保證測量值的變化是由溫度或者應(yīng)力單因素變化引起的，這樣便于分析總結(jié)其中的規(guī)律。在瞬態(tài)法的測量過程中水壓一直在變，它和外部施加的壓力共同作用于材料，影響著材料的滲透能力，很難理清單個(gè)因素的作用規(guī)律。而且瞬態(tài)法的測量需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理，采用不同的計(jì)算方法得出的滲透系數(shù)常有較大的差異。所以本文開展的試驗(yàn)采用了穩(wěn)態(tài)定水位法來測量不同應(yīng)力組合下試件的滲透系數(shù)，這樣可以對溫度、外載或孔隙水壓對滲透系數(shù)的影響分別進(jìn)行研究，而且精度也較瞬態(tài)法高。試驗(yàn)中測得的是滲流量，可以通過滲流量來計(jì)算滲透系數(shù)（1）式中，為滲流量，為試件

6、截面積，為試件沿滲流方向的長度，為壓力水頭。水壓壓力源系統(tǒng)試件夾具中的試件溫控系統(tǒng)A（控制試件一面溫度）溫控系統(tǒng)B （控制試件另一面溫度）溫控系統(tǒng)C（控制試件進(jìn)水面溫度）流量量測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)加載和自動控制系統(tǒng)圖1 滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成簡圖2. 滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及其特點(diǎn)2.1 水壓壓力源系統(tǒng)水壓力系統(tǒng)提供的最大水壓值10MPa，精度優(yōu)于0.01MPa。試驗(yàn)中水壓的穩(wěn)定性和精度對試驗(yàn)的可靠性具有重要意義。圍繞這兩點(diǎn)設(shè)計(jì)了自調(diào)節(jié)模糊控制系統(tǒng)，工作水壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)并能夠長時(shí)間保持穩(wěn)定。為了安全起見，系統(tǒng)配有過壓保護(hù)裝置。超過20的設(shè)定水壓時(shí)啟動過壓保護(hù)裝

7、置。當(dāng)水壓超過安全值時(shí)，通過安全溢流閥自動溢流。水壓壓力源系統(tǒng)由德國的普羅明特（Prominent）公司的sigma10011型變頻精密柱塞泵提供水壓。水壓壓力源模塊采用的高精度壓力傳感器作為壓力反饋元件，直接控制系統(tǒng)采用數(shù)字式指示調(diào)節(jié)儀構(gòu)成閉環(huán)控制，可以實(shí)時(shí)連續(xù)改變數(shù)字式指示調(diào)節(jié)儀給定值的要求，并實(shí)現(xiàn)在不同給定值上，提供恒定的水壓控制。水壓壓力源系統(tǒng)示意圖如圖2所示。a.貯水箱；b.過濾器；c.精密計(jì)量泵；d.精密機(jī)械壓力表；e.阻尼器；f.安全溢流閥；g.精密機(jī)械壓力表；h. 2.5MPa量程壓力變送器；i. 16MPa量程壓力變送器；j.數(shù)字調(diào)節(jié)儀；k.計(jì)算機(jī)；l.接往試件；m.最小流量

8、保證管；n.放空排氣管；o.集水桶圖2 水壓壓力源系統(tǒng)示意圖由于柱塞泵輸出水壓是波浪型的，在滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，水壓力以固定的周期和振幅波動，而試驗(yàn)所需的水壓要求是恒定的，因此需要對水壓進(jìn)行調(diào)制。設(shè)計(jì)中為了盡量減小壓力的振幅，使得壓力曲線趨于平緩，模仿水電工程中調(diào)壓井的功能引入大容量的脈動阻尼器進(jìn)行調(diào)壓。阻尼器由蓄能罐構(gòu)成，罐內(nèi)置一個(gè)體積約為20升的充氣囊，水壓升高時(shí)氣囊被壓縮，水壓衰減時(shí)氣囊膨脹。該阻尼器可以起到吸收和釋放能量的作用，能夠控制水壓的振動幅度。經(jīng)過摸索比較，選擇合適氣囊壓力，可以把水壓振動幅度成功的控制在0.5工作水頭以內(nèi)。因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)，80的阻尼壓力值對于保持恒定水壓效果最好，因

9、此保持脈動阻尼器內(nèi)氣壓為工作壓力的80左右。如圖3所示，通過把原來的0.5升的小容量的脈動阻尼器換成現(xiàn)在的大容量脈動阻尼器后，經(jīng)過阻尼器的調(diào)節(jié)后的水壓更加的平穩(wěn)。特別是把脈動阻尼器正對柱塞泵的水流方向后，效果更好一些。圖3 加大容量脈動阻尼器前后的水壓壓力曲線為了實(shí)現(xiàn)恒定壓力，考慮到沿程壓力損失，通過設(shè)立在試件入水口的壓力變送器輸送壓力信號到調(diào)節(jié)儀進(jìn)行自動壓力反饋調(diào)節(jié)。同時(shí)柱塞泵有最低轉(zhuǎn)速的限制，而且為保證泵的工作精度和穩(wěn)定性，沖程也不能一味減小，因此，泵有最低輸出流量的限制，在做低滲透性的巖石滲流試驗(yàn)時(shí)，難以保證這個(gè)系統(tǒng)的最小流量。因此這時(shí)的水壓力由于試件的滲流流量小于該最小流量時(shí)，管路里的

10、水壓力會持續(xù)升高，調(diào)節(jié)失效。針對此，在管路上增加一個(gè)流量出口，使得通過試件的流量加上該部分流量的總流量大于泵的最低輸出量，讓系統(tǒng)回到有效調(diào)節(jié)的工作范圍。 因此在通向試件的壓力水管上分出一個(gè)出口，接一段易裝卸的銅管，銅管里填充適量的硅藻土和反濾層。在水壓作用下，水從硅藻土中緩慢滲流而過，既增加了總的流量又不影響管路中水的流態(tài)。在不同的工作水壓下，可以通過填充硅藻土的多少來調(diào)節(jié)合適的管路流量，達(dá)到了保持一個(gè)最小流量使得柱塞泵能不停機(jī)長期工作的目的。同時(shí)通過穩(wěn)壓電源和電子屏蔽解決了由于電壓不穩(wěn)造成的壓力波動。2.2 溫度控制系統(tǒng)模塊為了實(shí)現(xiàn)溫度的控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫度梯度，控制恒定溫度的目的采用了多

11、路獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)由加熱裝置、冷卻裝置和自動控制系統(tǒng)組成。溫度恒定范圍在0.25以內(nèi)，可在0100內(nèi)調(diào)節(jié)溫度。冷卻水可調(diào)水冷卻機(jī)組模 具加熱棒組測溫探頭調(diào)節(jié)儀圖4 溫度控制系統(tǒng)模塊簡圖系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)試發(fā)現(xiàn)溫度的均勻性滿足試驗(yàn)的要求，溫度控制模塊如圖4所示，加熱棒加熱夾具的加熱面，加熱面緊靠試件表面對試件進(jìn)行加熱。通過設(shè)置在加熱棒后的冷卻水管進(jìn)行溫度控制，通過靠近加熱面表面位置的探頭孔中放置的溫度探頭來進(jìn)行溫度反饋，通過調(diào)節(jié)儀控制加熱棒中的電流改變加熱功率來調(diào)節(jié)溫度。同時(shí)，溫度也可以通過手動調(diào)節(jié)冷卻水管冷卻水溫度和冷卻水流量來進(jìn)行溫度的粗調(diào)，細(xì)調(diào)則通過調(diào)節(jié)儀和溫度反饋探頭進(jìn)行調(diào)節(jié)

12、。溫度控制系統(tǒng)可以連續(xù)調(diào)節(jié)到所需恒定溫度，并很快達(dá)到穩(wěn)定，且可長時(shí)間維持此溫度?？梢詫?shí)現(xiàn)手動和機(jī)控溫度，并可保持恒定地溫度梯度。各個(gè)溫度控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，可以獨(dú)立控制各個(gè)溫控系統(tǒng)溫度。2.3 試件夾具試件夾具是整個(gè)滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)樯婕暗綔囟鹊牧繙y、高壓水流的密封和溫度的控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，而且量測和密封存在著比較大的沖突的情況下，如何設(shè)計(jì)夾具就成了這套設(shè)備成敗的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)試件夾具的第一個(gè)問題就是試件的形狀，現(xiàn)有的滲流研究設(shè)備，基本上都采用圓柱形試件，一是巖石取樣的問題，一般都是巖芯；二是一般都采用圍壓來壓緊試件表面進(jìn)行密封，圓柱形密封效果比較好。而要研究溫度梯度，就難以

13、采用圓柱形試件，而必須采用方形試件來進(jìn)行溫度梯度的模擬，方形試件的加工和密封的難度就要大得多。為了解決密封和導(dǎo)熱、量測的矛盾，通過比較，選擇雙組分可固化導(dǎo)熱硅膠來解決這個(gè)問題。雙組分可固化導(dǎo)熱硅膠具有良好的導(dǎo)熱性能，可以在試件的導(dǎo)熱面涂上這種硅膠來進(jìn)行導(dǎo)熱和密封。此種硅膠在固化前具有良好的流動性，并具有較好的彈性和強(qiáng)度，可以保證試件的涂膠表面的平整度，不會因不平整而造成應(yīng)力集中?？紤]到雙軸徐變儀加載及冷卻加熱系統(tǒng)布置，需要必須的空間進(jìn)行布置。因此通過綜合考慮，采用100mm100mm200mm的試件。在試件夾具的內(nèi)部，考慮到因?yàn)閵A具采用不銹鋼材料，導(dǎo)熱性能不如紫銅效果好，而試件采用水冷，在水冷

14、的入水口一端由于水溫較低冷卻效果較好造成溫度略低，而在冷卻水的出水口溫度略高，因此在試件夾具內(nèi)部加一薄層紫銅板，使溫度更加的均勻，達(dá)到了試驗(yàn)的溫度條件。2.4 加載和自動控制系統(tǒng)模塊圖5 三軸力加載示意圖試驗(yàn)中利用CSS-283型雙軸徐變試驗(yàn)機(jī)提供一對水平軸（x軸）和一對垂直軸（軸）壓力，由水壓力通過自平衡框架提供另一對水平軸（y軸）壓力，如圖5所示。該徐變試驗(yàn)機(jī)可以提供垂直方向?yàn)?00KN（壓），水平方向?yàn)?00 KN（壓）壓力，精度為1示值?？商峁┏掷m(xù)穩(wěn)定的荷載，荷載控制穩(wěn)定性變化幅度不大于1滿量程。2.5 流量量測和溫度量測系統(tǒng)模塊由于試驗(yàn)對象是低滲透率的巖石和混凝土，因此用一般的流量計(jì)

15、難以達(dá)到所需的精度。因此最后采用高精度電子天平來量測滲流流量，同時(shí)通過同樣條件的容器同樣的水來校核蒸發(fā)量。防止因?yàn)樗终舭l(fā)而引起的誤差。流量精度為0.01ml。溫度量測控制系統(tǒng)通過打孔后埋設(shè)在巖石試件內(nèi)部的鉑電阻來量測試件試驗(yàn)過程中的溫度，通過巡檢儀實(shí)時(shí)量測試件內(nèi)部溫度，來達(dá)到相應(yīng)的試驗(yàn)條件。2.6 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)模塊通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析，并有著專門的分析采集程序控制。試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)顯示曲線，并可自動采樣，可保證長時(shí)間量測，可根據(jù)用戶要求打印通用的試驗(yàn)報(bào)告。2.7 流量量測的蒸發(fā)補(bǔ)償需要根據(jù)所要試驗(yàn)的研究對象的實(shí)際滲流量和蒸發(fā)速度的相對大小，兼顧測量精度和測量效率，選擇合適的測量方

16、法測量流量。對于滲透系數(shù)不小于10-8cm/s的試件，試驗(yàn)中用塑料杯接收滲流出的水，塑料杯放在電子天平上，可以通過計(jì)算機(jī)設(shè)定合適的取樣頻率來自動采集質(zhì)量數(shù)據(jù)并記錄和處理，也可以人工定期稱量水的質(zhì)量變化，計(jì)算出流量值。與此同時(shí)在同樣的環(huán)境下設(shè)置一個(gè)同樣的杯子，裝上水，也定期測量它的質(zhì)量變化，計(jì)算出同期的蒸發(fā)量，可以對測得的流量值進(jìn)行微小的修正。對于滲透系數(shù)小于10-8cm/s的試件，上述一般方法就會有較大的誤差了。通過試驗(yàn)摸索比較，總結(jié)出一套有效的測量小流量的方法。在接收滲流水的容器中倒一層普通食用色拉油，由于水比油重，每次滴入的水自動沉到油層下面，持續(xù)48小時(shí)觀測表明蒸發(fā)量基本為零。2.8 密

17、封效果巖石和混凝土的孔隙型滲流的滲透系數(shù)通常很小，要在室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行有效的測量需要使用數(shù)百米水頭的工作水壓。如此高的水壓對試件的密封提出了很高的要求，如何密封試件成為設(shè)備研制的難點(diǎn)。同時(shí)滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)中還要求在密封的同時(shí)要有很好的導(dǎo)熱性能，實(shí)現(xiàn)密封和導(dǎo)熱的要求。與常規(guī)方法不同，該密封系統(tǒng)采用了一種全新的工藝，在試件的4個(gè)側(cè)面涂一層粘結(jié)性強(qiáng)柔韌性好的導(dǎo)熱硅脂灌封膠，對試件進(jìn)行密封。為了檢驗(yàn)實(shí)際的密封效果，用上述方法密封了一塊100 mm100 mm200 mm的試件，卸除出水口的金屬頭，露出巖石試件的出滲表面，觀察滲流現(xiàn)象。進(jìn)水口加上水壓后，巖石的表面出現(xiàn)“冒汗”現(xiàn)象，隨著時(shí)間的增長

18、，水珠逐漸變大并和相鄰的水珠匯流成股流下，形成可測量的流量，而巖石的四個(gè)邊未發(fā)現(xiàn)漏水。試驗(yàn)證明該工藝能有效的防止水從側(cè)面滲漏。同時(shí)，試件做完試驗(yàn)后，劈開試驗(yàn)后試件，通過干濕試件對比，可以明顯看出，試件是全斷面過水，不管是沿著滲流方向還是垂直滲流方向，都可以很清晰的看到這個(gè)現(xiàn)象。3. 滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)在三場耦合研究中的應(yīng)用利用本套耦合試驗(yàn)裝置進(jìn)行了軟巖的恒定溫度下的應(yīng)力對巖體滲透系數(shù)影響試驗(yàn)和恒定應(yīng)力下溫度對巖體滲透性能影響試驗(yàn)。其中，恒定應(yīng)力下溫度對巖體滲透性能的試驗(yàn)又包括水溫和巖體溫度、溫度梯度對巖體滲透系數(shù)的試驗(yàn)。圖68是部分典型試驗(yàn)曲線。圖6 恒定溫度下應(yīng)力對巖體滲透系數(shù)影響試驗(yàn)典型曲線圖7 水溫和巖體溫度對軟巖滲透性能的影響典型曲線圖8 溫度梯度對軟巖滲透性能的影響典型曲線通過試驗(yàn)，得到了軟巖在三軸應(yīng)力影響下的巖體滲透系數(shù)變化規(guī)律和溫度影響下的軟巖的滲透系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合熱量守恒定律、應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程和滲流連續(xù)方程得到了軟巖的滲流、溫度與應(yīng)力耦合連續(xù)介質(zhì)模型。4.結(jié)束語總之，目前國內(nèi)、國際上，研究巖石的滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)很少，該套滲流、溫度與三軸應(yīng)力耦合試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了巖石、混凝土材料的滲流溫度耦合試驗(yàn)研究，