渗流温度与三轴应力耦合试验机的研制.doc

渗流、温度与三轴应力耦合试验机的研制 *徐增辉 刘光廷 叶源新 陈凤岐 （清华大学水利水电工程系 北京 100084） 摘要：为了进行岩石、混凝土的渗流、温度与三轴应力耦合研究，由于缺乏相应的试验设备，因此研制了一套可用于三场耦合实验研究的试验机。该试验机实现了三轴可控下的渗流、温度与三轴应力系列试验，可以实现恒定应力下水温和岩体温度、温度梯度对渗透系数影响试验和恒定温度下应力对岩体渗透系数影响试验。通过双组分可固化导热硅脂解决了密封、加压、量测和温控的矛盾。水压和流量量测具有高精度、水压和温度具有较高的稳定性。其试验研究成果结合实际工程设计需要，对于在软弱基础上的大坝设计具有重要的指导意义。 关键词：渗流、温度与三轴应力耦合；三轴应力；温度梯度；低渗透岩石； 中图分类号：G484 文献识别码：A 文章编号： 岩体的渗透性能是关系到岩体稳定和坝体安全的一个重要的指标。而现有模型大多是仅仅单独考虑渗流场、温度场与应力场的影响，而没有考虑其耦合影响，但其三场耦合作用不可忽视[1] [2]。而现有耦合研究大多缺乏温度、应力对岩体的渗透系数的影响试验研究，缺乏相应的试验设备，因此研制渗流、温度与三轴应力耦合试验并进行三场耦合试验研究是非常必要的，在岩体多场耦合研究中具有重要的意义[3] [4] [5] 。 1. 渗流、温度与三轴应力耦合试验机简介和试验原理 1.1 三场试验机系统构成 该套渗流、温度与三轴应力耦合试验系统由水压压力源系统、多路独立的温度控制系统、试件夹具、加载和自动控制系统、流量量测系统和数据采集分析系统组成，如图1所示。水压压力源系统提供0～10MPa的稳定压力，压力稳定在工作水头的0.5％以内；独立的温度控制系统控制试件各个面的温度和水温，温度范围在0～100℃，精度在±0.25℃以内，可以在试件上形成一定的温度条件和温度梯度；双轴徐变仪加载提供所需的恒定的应力条件；采用高精度的电子天平来量测渗透低渗透率的软岩渗流量；数据采集系统提供整个系统的全程数据记录和分析；渗透夹具的设计中，采用可固化高导热的硅胶作为密封材料，采用多项措施来避免量测和密封这个两难的课题。实现了高精度温度、流量量测和渗流过程中的密封问题。 1.2 试验原理 按照试验原理，室内渗透试验方法可分为两大类：一类是在试件的两端施加一定或变化的水压差，通过测量渗流量来计算试件的渗透系数，传统的定水位和变水位法即属于此类；另一类是向试件的一端以一定流量注水或直接施加压力脉冲，通过测量试件两端间压力差随时间的变化来计算试件的渗透系数。 渗流、温度与应力耦合试验的目的是研究在温度和应力变化下材料渗透能力的变化规律。那么，在改变温度、应力等条件后的测量阶段，必须保持孔隙水压的稳定分布，才能保证测量值的变化是由温度或者应力单因素变化引起的，这样便于分析总结其中的规律。在瞬态法的测量过程中水压一直在变，它和外部施加的压力共同作用于材料，影响着材料的渗透能力，很难理清单个因素的作用规律。而且瞬态法的测量需要较复杂的数学处理，采用不同的计算方法得出的渗透系数常有较大的差异。所以本文开展的试验采用了稳态定水位法来测量不同应力组合下试件的渗透系数，这样可以对温度、外载或孔隙水压对渗透系数的影响分别进行研究，而且精度也较瞬态法高。 试验中测得的是渗流量，可以通过渗流量来计算渗透系数 （1） 式中，为渗流量，为试件截面积，为试件沿渗流方向的长度，，为压力水头。 图1 渗流、温度与三轴应力耦合试验机系统构成简图 2. 渗流、温度与三轴应力耦合试验机系统构成及其特点 2.1 水压压力源系统 水压力系统提供的最大水压值10MPa，精度优于0.01MPa。试验中水压的稳定性和精度对试验的可靠性具有重要意义。围绕这两点设计了自调节模糊控制系统，工作水压可以连续调节并能够长时间保持稳定。为了安全起见，系统配有过压保护装置。超过20％的设定水压时启动过压保护装置。当水压超过安全值时，通过安全溢流阀自动溢流。 水压压力源系统由德国的普罗明特（Prominent）公司的sigma10011型变频精密柱塞泵提供水压。水压压力源模块采用的高精度压力传感器作为压力反馈元件，直接控制系统采用数字式指示调节仪构成闭环控制，可以实时连续改变数字式指示调节仪给定值的要求，并实现在不同给定值上，提供恒定的水压控制。水压压力源系统示意图如图2所示。 a.贮水箱；b.过滤器；c.精密计量泵；d.精密机械压力表；e.阻尼器；f.安全溢流阀；g.精密机械压力表；h. 2.5MPa量程压力变送器；i. 16MPa量程压力变送器；j.数字调节仪；k.计算机；l.接往试件；m.最小流量保证管；n.放空排气管；o.集水桶 图2 水压压力源系统示意图 由于