[发明专利]一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置及方法

权利要求书

1.一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置，其特征在于，包括承载装置（1）、渗压突变装置（2）、单轴加载系统（3）、测控系统（6）、防护门（17）和触发装置，承载装置（1）包括底座（11）、右立柱（12）、左立柱（13）和顶梁（14），左立柱（13）和右立柱（12）均固定在底座（11）上，顶梁（14）通过连接孔套在左立柱（13）和右立柱（12）上并通过第一螺母（15）和第二螺母（16）分别固定；

所述承载装置（1）内设有第一传压块（41）和第二传压块（50），第一传压块（41）上设有进水孔（42），进水孔（42）的下端设有第一透水盘（43）和第一动态水压传感器（44），第二传压块（50）上设有出水孔（51），出水孔（51）的上端设有第二透水盘（48）和第二动态水压传感器（49），出水孔（51）的下端通过管路与水池（56）连接，出水孔（51）与水池（56）之间的管路上设有第二阀门（54）和流量计（55）；所述防护门（17）安装在承载装置（1）的侧部，所述防护门（17）上设有透明观察窗（18）；

所述渗压突变装置（2）包括横杆（21）、左支腿（22）、右支腿（23）、释放器（24）、导向轴（25）、缸筒（26）和冲击块（29），左支腿（22）和右支腿（23）的下端固定在缸筒（26）上，左支腿（22）和右支腿（23）的上端均设有U型叉结构，缸筒（26）的侧部设有供水口（27）和溢水口（28），供水口（27）的位置高于溢水口（28）的位置，缸筒（26）底部与蓄水器（52）的一端连通，蓄水器（52）的另一端通过管路与第一传压块（41）的进水孔（42）连通，在蓄水器（52）与进水孔（42）之间的管路上设有第一阀门（53），横杆（21）固定在导向轴（25）的上端，冲击块（29）滑动地套在导向轴（25）上，导向轴（25）的下端设有截止头（252），所述横杆（21）的长度大于左支腿（22）与右支腿（23）之间的直线距离，所述释放器（24）包括定位螺杆（241）、活动体（242）、旋转座（243）、旋转臂（244）和旋转轴（245），活动体（242）套在右支腿（23）上并通过定位螺杆（241）固定，旋转座（243）固定在活动体（242）的一侧，旋转轴（245）设置在旋转座（243）上，所述旋转臂（244）的一端通过旋转轴（245）与旋转座（243）活动连接，旋转臂（244）的另一端为分叉结构，导向轴（25）处于分叉结构中；

所述单轴加载系统（3）包括油源（31）、加载缸（32）、蓄能器（33）、第一换向阀（34）、第二换向阀（35）、压力计（36）和磁致位移传感器（37），加载缸（32）嵌入在底座（11）内，磁致位移传感器（37）设置在加载缸（32）上，加载缸（32）的进油口和出油口分两个油路与油源（31）连接，所述蓄能器（33）连接在加载缸（32）和油源（31）之间其中一个油路上，所述压力计（36）和第二换向阀（35）均设置在与蓄能器（33）相同的油路上，第一换向阀（34）设置在另一个油路上；

所述测控系统（6）包括控制装置（61）、升降台（62）、高速摄像仪（63）和显微观察装置（64），高速摄像仪（63）和显微观察装置（64）设置在升降台（62），控制装置（61）与高速摄像仪（63）、磁致位移传感器（37）、压力计（36）、第一动态水压传感器（44）、第二动态水压传感器（49）和油源（31）连接；

所述触发装置由触发旋钮（246-1）、复位轴（246-2）和弹簧（246-3），复位轴（246-2）套有弹簧（246-3）并支撑在所述旋转座（243）内，复位轴（246-2）的一端伸出旋转座（243）并支撑旋转臂（244），复位轴（246-2）上设有限位齿（246-4），旋转座（243）内设有与限位齿（246-4）对应的限位槽，触发旋钮（246-1）固定在复位轴（246-2）的端部。

2. 根据权利要求1 所述的渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置，其特征在于，所述控制装置（61）为微型计算机。

3. 根据权利要求1 所述的渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置，其特征在于，所述导向轴（25）上设有刻度（251）。

4. 一种根据权利要求1 所述的渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置的实验方法，其特征在于，具体步骤为：

A、将制备好的砂砾试样（47）采用套环（46）紧固，然后其下端装设第二透水盘（48）和第二动态水压传感器（49）后与第二传压块（50）的上端通过高弹密封圈（45）密封，砂砾试样（47）的上端装设第一透水盘（43）和第一动态水压传感器（44）后与第一传压块（41）的下端通过高弹密封圈（45）密封，形成测试组合体；

B、将测试组合体的下端与加载缸（32）的上端接触、测试组合体的上端与顶梁（14）接触，顶梁（14）通过第一螺母（15）和第二螺母（16）对顶梁（14）限位；

C、将渗压突变装置（2）、单轴加载系统（3）和测控系统（6）连接后，完成整个装置连接过程；

D、打开第一阀门（53）和第二阀门（54）通过供水口（27）向缸筒（26）内供水直至缸筒（26）内的水位达到溢水口（28）的位置停止，观察整个管路上各个接头是否漏水，若有渗漏则对相应位置进行二次密封，如无漏水则完成对整个供水管路的密封性检测，并关闭第一阀门（53）和第二阀门（54）；

E、使单轴加载系统（3）开始工作，加载缸（32）通过第二传压块（50）对砂砾试样（47）施加压力，在施加压力过程中控制装置（61）通过磁致位移传感器（37）和压力计（36）控制压力的加载速率及设定的最大压力值，达到设定的最大压力值后进行保压；此时进行定水头渗透测试，打开第一阀门（53）和第二阀门（54）后，缸筒（26）内的水以恒定的水流通过管路从第一传压块（41）的进水孔（42）流入砂砾试样（47），并从第二传压块（50）的出水孔（51）流出砂砾试样（47）经流量计（55）后进入水池（56），当流量计（55）稳定后根据渗透定律即可得到该轴向压力下砂砾介质的渗透参数；

F、当水流稳定渗透后将冲击块（29）置于旋转臂（244）端部上，打开触发装置（246）使旋转轴（245）带动旋转臂（244）向下旋转，此时冲击块（29）沿着导向轴（25）下落至缸筒（26）冲击缸筒（26）内的水，使渗透水压从低压瞬间突变至高压，进而通过第一动态水压传感器（44）和第二动态水压传感器（49）实时检测透水盘中的水压值变化情况传递给控制装置（61），同时高速摄像仪（63）通过显微观察装置（64）实时记录砂砾试样（47）的变化图像并传递给控制装置（61）；

G、完成实验后关闭供水口（27）和第一阀门（53），待无水流入水池时关闭第二阀门（54），通过测控系统（6）和单轴加载系统（3）对砂砾试样（47）卸载，最后打开防护门（17）取出砂砾试样（47），关闭油源（31）及测控系统（6）；

H、通过采集的砂砾试样（47）细观结构图像、水压力数据及试样受加载的压力值进行分析并绘制成曲线图，最终获得渗压突变下砂砾介质细观结构演变规律及孔压变化规律。