[发明专利]一种岩土水力耦合分析系统及其控制方法

说明书

本申请公开了一种岩土水力耦合分析系统及其控制方法。分析系统，包括：密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；夹持件，设于密闭容器的内部，用以固定试样；湿度控制仪，与密闭容器通过管路密闭连接，用以控制密闭容器内的湿度；伺服加压装置，其液压缸的侧壁密闭的穿过密闭容器的底部，伺服加压装置的加载活塞用以对试样进行轴向加载；CT扫描装置，包括用以对试样进行CT扫描的射线源和探测器，射线源和探测器以可沿密闭容器旋转的方式分别设在密闭容器的两侧；数据采集控制系统，与湿度传感器、湿度控制仪、CT扫描装置连接，可以实现试样不同压力、不同湿度下的CT扫描测量。

技术领域

本公开一般涉及岩土实验测量仪器技术领域，尤其涉及一种岩土水力耦合分析系统及其控制方法。

背景技术

非饱和问题是岩土工程的重要议题之一，诸多岩土工程灾害都与材料的非饱和特性密切相关，比如土质边坡由于地下水位的变化使得非饱和部分力学特性逐渐弱化而引起失稳，地下隧道由于湿度季节性周期性变化导致围岩产生大量裂纹，使得力学特性和水力特性弱化而对工程安全造成危险。目前，岩土介质水力耦合微观结构机理的研究发展相对缓慢。

就非饱和土而言，土体在工程荷载作用下，应力场发生变化，固相土体骨架压缩或破坏，会导致孔隙水压力改变，同时土体细观孔隙结构的变化还伴随着土水特性和渗透率的改变。反过来，土体渗透特性的变化又会影响土体中的流动过程，通过渗透力、孔隙水压力、毛细作用力作用于土体应力场，影响土体的强度。我们把这个力学过程和流体流动过程的相互作用称为水力耦合过程。水力耦合过程在矿山开采、围岩开挖等岩石体工程中并不少见。相对而言，岩体中除了存在微孔隙、微裂隙之外，还存在软弱结构面、节理面，这些微孔隙、微裂纹和结构面的存在从习惯结构上决定了岩石的宏观各向异性。

对于岩土体而言，孔隙中通常存在一种或多种流体在流动，其流动的驱动机制和受力情况较为复杂，孔隙水的存在和流动将毫无疑问的影响岩土体的承载能力和工程稳定性。在堤防工程、深埋隧洞建设、油气资源开采、地下水封油库、二氧化碳的地下储存、高放射物的地下处置等众多的大型岩土体工程领域中，都不可避免的涉及到孔隙流体和岩土体之间的相互作用问题。因此，探究孔隙流体和岩土介质之间的相互作用机制，了解水力耦合过程的微观作用机理成为一个亟需解决的重要课题。

现有技术中，在对岩土工程介质的水敏感性进行分析的时候，传统的水敏感性测试从宏观角度研究水分对试样强度、体积、渗透率等特性的影响，即通过干湿循环试验采用饱和盐溶液控制相对湿度。根据热力学原理，饱和盐溶液对应的液面上方一定范围内的相对湿度是相对稳定的，在温度、饱和度等因素不变的情况下，液面上方的相对湿度也保持不变，而不同的饱和盐溶液，因为化学本质的不同，所对应的液面上方的相对湿度的稳定值也不一样，这样就可以选取不同种类的盐溶液，不断改变试样的保存环境，可以实现一定效果的干湿循环。

然而，尽管饱和盐溶液可以控制稳定的相对湿度，但是不同盐溶液控制的相对湿度之间差别较大，因此试验的湿度条件是不连续的，呈现为跳跃性变化；所以传统的干湿循环试验无法做到对湿度环境的精细控制，也无法获得试件在不同连续湿度条件下的相关性能。而这种方式只能测量不连续湿度条件下水敏感性的相关性能，且无法对试样施力加载，必然无法满足观测水力耦合过程中微观作用机理的条件。

此外，在过去的几十年里，一大批国内外学者致力于从细观孔隙结构和颗粒级配上入手研究水力耦合机制。也有不少学者借助高精度的岩石CT扫描图像，采用一种或几种数值算法建立数字岩芯还原真实的孔隙结构，从而实现孔隙细观结构的数值建模，随着X-CT成像设备的发展，借助一些数值重建方法，如高斯随机场方法，模拟退火法，顺序指示模拟法，过程模拟法，多点模拟法等方法发展起来的数字岩石物理技术实现了对岩石微观孔隙结构的三维可视化重现，并逐步建立了细观结构和宏观表象（弹模、孔隙率、渗透率等）之间的被再联系。孔隙尺度的数值建模有利于从细观上揭示孔隙流体和固体颗粒的相互作用机制，是认识水力耦合机制的一个新角度。但是至今为止，尚未出现能够观测并分析现实状态下孔隙流体和岩土介质之间在水力耦合过程中、其相互作用下的微观作用机理的装置及方法。