一种多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台

1.本发明涉及岩土和地下工程领域，特别地涉及一种多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台，尤其能够用于深层、超深层岩石长期高温
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渗流
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应力耦合下岩石微细观结构实时观测和研究。


背景技术：

2.花岗岩具有高密度、高强度和低渗透性等特性，是建立高放射性核废物（简称：高放废物）深部地质处置库的理想围岩材料之一。由于高放废物的衰变需要至少一万年以上时间，地质处置库围岩的长期耦合性能一直是世界上各个核工业国家的重点研究课题。
3.深部地质处置库设计深度大约为500
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1000m，其赋存地质环境具有高地应力、高地温和高岩溶水压的特点。深部地质环境下，花岗岩具有强蠕变特性，围岩开挖后的声发射数据和围岩位移数据均表现出了明显的蠕变特征。蠕变损伤形成的花岗岩内部裂纹/裂隙渗流通道，以及内部不连续结构形态，必然引起花岗岩渗透性能的变化。因此，处置库在长期的运营过程中，深部花岗岩蠕变损伤对其渗透性能的影响，是围岩核素迁移安全不确定性的关键因素之一。
4.处置库围岩的蠕变
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渗流耦合性能是关系处置库长期稳定性和安全性的关键因素之一，深部不是深度，是一种应力环境状态，在深部高应力、高温和高渗透压环境下，深部花岗岩必将经历复杂的蠕变
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渗流耦合过程。如若不能准确地描述多物理场耦合下的深部花岗岩蠕变行为、花岗岩蠕变损伤引起的长期渗透性能变化，必然不能准确地评估地质处置库核素迁移的长期安全性。
5.已有的针对岩石材料结构演化研究的成果中，对岩石微细观结构的实时观测试验主要基于扫描电子显微镜（真空环境）、原子探针（静态观测）和ct技术（静态观测或成本太高）等，以往试验平台只能实现加载结束后拿去观测，且观测系统受限于真空、干燥等环境限制，无法适用于在施加多物理场耦合的同时进行长期观测。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台，采用自制的岩石多场耦合微细观结构实时观测平台，用于多场耦合下岩石微细观结构的长期观测和研究，尤其能够实现岩石高温
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渗流
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应力耦合下的岩石微细观结构长期观测，从而可以实现对高温
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渗流
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应力耦合作用下蠕变岩石尤其是花岗岩微细观结构演化特征的研究。
7.为达到以上目的，本发明是这样实现的：本发明提供一种多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台，主要包括工作台、加载台、压力加载系统、水/气压加载系统、观测系统、加载控制与数据采集系统，其中：所述工作台至少用于承载所述加载台、压力加载系统和观测系统；所述加载台安装在所述工作台上，加载台具有岩石容置槽，该岩石容置槽用于放
置岩石试件，并且加载台的相邻两个侧面各开设有至少一个横向的加载孔道，该加载孔道连通岩石容置槽；所述压力加载系统安装在所述工作台上，压力加载系统配备有压力顶杆，该压力顶杆穿过所述加载孔道，向岩石试件的相邻两个侧面压力加载；所述水/气压加载系统由加载台的底部连通至岩石容置槽，用于向岩石容置槽内的岩石试件施加水/气压力；所述观测系统位于所述加载台的上方，用于观测岩石试件的加载过程；所述加载控制与数据采集系统用于所述压力加载系统应力的控制与记录，及所述观测系统图像的采集和数据的记录。
8.在一个具体改进例中，所述工作台上预留有四个安装孔一用于安装加载台，四个安装孔一的中间位置为中空结构，以及用于安装和调整压力加载系统前后位移的多组安装孔二，用于安装和调整压力加载系统左右位移的多组安装孔三。
9.在一个具体改进例中，所述加载台由位于底部的底座、位于中间的主体部、位于主体部上部的观测盖板和位于顶部的盖板四个模块构成，底座、主体部和盖板四角对应开设有通孔一，主体部的中心开设所述岩石容置槽，主体部的相邻两侧各开设两个所述加载孔道，所述压力加载系统的压力顶杆设置两根。
10.在一个具体改进例中，所述岩石容置槽贯通所述主体部，由外槽和内沉槽构成，外槽的槽口与主体部上表面平齐，内沉槽设置在外槽内并相对外槽的槽口下沉，所述加载孔道连通内沉槽，内沉槽内放置岩石试件。
11.在一个具体改进例中，所述内沉槽的槽口四周开设有一圈闭合的环形槽，该环形槽内用于放置橡胶圈，所述观测盖板放置在该橡胶圈上用于密封岩石试件，并且观测盖板的厚度与外槽和内沉槽槽口的高差一致。
12.在一个具体改进例中，所述外槽的槽口四周开设有一圈闭合的环形槽，该环形槽内用于放置橡胶圈，所述盖板开设有观测口，观测口的尺寸小于外槽槽口的尺寸，盖板放置在该橡胶圈上用于密封观测盖板。
13.在一个具体改进例中，所述外槽槽口的环形槽外围均匀分布有螺栓孔，所述盖板的观测口外围对应分布有通孔二，通过螺栓穿过通孔二和螺栓孔并拧紧，用于在观测口四周压紧所述观测盖板。
14.在一个具体改进例中，所述底座上对应所述内沉槽处，开设有一圈闭合的环形槽，该环形槽内放置橡胶圈，所述岩石试件放置在该橡胶圈上，并且在该环形槽的中心开设有贯通底座的进水/气孔，用于连接所述水/气压加载系统，在该环形槽的外围开设有贯通底座的排水/气孔。
15.在一个具体改进例中，所述试验平台还具有加热系统，加热系统采用加热丝，该环形槽的外围还开设有至少一个贯通底座的加热孔，加热丝从底座的底部穿过所述加热孔，伸入岩石容置槽内对岩石试件进行加热。
16.在一个具体改进例中，所述压力加载系统的压力顶杆由三部分组成，即带有两个凹槽的杆头垫片、带有两个螺孔的杆尾垫片和尾端带有螺纹段的顶杆主体，且顶杆主体的直径与两个凹槽和两个螺孔匹配。
17.本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种岩石微细观结构实时观测
的试验平台，能够进行多场耦合下岩石微细观结构的长期观测和研究，尤其适用于长期观测高温
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渗流
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应力耦合下蠕变花岗岩微细观结构演化特征。具体而言，至少具有如下实际效果：（1）用自制的岩石多场耦合微细观结构实时观测平台，可以实现岩石高温
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渗流
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应力耦合下的岩石微细观结构长期观测，从而可以实现对高温
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渗流
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应力耦合作用下蠕变花岗岩微细观结构演化特征的研究，即实验平台可以在试验过程中实时观测，更为准确的刻画不同时刻的演化过程。
18.（2）以水力
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应力作用下蠕变花岗岩微细观结构演化特征、孔裂隙结构分形维数演化规律和渗流理论模型为主要研究内容，从微细观结构演化层面探索深部花岗岩蠕变
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渗流耦合机制及其对渗透率的影响，在研究技术方法上具有一定的创新。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
20.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
21.图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；图2为本发明一个实施例的工作台示意图；图3为本发明一个实施例的加载台四个模块结构示意图；图4为本发明一个实施例的加载台底座与主体部立体示意图；图5为本发明一个实施例的加载台主体部俯视示意图；图6为本发明一个实施例的加载台盖板结构示意图；图7为本发明一个实施例的加载台底座结构示意图；图8为本发明一个实施例的加载台底座与主体部俯视示意图；图9为本发明一个实施例的压力顶杆结构示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中
还存在另外的相同要素。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
28.参见图1，本发明提供了一种多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台，用于长期高温
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渗流
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应力耦合下岩石微细观结构实时观测试验，主要包括工作台1、加载台2、水/气压加载系统（空气压缩机3和气动压力桶4）、压力加载系统5、观测系统6、加载控制与数据采集系统7。
29.工作台1至少用于承载加载台2、压力加载系统5。
30.本发明中，工作台1还承载观测系统6，即观测系统6也设置在工作台1上，如此整个试验平台整体上结构更紧凑，但是，显然观测系统6的设置位置并不限于此，观测系统6完全也可以设置在工作台1以外。
31.本发明中，工作台1由预制的不锈钢制成，尺寸为100
×
100
×
1cm，如图2所示，作为一种实施方式，工作台1上预留有四个安装孔一101，用于安装加载台2，四个安装孔一101的中间位置为中空结构102，中空结构102用于从下方穿设水/气压加载以及加热管路。
32.工作台1上还预留有用于安装和调整压力加载系统5前后位移的多组安装孔二103，用于安装和调整压力加载系统5左右位移的多组安装孔三104。
33.参见图3，加载台2安装固定在工作台1上，加载台2具有岩石容置槽201，该岩石容置槽201用于放置岩石试件8，并且加载台2的相邻两个侧面各开设有至少一个横向的加载孔道202，该加载孔道202连通岩石容置槽201。
34.较佳的，本发明的岩石试件8被打磨成30305mm的切片放入加载台2的岩石容置槽201内。
35.继续参见图3并结合图4，作为一种实施方式，加载台2由位于底部的底座203、位于中间的主体部204、位于主体部上部的观测盖板205和位于顶部的盖板206四个模块构成，岩石容置槽201形成在主体部204的中心，主体部204的相邻两侧各开设两个加载孔道202，压力加载系统5的压力顶杆设置两根。
36.本发明在底座203、主体部204和盖板206四角对应开设有四个通孔一207，四个通孔一207与工作台1上预留的四个安装孔一101一一对应，试验时采用螺栓穿过四个通孔一
207和四个安装孔一101，从而将加载台2整体紧固固定在工作台1上，加载台2的岩石容置槽201正对工作台1上的中空结构102。
37.再参见图4，作为一种实施方式，岩石容置槽201贯通主体部204，由外槽208和内沉槽209构成，外槽208的槽口与主体部204上表面平齐，内沉槽209设置在外槽208内并相对外槽208的槽口下沉，加载孔道202连通内沉槽209，内沉槽209内放置岩石试件8。本发明设计外槽208和内沉槽209结构，方便后面铺放观测盖板205，观测盖板205放置在外槽208内，内沉槽209的槽口上，完全覆盖内沉槽209，从而将岩石试件8密封在岩石容置槽201内，为岩石试件8提供一个合适的试验空间。
38.参见图5，作为一种实施方式，内沉槽209的槽口四周开设有一圈闭合的环形槽210，试验时在该环形槽210内放置一橡胶圈（图中未示出），观测盖板205放置在该橡胶圈上用于密封岩石试件，并且观测盖板205的厚度与外槽和内沉槽槽口的高差一致，观测盖板205放入后其上表面恰好与外槽的槽口齐平，便于在其上方放置盖板206，盖板206恰好能够压住观测盖板205。
39.本发明观测盖板205采用玻璃盖板，或其他透明能够便于观测内部加载情况的板体均可。
40.较佳的，本发明在外槽208的槽口四周开设有一圈闭合的环形槽210，该环形槽内放置橡胶圈，盖板206放置在该橡胶圈上用于密封观测盖板205。外槽208槽口的环形槽210作为内沉槽209槽口的环形槽210的有效补充和备用，在内沉槽209的环形槽210无法实现有效密封的情况下补充对岩石试件的密封作用，或者二者同时设置密封圈，提供更稳定的密封效果。
41.如图3，盖板206开设有观测口211，观测口211的尺寸小于外槽208槽口的尺寸，盖板206覆盖外槽208槽口时，盖板206的观测口211边缘伸入外槽208槽口内，能够压住观测盖板205。
42.较佳的，如图4、5并结合图6，主体部204在外槽208槽口的环形槽210外围均匀分布有八个螺栓孔212，盖板206的观测口211外围对应分布有八个通孔二213，通过螺栓穿过通孔二213和螺栓孔212并拧紧，紧固盖板206，用于在观测口四周压紧观测盖板205，防止试验时槽内气压过大导致观测盖板205或盖板206变形而压不住。
43.再参见图7，作为一种实施方式，底座203上对应内沉槽209处，开设有一圈闭合的环形槽210，该环形槽内用于放置橡胶圈，岩石试件8在内沉槽209内被放置在该橡胶圈上，以实现对岩石试件8底部的密封。
44.本发明在该环形槽210的中心开设有贯通底座203的进水/气孔214，在该环形槽210的外围开设有贯通底座的排水/气孔215和至少一个加热孔216。
45.进水/气孔214用于连接水/气压加载系统，向岩石试件施加水/气压力；如图1，水/气压加载系统由空气压缩机3和气动压力桶4构成，空气压缩机3可提供最大0.8mpa的压力，气动压力桶4容量为2l，桶盖预留包括气管接口、出气管接口、调压阀、压力表、安全阀、排气阀等开孔。空气压缩机3与气动压力桶4通过8mm的pu管连接、气动压力桶4与加载台2通过4mm的pu管连接。需要进行气压加载时，直接通过空气压缩机3提供气压进行加载即可，需要进行水压加载时，通过空气压缩机3驱动气动压力桶4内的水进行水力加压。
46.排水/气孔215用于试验过程中或试验结束后排出水/气。
47.作为一种实施方式，本发明还具有加热系统（图中未示出），加热系统由加载台2的底部连通至岩石容置槽201，用于向岩石容置槽内的岩石试件进行加热。加热系统与水/气压加载系统、压力加载系统一起，用于实现高温
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应力的多场耦合下的岩石微细观结构研究。
48.较佳的，加热系统采用加热丝，底座203上开设的加热孔216用于穿设加热丝，加热丝穿过加热孔216伸入槽内，对岩石试件进行加热，模拟深层、超深层岩石的长期高温效应。
49.继续参见图4、7并结合如图8，示出了底座203与主体部204安装状态下的俯视示意图，由图可见，使用状态下，底座203上的环形槽210开设位置相对于内沉槽209偏向于其中一角，排水/气孔215和加热孔216位于相对的另一角，加载时，岩石试件8放置在底座203上的环形槽210位置，相邻两侧边紧靠内沉槽209的内壁，相邻另两侧边与主体部204上的加载孔道202对应，从加载孔道202伸出的压力顶杆对岩石试件8的该相邻另两侧边实施加载，与内沉槽209的内壁紧靠的相邻两侧边由内沉槽209的内壁限制活动，起到两侧加压，四个侧面均受力的作用。
50.再参见图1、2，压力加载系统5安装固定在工作台1上，压力加载系统5配备有压力顶杆，该压力顶杆穿过加载孔道202，向岩石试件8的相邻两个侧面压力加载。
51.本发明中，加载孔道202可设置一个，相应的压力加载系统5的压力顶杆设置一根；考虑到压力顶杆横截面积不大，即单根压力顶杆的支撑面积不大，一个孔道的情况下，可能会存在受压失稳，本发明优选设置两个孔道，两个压力顶杆能更加均匀地施加记载力。
52.如图9，作为一种实施方式，压力加载系统5的压力顶杆由三部分组成，即带有两个深1mm、
∅
4的凹槽501的杆头垫片502、带有两个
∅
4的螺孔503的杆尾垫片504和尾端带有螺纹段的直径4mm、长70mm的顶杆主体505，且顶杆主体505的直径与两个凹槽501和两个螺孔503匹配。压力加载时，顶杆主体505尾端的螺纹段拧入杆尾垫片504的螺孔503，杆尾垫片504抵在伺服加载器的顶端，顶杆主体505穿过加载台2的加载孔道202，伸入岩石容置槽201内，并在杆案套上杆头垫片502的凹槽501中，杆头垫片502抵接在岩石试件8的侧面，对岩石试件8实施压力加载。通过设置两个加载孔道202和两个压力顶杆，有效防止单杆加载失稳，同时在加载杆头端设置杆头垫片502，增加了受力面积，岩石试件8能够更加均匀地受力。
53.本发明的压力加载系统5采用电伺服压力加载系统，提供压力以产生蠕变；电伺服机顶部配备压力顶杆和位移监测装置。通过l型不锈钢板与工作台固定，并限制前后方向和左右方向约束，保证加载过程中的稳定性。
54.再如图1，观测系统6安装固定在工作台1上，加载台2的上方，用于观测岩石试件8的加载过程；观测系统可采用由金相显微镜和高清工业ccd图像采集器构成，高清工业ccd图像采集器放大倍率可达到1400倍，满足观测和图像采集的需求。
55.加载控制与数据采集系统7采用一台或多台计算机，与压力加载系统5、观测系统6电连接，用于压力加载系统5应力的控制与记录，及观测系统6图像的采集和数据的记录。加载控制与数据采集系统7同时负责电伺服机的开车与停车。
56.本发明的多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台的工作原理如下：将加载台固定在工作台上，将试样打磨成30305mm的切片，放入加载台的岩石容置槽内并盖好观测盖板和盖板，具体为：将底座放置在工作台上，上覆一层橡胶垫后放置主体部，底座中部预留了一圈环
形凹槽，沿凹槽布置一圈橡胶垫，将试样放置在橡胶垫上方，在试样上部沿边缘布置一圈橡胶垫，并沿主体部凹槽处布置一圈橡胶垫，放置pvc观测盖板，最后将盖板盖上；沿盖板四个顶点处的通孔，穿入螺丝至工作台进行固定，沿pvc观测盖板四周的螺孔，安装螺丝，固定盖板与主体部；将电伺服压力加载系统固定在工作台上，将压力顶杆放置在电伺服压力器顶部，调整好位置，在电伺服压力器顶端与加载平台之间加装位移计；将观测系统固定在工作台上，调整视角，对准加载台内的试样，将观测系统、加载控制与数据采集系统通过线缆连接；将水/气压加载系统与加载台通过pc管连接并进行密封。
57.开展岩石水力
‑
应力耦合微细观结构实时观测试验，待设备都调试完毕后，首先打开水/气压加载系统，随后开启压力加载系统，调节观测系统清晰度并进行观测，同时数据采集系统进行数据采集。随后改变水/气压加载系统和压力加载系统开启顺序并进行观察和数据采集，分析先水力后应力、先应力后水力的不同加载路径下花岗岩微细观结构特征。随后改变水/气压和伺服机压力，开启加热系统、改变加热温度，进行多组工况试验。
58.分析不同路径下，水力和应力变化过程中花岗岩微细观结构的特征，测定结构变形、损伤裂隙数、裂隙开度和长度等数据，为研究水力
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应力、温度
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水力
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应力作用下深部花岗岩蠕变阶段的损伤和渗透率演化机制提供基础。
59.本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
60.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。