一种组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置及工作方法与流程

本发明涉及岩石剪切渗透性测试，具体涉及一种组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置及工作方法。

背景技术：

1、岩石力学性质与渗透破坏测试可为岩体工程的设计、施工与安全评估提供科学依据。通过室内单轴/三轴压缩试验、巴西劈裂试验、剪切试验，可以获得岩石在不同受力状态下的变形、强度、破坏和渗透性等关键指标。岩石剪切破坏是深部煤矿和坝基隧道工程中常见的破坏形式之一。为了研究剪切破坏机理，通常需要加工规定尺寸的圆柱体、立方体或方柱体岩石试样，利用rmt301、rocktop多场多相耦合试验仪、岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统或其他改进设备等，开展岩石试样的直接剪切或渗流剪切试验。

2、然而，现有的试验设备通常只适用于固定规格岩石试样，难以开展不同形状岩石试样的剪切试验。模具剪切和渗流模式单一，无法满足对于具有层理构造的岩石试样（如页岩、板岩）的不同剪切方向测试需求。此外，在煤矿、隧道及地下硐室等实际工程中（如充水倾斜巷道隔离煤岩柱）常出现岩体受力方向和水渗流方向不一致的情况。由此可见，现有的试验设备无法满足实际使用的需求，基于这一情况，需要设计一种岩石试样剪切-渗流耦合的装置，并提出相应的测试方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置，解决现有剪切渗流的试验设备模式单一，无法在同一台设备实现径向剪切和轴向剪切的使用要求，通用性差，无法模拟剪切方向与渗流方向相对倾斜状态下耦合作用的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置，包括第一承载体、第二承载体、第三承载体和第四承载体，四个承载体均为相同规格的长方体结构，能够组合构成正方体结构的剪切盒。

4、第一承载体和第二承载体一左一右相邻布置，第三承载体和第四承载体分别设于第一承载体和第二承载体的正上方，第三承载体与第四承载体相邻布置，各承载体的前后两侧均可与相邻承载体的对应侧螺栓固定相连。

5、所述第三承载体通过直线导向组件一与第一承载体横向滑动配合，第四承载体通过同样的直线导向组件一与第二承载体横向滑动配合，第四承载体通过直线导向组件二与第三承载体竖向滑动配合，第二承载体通过同样的直线导向组件二与第一承载体竖向滑动配合。

6、第一、第三承载体的右侧壁与第二、第四承载体的左侧壁相互贴合形成对岩石试样的轴向剪切面，此外，第一、第二承载体的上表面与第三、第四承载体的下表面相互贴合形成对岩石试样的径向剪切面。

7、第一承载体和第二承载体的相邻一侧均具有下部凹槽，第三承载体和第四承载体的相邻一侧均具有上部凹槽，两个上部凹槽和两个下部凹槽组成能容纳岩石试样的封闭空腔，上部凹槽和下部凹槽的整体内壁上均涂敷有橡胶薄壁涂层。

8、所述上部凹槽和下部凹槽的边缘外部均设有一个环形密封圈，各环形密封圈均以内嵌的方式固定于其内侧凹槽所在承载体的相邻两个侧壁上，位于任意相邻两个承载体的相邻侧壁上的环形密封圈的对应部分错位布置。

9、下部凹槽的侧壁及底壁分别设有一组渗流孔，上部凹槽的侧壁及顶壁也分别设有同样的一组渗流孔，每组渗流孔均包括多个渗流孔，每个渗流孔均配置有一个密封塞。

10、每个承载体的前侧壁均设有水管接头一和水管接头二，同一承载体上的两个水管接头分别通过独立的水道与该承载体上的两组渗流孔相连相通。

11、进一步地，四个所述承载体均沿其长度方向纵向水平布置，所述剪切盒的前侧壁和后侧壁上分别具有四组方形凹槽，每组方形凹槽均包括间隔相对布置的两个方形凹槽。

12、位于同一侧壁的四组方形凹槽的其中两组方形凹槽沿着径向剪切面的延伸方向间隔布置且分别位于轴向剪切面的两侧，另外两组方形凹槽沿着轴向剪切面的延伸方向间隔布置且分别位于径向剪切面的两侧。

13、同组的两个方形凹槽分别位于相邻的两个承载体上，且相邻一侧均靠近径向剪切面或轴向剪切面。

14、进一步地，同组的两个方形凹槽的相邻一侧分别开设有螺栓孔，两个螺栓孔同轴正向对应。

15、每组所述方形凹槽均配置有一个螺栓组件，螺栓组件包括六角螺栓及螺母，所述六角螺栓由同组的一个方形凹槽穿入所对应的螺栓孔，螺母由另一个方形凹槽拧紧在六角螺栓的端部，使相邻的两个承载体相连成一体。

16、对岩石试样进行轴向剪切时，第一承载体与第三承载体固定相连构成左侧盒体，第二承载体与第四承载体固定相连构成右侧盒体。

17、对岩石试样进行径向剪切时，第一承载体与第二承载体固定相连构成下盒体，第三承载体与第四承载体固定相连构成上盒体。

18、进一步地，所述上部凹槽和下部凹槽均为半圆柱形结构，下部凹槽的上端延伸至第一承载体或第二承载体的上表面，上部凹槽的下端延伸至第三承载体或第四承载体的底面。

19、两个所述上部凹槽组合构成开口向下的圆柱形腔体，两个所述下部凹槽组合构成开口向上的圆柱形腔体，两个所述圆柱形腔体组合构成所述封闭空腔。

20、环形密封圈包括半圆弧区段和u形区段，半圆弧区段和所述u形区段分别位于相互垂直的两个平面，所述u形区段的两端分别与半圆弧区段的两端固定相连成一体。

21、进一步地，所述上部凹槽和下部凹槽均为方形结构，上部凹槽的下端延伸至第三承载体或第四承载体的底面，下部凹槽的上端延伸至第一承载体或第二承载体的上表面。

22、两个所述上部凹槽组合构成开口向下的方形腔体，两个所述下部凹槽组合构成开口向上的方形腔体，两个所述方形腔体组合构成所述封闭空腔。

23、环形密封圈包括尺寸相同的两个u形区段，两个所述u形区段分别位于相互垂直的两个平面，其中一个u形区段的两端分别与另一个u形区段的两端固定相连成一体。

24、进一步地，第一和第二承载体的上表面相互远离的一侧分别设有一组限位槽一，每组限位槽一均包括前后间隔分布的两个限位槽一。

25、第一承载体和第二承载体上分别具有与其限位槽一的数量相等且位置一一对应的隧道空腔一，各所述隧道空腔一均横向延伸，且分别位于其对应的限位槽一靠近轴向剪切面的一侧，隧道空腔一与对应的限位槽一相通。

26、进一步地，所述第三和第四承载体的底部均设有两个直线导向组件一，直线导向组件一包括定位滑座一和燕尾导轨一，定位滑座一固定于第三或第四承载体的底面，所述燕尾导轨一位于定位滑座一的内侧并与其横向滑动配合。

27、第三承载体底部的两个定位滑座一分别嵌入第一承载体的两个限位槽一内，第四承载体底部的两个定位滑座一分别嵌入第二承载体的两个限位槽一内。

28、当定位滑座一嵌入对应的限位槽一内侧时，其内侧的燕尾导轨一的一端穿入与该限位槽一相通的隧道空腔一内，燕尾导轨一的另一端通过锁止螺钉与定位滑座一可拆卸固定相连。

29、进一步地，第一和第三承载体的右侧壁相互远离的一侧分别设有一组限位槽二，每组限位槽二均包括一前一后布置的两个限位槽二。

30、所述第一承载体和第三承载体上分别具有与其限位槽二的数量相等且位置一一对应的隧道空腔二，各所述隧道空腔二均竖向延伸，且分别位于其对应的限位槽二靠近径向剪切面的一侧，隧道空腔二与对应的限位槽二相通。

31、进一步地，所述第二和第四承载体的左侧均设有两个直线导向组件二，直线导向组件二包括定位滑座二和燕尾导轨二，定位滑座二固定于第二或第四承载体的左侧壁上，所述燕尾导轨二位于定位滑座二的内侧并与其竖向滑动配合。

32、第二承载体左侧的两个定位滑座二分别嵌入第一承载体的两个限位槽二内，第四承载体左侧的两个定位滑座二分别嵌入第三承载体的两个限位槽二内。

33、当定位滑座二嵌入对应的限位槽二内侧时，其内侧的燕尾导轨二的一端穿入与该限位槽二相通的隧道空腔二内，燕尾导轨二的另一端通过同样的锁止螺钉与定位滑座二可拆卸固定相连。

34、本发明的另一个目的在于提出一种组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置的工作方法。

35、一种组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置的工作方法，基于上述的组合式的岩石试样剪切-渗流试验装置，该工作方法包括如下步骤：

36、s1、根据实验设计的要求，确定对于岩石试样的剪切模式及渗流方式，所述剪切模式有两种，两种剪切模式分别为径向剪切模式和轴向剪切模式。

37、所述渗流方式有三种，三种渗流方式分别为渗流方向与剪切方向平行、渗流方向与剪切方向垂直以及渗流方向与剪切方向相对倾斜。

38、按照实验设计的要求，加工制作相应的岩石试样。

39、s2、根据s1中确定的渗流方式，选择作为进水的渗流孔和作为出水的渗流孔，并使用密封塞将其余的渗流孔全部封闭。

40、若采用径向剪切模式的情况下，将第一承载体和第二承载体左右相邻放置，把岩石试样放入第一承载体和第二承载体的下部凹槽内，将第一和第二承载体固定相连构成下盒体。

41、之后，将第三和第四承载体分别放置在下盒体顶部的左右两侧，推动第三和第四承载体水平相对运动实现合拢，之后，将第三和第四承载体的前后两端分别固定相连构成上盒体。

42、此时，岩石试样被封装在剪切盒的封闭空腔内，上盒体能够与下盒体横向滑动密封配合。

43、若采用轴向剪切模式的情况下，将第三承载体和第一承载体上下相邻放置，把岩石试样放入第一承载体的下部凹槽和第三承载体的上部凹槽内，将第一与第三承载体固定相连构成左侧盒体。

44、之后，依次将第二和第四承载体分别放置于第一承载体和第三承载体的右侧，推动第二和第四承载体竖向相对运动实现合拢，之后，将第二与第四承载体的固定相连构右侧盒体。

45、此时，岩石试样被封装在剪切盒的封闭空腔内，右侧盒体能够与左侧盒体竖向滑动密封配合。

46、s3、对剪切加载设备进行初始化调节，剪切加载设备的水平加载油缸处于收缩状态。

47、将在径向剪切模式下组装好的剪切盒平移至剪切加载设备的工作台上，或者将在轴向剪切模式下组装好的剪切盒绕着轴向剪切面与径向剪切面的相交线旋转90°后，平移至剪切加载设备的工作台上，使进水的渗流孔所在的承载体处于排水的渗流孔所在的承载体下方。

48、s4、将用于岩石渗流实验的供水装置的进水管与进水的渗流孔所对应的水管接头相连接，供水装置的回水管与出水的渗流孔所对应的水管接头相连接。

49、根据实验设计的要求，首先，垂直加载油缸启动，垂直加载油缸的伸缩端通过滚珠板对剪切盒的顶部施加竖向作用力。

50、之后，水平加载油缸启动，平加载油缸的伸缩端通过加载板对剪切盒的外侧壁施加水平作用力，同时，供水装置开始工作，向剪切盒的封闭空腔内部供水，获取相关实验数据。

51、试验结束后，水平加载油缸恢复至初始状态，断开剪切盒与供水装置的连接。

52、将岩石试样取出后，拆解各承载体，并清理各承载体及剪切加载设备的工作台。

53、通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：

54、1、本发明的剪切方向多样。适用于多种类型岩石试样的剪切试验，尤其是对于层理类岩石试样可进行轴向剪切或径向剪切，用于对岩石试样在剪切与渗流耦合作用下的进行相似模拟。

55、2、本发明采用组合式的拼接结构，能够在一台设备上满足径向剪切模式或轴向剪切模式的使用要求，实现对圆柱体（或长方体）的岩石试样沿着轴向截面或径向截面施加剪切作用力，结构组装灵活，操作方便，本发明通过在界面处采用双层密封结构，具备较好的密封性和使用可靠性。

56、3、本发明的剪切模式与渗流方式耦合的多样性。本发明兼具纯剪切、剪切-渗流两种测量模式，满足岩石试样剪切过程中渗流方向与剪切方向平行、渗流方向与剪切方向垂直以及渗流方向与剪切方向呈倾斜角度的测试需求。