一种岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置及其试验方法与流程

1.本发明属于岩石力学技术领域，具体是涉及一种岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置及其试验方法。


背景技术：

2.随着我国深部岩体工程越来越多，面临的工程地质问题越来越复杂，包括活动断层、高地应力、高地下水等难题，岩体由岩块和裂隙组成，裂隙是导水的主要通道，岩体在水力耦合作用下的剪切滑移失稳通常会导致重大地质灾害的产生，因此，深入研究岩体的剪切-渗流耦合特性及由此所导致的失稳规律对于保证地下岩体工程的安全与稳定有着至关重要的作用，而岩石裂隙剪切渗流耦合试验是研究岩石裂隙水力特性最直接有效的手段。
3.目前，涉及剪切渗流耦合的装置及方法主要存在以下的缺点：采用直剪盒进行剪切渗流试验，但由于直剪盒的上、下剪切盒体在剪切滑移过程中难以保证剪切方向的恒定，导致渗流试验过程中密封困难，而采用常规的三轴压力室结构下的剪切渗流试验，由于压力室结构的限制，仅仅能够实现对岩石试样的轴线方向的位移检测，无法实现对垂直于岩石试样轴线的法向方向位移检测。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置及其试验方法，通过该装置可以保证岩石试样在进行剪切渗流耦合作用下剪切方向的恒定，具有良好的密封能力，同时能够实现对岩石试样法向方向的位移检测。
5.本发明实施例提供了一种岩石裂隙剪切渗流试验装置,该装置包括压力室、一体式柔性管状体以及设置在柔性管状体两端的第一压头和第二压头；
6.柔性管状体放置在压力室内，压力室内设有检测垂直于柔性管状体轴线方向的法向位移传感器，柔性管状体内部用于放置岩石裂隙试样，柔性管状体两端的压头能够在其轴线方向做相对运动挤压岩石裂隙试样，从而在内部产生剪切力，第一压头内设有进水通道，第二压头内设有出水通道。
7.进一步地，柔性管状体的两端与压力室密封连接，且柔性管状体的外壁面与压力室之间形成环形密封腔体，压力室上设有进油口和出油口，进油口和出油口均与环形密封腔体相连通。
8.进一步地，所述法向位移传感器包括上方向位移计和下法向位移计，其中上法向位移计和下法向位移计设置在环形密封腔内。
9.进一步地，柔性管状体的两端与压力室之间设有密封圈，且柔性管状体的外部设有压环，压环通过销轴固定在压力室上，在压环的外部设有锁紧螺母，锁紧螺母与压力室通过螺纹连接。
10.进一步地，第一压头与岩石裂隙试样相接触的端部设有第一环形渗流槽，第一环形渗流槽与进水通道相连通，第二压头与岩石裂隙试样相接触的端部设有第二环形渗流
槽，第二环形渗流槽与出水通道相连通。
11.进一步地，第一压头和第二压头与岩石裂隙试样相接触的端部均分成第一半圆柱形刚性凸起和第二半圆柱形刚性凸起，第一半圆柱体刚性凸起与压头本体一体设置，第二半圆柱形刚性凸起能够沿着压头的轴线方向移动，第一半圆柱形刚性凸起和第二半圆柱形刚性凸起关于待测样品的中心对称。
12.进一步地，第二半圆柱形刚性凸起与压头本体之间设有聚四氟乙烯半圆柱。
13.进一步地，第一压头上设有与进水通道相连通的进水口，第二压头上设有与出水通道相连通的出水口，进水口连接进水管路，出水口连接出水管路，进水管路和出水管路上连接流量计和液体压力计。
14.进一步地，第一压头上设有压力传感器，且能够沿着柔性管状体轴线方向移动，第二压头固定不动。
15.本发明实施例还提供了基于上述任一项所述一种岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置的试验方法，该方法包括如下过程：
16.将待测岩石裂隙试样放置在柔性管状体内，使得岩石裂隙试样的两端分别与第二压头和第一压头相接触；
17.控制第一压头和第二压头做相对运动挤压岩石裂隙试样，使得待测岩石裂隙试样内部产生剪切力，与此同时向第一压头内的进水通道内注水，水流经过待测岩石裂隙试样从第二压头内的出水通道流出，实现岩石试样剪切渗流耦合试验，同时观察法向位移传感器的变化。
18.本发明的有益效果如下：
19.本发明提供的剪切渗流耦合试验装置，将待测岩石试样放置在柔性管状体内，通过柔性管状体两端的压头给岩石试样施加轴向方向力，从而在待测岩石试样内部产生剪切力，同时通过两端的压头向岩石试样内部注水完成剪切渗流耦合试验，相比于目前的直剪盒的上、下剪切盒体在剪切滑移，该装置将岩石裂隙试样放置内柔性管状体通过两端的压头做相对运动挤压岩石试样，能够保证剪切方向的恒定，提高测量的准确性，同时在压力室的内部设有法向位移传感器能够同时检测剪切渗流试验过程中的岩石裂隙法向位移。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置的整体结构图；
21.图2为本发明实施例提供的耦合试验装置中三轴压力室内部的结构图；
22.图3为本发明实施例提供的连接三轴压力室的围压加载系统结构图；
23.图4为本发明实施例提供的连接三轴压力室的渗流控制系统结构图；
24.图5为本发明实施例提供的耦合试验装置中第一压头的结构图；
25.图6为本发明实施例提供的轴向加载系统的示意图。
26.图中：10、三轴压力室，101、上法向位移计，102、下法向位移计，103、环形密封腔，104、压环，105、锁紧螺母，106、调整盖，107、注油口，108、围压加载电脑控制端，109、出油口，110、集油箱，111、圆柱销，112、限位块，113、o形密封圈，20、第二压头，201、左导水通道，202、左出水口，203、第二流体压力计，204、第二流量计，205、流体收集器，30、第一压头，301、右导水通道，302、右进水口，303、第一流体压力计、304、第一流量计，305、渗流控制系
统，306、透明特氟龙热缩管，307、花岗岩试样，308、第二半圆柱体，309、第一半圆柱体，310、圆环槽，311、水口，312、轴向压力传感器， 313、环形轴肩，314、特质接头，315、聚四氟乙烯半圆柱，316、轴向加载电脑控制端，40、柔性管状体，50、轴向固定装置，60、轴向推进装置，70、反力架。
具体实施方式
27.参见图1-图2所示，本发明实施例一种岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置，该装置主要包括三轴压力室10以及连接在三轴压力室10上的的第二压头20和第一压头30，其中第二压头20通过轴向固定装置50固定在反力架70上，第一压头30 连接轴向推进装置60，能够通过轴向推进装置60带到第一压头30沿着靠近第二压头20的方向移动。
28.在所述三轴压力室10内设有水平放置的柔性管状体40，其中柔性管状体40 的内部用于放置待测岩石试样，其中待测岩石试样的形状为圆柱形，第二压头 20和第一压头30分别安装在柔性管状体40的两端，且第二压头20和第一压头30 均深入柔性管状体40的内部，第二压头20与岩石待测试样的一端相连接，第一压头30与岩石待测试样的另一端相连接，当第二压头20沿着轴向方向移动的时候，通过第二压头20和第一压头30对岩石待测样件的挤压，岩石待测试样内部会产生剪切力。
29.进一步地，在所述压力室的柔性管状体40的上下两侧设有上法向位移计101 和下法向位移计102，这两个法向位移计均与柔性管状体40的表面相接触，用于检测岩石试样在进行岩石剪切渗流试验时的法向位移。
30.所以，本实施例提供的剪切渗流耦合试验装置，将待测岩石试样放置在柔性管状体40内，通过柔性管状体40两端的压头给岩石试样施加轴向方向力，从而在待测岩石试样内部产生剪切力，同时通过第二压头20和第一压头30向岩石试样内部注水完成剪切渗流耦合试验，相比于目前的直剪盒的上、下剪切盒体在剪切滑移，该装置通过柔性管状体40能够保证剪切方向的恒定，提高测量的准确性和试样渗流时的密封性，同时在压力室的内部设有法向位移传感器能够同时检测剪切渗流试验过程中的岩石裂隙的法向位移。
31.具体的，参见图2所示，本实施例中压力室内部设有左右端口的中心通孔，其中柔性管状体40安装在该中心通孔的中心，柔性管状体40的内径小于中心通孔的内径，且柔性管状体40的两端与压力室的两端侧壁密封连接。
32.其中柔性管状体40的外壁面与压力室的中心通孔内壁之间形成一个环形密封腔103，或者也叫围压腔，参见图4在压力室上设有注油口107和出油口109，注油口107和出油口109均与环形密封腔103相连通，其中注油口107通过进油管路连接围压加载电脑控制端108，出油口109通过排油管路连接集油箱110，这样可以通过压力室上的注油口107注入围压油，围压油通过环形密封腔103和出油口109，最终流入集油箱110中进行储存。
33.这样通过注油口107将围压油注入压力室的围压腔内，实现对固定岩石裂隙试样的柔性管状体40围压的施加，并在围压加载电脑控制端108获得围压具体的值，由于施加的围压一般大于渗流压力，可以起到防止渗流流体从岩石裂隙试样侧边流出的封堵作用。
34.参见图2所示，本实施例中的上法向位移计101安装在压力室的上部且深入到环形密封腔103内部与柔性管状体40的外表面相接触，下法向位移计102安装在压力室的下部深入到环形密封腔103的内部，且与柔性管状体40的外表面相接触，这样便可以随时检测岩石
裂隙试样在剪切渗流过程的法向位移。
35.为了避免柔性管状体40影响测试的精度，本实施例中的柔性管状体40具有良好的密封性和变形能力。
36.进一步地，参见图3所示，本实施例中所述第一压头30上设有右进水口302，同时第一压头30内设有右导水通道301，右导水通道301通过右侧腔体与右进水口302相连通；所述第二压头20上设有左出水口202，且内部设有左导水通道201，左导水通道201通过左侧腔体与左出水口202相连接。
37.所述右进水口302通过进水管路连接渗流控制系统305，在所述进水管路上连接有第一流量计304和第一流体压力计303，用于测量并记录注入端的渗流压力值和渗流量，所述左出水口202通过出水管路连接流体收集器205，并且在所述出水管路上设有第二流量计204和第二流体压力计203，用于测量并记录流出端的渗流压力值和渗流量。
38.在当第二压头20和第一压头30在挤压岩石裂隙试样的时候，可以通过进水管路向第一压头30内注水，然后通过流入岩石裂隙试样，最终通过第二压头20 的出水口202流出，然后流到流体收集器205中，这样就完成了渗流试验。
39.为了保证柔性管状体40的密封性，参见图2所示，本实施例中的柔性管状体40的两端形成一个圆盘与压力室的两侧的端面相对接，且两侧的圆盘与压力室的两侧端面之间通过o型橡胶圈113实现两者的密封连接，保证液体不会从两者的间隙中流出。
40.进一步地，在所述柔性管状体40的两端外侧各设有压环104，该压环104将柔性管状体40的两端紧紧的压在压力室两侧的端面上，且通过圆柱销111固定在压力室两侧的端面上，同时在所述压环104的外侧还设有锁紧螺母105，所述锁紧螺母105与压力室的两端通过螺纹连接，当将锁紧螺母105旋紧在压力室上的时候，锁紧螺母105与压环104相接触，这样可以通过锁紧螺母105给压环104的一个轴向力，保证压环104能够将柔性管状体40紧紧的固定在压力室两端的端面上，提高了整体的密封性。
41.本实施例中第二压头20和第一压头30主要由两端不同的直径的柱体结构组成，且这两段不同的直径的柱体结构之间设有环形轴肩313，其中第二压头20的环形轴肩313可以与锁紧螺母105的内壁相接触，同时在用于固定第一压头30的锁紧螺母105外侧连接一个调整盖106，该调整盖106与右锁紧螺母105通过螺纹连接，且调整盖106的内部通过限位块112与第一压头30的轴肩相接触，这样就实现了第二压头20和第一压头30的固定。
42.参见图5所示，为了使得所述第二压头20和第一压头30在挤压岩石裂隙试样的时候，能够使得岩石裂隙试样内部产生剪切力，其中第一压头30为圆柱体，且第一压头30的端部分成三个部分，分别为第一半圆柱体309和第二半圆柱体 308以及聚四氟乙烯半圆柱315，其中第一半圆柱体309的厚度或者高度要大于第二半圆柱体308的厚度或者高度，第一半圆柱体309与第一压头30呈一体设置，至于第二压头20的也是采用这种结构，不同的是，第二压头20的第一半圆柱体 309和第一压头30的第一半圆柱体309关于岩石试样的中心对称，也就是说，如果第一压头30的第一半圆柱体309位于上部，那么第二压头20的第一半圆柱体 309就会位于下部，这样才能保证第二压头20和第一压头30的相互挤压，岩石试样的内部会产生水平剪切力。
43.进一步地，本实施例中的第一压头30和第二压头20上的第二半圆柱体308滑动设置在压头本体上，且与压头本体之间设有聚四氟乙烯半圆柱315，当岩石裂隙试样发生剪切
变形的时候，第二半圆柱体308能够挤压所述聚四氟乙烯半圆柱体315，这样能够为岩石裂隙试样一定的剪切变形空间。
44.需要说明的就是，本实施例第二压头20和第一压头30上的第一半圆柱体309 和第二半圆柱体308为刚性材料，这样保证压头与岩石试样接触端面是平整的。
45.参见图5所示，本实施例中第一压头30的端部面上设有若干个同心的圆环槽 310，这些圆环槽310相互连通，且第一压头30的端面设有水口311，水口311与压头内部的右导水通道301相连通，且该水口311设置在第一半圆柱体309上，且其中一个圆环槽310相连通，这样可以保证从第一压头30流出的水能够均匀的进入岩石试样的内部，第二压头20上也设有相同的圆环槽310。
46.由于本实施例中压头的端部分成第一半圆柱体309和第二半圆柱体308，那么压头端部的每个圆环槽310也会跟着分成两部分。
47.进一步地，本实施例中第一压头30的内部还设有轴向压力传感器312，通过该传感器可以记录轴向施加的载荷，同时将轴向压力传感器312放置在第一压头30的内部，实现了岩石抗剪强度更准确的测量。
48.参见图6所示，本实施例中的第二压头20通过左侧轴向固定装置50固定在反力框架上，第一压头30连接轴向推进装置60和特质接头314，所述轴向推进装置 60连接着轴向位移计，其中轴向位移计和法向位移计组成位移测量系统，用于检测岩石试样在剪切渗流试验过程中的位移情况。
49.同时所述第一压头30通过特质接头314连接轴向加载电脑控制端316，通过所述轴向加载电脑控制端控制第一压头30施加的载荷。
50.下面详细说明一下基于上述一种岩石裂隙剪切渗流耦合试验装置的试验方法：
51.步骤一：安装岩石裂隙试样，将第二压头20、花岗岩试样307以及第一压头 30形成一个组成体；
52.具体地，在该步骤中，首先，加工50
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100mm的标准圆柱形花岗岩试样；然后，利用巴西劈裂试验设备对花岗岩试样进行劈裂，形成与端面平行的水平裂隙面，获得花岗岩裂隙试样；最后，将第二压头20、花岗岩试样307、第一压头 30以及透明特氟龙热缩管306装配在一起，形成一个组合体，保证剪切压头主体突出的平面与岩石裂隙面处于同一水平；
53.步骤二：将柔性管状体40安装在压力室内，同时将所述组合体安装柔性管状体40内；
54.具体地，在该步骤中，将柔性管状体40安装在三轴压力室10内，上法向位移计101、下法向位移计102、三轴压力室10主体和柔性管状体40共同形成围压腔，同时使得围压油与岩石裂隙试样分隔；将组合体按从右至左顺序安装至柔性管状体40管内，利用锁紧螺母105、压环104将柔性管状体40的两端紧紧的固定在压力室两端的端面上实现整体的密封；同时通过安装的调整盖106来微调组合体的位置，确保试样安装的位置准确；
55.步骤三：开始实现岩石试样剪切渗流耦合试验；
56.具体地，在该步骤中，其试验操作如下：通过围压加载系统，围压油经过注油口107注入围压腔，实现对花岗岩裂隙试样围压的施加，并在围压加载电脑控制端108获得围压具体的值，加载至目标围压值后保持围压不变；通过渗流控制系统305，渗流流体经过第一流量计304、第一流体压力计303、进水管路和右进水口302注入，然后流体经过第一压头30、右
导水通道301和水口311流入花岗岩裂隙试样中，并经过水口311、左导水通道301、第二压头20、左出水口202、出水管路、第二流体压力计203、第二流量计204流出至流体收集器205，并达到目标的渗流压力值；
57.通过轴向加载装置对花岗岩裂隙试样施加轴向荷载；通过集成在第一压头 30内的轴向压力传感器312记录轴向施加的荷载，通过轴向位移传感器记录轴向剪切位移；通过法向位移传感器准确测量在剪切渗流过程中花岗岩裂隙试样法向位移变化，通过渗流控制系统305中的压力计和流量计计算剪切过程中渗流量和渗流压力的变化。
58.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
59.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。