一种多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统及试验方法

1.本发明属于岩土体剪切试验技术领域，特别涉及一种多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统及试验方法。


背景技术：

2.我国西南地区广泛存在含软弱夹层的二叠系石灰岩地层，该地层拥有丰富的优质石灰石矿产资源，是我国大量基础设施建设的重要建材来源，使得软弱夹层的力学性质研究对于评价矿山边坡稳定性至关重要。研究表明，在降雨渗流、爆破开采等因素耦合作用下，受软弱夹层控制的边坡变形趋势呈现出典型的随时间逐渐增大的时效特性。因此，多场耦合下的软弱夹层流变特性研究对保障矿山安全开采具有重要的理论意义和工程实用价值。软弱夹层在初始地应力场下，经受雨水的长期劣化作用，抗剪强度被持续削弱，岩体的塑性和流变特性将发生显著变化；矿山开采中反复进行的爆破，将使软弱夹层损伤累积而力学性能劣化；同时软弱夹层受各种水化学环境如酸雨、被周围环境因素污染的地表水和地下水等的腐蚀破坏现象已越来越多，缓慢腐蚀作用的累积效应从物体表面结构改变深入到物体内部，可使岩体矿物成分、微观结构构造及力学性质发生变化，造成不良的工程效应；因此，在水-力-化学-爆破过程耦合(hmc-爆破振动)的反复、相互作用下，软弱夹层的流变效应显著改变，强度参数不断降低，边坡沿软弱夹层不断产生蠕变变形，当损伤和变形累计达到一定程度时，边坡将产生沿该软弱夹层的整体滑动变形破坏。为研究软弱夹层在实际工程中的流变效应，开展室内剪切流变试验研究是现阶段最简单有效的手段。目前，进行岩石常规剪切流变试验的方法已经非常成熟，但hmc-爆破振动耦合下的剪切流变试验还鲜有报道，更未见不同渗透压、不同剪切应力、不同爆破参数、不同化学溶液单独或共同作用下的岩石剪切流变效应的试验装置和试验方法。。
3.也即，对于软岩地层在受到多场耦合作用时，也即在受到水-力-化学-爆破过程耦合(hmc-爆破振动)的反复、相互作用下，软弱夹层的流变效应、强度参数等试验探究，现有技术仍然存在空白；
4.可见，对于软岩地层在受到不同渗透压、不同剪切应力、不同爆破参数、不同化学溶液单独或共同作用下的流变效应、强度参数的探究，进而为实际的软岩地层探究提供有效可靠的试验参照，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供的一种多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统，所述试验系统用于对软岩试样进行剪切试验，所述系统包括：上剪切盒；下剪切盒，所述上剪切盒和所述下剪切盒构成一体结构的盒体，所述盒体内设置所述软岩试样；机械压力加载装置，所述机械压力加载装置与所述盒体连接，用于对所述盒体施加预设值的物
理压力；水压力加载装置，所述水压力加载装置与所述盒体连接，用于向所述盒体内输入不同压力以及不同ph值的溶液。
7.在第一方面中，所述机械压力加载装置包括法相静载压力器、水平动载压力器和水平静载压力器；所述法相静载压力器设置在所述上剪切盒的顶部中心处，用于向所述上剪切盒施加垂向压力；所述水平动载压力器设置在所述盒体的一侧，用于向所述盒体施加周期性震动压力；所述水平静载压力器设置在所述盒体的另一侧，且作用于所述下剪切盒，用于向所述下剪切盒施加恒定的水平推力。
8.在第一方面中，所述系统还包括：中间压力器，所述中间压力器设置在所述法相压力传感器与所述盒体之间，并连通于所述盒体内；所述水压力加载装置还包括：第一水箱，所述第一水箱内装有纯净水；第二水箱，所述第二水箱内设置有调节溶液；第三水箱，所述第三水箱内设置有ph测试仪；其中，所述第一水箱和所述第二水箱均与所述第三水箱相连通，并用于向所述第三水箱输入预设量的所述纯净水或预设量的所述调节溶液，以形成预设ph值的混合溶液；橡胶软管，所述橡胶软管连通所述第三水箱和所述中间压力器，以将所述混合溶液通过所述中间压力器输入至所述盒体内。
9.在第一方面中，所述水压力加载装置包括：水泵，所述水泵设置在所述橡胶软管上；水泵控制器，所述水泵控制器与所述水泵连接，用于控制水泵的输出频率；水压传感器，所述水压传感器设置在所述橡胶软管上，用于检测流经所述橡胶软管内的所述混合溶液的压力，并将所述压力的信号传输至所述水泵控制器。
10.在第一方面中，所述系统还包括：ad转换器，所述ad转换器与所述水压传感器以及所述水泵控制器连接，所述ad转换器用于接收水压传感器检测的水压信号，并将所述水压信号转换为电信号发送至所述水泵控制器。
11.在第一方面中，所述系统还包括：空气压缩机，所述空气压缩机的出口也与所述橡胶软管连接，用于通过橡胶软管将空气输入至所述盒体内，对所述试样进行干燥。
12.在第一方面中，所述系统还包括：支架，所述支架包括第一支撑面和第二支撑面，所述第二支撑面位于所述第一支撑面的上方；承载盒，所述承载盒设置在所述第一支撑面上，所述承载盒用于承载所述盒体；所述法向静载压力器设置在所述第二支撑面上，且所述法向静载压力器的输出端穿过所述第二支撑面与所述中间压力器接触。
13.在第一方面中，所述第一支撑面上设置有滑轨，且滑轨的长度超出所述第一支撑面和所述第二支撑面之间的覆盖范围，所述承载盒上设置有滑轮，所述滑轮可沿所述滑轨滑动。
14.在第一方面中，所述系统还包括：第一位移传感器，所述第一位移传感器设置在所述法向静载压力器上，用于检测所述盒体的法向位移；第二位移传感器，所述第二位移传感器设置在所述下盒体上，用于检测所述盒体的水平位移。
15.第二方面，本发明提供了一种模拟软岩剪切流变试验的方法，所述方法应用于上述任意一项所述的多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统，所述方法包括：制备软岩试样；所述制备软岩试样包括：依据软岩的实际物理参数，配置与所述软岩的实际物理参数相似的材料，以形成所述软岩试样；将所述软岩试样放置于剪切设备内；向所述剪切设备施加预设的机械震动压力以及向所述剪切设备施加预设水压力；所述向所述剪切设备施加预设的水压力包括：向所述剪切设备内按照预设压力值输入预设ph值的混合溶液；向所述剪切设
备施加剪切力；记录所述剪切设备的法向位移和水平位移。
16.有益效果：本发明提出了一种多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统，通过上剪切盒和下剪切盒形成的一体结构的盒体将软岩试样设置在内，在通过机械压力加载装置向盒体施加预设值的物理压力，以模拟地层不同程度的应力环境，以及通过水压力加载装置以预设值的水压力向盒体内输入预设ph值的溶液，以模拟地层内的渗透和水压环境。在上述应力、渗透和水压环境下对软岩试样进行剪切试验，以探究软岩地层受到不同渗透压、不同剪切应力、不同爆破参数、不同化学溶液单独或共同作用下的流变效应、强度参数，进而为与本发明中通过多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统所模拟的地层环境相对应的真实地层探究提供有效可靠的试验参照。也即，对多场耦合下的软弱夹层流变特性研究对保障矿山安全开采理论意义和工程实用价值提供实验参照。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例一中多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统的整体结构示意图；
19.图2为本发明实施例一中多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统的侧视图一；
20.图3为本发明实施例一中多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统的侧视图二；
21.图4为本发明实施例二中模拟软岩剪切流变试验的方法的流程框图。
22.附图标记说明：
23.1、法向静载压力器；
24.2、支架；
25.3、支撑柱；
26.4、水平动载压力器；
27.5、第一位移传感器；
28.6、压力器；
29.7、压力板；
30.8、螺丝；
31.9、第二位移传感器；
32.10、上剪切盒；
33.11、下剪切盒；
34.12、滚珠；
35.13、水平静载压力器；
36.14、承载盒；
37.15、滑轮；
38.16、滑轨；
39.17、锁扣；
40.18、橡胶软管；
41.19、空气压缩机；
42.20、水压传感器；
43.21、ad转换器；
44.22、水泵控制器；
45.23、电压变频器；
46.24、水泵；
47.25、水箱；
48.26、ph测试仪；
49.27、水阀；
50.28支撑架。
具体实施方式
51.下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
53.实施例一：
54.如图1-3所示，本实施例一提供了一种多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统，试验系统用于对软岩试样进行剪切试验，系统包括：
55.上剪切盒10、下剪切盒11、机械压力加载装置和水压力加载装置；
56.上剪切盒10和下剪切盒11构成一体结构的盒体，盒体内设置软岩试样；
57.水压力加载装置与盒体连接，用于以预设值的水压力向盒体内输入预设ph值的溶液；
58.机械压力加载装置与盒体连接，用于对盒体施加预设值的物理压力并对所述软岩试样进行剪切。
59.在上述技术方案中，通过上剪切盒10和下剪切盒11形成的一体结构的盒体将软岩试样设置在内，在通过机械压力加载装置向盒体施加预设值的物理压力，以模拟地层不同程度的应力环境，以及通过水压力加载装置以预设值的水压力向盒体内输入预设ph值的溶液，以模拟地层内的渗透和水压环境。在上述应力、渗透和水压环境下对软岩试样进行剪切试验，以探究软岩地层受到不同渗透压、不同剪切应力、不同爆破参数、不同化学溶液单独或共同作用下的流变效应、强度参数，进而为与本发明中通过多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统所模拟的地层环境相对应的真实地层探究提供有效可靠的试验参照。也即，对多场耦合下的软弱夹层流变特性研究对保障矿山安全开采理论意义和工程实用价值提供
实验参照。
60.具体来说，对于上述实施例一中的机械压力加载装置而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：法相静载压力器、水平动载压力器4和水平静载压力器13，具体地，法相静载压力器设置在上剪切盒10的顶部中心处，用于向上剪切盒10施加垂向压力；水平动载压力器4设置在盒体的一侧，用于向盒体施加周期性震动压力，用以模拟底层受到爆破时的震动应力，水平静载压力器13设置在盒体的另一侧，且作用于下剪切盒11，用于向下剪切盒11施加恒定的水平推力，以进行软岩试样的剪切。
61.具体来说，对于本发明实施例一中的系统而言，还包括中间压力器6，中间压力器6设置在法相压力传感器与盒体之间，并通过一压力板7设置在盒体上，且中间压力器6连通于盒体内；基于此，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：第一水箱，第一水箱内装有纯净水；第二水箱，第二水箱内设置有调节溶液；第三水箱，第三水箱内设置有ph测试仪26；其中，第一水箱和第二水箱均与第三水箱相连通，并用于向第三水箱输入预设量的纯净水和预设量的调节溶液，以形成预设ph值的混合溶液；橡胶软管18，橡胶软管18连通第三水箱和中间压力器6，以将混合溶液通过中间压力器6输入至盒体内，以模拟复杂的地下水环境。同时，第一水箱、第二水箱和第三水箱通过一支撑架28支撑，且第一水箱和第二水箱的设置位置高于第三水箱，且第一水箱和第二水箱的出水口设置有水阀27，当水阀27打开后，第一水箱和第二水箱内的溶液通过重力流入至第三水箱内。
62.同时，为了使上述实施例一中的橡胶软管18输出预设的水压值，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式对水压力加载装置提出另一种实施方，该实施方式包括：水泵24、水泵控制器22和水压传感器，水泵24设置在橡胶软管18上；水泵控制器22与水泵24连接，用于控制水泵24的输出频率；水压传感器设置在橡胶软管18上，用于检测流经橡胶软管18内的混合溶液的压力，并将压力的信号传输至水泵控制器22。具体而言，水泵控制器22内还设置有编译码，能够根据工作人员编辑的预设压力数值进行对应的信号编译，以将预设压力数值的信号传输至水泵控制器22内的电压变频器23，该电压变频器23根据接收到的信号，进行电压频率转换，例如：若水压小于预设值，水泵控制器22会控制水泵24内的电压变频器23，使水泵24的输入电压变大，从而使得水泵24的功率变大，输出的水压也变大：若水压大于预设值，水泵控制器22会控制水泵24内的电压变频器23，使水泵24的输入电压变小，从而使得水泵24的功率变小，输出的水压也变小，从而精确控制渗透压。
63.进一步地，对于本发明实施例中的系统而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：ad转换器21，ad转换器21与水压传感器以及水泵控制器22连接，ad转换器21用于接收水压传感器检测的水压信号，并将水压信号转换为电信号发送至水泵控制器22。这样就使得水压的控制更加精确，减小了实验误差。
64.对于本发明实施例一的系统而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式还包括：空气压缩机19，空气压缩机19的出口也与橡胶软管18连接，用于通过橡胶软管18将空气输入至盒体内，对试样进行干燥。
65.对于本发明实施例一的系统而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式还包括：支架2和承载盒14，支架2包括第一支撑面和第二支撑面，第二支撑面位于第一支撑面的上方；承载盒14设置在第一支撑面上，承载盒14用于承载盒14体；法向静载压力器1设置在第二支撑面上，且法向静载压力器1的输出端穿过第二支撑面与中间压力器6接触。
66.进一步地，对于上述实施例一中的支架2而言，本是实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：第一支撑面上设置有滑轨15，且滑轨15的长度超出第一支撑面和第二支撑面之间的覆盖范围，承载盒14上设置有滑轮16，滑轮16可沿滑轨15滑动，这样就能更准确的使得盒体的中心对准法向静载压力器1和水平静载器，减少实验误差。
67.本发明实施例一的系统而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式还包括：第一位移传感器5和第二位移传感器9，第一位移传感器5设置在法向静载压力器1上，用于检测盒体的法向位移；第二位移传感器9设置在下盒体上，用于检测盒体的水平位移。
68.具体来说，对于上述实施例一中的盒体与承载盒14的连接方式而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：盒体与承载盒14上有锁扣17，可以使得承载盒14移动的时候剪切盒跟着一起移动，到达合适位置后解除锁扣17，即可开始加压力。
69.进一步地，对于上述实施例一中的盒体与承载盒14的连接方式而言，本实施例一又提出一种实施方式，该实施方式包括：在承载盒14与盒体的连接位置通过螺接的方式连接，也即通过螺孔和螺丝8的相互配合达到二者可拆卸的连接方式。
70.再进一步地，对于上述实施例一中的盒体与承载盒14的连接方式而言，本实施例一在提出一种实施方式，该实施方式包括：在承载盒14与下盒体之间布设有若干滚珠12。
71.以及，为了使承载盒14与盒体在移动过程中不发生偏离，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：在承载盒14上设置有锁扣17，以及在下盒体上设置有锁环，当需要对承载盒14和盒体进行移动时，将锁扣17扣设在锁环上，以临时对二者进行固定。
72.实施例二：
73.如图4所示，本实施例二提供了一种模拟软岩剪切流变试验的方法，方法应用于上述任意一项的多场耦合模拟软岩剪切流变的试验系统，方法包括：先制备软岩试样；制备软岩试样包括：依据软岩的实际物理参数，配置与软岩的实际物理参数相似的材料，以形成软岩试样；在将软岩试样放置于剪切设备内；然后向剪切设备施加预设的机械震动压力以及向剪切设备施加预设水压力；向剪切设备施加预设的水压力包括：向剪切设备内按照预设压力值输入预设ph值的混合溶液；在向剪切设备施加剪切力；最后记录剪切设备的法向位移和水平位移。
74.进一步地，对于上述实施例二中向剪切设备内按照预设压力值输入预设ph值的混合溶液后，本实施例二还提出一种实施方式，该实施方式还包括：利用空气干燥设备，向盒体内的软岩试样注入空气，以对软岩试样进行干燥。
75.由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
76.最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
77.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。