基于双轴流变仪实现可视化的真三轴水力耦合试验装置的制作方法

本发明涉及岩石相似材料应力加载试验领域，尤其是涉及一种基于双轴流变仪实现可视化的真三轴水力耦合试验装置。

背景技术：

岩体在构造运动、卸荷作用、风化作用等影响下，其内部和表面会形成各种类型的不连续结构面，如节理、断层、地层错动面、卸荷裂隙、风化裂隙等，这些结构面共同构成了岩体内部的裂隙网络结构，其分布特征和相互作用与岩体力学性质密切相关。在深埋洞室中，由于施工扰动和渗透水压等作用，围岩所处的三向应力重新分布，极易导致裂隙网络的扩展和贯通，降低围岩强度和稳定性，进而影响深埋洞室的安全性。因此，对高应力和高渗透压耦合作用下的围岩裂隙网络演化规律开展研究对深埋岩体工程安全评价具有重要意义。目前对围岩裂隙演化规律的研究多集中在简单裂隙形式(单裂隙或平行裂隙)在单一荷载作用下的扩展机制，对多裂隙形式围岩中考虑时间效应的裂隙网络演化规律研究较少，特别针对深埋洞室围岩从宏、细观两个角度，考虑高应力和高渗透压耦合作用下对裂隙网络的演化机理的研究尚较缺乏。研究高应力高渗透压下围岩裂隙网络损伤的宏细观特性需要用到真三轴加载设备，但目前已知真三轴加载设备中，无法满足本实验需要观察围岩裂隙网络发展过程的要求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双轴流变仪实现可视化的真三轴水力耦合试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于双轴流变仪实现可视化的真三轴水力耦合试验装置，用以对前后两面中心处开设前后贯通预制裂隙的大理石试样进行水力耦合试验，该装置包括由相互对接形成方形密封内空间的两块改性聚碳酸酯板以及用以在上下左右四个方向向大理石试样加压的双轴流变仪加载组件，所述的大理石试样设置在密封内空间内，双轴流变仪加载组件穿过改性聚碳酸酯板向大理石试样加压。

所述的上下左右四个方向上的双轴流变仪加载组件结构相同，包括与大理石试样侧面紧密贴合的加载垫片、通过圆柱形的轴力传递构件与加载垫片连接的双轴流变仪加载板，所述的轴力传递构件设有多个并且穿过改性聚碳酸酯板的侧面。

所述的加载垫片通过橡胶围压密封圈与大理石试样侧面紧密贴合。

所述的橡胶围压密封圈为环形密封圈，用以将大理石试样侧面完全包裹。

所述的两块改性聚碳酸酯板通过四个角上的四个紧固螺栓紧固连接，并在连接面上设有用以密封的橡胶垫圈。

在后改性聚碳酸酯板与大理石试样上预制裂隙对应的位置处开设注水孔，并且在后面预制裂隙与后改性聚碳酸酯板之间以及前面预制裂隙与前改性聚碳酸酯板上的观测区之间均设有用以密封和连通的圆筒形孔隙水压密封圈，使得后改性聚碳酸酯板上的注水孔、后孔隙水压密封圈、预制裂隙、前孔隙水压密封圈以及前改性聚碳酸酯板上的观测区形成密封的水渗透通道。

在前改性聚碳酸酯板和后改性聚碳酸酯板上还设有注油孔。

该装置的使用过程如下：

1)安装大理石试样：将大理石试样前后中心用水刀加工预制裂隙，将橡胶围压密封圈套设在大理石试样的四个侧面并保证贴合，通过加载垫片和轴力传递构件将大理石试样固定在双轴流变仪加载板上，将孔隙水压密封圈固定于大理石试样正反两面中心处，并采用前后两块改性聚碳酸酯板罩住大理石试样，通过紧固螺栓紧固，保证与孔隙水压密封圈密封贴合；

2)加载：基于深地工程背景，包括以下三种加载方法：

1)安装大理石试样：将大理石试样前后中心用水刀加工预制裂隙，将橡胶围压密封圈套设在大理石试样的四个侧面并保证贴合，通过加载垫片和轴力传递构件将大理石试样固定在双轴流变仪加载板上，将孔隙水压密封圈固定于大理石试样正反两面中心处，并采用前后两块改性聚碳酸酯板罩住大理石试样，通过紧固螺栓紧固，保证与孔隙水压密封圈密封贴合；

2)加载：基于深地工程背景，包括以下三种加载方法：

21)对于深部岩体分级加载流变破坏时：先通过注油孔对大理石试样加载围压、利用双轴流变仪加载板加载轴压、通过注水孔加载渗透水压到设定的应力水平，然后保持不同围压强度，分级加载轴压进行流变试验，直至加速流变导致岩样破坏；

22)对于近场围岩不同深度处因开挖卸荷和应力调整导致的岩体时效问题时：先通过注油孔对大理石试样加载围压、利用双轴流变仪加载板加载轴压、通过注水孔加载渗透水压到初始应力水平，然后保持围压不变，按不同的卸载强度对轴压卸载，然后保持轴压不变，加载围压到不同应力水平进行流变试验；

23)对于裂隙扩展导致近场围岩损伤的时效问题时：先通过注油孔对大理石试样加载围压、利用双轴流变仪加载板加载轴压到设定应力水平，然后逐级通过注水孔加载渗透水压，在岩样裂隙扩展后，保持应力水平不变进行流变试验。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、真三轴加载：本发明利用双轴流变仪实现了对试样的真三轴加载，双轴流变仪只能施加两个方向的力，本装置通过注油孔注油的方法实现了双轴流变仪下的真三轴加载。

二、可视化操作：本发明实现了真三轴加载条件下的可视化操作，对现有的科学技术文献检索发现，功能要求和本发明相似的加载装置大多无法提供三轴加载过程中的可视化观测操作，而能够实现三轴加载条件下可视化操作的装置中，无观测岩石预制裂隙演化过程的设计，本装置能在岩石裂隙发展过程中，通过观测区观测裂隙发展的过程。

附图说明

图1为本试验装置的正面透视图。

图2为本试验装置的背面透视图。

图3为本试验装置的正面平面图。

图4为本试验装置的背面平面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1-4所示，本发明提供一种基于双轴流变仪实现可视化的真三轴水力耦合试验装置，该装置包括加载垫片1、轴力传递构件2、双轴流变仪加载板3、橡胶垫圈4、围压密封圈5、改性聚碳酸酯板6、紧固螺栓7、注油孔8、注水孔9、孔隙水压密封圈10。试验时准备规格为50mm×150mm×30mm的大理石试样，试样正面中间利用水刀制作贯通的预制裂隙，将试样用橡胶围压密封圈5将四个侧面包覆，将用橡胶围压密封圈5包覆的大理石试样，通过加载垫板1和轴力传递构件2固定在加载板3上。将孔隙水压密封圈10固定在试样正反面中心处，将预制裂隙密封在内，将两块改性聚碳酸酯板6利用紧固螺栓7罩在试样外面，两块改性聚碳酸酯板6接缝处嵌入橡胶垫圈4。装置准备就绪后，可利用双轴流变仪控制横向和纵向加载板3来控制试验中的轴压，在前后改性聚碳酸酯板6右下角处的注油孔出注油来控制围压，在背面改性聚碳酸酯板6中心出的注水孔注水来控制孔隙水压力。整个试验过程中均可使用高速摄像机拍摄试样在耦合作用下的裂隙损伤演化过程。

该装置的使用过程如下：

(1)针对深部岩体分级加载流变破坏，试验采用如下应力路径：先透过注油孔对试样加载围压、利用加载板加载轴压、透过注水孔加载渗透水压到一定应力水平，然后保持不同围压强度，分级加载轴压进行流变试验，直至加速流变导致岩样破坏；

(2)针对近场围岩不同深度处因开挖卸荷和应力调整导致的岩体时效问题，试验采用如下应力路径：先透过注油孔对试样加载围压、利用加载板加载轴压、透过注水孔加载渗透水压到初始地应力水平，然后保持围压不变，按不同的卸载强度对轴压卸载；然后保持轴压不变，加载围压到不同应力水平进行流变试验；

(3)考虑裂隙扩展导致近场围岩损伤的时效问题，试验采用如下应力路径：先透过注油孔对试样加载围压、利用加载板加载轴压到一定地应力水平，然后逐级透过注水孔加载渗透水压，岩样裂隙扩展后，保持应力水平不变进行流变试验。

本发明装置实现了基于双轴流变仪下的真三轴水力耦合加载装置的可视化操作，能够实现采用高速摄像机拍摄试样在耦合作用下的裂隙损伤演化过程。