二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置的制作方法

本发明涉及岩土工程测量仪器领域，尤其涉及一种二维岩石试样剪切 -渗流耦合测试装置。

背景技术：

近年来，随着能源开采、核废料处理、水利工程以及地下空间的利用等大型工程的大量兴建，岩石渗流问题日益得到关注，在矿山开采、水利水电、隧道、边坡加固等岩土工程中，裂隙渗流对岩体工程的稳定性有着重要影响。一方面岩体裂隙是导致地下工程水害的重要原因之一，另一方面裂隙的存在也大大降低了岩体强度。众所周知，因为水的可压缩性很小，容易传递压力，含水孔隙中的流体压力会改变岩体中的应力状态。但是，岩体的形变性质与流体的形变性质有明显的差别，所以流体压力所造成的应力场的改变，以及流动的地下水动态性质所造成的流体应力的连续变化，都对地质体的形变特性起不可忽视的影响。因此，研究裂隙岩体的破裂机理和强度特性将对水电工程地质学学科及岩体工程稳定学科有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。对于岩石材料来说，剪切破坏是其主要破坏形态，因此岩石体剪切-渗流耦合破坏机理的研究对解决上述问题有着重要的意义。

参考文献1(新型数控岩石节理剪切渗流试验台的设计与应用，王刚，岩土力学，30(10)，2009)提出了一种数控岩石节理剪切渗流试验台，其主要功能为：在节理试件法向方向上，试验台有3类可控边界条件：恒定法向应力(CNL)、恒定法向位移(CNV)和恒定法向刚度(CNS)。平行节理剪切方向，可施加剪切力或位移、渗透压力。在3种边界和荷载条件下可进行节理剪切试验、节理渗透试验、闭合应力-渗透耦合试验、剪切应力-渗透耦合试验、岩石节理的剪切渗流流变试验和岩石节理的辐射流试验。

请参照图1，该系统整体由轴向加载框架、横向加载机构、轴向和横向蠕变控制系统、渗流子系统、剪切盒及数控系统组成。各主要组成部分及其工作原理介绍详细如下：

轴向加载框架包括加载油缸、主机框架、力传感器、上下压板等。主机采用框架结构形式，加载油缸倒置固定在上横梁上，力传感器安装在活塞上。

横向加载机构包括加载油缸、剪切加载框架、力传感器、位移传感器等。剪切加载框架采用四框组合式，油缸座和承压梁及两面的侧板均采用高标号球墨铸铁，使其框架刚度大(5000kN/mm)，工作平稳可靠；剪切加载框架放置在导轨上，在进行剪切试验时安装好试样后将其推到主机框架内，设定其他边界条件后，即可以进行相应的剪切试验。

横向和轴向控制系统采用德国DOLI公司原装进口EDC全数字伺服控制器，该控制器是国际领先的控制器，具有多个测量通道，每个测量通道可以分别进行荷载、位移、变形等的单独控制或几个测量通道的联合控制，而且多种控制方式间可以实现无冲击转换。在EDC中可以设置一个刚度控制通道，将根据测量得到的法向应力与法向变形计算的法向刚度值作为控制参数反馈给EDC控制输出通道，这样就可以实现常法向刚度控制。这种功能在其他的控制器中是无法实现的。EDC的测控精度高、操作简便、保护功能全，可以实现自动标定、自动清0及故障自诊断。

渗流子系统包括渗透加压系统、日本进口松下伺服电机和控制器、 EDC测控器。采用该系统可以实现多级可控的恒渗透压力和渗透流量控制。在剪切盒的出水口设置一套液压传感器、流量测量装置和稳压装置，并在 EDC控制系统软件中设置一个压差控制通道，来测量进口压力和出口压力的差值，实现剪切盒进、出口渗透压力差的闭环控制。而且可以实现稳态和瞬态渗透压力控制。

剪切盒内部尺寸为200mm(水渗透方向)×100mm(渗透宽度)× 100mm(高度)。渗流剪切盒由上下剪切盒组成，上剪切盒由上剪切体、上密封圈、上刀体垫块组成；下剪切盒由下剪切体、下密封圈、下刀体垫块组成。密封圈是本方案的特点及关键部件，它是由弹性及硬度适中的聚氨脂制成液体橡胶，浇注模压成型。聚氨脂橡胶具有既软又硬，摩擦小等特点。密封圈是中空的，当试样装好之后，空腔内将注入一定压力的液体塑料，上密封圈在压力下紧紧贴到试样上半部的四周，而下密封圈在压力下紧紧贴到试样下半部的四周实现了密封，同时上密封圈和下密封圈的接触面也受到了压力紧密接触，实现了密封。当上下剪切盒产生相对移动时，上密封圈和下密封圈的接触面在滑动状态下仍然保持压缩密封，直到密封圈脱离接触。上刀体中有一个进水孔用以向岩样剪切面渗水，另一孔为排气孔；下刀体中有一个出水孔，用以排出渗入岩样剪切面中的水。

对于图1所示的数控岩石节理剪切渗流试验台，其主要是针对三维岩石试样进行设计的，故此其自下而上进行法向加载，自右至左进行剪切加载，然而三维岩体裂隙由于其复杂、隐蔽，其内部破裂机理在现有技术下无法真正予以揭示。而且现有技术所提出的三维裂隙并非是真正的“三维”，而只是规则的平面，其本质仍为二维。因此，对二维岩石试样进行实验更具有现实意义。而现有技术中并没有针对二维岩石试样的剪切-渗流耦合测试装置，而图1所示的数控岩石节理剪切渗流试验台无法实现二维岩石试样的加载以及挤压力和剪切力的施加。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于实现二维岩石试样的剪切 -渗流耦合测试的装置。

(二)技术方案

本发明二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置包括：底架10，其上方分为进样区域和测试区域，在该进样区域和测试区域之间具有滑轨；密封机构20，用于密封二维岩石试样，其在沿贯穿裂隙的两侧分别开设进水口 23a和出水口23b；岩石试样底座30，其可在滑轨上自由滑动，用于将水平放置的二维岩石试样由进样区域运送至测试区域；纵向加载机构，固定于底架10的测试区域的上方，其整体为可升降结构；侧向加载机构，固定于底架10的测试区域的上方，其整体为可升降结构，并与纵向加载机构错开；其中，二维岩石试样上具有贯穿裂隙，在运送二维岩石试样时，纵向加载机构和侧向加载机构升起；在二维岩石试样被运送至测试区域后，纵向加载机构和侧向加载机构落下，分别对运送至测试区域的二维岩石试样施加纵向和侧向力。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置具有以下有益效果：

(1)专门针对二维岩石试样进行设计，能够稳定可靠地实现二维岩石试样的加载以及挤压力和剪切力的施加，填补了国内外二维岩石试样的剪切-渗流耦合测试装置的空白；

采用二维岩石试样，剪切及渗流过程更为直观、机理更为明确，改变了传统三维试验过程不够直观、机理不够明确、结果难以精准测量的缺点。

(2)通过将上述岩石试样平面放置保证其稳定性；通过侧向加载机构和侧向反力框架的联合使用实现了不同正压力下沿裂隙的剪切；在裂隙一端及另一端分别设置入渗及渗出管路并在岩石试样六个面均设置密封实现了剪切之后的渗流，实现了单条固定裂隙的剪切-渗流耦合试验。

附图说明

图1为现有技术数控岩石节理剪切渗流试验台的结构示意图；

图2为根据本发明实施例二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置的结构示意图；

图3为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中纵向加载机构的示意图；

图4为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中底架与侧向加载机构的示意图；

图5为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中二维岩石试样的受力示意图。

【主要元件】

A-二维岩石试样；

A1-贯穿裂隙；

10-底架；

11、12-滑轨；

20-密封机构；

21、22-纵向密封垫；23-侧向密封环；

23a-进水口；23b-出水口；

30-岩石试样底座；

40-纵向加载机构；

41-立柱；42-电机安装板；

43-第一纵向升降电机；44-双层加载框架；

44a-上加载板；44b-下加载板；

45-钢化玻璃板；

50-侧向加载机构；

51-第二纵向升降电机；52-反力框架；

53-挤压力施力机构；54-剪切力施力机构；

54a-第一压板；54b-第二压板；

54c-进水通道；54d-出水通道。

具体实施方式

本发明针对二维岩石试样剪切-渗流耦合试验设备的缺失，开发制作一种可以模拟岩石试样在应力场和水流场共同作用下机理特性的试验系统，可以适用于岩石裂隙在应力场和水流场共同作用下的破坏机理试验研究。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置。本实施例中，测试对象为方形青石板A，尺寸为：长500mm、宽500mm、厚10～20mm。该青石板正中加工有一条贯穿裂隙A1，贯穿裂隙位置固定、由雕刻机刻穿，侧表面为自然粗糙、未经打磨。

图2为根据本发明实施例二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置的结构示意图。图5为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中二维岩石试样的受力示意图。如图2和图5所示，本实施例二维岩石试样剪切- 渗流耦合测试装置包括：

底架10，其上方分为进样区域和测试区域，在该进样区域和测试区域之间具有滑轨11、12；

密封机构20，用于密封二维岩石试样，其在沿贯穿裂隙的两侧分别开设进水口23a和出水口23b；

岩石试样底座30，其可在滑轨上自由滑动，用于将水平放置的二维岩石试样由进样区域运送至测试区域；

纵向加载机构，固定于底架10的测试区域的上方，整体为可升降结构，在运送二维岩石试样时，该纵向加载机构升起，在二维岩石试样被运送至测试区域后，该纵向加载机构落下，对运送至测试区域的二维岩石试样施加纵向压力；

侧向加载机构，固定于底架10的测试区域的上方，其整体为可升降结构，在运送二维岩石试样时，该侧向加载机构升起，在二维岩石试样被运送至测试区域后，该侧向加载机构落下，对运送至测试区域的二维岩石试样施加侧向压力；以及

渗流系统，用于通过进水口向密封机构内二维岩石试样的贯穿裂隙的一端施加预设的渗透压力；同时收集由出水口渗出的水；

数据采集模块，用于对二维岩石试样在加压情况下的渗流参数进行采集和处理。

以下对本实施例二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，在二维岩石试样A正中有一条贯穿裂隙A1，如图5所示。贯穿裂隙的位置固定，试验前用雕刻机雕刻出而成。

关于该贯穿裂隙A1的位置、深度和雕刻工艺等，均可以由本领域技术人员合理选择，并不局限于本实施例所给出的形式。

请参照图2，底架10呈框架式构造。为了方便工作人员操作，该底架具有一定的高度，并且在侧面安装有各类的电控机构。

该底架10的上方在两个垂直方向上安装有互不干涉的滑轨11、12，从而经由相应的岩石试样底座30可以从两个方向上将二维岩石试样由进样区域运送至测试区域，进而实现两个不同形式和内容的测试。

由于试验时要保证水只沿着裂隙运动，所以需要对岩石试样六个侧面进行密封。密封机构20包括：纵向密封垫21、22，分别位于二维岩石试样的上部和下部，实现二维岩石试样A上、下表面的密封；侧向密封环 23，呈“回”字形，其从四周将二维岩石试样A包围起来，实现二维岩石试样四个侧面的密封。在侧向密封环23沿贯穿裂隙的两侧，具有开有进水口23a和出水口23b。

对于纵向密封垫21、22，其为透明PVC材质，方便观察在测试过程中二维岩石试样的状态以及渗水情况。对于侧向密封环23，其为聚氨酯材质，通过注塑工艺制作，可以承受较大的压力。该纵向密封垫21、22和侧向密封环23的组合，可以实现2MPa水的密封。

该纵向密封垫21、22与侧向密封环23之间可以连接为一体，也可以是分离设置。只要能将二维岩石试样A包围起来即可。由于纵向加载机构会在纵向施加压力，而下方底架会提供反力，从而即使纵向密封垫21、22 与侧向密封环23之间没有连接，在压力的作用下，三者也会紧紧的贴附在一起，不会漏水。

图3为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中纵向加载机构的示意图。请参照图2和图3，该纵向加载机构40包括：固定于底架测试区域上方的四根立柱41；固定于四根立柱顶部的电机安装板42；固定于电机安装板上方，并向下伸出输出螺纹杆的四台第一纵向升降电机43；双层加载框架44，其包括相对位置固定的上加载板44a和下加载板44b。

上加载板44a的四个边角位置开设有滑动孔，四根立柱穿过四个滑动孔，对该上加载板的上下滑动提供限位。上加载板44a在四台第一纵向升降电机的输出螺纹杆的对应位置开设有对应的螺纹孔，四台第一纵向升降电机的输出螺纹杆螺入对应的螺纹孔内。下加载板44b的下表面固定有钢化玻璃板45。在四台第一纵向升降电机被驱动的情况下，四根输出螺纹杆推动双层加载框架向下移动，由钢化玻璃板压住下方的二维岩石试样。

图4为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中侧向底架与侧向加载机构的示意图。请参照图2和图4，侧向加载机构50包括：三台第二纵向升降电机51、反力框架52、挤压力施力机构53和剪切力施力机构 54。

三台第二纵向升降电机51的底部固定于底架10上。其中，两台第二纵向升降电机51位于挤压力施力机构53的同侧，一左一右；另一台第二纵向升降电机位于挤压力施力机构53的对侧。

反力框架52固定于三台第二纵向升降电机输出轴的上部，并且与纵向加载机构的四根立柱41错开。反力框架52在该三台第二纵向升降电机输出螺纹杆的位置具有螺纹孔。三台第二纵向升降电机输出螺纹杆穿过反力框架52上相应的螺纹孔。在该三台第二纵向升降电机被驱动的情况下，该三台第二纵向升降电机的输出螺纹杆推动反力框架上升或者下降。在反力框架52位于下降状态时，其将位于测试区域的二维岩石试样A嵌合于其中。

需要说明的是，本实施例采用三台第二纵向升降电机51，而在本发明其他实施例中，还可以根据需要设置第二纵向升降电机的数量。一般情况下，至少需要两台第二纵向升降电机，分别设置在反力框架相对的两侧。

图5为图2所示二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置中二维岩石试样的受力示意图。请参照图2和图5，挤压力施力机构53安装于反力框架 52上垂直于贯穿裂隙的侧面，其通过头部的压板向二维岩石试样施加水平方向的挤压力，该挤压力的反力由反力框架相对的另一侧提供，从而对二维岩石试样进行挤压。剪切力施力机构54安装于反力框架上反力框架上平行于贯穿裂隙的侧面，其通过头部的第一压板54a向二维岩石试样位于贯穿裂隙一侧部分的施加推力，对二维岩石试样贯穿裂隙另一侧部分由固定于反力框架相对另一面的第二压板54b提供，从而对二维岩石试样进行剪切。

通过该侧向加载机构，本实施例测试装置的侧向加载能力为100KN，剪切位移能力为5mm。

请着重参考图5，在剪切力施力机构头部的第一压板54a中，具有“Z”字形状的进水通道54c。在该第一压板54a的外侧，进水通道54c的进口错开了剪切力施力机构。而在该第一压板54a的内侧，进水通道54c的出口对准侧向密封环侧面的进水口23a。在剪切力施力机构对侧的反力框架与二维岩石试样之间，具有第二压板54b。该压板内开设有“Z”字形状的出水通道54d。在该第二压板54b的内侧，出水通道54d的进口对准侧向密封环侧面的出水口23b。而在该第二压板54b的外侧，出水通道54d 的出口错开了反力框架与二维岩石试样之间具有剪切作用力的部分。

渗流系统包括：供水加压系统和回水系统。供水加压系统包括：由步进电机驱动的水压控制器。水压控制器通过管路连接于第一压板外侧的进水通道54c的进口。在二维岩石试样剪切完成后，水压控制器通过进水通道54c向二维岩石试样的贯穿裂隙的一端施加预设的渗透压力。回水系统包括集水槽。第二压板外侧的出水通道54d的水口连接至该集水槽。在二维岩石试样的贯穿裂隙的另一端渗出的水体通过管路收集并导入至集水槽。集水槽内的水体可以排出；也可以通过外接水泵泵入水压控制器内，以循环使用。

数据采集模块用于对二维岩石试样在加压情况下的渗流参数(法向力、剪切力、水压力、以及渗流水体积)进行采集，其包括：两个称重传感器、一个水压力传感器以及流量计。其中，两个称重传感器量程均为100kN。其一被安装于挤压力施力机构53与其前方的压板之间，用于测量试验过程中施加于二维岩石试样的法向力。其二被安装于剪切力施力机构54与压板54a之间，用于测量试验过程中施加于二维岩石试样的剪切力。水压力传感器量程为2MPa，被安装于进水口23a的外侧，用于测量试验过程中入渗端的入渗水压力。流量计量程为5ml/s，被安装于出水口23b的外侧，用于测量试验过程中沿剪切裂隙渗出水流的流量。

需要说明的是，关于本实施例中第一纵向升降电机、第二纵向升降电机、挤压力施力机构和剪切力施力机构，其均有相应的电控系统对其进行控制。而该电控系统采用的均是本领域常用的电控系统，此处不再详细说明。而数据采集模块中的传感器也是本领域内通用的传感器，本领域技术人员应当对其相当熟悉，此处不再详细说明。

在对本实施例二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置的结构进行详细说明之后，以下对其工作原理进行说明：

(1)试样准备：用雕刻机在二维岩石试样上雕刻贯穿裂隙；

(2)进样：将二维岩石试样A上下安置纵向密封垫21、22，放置于岩石试样底座30上，四周连接侧向密封环23，并使侧向密封环23两侧的进水口23a和出水口23b对准贯穿裂隙的两端；之后通过下部滑轨11整体推入测试区域。

(3)纵向定位：驱动四台第一纵向升降电机43，使双层加载框架44 压紧钢化玻璃板45并进而压紧岩石试样。

(4)水平向定位：驱动四台第二纵向升降电极51，下降反力框架52 与二维岩石试样完全嵌合，并用管路将第一压板54a外侧的进水通道进口与外部水压力控制器相连接，将第二压板54b外侧的出水通道出口通过管道连接至集水槽；

(5)施压：在垂直于贯穿裂隙的方向通过挤压力施力机构53施加挤压力，此挤压力的反力由反力框架52提供；同时在平行于贯穿裂隙的方向、在贯穿裂隙的一侧通过剪切力施力机构54施加推力，在对边贯穿裂隙的另一侧通过反力框架施加反力，进而对二维岩石试样进行剪切。

(6)通水：水压控制器通过管路连接于第一压板中进水通道54c的进口。在岩石试样剪切完成后，水压控制器通过第一压板内的进水通道向二维岩石试样裂隙的一端施加预设的渗透压力；同时在二维岩石试样裂隙的另一端通过与第二压板内的出水通道54d及相连接的管路收集渗出水体并导入至集水槽；

(7)数据采集：由两个称重传感器分别采集试验过程中施加于岩石板的法向力及剪切力，水压力传感器采集入渗端的水压力，流量计用于采集沿着岩石板裂隙渗出的水体体积。

经过试验证明，本实施例二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置可以顺利实现对二维岩石试样的加载，并进行剪切渗流耦合测试，具有较强的实用性。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明二维岩石试样剪切-渗流耦合测试装置有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)上述侧向加载机构还可以采用对向加载来代替侧向反力框架结构；

(2)上述渗流出水口还可以采用水压控制器来替代管路直接排放；

(3)密封机构的进水口和出水口设置的位置等，还可以根据二维岩石试样上贯穿裂隙的位置进行调整，另外，贯穿裂隙的位置也不局限于二维岩石试样的正中；

(4)关于渗流系统和数据采集模块的结构和连接，本领域技术人员可以根据需要合理设置，并且可以采用市场上成型的相关产品；

(5)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(6)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明提供一种专门针对二维岩石试样的剪切-渗流耦合测试装置，其可以模拟岩石试样在应力场和水流场共同作用下机理特性的试验，同时适用于岩石裂隙在应力场和水流场共同作用下的破坏机理试验研究，具有较强的实用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。