CN105973724A - 岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，包括用于设置在试件两端的密封限位件，密封限位件包括下部限位件和上部限位件，密封限位件的一端与试件的端部紧密贴合，密封限位件的另一端设有隔水部件，隔水部件的中部设有向内凸出的弯折部，试验盒的两侧设有侧部密封件；试件的部分外端面、下部限位件的部分上表面、上部限位件的部分下表面、弯折部和侧部密封件的部分内表面共同构成渗流密封腔，试件的不连续面构成与渗流密封腔联通的渗流通道；密封限位件、隔水部件和侧部密封件通过上剪切盒和/或下剪切盒压紧在试件上，通过调整两端渗流密封腔内的水压差，实现岩体不连续面剪切试验中的渗流边界条件的控制。

Description

岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒

技术领域

本发明涉及一种室内岩石力学试验设备，尤其涉及一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒。

背景技术

在石油矿山开采、水利水电、煤矿生产、交通隧道和边坡等工程中，地下水对岩体工程的稳定性有着重要影响。一方面地下水可改变岩体的应力和变形，另一方面岩体结构面的几何特征及其物理力学性质对地下水渗流起决定性作用。由于岩体中不连续面的渗透和变形模量都远大于岩石基层，岩体不连续面与地下水的相互作用往往直接决定着工程结构的稳定和安全。

本领域非常需要对岩体不连续面的剪切-渗流耦合特性进行研究，而进行岩体不连续面的室内剪切-渗流耦合试验，是一种有效的研究手段。岩体不连续面剪切渗流耦合试验中的关键技术是试验边界条件的实现，即位移、荷载边界条件和渗流边界条件。在岩体不连续面的剪切过程中，当上、下块体在剪切力作用下产生相对位移时，通过在剪切盒进水口和出水口之间设定一定的水压差，即渗透水压力，来实现岩石节理内的水沿指定路径流动，同时要保证剪切盒在垂直水流方向边界上不发生水流渗漏，因此必须对剪切盒做良好的密封。

发明人开发的“岩石裂隙剪切渗流耦合试验盒，201120222193.7”，通过液压密封套实现了剪切试验的密封。但是，具体操作过程中发现存在如下问题：(1)在剪切的过程中，液压密封套与试件处于互相挤压的状态，低压条件下不能很好的实现密封，高压条件下很容易损坏，由于其成本较高，一旦损坏即会带来极大损失；(2)每次试验均需通过液压加载来密封，试验过程复杂。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，通过新的密封方法，既实现了剪切过程的水密封问题，又克服了试验成本高、试验程序复杂的难题。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，包括用于设置在试件两端的密封限位件，所述密封限位件包括下部限位件和上部限位件，所述下部限位件和上部限位件上下叠放；所述密封限位件的一端与所述试件的端部紧密贴合，所述密封限位件的另一端设有紧密贴合的隔水部件，所述隔水部件的中部设有向内凸出的弯折部，所述弯折部位于所述下部限位件和上部限位件之间；试验盒的两侧设有用以密封所述试件的不连续面的侧部密封件，所述侧部密封件向两端延伸至所述密封限位件的外端；

所述试件的部分外端面、所述下部限位件的部分上表面、所述上部限位件的部分下表面、所述弯折部和所述侧部密封件的部分内表面共同构成渗流密封腔，所述试件的不连续面构成与所述渗流密封腔联通的渗流通道；所述密封限位件上，设有联通至所述渗流密封腔的进水通道；

所述密封限位件、所述隔水部件和所述侧部密封件通过上剪切盒和/或下剪切盒压紧在所述试件上，通过调整两端所述渗流密封腔内的水压差，实现岩体不连续面剪切试验中的渗流边界条件的控制。

所述隔水部件采用柔性塑料制成。剪切试验过程中，通过柔性塑料自身的塑性变形来满足剪切试件沿不连续面之间的滑动；即使两端的渗流密封腔发生变形，仍然能保持渗流密封腔的密封状态。在整个试验过程中，都能保证对渗流边界条件的有效控制，而且材料不易损坏，使用寿命较长。

所述密封限位件采用金属材料制成，表面附有密封材料。密封效果好，成本低廉。采用硬质材料，便于固定，安装操作方便快捷。

所述下剪切盒的侧壁，包括位于下部用以限制所述试件侧向位移的下盒固定部和位于上部用以压紧所述侧部密封件的下盒限位部，所述下盒限位部的内侧与所述试件的侧壁之间设有用以容纳所述侧部密封件的缝隙。利用下剪切盒自身的结构来实现侧部密封件的压紧，结构简单，操作方便。

所述侧部密封件包括位于内侧紧贴所述试件的侧部隔水件和位于外侧的侧部限位件；所示侧部隔水件采用柔性材料制成；所述下盒限位部上设有用以压紧所述侧部限位件的螺孔。即使每个试件的外部尺寸不完全一致，也可以通过调整螺丝的旋入深度，确保侧部限位件压紧在试件的表面，保证渗流通道的密封性。结构简单，适用条件灵活。

所述侧部密封件为液压囊。需要密封时，对液压囊进行加压，液压囊膨胀，在下盒限位部的挤压作用下，实现对试件不连续面侧部的密封，自动化程度高。

所述上剪切盒的侧壁，包括位于上部用以限制所述试件侧向位移的上盒固定部和位于下部的用以压紧所述侧部密封件的上盒限位部，所述上盒限位部的内侧与所述试件的侧壁之间设有用以容纳所述侧部密封件的缝隙。利用上剪切盒自身的结构来实现侧部密封件的压紧，结构简单，操作方便。

所述侧部密封件包括位于内侧紧贴所述试件的侧部隔水件和位于外侧的侧部限位件；所述上盒限位部上设有用以压紧所述侧部限位件的螺孔。即使每个试件的外部尺寸不完全一致，也可以通过调整螺丝的旋入深度，确保侧部限位件压紧在试件的表面，保证渗流通道的密封性。结构简单，适用条件灵活。

所述上剪切盒和所述下剪切盒由若干固定板拼装而成，更容易实现对密封限位件、隔水部件和侧部密封件的安装。

所述上剪切盒的顶板设有用以容纳对所述试件施加法向应力的油缸的预留孔，可以实现试件剪切过程中，对法向应力的模拟。

本发明的有益效果是：

(1)通过全新的密封方法，实现了剪切试验的无液压密封。

(2)柔性塑料垫结构简单，材料成本低，从而降低了密封成本。

(3)每次试验在试件组装完毕即实现了密封，试验过程简单。

附图说明

图1是试验盒局部放大结构示意图；

图2是试验盒的纵剖面图；

图3是试验盒的横剖面图；

图中：1、试件，11、不连续面，21、下部限位件，22、上部限位件，23、隔水部件，24、弯折部，25、流水通道，26、渗流密封腔，3、上剪切盒，31、顶板，32、上端板，4、下剪切盒，41、下盒固定部，42、下盒限位部，43、下端板，51、侧部隔水件，52、侧部限位件、6、螺丝。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，如图1-3所示，在试件1的两端均设有密封限位件，密封限位件包括下部限位件21和上部限位件22，二者为长方体，其内部设有流水通道25，密封限位件采用不锈钢或者铜制成，表面附有密封材料。除密封外，在进行剪切试验的时候还会推动试块剪切。下部限位件21和上部限位件22的一端与试件1的端部紧密贴合，密封限位件的另一端设有紧密贴合的隔水部件23。

隔水部件23的中部设有向内凸出的弯折部24；弯折部24的底端与下部限位件21的顶端紧密接触，弯折部24的顶端与上部限位件22的底端紧密接触；隔水部件23采用硬质塑料制成，可以很好的起到防水的效果。不同于柔性隔水垫，隔水部件23采用硬质塑料，有一定强度和韧性，侧面可以紧密挤压柔性隔水垫，防止水从两者之间渗出，而且允许一定范围的变形。

试验盒的两侧设有用以密封试件1的不连续面11的侧部密封件，侧部密封件向两端延伸至隔水部件23的外端；侧部密封件包括位于内侧的侧部隔水件51，和位于外部的侧部限位件52，其中侧部隔水件51采用超柔性塑料制成，自身可以产生极大地塑形变形，其内侧面可以随时间剪切移动，而外侧面与侧部限位件52紧密贴合不发生相对移动。侧部限位件52采用具有一定强度的刚性材料，可以承受为实现密封所施加在该部件上的荷载。

试件1的部分外端面、下部限位件21的部分上表面、上部限位件22的部分下表面、弯折部24和侧部密封件的部分内表面共同构成渗流密封腔26，试件1的不连续面11构成与渗流密封腔26联通的渗流通道；密封限位件上，设有联通至渗流密封腔26的进水管25。

密封限位件和隔水部件23通过上剪切盒3和下剪切盒4及相应的上端板32和下端板43压紧在试件1上，其中，密封限位件的宽度与试件1的宽度相同，隔水部件23的尺寸覆盖整个密封限位件的端面。上剪切盒3的上端板32和下剪切盒4的下端板43上设有螺孔，隔水部件23和密封限位件通过上端板32和下端板43上的螺丝6压紧在试件1上。

侧部密封件通过下剪切盒4压紧在试件1上：下剪切盒4的侧壁包括位于下部用以限制试件1侧向位移的下盒固定部41和位于上部用以压紧侧部密封件的下盒限位部42，下盒限位部42的内侧与试件1的侧壁之间设有用以容纳侧部密封件的缝隙。侧部密封件至于该缝隙处，并通过下盒限位部42的螺丝6压紧在试件1的侧表面，保证渗流通道的密封性。

通过调整两端渗流密封腔26内的水压差，实现岩体不连续面11剪切试验中的渗流边界条件的控制。

传统的剪切试验盒在模拟渗流耦合试验时，在不连续面11的端部设置一个或多个进水管，通过进水管向不连续面11内注入一定水压来模拟渗流场。这种方式无法在不连续面11的端部形成稳定均匀的渗流场，不能很好的反映岩体在地下水渗流中的实际情况。剪切渗流耦合试验盒可以在不连续面11的端部形成用以储水的密封腔，该密封腔与不连续面11的贯通面的宽度一致，可以真实的模拟岩体不连续面11完全浸没在水中的情况，可以更好的实现对渗流场的模拟。

此外，通过控制试件1两端渗流密封腔26的水压差，可以精确的模拟不同渗流场中岩体的剪切性能，为岩体不连续面11的剪切-渗流耦合特性研究提供条件。

隔水部件23和密封限位件的双重密封结构，可以有效保证试件1的密封性。

采用密封限位件，避免了试件1与刚性的液压密封套的只接接触，密封限位件采用柔性材料，即使在低压下也能实现很好的密封效果，而且不易损坏，制作成本低廉。

每次试验无需液压加载来密封，只接通过安装部件就可以实现良好的密封效果，试验过程简单方便。上剪切盒3的顶板31设有用以容纳对试件1施加法向应力的油缸的预留孔，可以实现试件剪切过程中，对法向应力的模拟。

实施例2：

一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，包括用于设置在试件两端的密封限位件，密封限位件包括下部限位件和上部限位件，下部限位件和上部限位件上下叠放；密封限位件的一端与试件的端部紧密贴合，密封限位件的另一端设有紧密贴合的隔水部件，隔水部件的中部设有向内凸出的弯折部，弯折部位于下部限位件和上部限位件之间；试验盒的两侧设有用以密封试件的不连续面的侧部密封件，侧部密封件向两端延伸至密封限位件的外端；

试件的部分外端面、下部限位件的部分上表面、上部限位件的部分下表面、弯折部和侧部密封件的部分内表面共同构成渗流密封腔，试件的不连续面构成与渗流密封腔联通的渗流通道；密封限位件上，设有联通至渗流密封腔的进水通道；

密封限位件、隔水部件和侧部密封件通过上剪切盒和/或下剪切盒压紧在试件上，通过调整两端渗流密封腔内的水压差，实现岩体不连续面剪切试验中的渗流边界条件的控制。

隔水部件采用柔性塑料制成。剪切试验过程中，通过柔性塑料自身的塑形变形来满足剪切试件沿不连续面之间的滑动；即使两端的渗流密封腔发生变形，仍然能保持渗流密封腔的密封状态。在整个试验过程中，都能保证对渗流边界条件的有效控制，而且材料不易损坏，使用寿命较长。

密封限位件采用硬质塑料制成，密封效果好，成本低廉。采用硬质材料，便于固定，安装操作方便快捷。

上剪切盒的侧壁，包括位于上部用以限制试件侧向位移的上盒固定部和位于下部的用以压紧侧部密封件的上盒限位部，上盒限位部的内侧与试件的侧壁之间设有用以容纳侧部密封件的缝隙。侧部密封件包括位于内侧紧贴试件的侧部隔水件和位于外侧的侧部限位件；上盒限位部上设有用以压紧侧部限位件的螺孔。即使每个试件的外部尺寸不完全一致，也可以通过调整螺丝的旋入深度，确保侧部限位件压紧在试件的表面，保证渗流通道的密封性。结构简单，适用条件灵活。

上剪切盒和下剪切盒由若干固定板拼装而成，更容易实现对密封限位件、隔水部件和侧部密封件的安装。

实施例3：

下剪切盒的侧壁，包括位于下部用以限制试件侧向位移的下盒固定部和位于上部用以压紧侧部密封件的下盒限位部，下盒限位部的内侧与试件的侧壁之间设有用以容纳侧部密封件的缝隙。利用下剪切盒自身的结构来实现侧部密封件的压紧，结构简单，操作方便。侧部密封件为液压囊。需要密封时，对液压囊进行加压，液压囊膨胀，在下盒限位部的挤压作用下，实现对试件不连续面侧部的密封，自动化程度高。

上剪切盒和下剪切盒为整体结构，其中下盒限位部通过螺丝固定在下剪切盒的相应位置。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：包括用于设置在试件两端的密封限位件，所述密封限位件包括上下叠放的下部限位件和上部限位件；所述密封限位件的一端与所述试件的端部紧密贴合，所述密封限位件的另一端设有紧密贴合的隔水部件，所述隔水部件的中部设有向内凸出的弯折部，所述弯折部位于所述下部限位件和上部限位件之间；试验盒的两侧设有用以密封所述试件的不连续面的侧部密封件，所述侧部密封件向两端延伸至所述密封限位件的外端；

所述试件的部分外端面、所述下部限位件的部分上表面、所述上部限位件的部分下表面、所述弯折部和两个所述侧部密封件的部分内表面共同构成渗流密封腔，所述试件的不连续面构成与所述渗流密封腔联通的渗流通道；所述密封限位件上，设有联通至所述渗流密封腔的进水通道；

所述密封限位件、所述隔水部件和所述侧部密封件通过上剪切盒和/或下剪切盒压紧在所述试件上，通过调整两端所述渗流密封腔内的水压差，实现岩体不连续面剪切试验中的渗流边界条件的控制。

2.根据权利要求1所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述隔水部件采用柔性塑料制成。

3.根据权利要求1所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述密封限位件采用金属材料制成，表面附有密封材料。

4.根据权利要求1所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述下剪切盒的侧壁，包括位于下部用以限制所述试件侧向位移的下盒固定部和位于上部用以压紧所述侧部密封件的下盒限位部，所述下盒限位部的内侧与所述试件的侧壁之间设有用以容纳所述侧部密封件的缝隙。

5.根据权利要求4所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述侧部密封件包括位于内侧紧贴所述试件的侧部隔水件和位于外侧的侧部限位件；所示侧部隔水件采用柔性材料制成；所述下盒限位部上设有用以压紧所述侧部限位件的螺孔。

6.根据权利要求4所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述侧部密封件为液压囊。

7.根据权利要求1所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述上剪切盒的侧壁，包括位于上部用以限制所述试件侧向位移的上盒固定部和位于下部的用以压紧所述侧部密封件的上盒限位部，所述上盒限位部的内侧与所述试件的侧壁之间设有用以容纳所述侧部密封件的缝隙。

8.根据权利要求7所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述侧部密封件包括位于内侧紧贴所述试件的侧部隔水件和位于外侧的侧部限位件；所述上盒限位部上设有用以压紧所述侧部限位件的螺孔。

9.根据权利要求1所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述上剪切盒和所述下剪切盒由若干固定板拼装而成。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒，其特征在于：所述上剪切盒的顶板设有用以容纳对所述试件施加法向应力的油缸的预留孔。