CN106018748B - 一种单裂隙岩体流‑固耦合试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单裂隙岩体流‑固耦合试验系统及试验方法，它是由试样剪切装置、应力加载装置、渗透压伺服装置以及数据采集处理装置共同组成。通过试样剪切装置对岩石试件施压时形成剪应力，在岩石试件上形成裂隙；通过应力加载装置对试件进行加载；通过渗透压伺服装置进行流体渗透；通过数据采集处理装置对实验数据进行实时数据显示、采集和记录。本发明通过上述各装置可完成岩石裂隙在不同法向荷载条件下的剪切‑渗流耦合试验，试验过程操作简单，结果可靠，并可直观显示结果。

Description

一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及岩体力学试验领域，尤其涉及一种单裂隙岩体流试验领域。

背景技术

岩体是富含裂隙的复杂介质，在地下水环境和复杂地应力的作用下，受到法向应力和切向应力的共同作用,地下裂隙或者孔隙岩体的渗流特性对地下工程的设计和安全运行具有重要的影响。裂隙岩体是经历长期地质改造作用过的，包含众多不同规模和特征的裂隙，并赋存于一定物理环境中的各向异性地质体。由于岩块较为坚硬且渗透性较低，岩体的变形主要发生在裂隙中，且裂隙及其连通网络是岩体地下水运移的主要通道。一方面，裂隙在复杂应力作用下承受着挤压、剪切等变形，导致其表面张开、接触、磨损或闭合，从而改变其几何特征和渗流流态，并进一步影响其渗流特性；另一方面，裂隙渗流及其产生的水压力将引起裂隙有效应力和强度的降低，进而影响裂隙岩体的力学性质，从而使得岩体工程的稳定性在很大程度上取决于裂隙的渗流特性。

在试验室内进行岩体流-固耦合试验对于揭示裂隙的渗流特性及其在荷载作用下的渗透特性机制、建立并验证渗透特性的理论模型具有不可替代的作用。在目前现有技术中，岩体流-固耦合试验主要采用剪切渗流试验装置，该装置主要分为两大类，一类试验装置采用岩石剪切试验机改装而成，这类试验机造价高且试验过程复杂，对式样外形有严格要求，试验式样形状尺寸单一，试验机主要部件为长方体剪切盒，岩石试件安置在剪切盒中，然后进行密封防漏水处理，在剪切过程中剪切盒的上盒与下盒发生一定相对位移，此时很难保证剪切盒两侧的密封效果，从而导致试验装置因防水效果不理想而失败；另一类渗流剪切装置采用在常规三轴试验机的基础上添加L型或梯形刚性垫块等裂隙剪切渗流装置来实现剪切渗流，试验安装及拆卸过程更为复杂消耗时间较长，并且试验过程中若试件密闭性不好出现漏水现象，泄露出的水会流入到三轴压力室，随着时间积累会在压力室中形成油水混合物，影响三轴试验机的正常使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统以及试验方法。

本发明的具体技术方案为：

一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统，由试样剪切装置、应力加载装置、渗透压伺服装置以及数据采集处理装置共同组成；

所述试样剪切装置由置于岩石试件顶部的上压头、上刚性垫片和置于岩石试件底部的下压头、下刚性垫片组成；所述的上压头、上刚性垫片、下压头、下刚性垫片的断面与岩石试件断面一致，由封水胶套依次将上压头、上刚性垫片、岩石试件、下刚性垫片、下压头套在一起，共同组成一个柱状体；所述的下压头和下刚性垫片上设有向岩石试件注水的进水通道，上压头和上刚性垫片上设有供岩石试件出水的回水通道；所述的上刚性垫片和下刚性垫片设计为互为对应的台阶状，当上下台阶对岩石试件施压时形成剪应力，在岩石试件上形成裂隙；

所述的应力加载装置包括轴压力框架和侧压力装置，轴压力框架的底部设有千斤顶，千斤顶上设有用于放置试样剪切装置的联合支座，轴压力框架的顶部设有用于给试样剪切装置施加反力的轴向压头，千斤顶与轴向压头的作用中心在一条轴线上；上述的侧压力装置是在试样剪切装置的两侧位置对称设有侧压头、侧压板和侧顶板；其中，侧压头压紧在岩石试件的两侧并与岩石试件的接触面相配合，例如岩石试件为方柱形时接触面为平面，岩石试件为圆柱形时接触面为弧面；侧压板与侧压头的接触面互为凸凹槽结构，使侧压头与岩石试件可沿轴向加载方向滑动；所述的侧顶板顶在联合支座两侧；所述的侧顶板和侧压板上设有对应的通孔，通过通孔用拉杆将两侧的侧顶板拉紧，从而将联合支座、侧压板、侧压头和岩石试件紧固在一起；为了使联合支座被千斤顶顶起时可产生一定的侧向力，其中一侧的侧顶板和联合支座的接触面设计为互为斜面；上述侧压力装置的底部对称设有滑动轴承，通过滑动轴承支撑在支撑杆上，使侧压力装置在支撑杆上可沿侧向力方向滑动；

为了掌握轴向压力和轴向位移量大小，在试样剪切装置上设有轴压传感器，在轴压力框架顶部和联合支座之间设有轴向位移传感器；

为了掌握侧向压力和侧向位移量大小，在侧压头上设有侧压传感器，在轴压力框架和侧压头之间设有侧向位移传感器；

所述的渗透压力伺服装置包括伺服液压泵和为伺服液压泵供水的水箱，伺服液压泵的出水口用进水管与岩石试件的进水通道连通，岩石试件回水通道用回水管与水箱连通，从而形成水循环；在进水管和回水管上分别设有阀门、水压力传感器和水流量传感器。

所述的数据采集处理装置包括计算机和数据采集器，加载装置的轴压传感器、轴向位移传感器、侧压传感器、侧向位移传感器以及应力加载装置的水压力传感器、进水流量传感器、回水压力传感器和回水流量传感器的信号传输给数据采集器，数据采集器再传输给计算机进行处理。

一种利用上述的单裂隙岩体流-固耦合试验测试系统进行试验的方法，如下：

第一步，准备工作

组装试样剪切装置，将试样剪切装置置于应力加载装置的联合支座上；将试样剪切装置的进水通道和回水通道与渗透压力伺服装置的伺服液压泵连通；将应力加载装置的轴压传感器、轴向位移传感器、侧压传感器、侧向位移传感器以及应力加载装置的水压力传感器和水流量传感器与数据采集处理装置通讯连接；

第二步，系统检测

打开进水阀门和回水阀门，启动伺服液压泵，施加一定水压，保证试样剪切装置及水路密封良好；打开数据采集处理装置的电源，准备实时数据显示、采集和记录；

第三步，力学加载

启动千斤顶，对联合支座施加轴压力同时产生侧向压力，使岩石试件产生剪应力，在岩石试件上形成裂隙，并通过轴压传感器、轴向位移传感器、侧压传感器、侧向位移传感器对试件变化情况进行实时监测，使其符合设计的轴压力和侧压力；

第四步，流体渗透，具体包括如下子步骤：

4.1，试样饱和过程：依次打开进水阀门和回水阀门，启动伺服液压泵，使岩石试件注水，充满裂隙并浸润裂隙周围的岩体；

4.2，渗透试验：待试样饱和后，梯级施加渗透压，开展不同水力梯度下裂隙渗流试验，在每级渗透压稳定后，数据采集处理装置测定并记录裂隙的水流量；

第五步，重复第三步和第四步，进行下一级设定值的轴压加载和流体渗透；

第六步，数据采集处理装置根据记录的每级流体渗压值和相应流量值，绘制出相应的剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移、渗透率-剪切位移等曲线，并进行存储及显示；试验完毕。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明可完成岩石裂隙在不同法向荷载条件下的剪切-渗流耦合试验，试验过程操作简单，结果可靠，并可直观显示结果；

2.本发明侧压头与侧压板之间通圆柱形凹槽和圆柱形凸起连接既有利于消除由裂隙面法相压力分布不均匀而造成的测试结果误差，又能保证试验过程中对试件同时施加侧向压力和轴向压力引起的水平运动和竖直运动互不干扰。

3.本发明的平压板拆卸方便，具有适用于圆柱形试件和矩形试件的两套侧压板及裂隙剪切渗流装置，与现有试验装置相比对试件的尺寸及形状要求相对宽松。

4.本发明仅通过一台千斤顶便可实现轴压和侧压的加载，相对于现有设备，本试验装置结构简单，造价低,功能齐全，其渗流水可循环使用。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的试样剪切装置主视示意图；

图3是圆柱形岩石试件的侧压板、侧压头的结构俯视图；

图4是方柱形岩石试件的侧压板、侧压头的结构俯视图。

图中：1、岩石试件；2、侧压头；3、侧压板；4、侧顶板；5、轴压力框架；6、轴压传感器；7、拉杆；8、侧向位移传感器；9、轴向压头；10、侧压传感器；11、轴向位移传感器；12、回水流量传感器；13、回水压力传感器；14、回水管；15、数据采集处理装置；16、水箱；17、回水阀门；18、伺服液压泵；19、进水管；20、进水阀门；21、进水压力传感器；22、支撑杆；23、联合支座；24、千斤顶；25、滑动轴承；26、下压头；27、下刚性垫片；28、裂隙；29、封水胶套；30、上刚性垫片；31、上压头；32、回水通道；33进水通道；34-进水流量传感器。

具体实施方式

如图1所示，一种单裂隙岩体流-固耦合试验测试系统，由试样剪切装置、应力加载装置、渗透压伺服装置以及数据采集处理装置共同组成；

如图2所示，所述试样剪切装置由置于岩石试件1顶部的上压头31、上刚性垫片30和置于岩石试件1底部的下压头26、下刚性垫片27组成；所述的上压头31、上刚性垫片30、下压头26、下刚性垫片27的断面与岩石试件断面一致，并由封水胶套29依次将上压头31、上刚性垫片30、岩石试件1、下刚性垫片27、下压头26套在一起，共同组成一个柱状体；所述的下压头26和下刚性垫片27上设有向岩石试件注水的进水通道33，上压头31、上刚性垫片30上设有供岩石试件出水的回水通道32；所述的上刚性垫片30和下刚性垫片27设计为互为对应的台阶状，当上下台阶对岩石试件1施压时形成剪应力，在岩石试件1上形成裂隙28；

如图1所示，所述的应力加载装置包括轴压力框架5和侧压力装置，轴压力框架5的底部设有千斤顶24，千斤顶24上设有用于放置试样剪切装置的联合支座23，轴压力框架5的顶部设有用于给试样剪切装置施加反力的轴向压头9，千斤顶24与轴向压头9的作用中心在一条轴线上；上述的侧压力装置是在试样剪切装置的两侧位置对称设有侧压头2、侧压板3和侧顶板4；其中，侧压头2压紧在岩石试件1的两侧并与岩石试件1的接触面相配合；如图4所示，当岩石试件1为方柱形时接触面为平面，如图3所示岩石试件1为圆柱形时接触面为弧面；从图3图4看出，侧压板3与侧压头2的接触面互为凸凹槽结构，使侧压头22与岩石试件1可沿轴向加载方向滑动；所述的侧顶板4顶在联合支座23两侧；所述的侧顶板4、侧压板3上设有对应的通孔，通过通孔用拉杆7将两侧的侧顶板4拉紧，从而将联合支座23、侧压板3、侧压头2、岩石试件1紧固在一起；为了使联合支座23被千斤顶24顶起时可产生一定的侧向力，其中一侧的侧顶板4和联合支座23的接触面设计为互为斜面；上述侧压力装置的底部对称设有滑动轴承25，通过滑动轴承25支撑在支撑杆22上，使侧压力装置在支撑杆22上可沿侧向力方向滑动；为了掌握轴向压力和轴向位移量大小，在试样剪切装置上设有轴压传感器6，在轴压力框架5顶部和联合支座23之间设有轴向位移传感器11；

为了掌握侧向压力和侧向位移量大小，在侧压头2上设有侧压传感器10，在试样剪切装置与轴压力框架5相对侧移位置设有侧向位移传感器8；

如图1所示，所述渗透压力伺服装置包括伺服液压泵18和为伺服液压泵供水的水箱16，伺服液压泵18的出水口用进水管19与岩石试件1的进水通道33连通，岩石试件1的回水通道32用回水管14与水箱18连通，从而形成水循环；在进水管19上设有进水阀门20、进水压力传感器21和进水流量传感器34；在回水管14上设有回水阀门17、回水压力传感器13和回水流量传感器12。

所述的数据采集处理装置15包括计算机和数据采集器，加载装置的轴压传感器6、轴向位移传感器11、侧压传感器10、侧向位移传感器8以及应力加载装置的进水压力传感器21、进水流量传感器34、回水压力传感器13和回水流量传感器12的信号传输给数据采集器，数据采集器再传输给计算机进行处理。

一种利用上述的单裂隙岩体流-固耦合试验测试系统进行试验的方法，如下：

第一步，准备工作

如图1所示，组装如图2所示的试样剪切装置，将试样剪切装置置于应力加载装置的联合支座23上；将试样剪切装置的进水通道33和回水通道32与渗透压力伺服装置的伺服液压泵18连通；将应力加载装置的轴压传感器6、轴向位移传感器11、侧压传感器10、侧向位移传感器8以及应力加载装置的进水压力传感器21、进水流量传感器34、回水压力传感器13和回水流量传感器12与数据采集处理装置15通讯连接；

第二步，系统检测

打开进水阀门20、回水阀门17，启动伺服液压泵18，施加一定水压，保证试样剪切装置及水路密封良好；打开数据采集处理装置15的电源，准备实时数据显示、采集和记录；

第三步，力学加载：启动千斤顶24，对联合支座23施加轴压力同时产生侧向压力，使岩石试件1产生剪应力，在岩石试件1上形成裂隙28，并通过轴压传感器6、轴向位移传感器11、侧压传感器10、侧向位移传感器8对试件变化情况进行实时监测，使其符合设计的轴压力和侧压力；

第四步，流体渗透，具体包括如下子步骤：

4.1，试样饱和过程：依次打开进水阀门20和回水阀门17，启动伺服液压泵18，使岩石试件1注水，充满裂隙28，并浸润裂隙28周围的岩体；

4.2，渗透试验：待岩石试件1饱和后，梯级施加渗透压，开展不同水力梯度下裂隙渗流试验，在每级渗透压稳定后，数据采集处理装置15测定并记录裂隙的水流量；

第五步，重复第三步和第四步，进行下一级设定值的力学加载和流体渗透；

第六步，数据采集处理装置15根据记录的每级流体渗压值和相应流量值，绘制出相应的剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移、渗透率-剪切位移等曲线，并进行存储及显示；试验完毕。

Claims (4)

1.一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统，其特征在于，它是由试样剪切装置、应力加载装置、渗透压力伺服装置以及数据采集处理装置共同组成；其中：

所述试样剪切装置由置于岩石试件顶部的上压头、上刚性垫片和置于岩石试件底部的下压头、下刚性垫片组成；所述的上压头、上刚性垫片、下压头、下刚性垫片的断面与岩石试件断面一致，由封水胶套依次将上压头、上刚性垫片、岩石试件、下刚性垫片、下压头套在一起，共同组成一个柱状体；所述的下压头和下刚性垫片上设有向岩石试件注水的进水通道，上压头和上刚性垫片上设有供岩石试件出水的回水通道；所述的上刚性垫片和下刚性垫片设计为互为对应的台阶状，当上下台阶对岩石试件施压时形成剪应力，在岩石试件上形成裂隙；

所述的应力加载装置包括轴压力框架和侧压力装置，轴压力框架的底部设有千斤顶，千斤顶上设有用于放置试样剪切装置的联合支座，轴压力框架的顶部设有用于给试样剪切装置施加反力的轴向压头，千斤顶与轴向压头的作用中心在一条轴线上；上述的侧压力装置是在试样剪切装置的两侧位置对称设有侧压头、侧压板和侧顶板；其中，侧压头压紧在岩石试件的两侧并与岩石试件的接触面相配合，岩石试件为方柱形时接触面为平面，岩石试件为圆柱形时接触面为弧面；侧压板与侧压头的接触面互为凸凹槽结构，使侧压头与岩石试件可沿轴向加载方向滑动；所述的侧顶板顶在联合支座两侧；所述的侧顶板和侧压板上设有对应的通孔，通过通孔用拉杆将两侧的侧顶板拉紧，从而将联合支座、侧压板、侧压头和岩石试件紧固在一起；要求其中一侧的侧顶板和联合支座的接触面设计为互为斜面；上述侧压力装置的底部对称设有滑动轴承，通过滑动轴承支撑在支撑杆上，使侧压力装置在支撑杆上可沿侧向力方向滑动；

所述渗透压力伺服装置包括伺服液压泵和为伺服液压泵供水的水箱，伺服液压泵的出水口用进水管与岩石试件的进水通道连通，岩石试件回水通道用回水管与水箱连通，从而形成水循环；在进水管上设有进水阀门、进水压力传感器和进水流量传感器；在回水管上设有回水阀门、回水压力传感器和回水流量传感器；

所述的数据采集处理装置包括计算机和数据采集器，应力加载装置的轴压传感器、轴向位移传感器、侧压传感器、侧向位移传感器以及应力加载装置的进水压力传感器、进水流量传感器、回水压力传感器和回水流量传感器的信号传输给数据采集器，数据采集器再传输给计算机进行处理。

2.如权利要求1所述的试验系统，其特征在于，在试样剪切装置上设有轴压传感器，在轴压力框架顶部和联合支座之间设有轴向位移传感器。

3.如权利要求1所述的试验系统，其特征在于，在侧压头上设有侧压传感器，在轴压力框架和侧压头之间设有侧向位移传感器。

4.一种如权利要求1-3任一所述的单裂隙岩体流-固耦合试验系统的试验方法，其特征在于，

第一步，准备工作

组装试样剪切装置，将试样剪切装置置于应力加载装置的联合支座上；将试样剪切装置的进水通道和回水通道与渗透压力伺服装置的伺服液压泵连通；将应力加载装置的轴压传感器、轴向位移传感器、侧压传感器、侧向位移传感器以及应力加载装置的进水压力传感器、进水流量传感器、回水压力传感器和回水流量传感器与数据采集处理装置通讯连接；

第二步，系统检测

打开进水阀门和回水阀门，启动伺服液压泵，施加一定水压，保证试样剪切装置及水路密封良好；打开数据采集处理装置的电源，准备实时数据显示、采集和记录；

第三步，力学加载

启动千斤顶，对联合支座施加轴压力同时产生侧向压力，使岩石试件产生剪应力，在岩石试件上形成裂隙，并通过轴压传感器、轴向位移传感器、侧压传感器、侧向位移传感器对试件变化情况进行实时监测，使其符合设计的轴压力和侧压力；

第四步，流体渗透，具体包括如下子步骤：

4.1，试样饱和过程：依次打开进水阀门和回水阀门，启动伺服液压泵，使岩石试件注水，充满裂隙并浸润裂隙周围的岩体；

4.2，渗透试验：待试样饱和后，梯级施加渗透压，开展不同水力梯度下裂隙渗流试验，在每级渗透压稳定后，数据采集处理装置测定并记录裂隙的水流量；

第五步，重复第三步和第四步，进行下一级设定值的轴压加载和流体渗透；

第六步，数据采集处理装置根据记录的每级流体渗压值和相应流量值，绘制出相应的剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移和渗透率-剪切位移曲线，并进行存储及显示；试验完毕。