CN106168620A - 一种岩石拉压环剪渗流试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石力学试验装置技术领域，公开了一种岩石拉压环剪渗流试验仪，包括：基座、上下剪切盒、第一、第二框架、轴向加载系统、扭矩加载系统以及渗流结构；第一框架固定在基座上，第二框架固定在第一框架上；下剪切盒固定在基座上；上剪切盒与下剪切盒相对设置并分别开设环形上试样槽及环形下试样槽；扭矩加载系统与轴向加载系统的输出端相连；渗流结构包括：围压套筒、密封圈、进水通路以及出水通路；围压套筒固定在下剪切盒上，密封圈设置在上剪切盒外壁上；进水通路以及出水通路分别设置在上剪切盒与下剪切盒上，与两者间的空腔连通。本发明提供了一种多应力路径的岩石拉压环剪渗流试验仪。

Description

一种岩石拉压环剪渗流试验仪

技术领域

本发明涉及岩石力学试验装置技术领域，特别涉及一种岩石拉压环剪渗流试验仪。

背景技术

岩石的抗剪断强度是岩石抵抗剪切破坏的能力，是岩石力学研究中需要的重要的特性之一。在岩土工程领域，广泛采用试验方法测定岩石的抗剪强度指标。量测岩石抗剪断强度的试验方法，可分为室内试验和现场试验两大类。其中，室内试验通常包括直接剪切试验、楔形剪切试验和三轴压缩试验。现场试验通常为直接剪切试验。

现有的试验方法，其试验加载方式、试样结构形式的选取，使得在剪切过程中，剪切面上的剪应力分布不均匀，剪切面为渐进式破坏且与剪应力输出方向不在同一平面，并不能真实反映岩石受剪时的受力状态，对于反映岩石的真实受力状态和研究岩石的抗剪断强度等参数具有较强的局限性。

在各类岩体工程的建设和运营过程中，特别是在深部高地应力和强渗透水压环境下，开挖造成应力集中、卸荷、渗流等因素的影响下，岩体中原有的微裂纹发育扩展成宏观裂纹、裂缝造成岩体开裂甚至破碎，破碎岩体裂隙的渗透率要远比孔隙的渗透率高，从而造成岩体工程渗流突变而引发重大灾害事故，如煤矿巷道岩爆与突涌水事故等。因此，对岩体裂隙渗流特性的研究具有重要而深远的意义。

现有技术中，岩石试验仅仅是沿剪切面方向裂隙的渗流特性，没有沿剪切面垂直方向裂隙的渗流特性，导致渗流特性并不完整，可靠性过低；同时由于不能真实反映岩石受剪时的受力状态使得岩体裂隙渗透特性也过于片面，可靠性不高。

发明内容

本发明提供一种岩石拉压环剪渗流试验仪，解决现有技术中岩石渗流试验渗流特性片面，试样剪切过程中无法真实还原受力状态导致的渗流特性可靠性不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种岩石拉压环剪渗流试验仪，包括：基座、下剪切盒、上剪切盒、第一框架、第二框架、轴向加载系统、扭矩加载系统以及渗流结构；

所述第一框架固定在所述基座上，所述第二框架固定在所述第一框架上；

所述轴向加载系统固定在所述第二框架上，所述上剪切盒固定在所述轴向加载系统输出端；

所述扭矩加载系统固定在所述第二框架上；

所述下剪切盒固定在所述基座上；

所述上剪切盒与所述下剪切盒相对设置；所述上剪切盒上开设环形上试样槽，所述下剪切盒上开设与之匹配的环形下试样槽；

所述扭矩加载系统与所述轴向加载系统的输出端相连，用于施加水平扭矩；

其中，所述渗流结构包括：围压套筒、密封圈、进水通路以及出水通路；所述围压套筒固定在所述下剪切盒上，所述密封圈设置在所述上剪切盒外壁上；

所述进水通路以及所述出水通路分别设置在所述下剪切盒与所述下剪切盒上，与两者间的空腔连通。

进一步地，所述轴向加载系统包括：轴向施力组件以及轴向活塞杆；

所述轴向施力组件固定在所述第二框架上；

所述轴向活塞杆与所述轴向施力组件相连，用于传递轴向拉力和压力；

所述活塞杆顶端与所述上剪切盒固定相连。

进一步地，所述扭矩加载系统包括：水平施力组件、水平推拉连杆以及齿轮盘；

所述齿轮盘中心处开设环套固定结构，套接在所述轴向活塞杆上；

所述水平施力组件通过水平连杆与所述齿轮盘相连，驱动所述齿轮盘以所述轴向活塞杆为转轴转动，并拉动所述轴向活塞杆转动；

其中，所述水平推拉连杆上设置与所述齿轮盘匹配啮合的齿。

进一步地，所述扭矩加载系统还包括：水平导向滑轨以及与之匹配的滑块；

所述水平推拉杆与所述滑块固定相连，可跟随滑块沿所述水平导向滑轨水平移动。

进一步地，所述环套固定结构包括：限位结构以及滚珠排；

所述限位结构固定在所述齿轮盘与所述轴向活塞杆之间，用于限制两者水平方向上的相对位移；

所述滚珠排设置在所述齿轮盘与所述轴向活塞杆之间，用于实现齿轮盘与所述轴向活塞杆在轴向上的相对滑动。

进一步地，所述轴向活塞杆中部设置成正多边形外缘面，所述限位结构采用与之匹配的正多边形限位孔；

所述滚珠排嵌于所述正多边形限位孔与所述正多边形外缘面之间。

进一步地，所述扭矩加载系统还包括：齿轮盘限位结构；

所述出轮盘限位结构设置在所述第一框架和所述第二框架之间，夹在所述齿轮面两侧，限制其轴向位移。

进一步地，在所述上剪切盒以及所述下剪切盒内，与试样接触的面上开设凸台。

进一步地，所述轴向施力组件采用轴向液压千斤顶以及第一液压伺服泵，所述水平施力组件采用水平液压千斤顶和第二液压伺服泵。

进一步地，所述第一框架和所述第二框架上均设置与所述轴向活塞杆匹配的滑套，分别套接在所述轴向活塞杆的上部和下部，限制其摆幅。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的岩石拉压环剪渗流试验仪，通过轴向加载系统施加轴向拉力和压力，形成需要的应力环境；并进一步通过扭矩加载系统对环形柱状岩石试样施加扭矩，实现环剪，从而实现均匀施加剪应力，促使剪切变形连续均匀；同时，通过上剪切盒与下剪切盒形成环形试样槽结构，从而保证剪切力处于圆环形试样柱的切线方向，使得剪切应力同平面，真实完整的反映岩石受剪时的受力状态，对于反映岩石的真实受力状态和研究岩石的抗剪断强度等参数具有明确，可靠的完整性；同时，渗流处于径向渗流状态，垂直于剪切面，从而克服了现有技术中岩石渗流试验仅能测量沿剪切面方向渗透性的缺陷，实现了沿剪切面垂直方向渗流特性的试验，使得渗流特性完整全面，提升了可靠性。另一方面，还实现了拉压状态下多种应力路径的剪切试验，完善了对岩体裂隙渗透特性研究的试验，提升其可靠性，对预防岩体工程中因渗流突变引发重大灾害事故具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的岩石拉压环剪渗流试验仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的渗流结构示意图；

图3为本发明实施例提供的扭矩加载系统结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种岩石拉压环剪渗流试验仪，解决现有技术中岩石渗流试验渗流特性片面，试样剪切过程中无法真实还原受力状态导致的渗流特性可靠性不高，岩石试样剪切过程中剪切面上剪切应力分布不均匀，破坏不连续，剪应力输出方向不同面的技术问题；达到了提升岩石抗剪切强度参数、剪切变形变化精度，完整性，改善岩石本构关系，同时完善了对岩体裂隙渗透特性的试验的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：

通过扭矩加载系统实现环柱状岩石试样的扭矩均匀施加，保证形变连续均匀；并通过轴向加载系统和扭矩加载系统的独立操作，并结合上下剪切盒形成的圆环形试样槽结构，形成切向扭剪切力与径向渗透垂直的状态，实现了垂直于切面方向的渗流试验，获得沿剪切面垂直方向裂隙的渗流特性提升试验参数的精度、完整性和可靠性；同时能够还原岩样的综合受力状态，实现了多路径应力渗流试验，提升试验参数的精度、完整性和可靠性。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

依据空心圆柱的受力特点，采用针对空心圆柱试样施加扭矩的方式，使其在预定环向截面发生破坏。剪切过程中，沿剪切面的剪应力分布较为均匀、剪切面的变形连续且平整；环形试样槽配合扭剪切力实现了径向渗透与切向剪切的主结构；获得沿剪切面垂直方向裂隙的渗流特性。

参见图1，具体来讲，本发明实施例提供的一种岩石拉压环剪渗流试验仪，包括：基座1、下剪切盒10、上剪切盒11、第一框架2-1、第二框架2-2、轴向加载系统、扭矩加载系统以及渗流结构。

所述第一框架2-1固定在所述基座1上，所述第二框架2-2固定在所述第一框架2-1上；构成设备支架，确切的讲，构成轴向加载系统和扭矩加载系统的施力支架。

所述轴向加载系统固定在所述第二框架2-2上，所述上剪切盒11固定在所述轴向加载系统输出端；即，本实施例通过上剪切盒11具体作为执行拉压和剪切操作的直接执行部件。

所述扭矩加载系统固定在所述第二框架2-2上；

所述下剪切盒2-1固定在所述基座1上；

其中，所述上剪切盒11与所述下剪切盒10相对设置；所述上剪切盒11上开设环形上试样槽，所述下剪切盒上开设与之匹配的环形下试样槽。

所述扭矩加载系统与所述轴向加载系统的输出端相连，结合与其相连的上剪切盒11，实现轴向加载系统的输出端，同时执行剪切操作和拉压操作，用于施加水平扭矩和拉应力和压应力。

参见图2，所述渗流结构包括：围压套筒16、密封圈18、进水通路12、14以及出水通路13、15；所述围压套筒16固定在所述下剪切盒10上，所述密封圈18设置在所述上剪切盒11外壁上。当执行渗流试验时，通过锁紧件17将围压套筒15和密封圈16压紧在上剪切盒10外壁上，密封两盒间的空间，实现渗流试验。

所述进水通路以及所述出水通路分别设置在所述下剪切盒与所述下剪切盒上，与两者间的空腔连通。

第一框架2-1通过螺栓与基座1连接，其中部开有圆孔，用于轴向加载系统的动作；第二框架2-2通过螺栓与第一框架2-1连接，其中部及水平位置开有圆孔，分别用于安装轴向加载系统及水平加载系统。

所述轴向加载系统包括：轴向施力组件以及轴向活塞杆5；所述轴向施力组件固定在所述第二框架2-2上；所述轴向活塞杆5与所述轴向施力组件相连，用于传递轴向拉力和压力；所述活塞杆5顶端与所述上剪切盒11固定相连；形成直接施力结构。

参见图2，所述扭矩加载系统包括：水平施力组件3、水平推拉连杆7以及齿轮盘9；所述齿轮盘9中心处开设环套固定结构，套接在所述轴向活塞杆5上；所述水平施力组件通过水平连杆7与所述齿轮盘9相连，驱动所述齿轮盘9以所述轴向活塞杆5为转轴转动，并拉动所述轴向活塞杆5转动。

其中，所述水平推拉连杆7上设置与所述齿轮盘9匹配啮合的齿。

进一步地，所述扭矩加载系统还包括：水平导向滑轨8以及与之匹配的滑块；所述水平推拉杆7与所述滑块固定相连，可跟随滑块沿所述水平导向滑轨8水平移动。从而严格控制水平扭矩输出的精度。

所述环套固定结构包括：限位结构以及滚珠排。

所述限位结构固定在所述齿轮盘9与所述轴向活塞杆5之间，用于限制两者水平方向上的相对位移。

所述滚珠排设置在所述齿轮盘9与所述轴向活塞杆5之间，用于实现齿轮盘9与所述轴向活塞杆5在轴向上的相对滑动。

从而形成轴向施力结构以及水平扭矩结构。

进一步地，所述轴向活塞杆5中部设置成正多边形外缘面5-2，所述限位结构采用与之匹配的正多边形限位孔；所述滚珠排嵌于所述正多边形限位孔与所述正多边形外缘面5-2之间。形成严格可靠的转动力矩传动。

具体来说，所述轴向活塞杆5可设置为变截面形状，包括：第一部分活塞杆5-1，第二部分活塞杆5-2，第三部分活塞杆5-3。

其中，第一部分活塞杆5-1通过法兰盘6与第二框架2-2连接，将反力传递给第二框架2-2。进而传递给第一框架2-1，直至基座1；从而形成稳定的施力结构。

第二部分活塞杆5-2截面形状为方形，正多边形等；通过滚珠排与齿轮盘9连接，可用于传递齿轮盘9旋转产生的扭矩，同时也可以上下移动，传递轴向荷载。

第三部分活塞杆5-3与传力板为一体，通过螺栓与上剪切盒11连接，将前两部分传递的荷载，施加给岩样，达到试验目的。

进一步地，所述扭矩加载系统还包括：齿轮盘限位结构4；所述出轮盘限位结构4设置在所述第一框架2-1和所述第二框架2-2之间，夹在所述齿轮面9两侧，限制其轴向位移，使之能够稳定的转动。

进一步地，在所述上剪切盒以及所述下剪切盒内，与试样接触的面上开设凸台。在通过强力胶固定的时候，增大与试样的接触面积，保证试样固定的可靠性。

所述轴向施力组件采用轴向液压千斤顶以及第一液压伺服泵，所述水平施力组件采用水平液压千斤顶和第二液压伺服泵。

进一步地，所述第一框架和所述第二框架上均设置与所述轴向活塞杆匹配的滑套，分别套接在所述轴向活塞杆的上部和下部，限制其摆幅。

本发明岩石拉压—环剪渗流试验仪可独立或混合地对岩样加载轴向拉力、压力及扭矩，且克服了轴向力与扭矩加载时相互干扰的缺陷，可以实现剪切过程所受剪应力分布的均匀性以及剪切变形的连续性，获得更为精确的岩石抗剪切强度参数、剪切变形变化，改进和完善岩石的本构关系。同时，克服了现有室内岩石渗流试验仅能量测沿剪切面方向渗透性的缺陷，实现了沿剪切面垂直方向渗流特性的研究，同时，本发明还可实现拉/压情况下多种应力路径的剪切试验，完善了对岩体裂隙渗透特性的研究，提高了现阶段对裂隙渗透特性的认识，对预防岩体工程中因渗流突变引发重大灾害事故具有重要意义。

本发明的工作原理为：

制备空心圆柱岩样，并在岩样外壁的中部空隙位置粘贴应变片，与应变采集系统连接。上剪切盒11、下剪切盒10的底部和凸台侧壁涂抹强力胶，将岩样与上剪切盒11和下剪切盒10粘结一起。并且保证下剪切盒10、岩样、上剪切盒11在同一条中心线上，岩样和下剪切盒10、上剪切盒11连接为一个整体。

下剪切盒10放置于基座1之间通过螺栓连接，并保证下剪切盒10和基座1端部水平连接。上剪切盒11通过螺栓与轴向活塞杆5连接，并保证上剪切盒11和轴向活塞杆5端部水平连接。

轴向活塞杆5通过法兰盘6与第二框架2-2连接，第一部分轴向活塞杆5-1、第二部分轴向活塞杆5-2以及第三部分轴向活塞杆5-3，分别穿过第二框架2-2、齿轮盘9、第一框架2-1，与上剪切盒11连接。轴向活塞杆5的下表面和基座1、下剪切盒10、上剪切盒10的上下表面水平平行。

直线导轨8通过螺栓与第二框架2-2固定，水平推拉连杆7在水平导向滑轨8上滑行；水平施力组件3通过螺栓与第二框架2-2固定，且与第二框架2-2通过滑套13的形式，实现活塞杆的移动；齿轮盘9在轴向方向上通过齿轮限位装置4与第一框架2-1、第二框架2-2固定，保证齿轮盘9在试验过程中只能发生转动，不能发生上下移动。在水平方向，水平施力组件3推动水平推拉连杆7沿水平导向滑轨8前后移动，控制齿轮盘9的旋转。

齿轮盘9中间开有方形孔，通过滚排装置与轴向活塞杆5连接，滚排形式的设置可以实现轴向活塞杆5的上下移动，同时可以将齿轮盘9旋转产生的扭矩传递给轴向活塞杆5，进而传递给岩样。以实现轴向力和扭矩的独立或混合的加载。

当进行剪切面渗流特性试验时，通过锁紧件17将围压套筒16与上剪切盒10连接固定，分别通过进水口12、14向剪切盒内充水，通过出水口13、15的出水情况判断剪切盒内空气是否全部排出。待剪切盒内充满水之后，关闭出水口13、15，控制进水口12、14以达到所需的渗透压。在此基础上进行相关试验。

当加载轴向压力时，通过液压伺服泵向轴向活塞上部空间输油，推动轴向活塞杆向下移动，施加轴向压力。继续加载轴向压力至设定值，试验结束并需卸载轴向压力时，通过液压伺服泵向轴向活塞下部空间输油，提升活塞。

当加载轴向拉力时，通过液压伺服泵向轴向活塞下部空间输油，推动轴向活塞杆向上移动，施加轴向拉力。继续加载轴向拉力至设定值，试验结束并需卸载轴向拉力时，通过液压伺服泵向轴向活塞下上部空间输油，提升活塞。

当加载扭矩时，通过液压伺服泵向千斤顶输油至设定值，试验结束时卸载千斤顶的油压。

试验结束并需取出岩样时，将连接上剪切盒11与轴向活塞杆5的螺栓拆卸，取出上剪切盒11。将连接下剪切盒10与基座1的螺栓拆除，取出下剪切盒10。采用高温加热或者溶解胶体的方式，将岩样与上剪切盒11、上剪切盒10分离。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的岩石拉压环剪渗流试验仪，通过轴向加载系统施加轴向拉力和压力，形成需要的应力环境；并进一步通过扭矩加载系统对环形柱状岩石试样施加扭矩，实现环剪，从而实现均匀施加剪应力，促使剪切变形连续均匀；同时，通过上剪切盒与下剪切盒形成环形试样槽结构，从而保证剪切力处于圆环形试样柱的切线方向，使得剪切应力同平面，真实完整的反映岩石受剪时的受力状态，对于反映岩石的真实受力状态和研究岩石的抗剪断强度等参数具有明确，可靠的完整性；同时，渗流处于径向渗流状态，垂直于剪切面，从而克服了现有技术中岩石渗流试验仅能测量沿剪切面方向渗透性的缺陷，实现了沿剪切面垂直方向渗流特性的试验，使得渗流特性完整全面，提升了可靠性。另一方面，还实现了拉压状态下多种应力路径的剪切试验，完善了对岩体裂隙渗透特性的试验，提升其可靠性，对预防岩体工程中因渗流突变引发重大灾害事故具有重要意义。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于，包括：基座、下剪切盒、上剪切盒、第一框架、第二框架、轴向加载系统、扭矩加载系统以及渗流结构；

所述第一框架固定在所述基座上，所述第二框架固定在所述第一框架上；

所述轴向加载系统固定在所述第二框架上，所述上剪切盒固定在所述轴向加载系统输出端；

所述扭矩加载系统固定在所述第二框架上；

所述下剪切盒固定在所述基座上；

所述上剪切盒与所述下剪切盒相对设置；所述上剪切盒上开设环形上试样槽，所述下剪切盒上开设与之匹配的环形下试样槽；

所述扭矩加载系统与所述轴向加载系统的输出端相连，用于施加水平扭矩；

其中，所述渗流结构包括：围压套筒、密封圈、进水通路以及出水通路；所述围压套筒固定在所述下剪切盒上，所述密封圈设置在所述上剪切盒外壁上；

所述进水通路以及所述出水通路分别设置在所述下剪切盒与所述下剪切盒上，与两者间的空腔连通。

2.如权利要1所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于，所述轴向加载系统包括：轴向施力组件以及轴向活塞杆；

所述轴向施力组件固定在所述第二框架上；

所述轴向活塞杆与所述轴向施力组件相连，用于传递轴向拉力和压力；

所述活塞杆顶端与所述上剪切盒固定相连。

3.如权利要求2所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于，所述扭矩加载系统包括：水平施力组件、水平推拉连杆以及齿轮盘；

所述齿轮盘中心处开设环套固定结构，套接在所述轴向活塞杆上；

所述水平施力组件通过水平连杆与所述齿轮盘相连，驱动所述齿轮盘以所述轴向活塞杆为转轴转动，并拉动所述轴向活塞杆转动；

其中，所述水平推拉连杆上设置与所述齿轮盘匹配啮合的齿。

4.如权利要求3所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于，所述扭矩加载系统还包括：水平导向滑轨以及与之匹配的滑块；

所述水平推拉杆与所述滑块固定相连，可跟随滑块沿所述水平导向滑轨水平移动。

5.如权利要求3所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于，所述环套固定结构包括：限位结构以及滚珠排；

所述限位结构固定在所述齿轮盘与所述轴向活塞杆之间，用于限制两者水平方向上的相对位移；

所述滚珠排设置在所述齿轮盘与所述轴向活塞杆之间，用于实现齿轮盘与所述轴向活塞杆在轴向上的相对滑动。

6.如权利要求5所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于：所述轴向活塞杆中部设置成正多边形外缘面，所述限位结构采用与之匹配的正多边形限位孔；

所述滚珠排嵌于所述正多边形限位孔与所述正多边形外缘面之间。

7.如权利要求3～6任一项所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于，所述扭矩加载系统还包括：齿轮盘限位结构；

所述出轮盘限位结构设置在所述第一框架和所述第二框架之间，夹在所述齿轮面两侧，限制其轴向位移。

8.如权利要求7所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于：在所述上剪切盒以及所述下剪切盒内，与试样接触的面上开设凸台。

9.如权利要求8所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于：所述轴向施力组件采用轴向液压千斤顶以及第一液压伺服泵，所述水平施力组件采用水平液压千斤顶和第二液压伺服泵。

10.如权利要求9所述的岩石拉压环剪渗流试验仪，其特征在于：所述第一框架和所述第二框架上均设置与所述轴向活塞杆匹配的滑套，分别套接在所述轴向活塞杆的上部和下部，限制其摆幅。