CN106908323A - 一种类岩石材料水力劈裂试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟拉压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验装置及方法，模具的两侧对称切割预制缝孔，根据试验不同工况的需要将钢片插入到预制裂缝孔中，填筑水泥砂浆制成类岩石试件；导水管一端通过模具一侧的孔洞埋入到试件中；待初凝时间后，拔出钢片形成楔形初始裂缝；水密封装置内置凹槽，边缘镶嵌凸形硅胶夹垫，通过螺杆拧紧夹持试件密封水压，进水管通过接口与密封装置中心进水孔连接，拉伸套具嵌套在试件端部，水平放置在平板小车上，并用拉伸套具上的挂钩与双轴加载系统水平轴连接，水平向加载压力进行拉应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验；试件放置在加压机上，施加轴压进行压应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验。

Description

一种类岩石材料水力劈裂试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟拉压应力条件下类岩石材料水力劈裂特性的试验装置。

背景技术

随着地下工程的迅速发展，岩体水力劈裂问题日益受到工程界和学术界的重视。由于复杂的地质构造作用或人为因素，岩体存在着许多不同程度的裂隙。单一裂隙是构成岩体裂隙网络的基本元素，通过对单一裂隙岩体的水力劈裂特性进行研究，对复杂的裂隙网络具有重要的理论指导意义。

虽然一些学者对不同拉压应力状态下单裂隙岩体水力劈裂问题进行了研究，但受试验设备的限制对拉压条件下不同倾角裂缝研究很少。

基于上述分析，本文发明了一种用于模拟拉压应力条件下类岩石材料水力劈裂特性的试验装置。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种类岩石材料水力劈裂试验装置，操作简捷，适用于拉压应力条件下不同角度、宽度、厚度类岩石试件水力劈裂试验的要求。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：包括用于制备类岩石试件的模具、导水管、水密封装置、拉伸套具和平板小车；

所述模具一面开口且可拆卸，模具的两侧对称切割一预制缝孔，预制缝孔一端为刀刃状，根据试验不同工况的需要将不同型号钢片插入到预制裂缝孔中，填筑水泥砂浆制成类岩石试件；导水管一端通过模具一侧的孔洞埋入到试件中；待初凝时间后，拔出钢片形成楔形初始裂缝；导水管的端口与水压传感器接头连接；

所述水密封装置包括两块水密封盖板，水密封盖板中心位置开设有进出孔，水密封盖板中心位置的进出孔与养护好的类岩石试件裂缝中心位置对位，使进出孔与类岩石试件裂缝相连通，并通过紧固装置将水密封盖板与类岩石试件紧固连接；

拉伸套具嵌套在类岩石试件两个端部，拉伸套具和类岩石试件整体水平放置在平板小车上，拉伸套具与双轴加载系统水平轴连接，水平向加载压力可进行拉应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验；类岩石试件放置在加压机上，施加轴压可进行压应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验。

所述模具是可拆卸的，端部采用向外扩大的梯形结构。

作为优选方案，所述模具两侧设有水平和竖直方向的肋梁。

作为优选方案，所述导水管埋入的方向与预制裂缝孔方向相互垂直。

作为优选方案，所述水密封装置包括两块平行设置的水密封盖板和四个螺杆，水密封盖板四角处设有螺纹孔，两块水密封盖板分别设置在类岩石试件外侧，并通过螺杆和螺母将水密封盖板与类岩石试件紧固连接。

进一步的，所述水密封盖板内侧具有储水凹槽，储水凹槽外侧与进出孔相连通，另一侧与类岩石试件裂缝相连通。（储水凹槽外侧中心设有进出孔，与类岩石试件裂缝相对应）

作为优选方案，所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：还包括凸形硅胶夹垫，凸形硅胶夹垫与水密封盖板内侧边框相配合，凸形硅胶夹垫设置在水密封盖板内侧边框与类岩石试件之间，用于水压密封。

作为优选方案，水密封盖板上侧面开设有凸形应变线进线孔。

作为优选方案，所述拉伸套具为一对与类岩石试件端部相配合的开口双层梯形套板，拉伸套具外表面中心位置设置球铰，挂钩通过球铰与拉伸套具连接。

上述的类岩石材料水力劈裂试验装置的工作方法，包括以下步骤：

（1）类岩石试件的制备

使用模具制备类岩石试件：试件浇筑之前根据实验目的首先在模具中心位置对称地切割一对预制裂缝孔，预制裂缝孔上侧的一端加工成刀刃状，根据实验目的将钢片插入到预制裂缝孔中形成初始预制裂缝，将三根耐高压导水管，按照距离预制裂缝尖端2mm、20mm、40mm的位置预先埋设的位置，插入到模具中，模具内侧和钢片涂抹脱模剂，便于脱模；向模具内浇筑水泥砂浆，并小心振捣，待表面泛浆，将表面抹平，放置标准养护室内养护；在浇筑现场，用相同的水泥砂浆制备一些无初始裂缝的试件，用于基本力学性能的测定；待试件养护到初凝后，拔出试件中的钢片，即可形成带有初始预制裂缝混凝土试件；

2实验安装过程

将试件的预制裂缝对准水密封盖板中心位置进出孔，其中一个作为进水孔，另一个作为排气孔，用螺母拧紧螺杆夹持试件，进水管插入到进水孔中，并用螺纹管帽将导水管和进水孔固定密封；启动水压加载系统，将导水管、试件裂缝中的空气排出，暂停电动调压泵送水，用密封帽密封排气孔；拉应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，将拉伸套具嵌套试样两端，挂钩与双轴拉伸系统水平系统连接，并将试件放置在平板小车上；压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，将试样安装在加压机上；开始试验；

3水压加载过程

拉应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，水平拉伸系统对试件施加恒定拉力，拉力值按照实验要求确定；启动水压加载系统，以恒定速率加载水压，直至试件水力劈裂破坏，水压骤降；压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，试件安装在加压机上，加压机对试件施加恒定压力，压力值按照实验要求确定；启动水压加载系统，以恒定速率加载水压，直至试件水力劈裂破坏，水压骤降。

有益效果：本发明提供的类岩石材料水力劈裂试验装置，与现有技术相比，具有以下优点：

1.可根据试验需要，进行拉压应力条件下类岩石材料不同倾斜角、不同厚度、宽度的水力劈裂试验；

2.类岩石试件端部采用扩大形，这样的结构能够有效夹持类岩石试件；

3.水密封盖板边缘凹槽与凸形硅胶夹垫匹配，凸起硅胶夹垫插设在凹槽中，这样的结构能够增加渗径，增加水密封装置的水密封效果，可进行高水头拉压应力条件下类岩石材料的水力劈裂试验；

4.通过在水密封盖板上设置螺纹孔，采用螺栓固定连接试件与水密封盖板，采用这样的结构使得试验外表面紧固操作简便；

5.水密封盖板应变片进线孔采用凸形，并采用高强度密封胶水密封进水孔，这样结构有益于试验期间，在水压作用下挤压凸形进线孔内的密封胶，增加应变片进线孔的水密封效果；

6.拉伸套具中心位置设置一对球铰，通过挂钩与双轴拉伸系统水平轴连接，有益于拉伸过程中，挂钩处于同一水平方向，防止拉伸过程中出现偏心现象；

7.改进了以往装置竖向拉伸，自重对初始裂缝的影响。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2为制作类岩石试件的装置；

图3为水密封装置结构示意图；

图4为水密封装置俯视图；

图5为水密封装置正视图；

图6为水密封装置侧视图；

图7为凸形硅胶夹垫正视图；

图8位凸形硅胶夹垫俯视图；

图9为本发明拉伸试验套具结构示意图；

图10为平板小车结构示意图；

图11为钢片结构示意图；

图中：1端部扩大形类岩石试件；2水密封装置；3拉伸套具；4挂钩；5导水管；6模具 ；7预制裂缝孔；8肋梁；9进水孔；10螺杆；11水密封盖板；12凸形应变片进线孔；13凸形硅胶夹垫；14储水凹槽；15排气孔；16水密封盖板内侧边框；17螺纹孔；18球铰；19导水管插孔；20双层梯形套板；21平板小车；22钢片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，一种用于模拟拉压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验装置，包括一面开口的模具6、水密封装置2、拉伸套具3、平板小车21；模具6的两侧对称各切割一预制缝孔7，预制缝孔7一端为刀刃状，根据试验不同工况的需要将不同型号钢片22插入到预制裂缝孔7中，填筑水泥砂浆制成类岩石试件；耐高压导水管5通过模具一侧的孔洞埋入到试件中；待初凝时间后，拔出钢片22形成楔形初始裂缝；耐高压导水管5端口与水压传感器接头连接；将养护好的类岩石试件裂缝中心位置与水密封装置2的水密封盖板11中心位置螺纹进出孔（进水孔9/排气孔15）对位，对好位，通过螺母将水密封盖板11与试件固定连接；拉伸套具3嵌套在试件端部，水平放置在平板小车21上，并用拉伸套具3的挂钩4与双轴加载系统水平轴连接，水平向加载压力可进行拉应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验；试件放置在加压机上，施加轴压可进行压应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验。

本实施例中，模具6是可拆卸的，端部采用扩大形。模具6两侧设有水平和竖直方向的肋梁8。图11为钢片22结构示意图。

如图3至图8所示，水密封装置为内置凹槽，边缘镶嵌凸形硅胶夹垫，中心开设有进出孔，两侧外伸带有螺纹孔的钢板，通过螺杆拧紧夹持试件密封水压，进水管通过接口与密封装置中心进水孔连接。水密封装置2包括两块平行设置的水密封盖板11和四个螺杆10，水密封盖板11四角处设有螺纹孔17，两块水密封盖板11分别设置在试件外侧，并通过螺杆10和螺母将水密封盖板与试件紧固连接。水密封盖板11中心位置开设有螺纹进出孔(其中一个作为进水孔9，另一个作为排气孔15)；水密封盖板11内侧具有用于储水的储水凹槽14。水密封盖板11内侧边框16与凸形硅胶夹垫13匹配，凸形硅胶夹垫13垫设在储水凹槽14中。水密封盖板11上侧面中心位置设置凸形应变线进线孔12。

如图9所示，拉伸套具3为一对与类岩石试件端部相配合的开口双层梯形套板20，拉伸套具外表面中心位置设置球铰18，挂钩4通过球铰与拉伸套具连接。试验时，拉伸套具3通过挂钩4与双轴加载系统水平轴连接。拉伸套具3上，双层梯形套板20至少一个开设有用于试件上埋入的耐高压导水管5穿过的导水管插孔19。

图10为平板小车21结构示意图；

本发明使用过程如下：

（1）类岩石试件的制备

使用端部扩大形的模具6制备类岩石试件。试件浇筑之前根据实验目的首先在模具6中心位置对称地切割一对预制裂缝孔7。预制裂缝孔7上侧的一端加工成刀刃状，根据实验目的将不同规格钢片22插入到预制裂缝孔7中形成初始预制裂缝。将三根耐高压导水管5，按照距离预制裂缝尖端2mm、20mm、40mm的位置预先埋设的位置，插入到模具6。模具6内侧和钢片22涂抹脱模剂，便于脱模。向模具6内浇筑水泥砂浆，并小心振捣，待表面泛浆，将表面抹平，放置标准养护室内养护。在浇筑现场，用相同的水泥砂浆制备一些无初始裂缝的试件，用于基本力学性能的测定。待试件养护到初凝后，拔出试件中的钢片22，即可形成带有初始预制裂缝混凝土试件。

（2）实验安装过程

将试件的预制裂缝对准水密封盖板11中心位置进水孔9和排气孔15，用螺母拧紧螺杆10夹持试件，进水管插入到进水孔9中，并用螺纹管帽将导水管5和进水孔9固定密封。启动水压加载系统，将导水管、试件裂缝中的空气排出，暂停电动调压泵送水，用密封帽密封排气孔15。拉应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，将拉伸套具3嵌套试样两端，挂钩4与双轴拉伸系统水平系统连接，并将试件放置在平板小车21上；压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，将试样安装在加压机上。开始试验。

（3）水压加载过程

拉应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，水平拉伸系统对试件施加恒定拉力，拉力值按照实验要求确定。启动水压加载系统，以恒定速率加载水压，直至试件水力劈裂破坏，水压骤降；压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，试件安装在加压机上，加压机对试件施加恒定压力，压力值按照实验要求确定。启动水压加载系统，以恒定速率加载水压，直至试件水力劈裂破坏，水压骤降。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：包括用于制备类岩石试件的模具、导水管、水密封装置、拉伸套具和平板小车；

所述模具一面开口且可拆卸，模具的两侧对称切割一预制缝孔，预制缝孔一端为刀刃状，根据试验不同工况的需要将不同型号钢片插入到预制裂缝孔中，填筑水泥砂浆制成类岩石试件；导水管一端通过模具一侧的孔洞埋入到试件中；待初凝时间后，拔出钢片形成楔形初始裂缝；

所述水密封装置包括两块水密封盖板，水密封盖板中心位置开设有进出孔，水密封盖板中心位置的进出孔与养护好的类岩石试件裂缝中心位置对位，使进出孔与类岩石试件裂缝相连通，并通过紧固装置将水密封盖板与类岩石试件紧固连接；

拉伸套具嵌套在类岩石试件两个端部，拉伸套具和类岩石试件整体水平放置在平板小车上，拉伸套具与双轴加载系统水平轴连接，水平向加载压力可进行拉应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验；类岩石试件放置在加压机上，施加轴压可进行压应力条件下类岩石材料水力劈裂特性试验。

2.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：所述模具端部采用向外扩大的梯形结构。

3.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：所述模具两侧设有水平和竖直方向的肋梁。

4.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：所述导水管埋入的方向与预制裂缝孔方向相互垂直。

5.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：所述水密封装置包括两块平行设置的水密封盖板和四个螺杆，水密封盖板四角处设有螺纹孔，两块水密封盖板分别设置在类岩石试件外侧，并通过螺杆和螺母将水密封盖板与类岩石试件紧固连接。

6.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：所述水密封盖板内侧具有储水凹槽，储水凹槽外侧与进出孔相连通，另一侧与类岩石试件裂缝相连通。

7.根据权利要求6所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：还包括凸形硅胶夹垫，凸形硅胶夹垫与水密封盖板内侧边框相配合，凸形硅胶夹垫设置在水密封盖板内侧边框与类岩石试件之间，用于水压密封。

8.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：水密封盖板上侧面开设有凸形应变线进线孔。

9.根据权利要求1所述的类岩石材料水力劈裂试验装置，其特征在于：所述拉伸套具为一对与类岩石试件端部相配合的开口双层梯形套板，拉伸套具外表面中心位置设置球铰，挂钩通过球铰与拉伸套具连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的类岩石材料水力劈裂试验装置的工作方法，包括以下步骤：

（1）类岩石试件的制备

使用模具制备类岩石试件：试件浇筑之前根据实验目的首先在模具中心位置对称地切割一对预制裂缝孔，预制裂缝孔上侧的一端加工成刀刃状，根据实验目的将钢片插入到预制裂缝孔中形成初始预制裂缝，将三根耐高压导水管，按照距离预制裂缝尖端2mm、20mm、40mm的位置预先埋设的位置，插入到模具中，模具内侧和钢片涂抹脱模剂，便于脱模；向模具内浇筑水泥砂浆，并小心振捣，待表面泛浆，将表面抹平，放置标准养护室内养护；在浇筑现场，用相同的水泥砂浆制备一些无初始裂缝的试件，用于基本力学性能的测定；待试件养护到初凝后，拔出试件中的钢片，即可形成带有初始预制裂缝混凝土试件；

（2）实验安装过程

将试件的预制裂缝对准水密封盖板中心位置进出孔，其中一个作为进水孔，另一个作为排气孔，用螺母拧紧螺杆夹持试件，进水管插入到进水孔中，并用螺纹管帽将导水管和进水孔固定密封；启动水压加载系统，将导水管、试件裂缝中的空气排出，暂停电动调压泵送水，用密封帽密封排气孔；拉应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，将拉伸套具嵌套试样两端，挂钩与双轴拉伸系统水平系统连接，并将试件放置在平板小车上；压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，将试样安装在加压机上；开始试验；

（3）水压加载过程

拉应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，水平拉伸系统对试件施加恒定拉力，拉力值按照实验要求确定；启动水压加载系统，以恒定速率加载水压，直至试件水力劈裂破坏，水压骤降；压应力条件下类岩石材料水力劈裂试验，试件安装在加压机上，加压机对试件施加恒定压力，压力值按照实验要求确定；启动水压加载系统，以恒定速率加载水压，直至试件水力劈裂破坏，水压骤降。