CN109738302A - 一种用于岩石直剪-渗流的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩石直剪‑渗流的试验装置及方法，涉及岩石力学试验技术。在本发明中涉及到的三轴压缩剪切试验装置包括轴向剪切压头(1)、压力室(3)、密封胶带(4)、用于隔绝试件和油接触的变形胶套(5)、带有预制节理的试验试件(6)，以及刚性圆柱形垫板(8)。本发明采用的试验方法以及试件制备方法，充分的利用了岩石三轴压缩实验的特点，通过油压室向试件提供稳定的围压，利用特制的方法制备预制节理岩石试件，同时创造进行剪切试验的条件，随后并进行渗流试验。采用本方法并利用三轴试验仪器进行剪切‑渗流试验，使得得到的数据更加准确、可靠，并更大程度上模拟了岩石在天然状况下发生剪切破坏的情况。

Description

一种用于岩石直剪-渗流的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种用于岩石直剪-渗流的试验装置及方法，尤其是涉及一种利用岩石三轴压缩试验设备装置进行剪切-渗流的试验方法。

背景技术

深部岩体节理中的渗流与剪切耦合特性已成为了大型深部地下工程稳定性分析中的迫切需要解决的关键性科学问题。岩石节理全剪切渗流耦合试验是研究岩石节理水力特性最有效最直接的手段。而岩石抗剪强度、抗剪强度参数是进行围岩变形数值模拟和稳定性分析的前提和基础。

目前对于岩石抗剪强度的试验方法主要有直剪试验和三轴抗剪试验等。

岩石直剪试验装置和试验方法比较简单，在实验室或现场均可进行，现场直剪试验是测定岩体抗剪强度最常用的方法，在平硐、基坑、甚至在大口径钻孔中均可进行。试验前可预先选择破坏面的位置，剪切载荷可按所需要的方向施加，试验方法比较简单，因此特别适用于测定岩体软弱结构面的抗剪强度。但是常规直剪试验测定岩石抗剪强度也存在许多不足。

1.试样在直剪仪中只能沿着预先选择的破坏面发生剪切破坏，忽略了试样内部的缺陷，并且只能模拟岩石在单向压缩状态下的剪切破坏；

2.在直剪试验过程中，试样上的法向应力会随着剪切荷载以及位移的增加而发生变化，不能对试样产生稳定的围压，测得的抗剪强度可能会偏小；

岩石三轴抗剪强度试验在一定的程度上消除了直剪试验时剪切面上的应力分布不均匀的缺点，成果的规律性较好，且反映了实际岩体的受力状况。但是三轴抗剪强度试验和直剪试验的意义和结果不尽相同，这主要是由于直剪试验是预先确定剪切面，而三轴抗剪强度试验破坏有主要由应力控制。

发明内容

本发明的目的主要是为了针对现有测定岩石抗剪强度试验方法存在的上述问题，通过对进行三轴压缩试验的试样进行改进，直接进行不同稳定围压作用下，使得岩石试件按照预定剪切面破坏的直剪试验。综合岩石直剪试验以及三轴实验的优缺点，从而提出一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石直剪-渗流试验的改进方法。

为实现本发明的上述目的，本发明提出了一种用于岩石直剪-渗流的试验装置及方法，采用以下技术方案：

本发明提出的一种用于岩石直剪-渗流的试验装置，包括轴向剪切压头、压力室、密封件、垫板和用于隔绝试件和油接触的胶套；

所述的胶套放置在压力室内，胶套内部用于放置试件；

所述轴向剪切压头设置在胶套的上方，与所述的胶套相连，其用于对试件施加一定的压力；轴向剪切压头的施力面的面积大于试件的受力面的面积；

所述的垫板设置在胶套的下方，与所述的胶套相连，其为试件提供一定的支撑力，垫板的受力面的面积大于试件的施力面的面积；

在所述的垫板和轴向剪切压头上均设有渗流通道；

所述的胶套与垫板连接位置、所述胶套与轴向剪切压头连接位置均通过所述的密封件密封。

作为进一步的技术方案，所述的垫板为刚性圆柱形垫板，其受力面的面积与轴向剪切压头施力面的面积相同，上下对称设置。

作为进一步的技术方案，所述的胶套为一个类似于“工”字形状的壳体，且上、下面均开口；其上开口的面积略小于轴向剪切压头的施力面的面积，其下开口的面积略小于垫板的受力面的面积，中间部位的柱体的形状与预制试件的侧面形状相同，中间部位的柱体内径略大于预制试件的半径。

作为进一步的技术方案，所述的轴向剪切压头、压力室采用的是三轴压缩仪上对应的装置。

作为进一步的技术方案，本发明还提出了一种利用所述的装置进行岩石直剪-渗流试验的方法，包括以下步骤：

1)将所述的垫板安放到压力室的底部，二者形成下部圆柱型配合体；

2)将制作完成的试件放入至所述的胶套内，然后将胶套底部套装到所述的垫板上部，使其组合起来；

3)进行单轴预压，使得轴向剪切压头嵌入所述的胶套直至与带有预制节理的试验试件发生接触；

4)分别在所述胶套与所述垫板、轴向剪切压头连接位置粘贴密封装置进行密封；

5)对试件施加围压，开始试验。

进一步的，所述的试件为圆柱形结构，在圆柱形结构的两个端面上设有一小块半圆柱体缺口，两个端面上的缺口相对于试件的轴线对称；从试件的两个端面的中心位置向试件的内部延伸设有节理。

作为进一步的技术方案，所述的试验试件的制作过程，如下：

(1)加工制作出试验要求的圆柱型岩石试件；

(2)加工制作预制节理，节理宽度依据试验要求确定，节理位置从试件的两个端面的中心位置向试件的内部延伸；

(3)在试件的两个端面上切割一小块半圆柱体缺口，两个端面上的缺口相对于试件的轴线对称；

(4)对试件的缺口进行修补，使其再成为一个中间轴线处具有预制节理的圆柱型岩石试件。

所述试件节理位置与渗流通道在同一中心线上，当试件发生剪切破坏后，其由上至下形成了一条贯通的渗流通道，因此科学合理的达到了剪切-渗流的要求。

作为进一步的技术方案，所述的试件的修补采用AB干挂胶。

本发明的有益效果如下：

在试件上切割的半圆柱体缺口，对试件进行如上处理，为试件发生剪切破坏提供了条件和空间。然后采用AB干挂胶进行修补。AB干挂胶具有一定的弹性，其不会对岩石试件的强度产生影响，同时也在试件和变形胶套以及压头之间提供了缓冲保护的作用。

所述的用于隔绝试件和油接触的胶套，其具有极好的耐热性和防水性，设计其为上下开口，“工”字形状，并用密封胶带密封，是为了当围压室内液压油对试件施加围压时液压油不渗入试件内，而且密封高压渗流流体，实现剪切-渗流的要求。在隔绝外部油侵入试样的同时，也保证了试样内部渗流流体总量的不变，提高了测量数据的准确性以及实验的成功率。

本发明在具体试验过程中，只需要对试件的制作加以改变，即可完成岩石三轴仪对岩石的三轴剪切试验。不改变仪器的装置，可重复使用仪器进行三轴压缩试验，丰富了试验仪器的功能，有效提高了装置的性价比。

采用本发明公开的三轴仪进行剪切实验，获得的数据更加准确、可靠。相比于直剪仪本发明方法避免了岩石试样与实验装置的摩擦，减小了实验装置带来的误差；同时又集成了岩石三轴压缩实验的优点，通过压力室向岩石试样提供了一个稳定的围压，轴压加载速率由电脑控制，因此可以更加稳定，数据采集也更为精细，最终达到了在保证稳定围压下，简单便捷的控制试件按照剪切面破坏，以致达到剪切-渗流的要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一个或多个实施方式中采用的三轴剪切试验示意图；

图2为一个或多个实施方式中涉及到的胶套的正视图；

图3为一个或多个实施方式中涉及到的胶套的俯视图；

图4为一个或多个实施方式中涉及到的特殊试件进行初步切割后的正视图；

图5为一个或多个实施方式中的特殊试件进行初步切割后的俯视图；

图6为一个或多个实施方式中涉及到的特殊试件进行初步切割后在进行修补后的正视图；

图中：1-轴向剪切压头，2-渗流通道，3-压力室,4-密封胶带，5-变形胶套，6-试件,7-1-AB干挂胶、7-2-AB干挂胶,8-刚性圆柱形垫板，9-1节理、9-2节理。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“变形胶套”是指胶套具有一定的弹性，可以产生变形；

本发明中所述的节理也称为裂隙，是认为在试件上形成的裂隙结构。

正如背景技术所介绍的，现有技术中常规直剪试验测定岩石抗剪强度也存在许多不足。

1.试样在直剪仪中只能沿着预先选择的破坏面发生剪切破坏，忽略了试样内部的缺陷，并且只能模拟岩石在单向压缩状态下的剪切破坏；

2.在直剪试验过程中，试样上的法向应力会随着剪切荷载以及位移的增加而发生变化，不能对试样产生稳定的围压，测得的抗剪强度可能会偏小；

为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于岩石直剪-渗流的试验装置及方法。

本实施例中，如图1所示，用于岩石直剪-渗流的试验装置，包括轴向剪切压头1、压力室3、密封胶带4、用于隔绝试件和油接触的变形胶套5、刚性圆柱形垫板8；涉及到的三轴压缩剪切试验装置中的轴向剪切压头下部形状为圆柱形、圆柱形的底面的面积大小应大于压力室内腔内放置的试件的受力面的大小，且在压头的中心位置预留出渗流通道2；同时，刚性圆柱形垫板8应与轴向剪切压头下部相吻合，即刚性圆柱形垫板8，其受力面的面积与轴向剪切压头施力面的面积相同，上下对称设置。

变形胶套5为一个类似于“工”字形状的壳体，且上、下面均开口；其上开口的面积略小于轴向剪切压头的施力面的面积，其下开口的面积略小于垫板的受力面的面积，中间部位的柱体的形状与预制试件的侧面形状相同，中间部位的柱体内径略大于预制试件的半径。

用于隔绝试件和油接触的变形胶套5由三元乙丙材料制成，其具有极好的耐热性和防水性，设计其为上下开口，“工”字形状，并用密封胶带4密封，是为了当围压室3内液压油对试件施加围压时液压油不渗入试件内，而且密封高压渗流流体，实现剪切-渗流的要求。在隔绝外部油侵入试样的同时，也保证了试样内部渗流流体总量的不变，提高了测量数据的准确性以及实验的成功率。

上述所述的轴向剪切压头1、压力室3可以直接采用三轴压缩仪上的装置进行试验；采用三轴压缩仪进行剪切实验，获得的数据更加准确、可靠；相比于直剪仪本发明方法避免了岩石试样与实验装置的摩擦，减小了实验装置带来的误差；同时又集成了岩石三轴压缩实验的优点，通过压力室向岩石试样提供了一个稳定的围压，轴压加载速率由电脑控制，因此可以更加稳定，数据采集也更为精细，最终达到了在保证稳定围压下，简单便捷的控制试件按照剪切面破坏，以致达到剪切-渗流的要求。

试验中涉及的带有预制节理的试验试件6的形状如图4、图5和图6所示，类似于一个圆柱形结构，在圆柱形结构顶部的左上角位置切割一小块半圆柱体缺口7-1，缺口的高度为20mm，同理在相对的右下角位置切割一半圆柱体缺口7-2，缺口的高度为20mm；这里所述的左上角和右下角是相对于图4中显示的方位进行描述的；在试件的顶面和底面设置有预制节理，在顶面设置节理9-1、在底面设置节理9-2，节理9-1、9-2宽度依据试验要求确定，节理位置从试件的顶面和底面端面的中心位置向试件的内部延伸。

试件6具体的制作方法如下：

(1)加工制作出试验要求的圆柱型岩石试件。

(2)加工制作预制节理，节理宽度依据试验要求确定为100mm，厚度为5mm，节理位置在试件的中间位置；即对应图4中的顶部和底部的中心位置。

(3)在试件的左上角位置切割一小块半圆柱体缺口，高度为20mm，同理在相对的右下角位置切割一小块缺口，高度为20mm。

(4)使用AB干挂胶再对试件进行修补，使其再成为一个中间轴线处具有预制节理的圆柱型岩石试件。

本发明还提供了一种利用上面所述的装置进行利用岩石三轴压缩仪进行岩石直剪-渗流试验的改进方法具体操作如下：

1)先将一块刚性圆柱形垫板8、安放到压力室3的底部，二者形成下部圆柱型配合体；

2)将制作完成的试件6放入至变形胶套5，变形胶套5的底部开口套到刚性圆柱形垫板8的上部，使其组合起来；

3)进行单轴预压，使得轴向剪切压头1嵌入变形胶套5的上部开口位置，直至与带有预制节理的试验试件6发生接触。

4)分别在变形胶套5与刚性圆柱形垫板8、轴向剪切压头1接触分离处粘贴密封胶带4。

5)对试件施加围压，开始试验。

轴向剪切压头1以及刚性圆柱形垫板8在中心位置都预留了渗流通道，其与试件节理位置在同一中心线上，当试件发生剪切破坏后，其由上至下形成了一条贯通的渗流通道，因此科学合理的达到了剪切-渗流的要求。

试验试件的制作过程中，在试件上切割的半圆柱体缺口，其厚度为5-8mm。对试件进行如上出处理，为试件发生剪切破坏提供了条件和空间。然后采用AB干挂胶进行修补。AB干挂胶具有一定的弹性，其不会对岩石试件的强度产生影响，同时也在试件和变形胶套以及压头之间提供了缓冲保护的作用。

用于隔绝试件和油接触的变形胶套5由三元乙丙材料制成，其具有极好的耐热性和防水性，设计其为上下开口，“工”字形状，并用密封胶带4密封，是为了当围压室3内液压油对试件施加围压时液压油不渗入试件内，而且密封高压渗流流体，实现剪切-渗流的要求。在隔绝外部油侵入试样的同时，也保证了试样内部渗流流体总量的不变，提高了测量数据的准确性以及实验的成功率。

所述的轴向剪切压头1以及刚性圆柱形垫板8在中心位置都预留了渗流通道，其与试件节理位置在同一中心线上，当试件发生剪切破坏后，其由上至下形成了一条贯通的渗流通道，因此科学合理的达到了剪切-渗流的要求。

本发明在具体试验过程中，只需要对试件的制作加以改变，即可完成岩石三轴仪对岩石的三轴剪切试验；不改变仪器的装置，可重复使用仪器进行三轴压缩试验，丰富了试验仪器的功能，有效提高了装置的性价比。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于岩石直剪-渗流的试验装置，其特征在于，包括轴向剪切压头、压力室、密封件、垫板和胶套；

所述的胶套放置在压力室内，胶套内部用于放置试件；

所述轴向剪切压头设置在胶套的上方，与所述的胶套相连，其用于对试件施加一定的压力，轴向剪切压头的施力面的面积大于试件的受力面的面积；

所述的垫板设置在胶套的下方，与所述的胶套相连，其为试件提供一定的支撑力，垫板的受力面的面积大于试件的施力面的面积；

在所述的垫板和轴向剪切压头上均设有渗流通道；

所述的胶套与垫板连接位置、所述胶套与轴向剪切压头连接位置均通过所述的密封件密封。

2.如权利要求1所述的用于岩石直剪-渗流的试验装置，其特征在于，所述的垫板为刚性圆柱形垫板，其受力面的面积与轴向剪切压头施力面的面积相同，上下对称设置。

3.如权利要求1所述的用于岩石直剪-渗流的试验装置，其特征在于，所述的胶套为一个类似于“工”字形状的壳体，且上、下面均开口；其上开口的面积略小于轴向剪切压头的施力面的面积，其下开口的面积略小于垫板的受力面的面积，中间部位的柱体的形状与预制试件的侧面形状相同，中间部位的柱体内径略大于预制试件的半径。

4.如权利要求1所述的用于岩石直剪-渗流的试验装置，其特征在于，所述的轴向剪切压头、压力室采用的是三轴压缩仪上对应的装置。

5.一种利用权利要求1-4任一所述的装置进行岩石直剪-渗流试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述的垫板安放到压力室的底部，二者形成下部圆柱型配合体；

2)将制作完成的试件放入至所述的胶套内，然后将胶套底部套装到所述的垫板上部，使其组合起来；

3)进行单轴预压，使得轴向剪切压头嵌入所述的胶套直至与带有预制节理的试验试件发生接触；

4)分别在所述胶套与所述垫板、轴向剪切压头连接位置粘贴密封装置进行密封；

5)对试件施加围压，开始试验。

6.如权利要求5所述的岩石直剪-渗流试验的方法，其特征在于，所述的试件为圆柱形结构，在圆柱形结构的两个端面上设有一小块半圆柱体缺口，两个端面上的缺口相对于试件的轴线对称；从试件的两个端面的中心位置向试件的内部延伸设有节理。

7.如权利要求6所述的岩石直剪-渗流试验的方法，其特征在于，试验试件的制作过程，如下：

(1)加工制作出试验要求的圆柱型岩石试件；

(2)加工制作预制节理，节理宽度和高度依据试验要求确定，节理位置从试件的两个端面的中心位置向试件的内部延伸；

(3)在试件的两个端面上切割一小块半圆柱体缺口，两个端面上的缺口相对于试件的轴线对称；

(4)对试件的缺口进行修补，使其再成为一个中间轴线处具有预制节理的圆柱型岩石试件。

8.如权利要求7所述的岩石直剪-渗流试验的方法，其特征在于，所述试件节理位置与渗流通道在同一中心线上。

9.如权利要求7所述的岩石直剪-渗流试验的方法，其特征在于，所述的试件的修补采用AB干挂胶。