CN115014996A - 一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切‑渗流试验装置，装置包括上剪切部、下剪切部，上剪切部用于容纳不同外径尺寸的上试样块，下剪切部用于容纳不同外径尺寸的下试样块，上试样块底端与下试样块顶端接触形成节理面，节理面外侧套设有渗流部，渗流部外侧壁周向连通有若干水管，若干水管沿渗流部外侧壁周向均匀间隔设置，下剪切部外侧壁设置有扭转部，使用方法包括制作上试样块、下试样块；安装上试样块、下试样块并进行封水处理；进行剪切试验，得出试验结果并记录；重复试验。本发明提供的试验装置和方法能够研究各向异性与尺寸效应对节理面剪切‑渗流特性的影响。

Description

一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置

技术领域

本发明属于岩体力学性质测试技术领域，特别是涉及一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置及使用方法。

背景技术

由于构造应力等因素影响，地下工程围岩是由大量随机分布的不连续结构面切割而成的复杂地质体，在高应力、高渗透压和开挖扰动等因素影响下，围岩剪切渗流特征明显，导致裂隙围岩渗透系数增加，诱发突水突泥灾害。以往研究裂隙岩体剪切渗流过程中，剪切方向与渗流方向一致，且剪切基本沿着单一方向。而构造运动或开挖扰动作用下，节理面会沿着不同方向发生剪切，因此研究节理面剪切-渗流各向异性更加符合工程实际；同时，节理面尺寸效应对剪切-渗流响应同样有着重要影响。因此，需要设计一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置及使用方法来研究各向异性与尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置及使用方法，达到研究各向异性与尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，包括上剪切部、下剪切部，所述上剪切部用于容纳不同外径尺寸的上试样块，所述下剪切部用于容纳不同外径尺寸的下试样块，所述上试样块底端与所述下试样块顶端接触形成节理面，所述节理面外侧套设有渗流部，所述渗流部外侧壁周向连通有若干水管，若干所述水管沿所述渗流部外侧壁周向均匀间隔设置，所述下剪切部外侧壁设置有扭转部。

优选的，所述上剪切部包括上剪切外盒、上剪切内盒，所述上剪切外盒通过外固定螺栓与上压头可拆卸连接，所述上剪切内盒通过内固定螺栓与所述上剪切外盒可拆卸连接，所述上剪切内盒外侧壁与所述上剪切外盒内侧壁相适配，所述上试样块与所述上剪切内盒相适配。

优选的，所述下剪切部包括下剪切外盒、下剪切内盒，所述下剪切外盒转动设置在下固定座内，所述下剪切内盒通过下固定螺栓与所述下剪切外盒可拆卸连接，所述下剪切内盒外侧壁与所述下剪切外盒内侧壁相设配，所述下试样块与所述下剪切内盒相适配，所述扭转部与所述下剪切外盒外侧壁固定连接。

优选的，所述扭转部包括电机，所述电机与所述下固定座顶端固定连接，所述电机输出轴固定连接有主动齿轮，所述下剪切外盒外侧壁固定连接有从动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮相啮合。

优选的，所述渗流部包括第一密封壳，所述第一密封壳转动设置在所述节理面外缘，所述第一密封壳靠近所述节理面的一侧开设有第一液体容纳腔，所述第一密封壳内开设有若干液体通道，若干所述液体通道沿所述第一密封壳周向均匀间隔设置，所述液体通道一端与所述第一液体容纳腔连通，所述液体通道另一端与所述水管连通。

优选的，所述渗流部顶端与所述上剪切部底端、所述渗流部底端与所述下剪切部顶端留有让位间隙。

优选的，所述水管上设置有阀门。

一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、制作所述上试样块、所述下试样块；

S2、将所述下试样块放置到所述下剪切部内，然后将所述上试样块放置到所述下试样块上方，所述上试样块与所述下试样块节理面进行封水处理，封水处理完成后，将所述渗流部套设在节理面外缘，所述下固定座上升使所述上试样块位于所述上剪切部内；

S3、进行节理面剪切-渗流试验，试验过程中通过所述渗流部向所述节理面施加不同流向的液体，通过所述扭转部对所述下试样块施加环向扭转动作，得出试验结果并记录；

S4、重复试验。

本发明具有如下技术效果：

本发明的上剪切部能够放置不同尺寸的上试样块，下剪切部能够放置不同尺寸的下试样块，通过对不同尺寸的上试样块和下试样块进行剪切试验，能够得出尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响，设置的渗流部能够向节理面施加不同方向的渗流流向，再结合不同的上试样块和下试样块尺寸，能够研究各向异性和尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响，设置的扭转部能够对下剪切部进行任意角度的旋转，可以研究扭转对节理面剪切-渗流的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明渗流部剖视图；

图4为本发明实施例二结构示意图；

图5为图4中B-B剖视图；

图6为图4中C-C剖视图；

图7为本发明实施例三结构示意图。

其中，1、上压头；2、下固定座；3、上剪切外盒；4、上剪切内盒；5、外固定螺栓；6、内固定螺栓；7、水管；8、第一密封壳；9、下剪切外盒；10、下剪切内盒；11、电机；12、主动齿轮；13、从动齿轮；14、上试样块；15、下试样块；16、第一液体容纳腔；17、液体通道；18、第一密封环；19、让位间隙；20、阀门；21、第二密封壳；22、上转环；23、上过水管；24、下转环；25、下过水管；26、第二液体容纳腔；27、第二密封环；28、第三密封环；29、第一让位环；30、第二让位环；31、活动弧形板；32、容纳槽；33、弧形连杆；34、固定轴；35、转轴；36、连接座；37、第四密封环；38、下固定螺栓：39、位移传感器；40、下底座；41、伸缩气缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1-3，本发明公开一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，包括上剪切部、下剪切部，上剪切部用于容纳不同外径尺寸的上试样块14，下剪切部用于容纳不同外径尺寸的下试样块15，上试样块14底端与下试样块15顶端接触形成节理面，节理面外侧套设有渗流部，渗流部外侧壁周向连通有若干水管7，若干水管7沿渗流部外侧壁周向均匀间隔设置，下剪切部外侧壁设置有扭转部。

上剪切部能够放置不同尺寸的上试样块14，下剪切部能够放置不同尺寸的下试样块15，通过对不同尺寸的上试样块14和下试样块15进行剪切试验，能够得出尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响，设置的渗流部能够向节理面施加不同方向的渗流流向，再结合不同的上试样块14和下试样块15尺寸，能够研究各向异性和尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响，设置的扭转部能够对下剪切部进行任意角度的旋转，可以研究扭转对节理面剪切-渗流的影响。

进一步优化方案，上剪切部包括上剪切外盒3、上剪切内盒4，上剪切外盒3通过外固定螺栓5与上压头1可拆卸连接，上剪切内盒4通过内固定螺栓6与上剪切外盒3可拆卸连接，上剪切内盒4外侧壁与上剪切外盒3内侧壁相适配，上试样块14与上剪切内盒4相适配。

进一步优化方案，下剪切部包括下剪切外盒9、下剪切内盒10，下剪切外盒9转动设置在下固定座2内，下剪切内盒10通过下固定螺栓38与下剪切外盒9可拆卸连接，下剪切内盒10外侧壁与下剪切外盒9内侧壁相设配，下试样块15与下剪切内盒10相适配，扭转部与下剪切外盒9外侧壁固定连接。

安装时，通过外固定螺栓5将上剪切外盒3固定到上压头1上，再将上剪切内盒4套入到上剪切外盒3内，并用内固定螺栓6将上剪切内盒4与上剪切外盒3固定住，下剪切外盒9放置在下固定座2顶端开设的凹槽内，并且下剪切外盒9能够在凹槽内自由旋转，然后将下剪切内盒10固定套设在下剪切外盒9内部，本实施例中剪切盒的数量为两个，还可以根据实际的试验需要三个、四个剪切盒，所有剪切盒的尺寸为递减或递增关系，尺寸较小的剪切盒能够套入高尺寸较大的剪切盒内部并与其契合。

上试样块14放入上剪切内盒4内以后以及下试样块15放入下剪切内盒10内以后，为了防止出现试验过程中试样块不随剪切盒旋转，可以提高试样块与剪切盒内壁之间的摩擦力，包括但不限于增大试样块外侧壁以及剪切盒内侧壁的粗糙度，或稍微增大试样块的直径，使试样块与剪切内盒的配合为过盈配合。

进一步优化方案，扭转部包括电机11，电机11与下固定座2顶端固定连接，电机11输出轴固定连接有主动齿轮12，下剪切外盒9外侧壁固定连接有从动齿轮13，主动齿轮12与从动齿轮13相啮合。

电机11为正反转电机，试验进行过程中，可以根据扭转需要控制电机11正转或反转，电机11转动时通过主动齿轮12带动与其啮合的从动齿轮13旋转，从动齿轮13进而带动下剪切外盒9旋转，满足扭转试验要求。

进一步的，下固定座2放置在下底座40开设的圆槽内，并且下固定座2可以在圆槽内左右滑动，圆槽的侧壁内部固定设置有伸缩气缸41，伸缩气缸41的活塞端与下固定座2的侧壁固定连接，伸缩气缸41的活塞端可以伸出或缩回进而通过下固定座2带动下试样块15产生相对于上试样块14的左右运动，此过程可以研究单方向的剪切对节理面的影响。

进一步优化方案，渗流部包括第一密封壳8，第一密封壳8转动设置在节理面外缘，第一密封壳8靠近节理面的一侧开设有第一液体容纳腔16，第一密封壳8内开设有若干液体通道17，若干液体通道17沿第一密封壳8周向均匀间隔设置，液体通道17一端与第一液体容纳腔16连通，液体通道17另一端与水管7连通。

第一密封壳8内设置有位移传感器39，位移传感器39用以感应剪切过程中上试样块14和下试样块15的位移量以及剪胀开度。

进一步的，第一液体容纳腔16的顶端侧壁上固定连接有第一密封环18，第一液体容纳腔16的底端侧壁上固定连接有第四密封环37，第一密封环18与上试样块14的外侧壁接触，第四密封环37与下试样块15的外侧壁接触，第一密封环18和第四密封环37能够保证第一液体容纳腔16的密封状态，防止其内部的液体流出。

液体通道17优选数量为12个，任意两个相对的液体通道17位于第一密封壳8直径的两端，根据各向异性的要求通过液体通道17向第一液体容纳腔16内注入液体，并控制液体从相对的液体通道17流出，模拟液体的不同流向。

任意一个液体通道17均可以作为进水口或出水口，试验过程中可以选择任意的一个液体通道17或多个液体通道17作为进水口，同时选择其他的一个液体通道17或多个液体通道17作为出水口。

进一步优化方案，渗流部顶端与上剪切部底端、渗流部底端与下剪切部顶端留有让位间隙19。

让位间隙19可以防止进行扭转试验时，上剪切部和下剪切部对渗流部产生干涉影响。

进一步优化方案，水管7上设置有阀门20。

阀门20方便控制水管7内液体的通断。

一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、制作上试样块14、下试样块15；

根据试验要求通过试样模具制作合适的带有粗糙节理面的上试样块14、下试样块15，也可以从外界自然环境中提取天然岩体制作成上试样块14、下试样块15。上试样块14的下端面与下试样块15的上端面均为粗糙的截面。

S2、将下试样块15放置到下剪切部内，然后将上试样块14放置到下试样块15上方，上试样块14与下试样块15节理面进行封水处理，封水处理完成后，将渗流部套设在节理面外缘，下固定座2上升使上试样块14位于上剪切部内；

将下试样块15放入下剪切内盒10内，然后将上试样块14放在下试样块15上，使两者同轴形成节理面，在节理面的外缘套上第一密封壳8，然后通过水管7和液体通道17向第一液体容纳腔16内注入液体，实现对节理面的封水处理。

S3、进行节理面剪切-渗流试验，试验过程中通过渗流部向节理面施加不同流向的液体，通过扭转部对下试样块15施加环向扭转动作，得出试验结果并记录；

根据各向异性的试验要求，打开特定液体流向上的两个阀门20，液体从一个液体通道17流入第一液体容纳腔16内，并从相对的另一个液体通道17流出，以此模拟液体流向，同时启动电机11，利用电机11带动下剪切部旋转，下剪切部旋转带动下试样块15实现环向扭转，然后记录试验数据。研究各向异性对节理面剪切-渗流的影响。

试验装置的整体通过下底座40固定在压力机(图中未画出)上，压力机的压头位于上压头1的正上方，施加压力时，压力机的压头逐渐下移，接触到上压头1后开始施加一定大小的压力。

S4、重复试验。

更换不同尺寸的上试样块14和下试样块15，并重复S3的试验部，记录试验数据，可以研究各向异性与尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响。

实施例二：

参照图4-6，本实施例与实施例一的区别仅在于，渗流部包括第二密封壳21，第二密封壳21靠近节理面的一侧开设有第二液体容纳腔26，第二密封壳21的内部上方转动设置有上转环22，上转环22上固定连接有上过水管23，上过水管23一端与第二液体容纳腔26连通，上过水管23另一端与水管7连通，第二密封壳21的内部上方还开设有用于容纳上过水管23的第一让位环29，第二密封壳21的内部下方转动设置有下转环24，下转环24上固定连接有下过水管25，下过水管25一端与第二液体容纳腔26连通，下过水管25另一端与水管7连通，第二密封壳21的内部下方还开设有用于容纳下过水管25的第二让位环30，第一让位环29与第二让位环30分别位于第二密封壳21的两相对端。

进一步的，第二液体容纳腔26的顶端侧壁固定连接有第二密封环27，第二液体容纳腔26的底端侧壁固定连接有第三密封环28，第二密封环27、第三密封环28保证第二液体容纳腔26的密封状态。

在本实施例中，进行各项异性对节理面剪切-渗流影响的研究时，可以通过转动上转环22和下转环24的相对角度，使两者之间的夹角停留才任意角度，进而研究任意液体流向对节理面剪切-渗流的影响。

实施例三：

参照图7，本实施例与实施例一的区别仅在于，上剪切外盒3的内壁开设有若干容纳槽32，每个容纳槽32内固定连接有固定轴34，固定轴34上转动连接有弧形连杆33一端，弧形连杆33另一端通过转轴35转动连接有连接座36，连接座36上固定连接有活动弧形板31，活动弧形板31贴合在上剪切外盒3内壁上时，可以盛放大尺寸的试样块，通过弧形连杆33旋转将活动弧形板31顶出，使活动弧形板31不再和上剪切外盒3内壁贴合时，可以盛放小尺寸的试样块，本实施例相比较于实施例一，可以更方便的研究尺寸效应对节理面剪切-渗流的影响。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，包括上剪切部、下剪切部，所述上剪切部用于容纳不同外径尺寸的上试样块(14)，所述下剪切部用于容纳不同外径尺寸的下试样块(15)，所述上试样块(14)底端与所述下试样块(15)顶端接触形成节理面，所述节理面外侧套设有渗流部，所述渗流部外侧壁周向连通有若干水管(7)，若干所述水管(7)沿所述渗流部外侧壁周向均匀间隔设置，所述下剪切部外侧壁设置有扭转部。

2.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，所述上剪切部包括上剪切外盒(3)、上剪切内盒(4)，所述上剪切外盒(3)通过外固定螺栓(5)与上压头(1)可拆卸连接，所述上剪切内盒(4)通过内固定螺栓(6)与所述上剪切外盒(3)可拆卸连接，所述上剪切内盒(4)外侧壁与所述上剪切外盒(3)内侧壁相适配，所述上试样块(14)与所述上剪切内盒(4)相适配。

3.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，所述下剪切部包括下剪切外盒(9)、下剪切内盒(10)，所述下剪切外盒(9)转动设置在下固定座(2)内，所述下剪切内盒(10)通过下固定螺栓(38)与所述下剪切外盒(9)可拆卸连接，所述下剪切内盒(10)外侧壁与所述下剪切外盒(9)内侧壁相设配，所述下试样块(15)与所述下剪切内盒(10)相适配，所述扭转部与所述下剪切外盒(9)外侧壁固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，所述扭转部包括电机(11)，所述电机(11)与所述下固定座(2)顶端固定连接，所述电机(11)输出轴固定连接有主动齿轮(12)，所述下剪切外盒(9)外侧壁固定连接有从动齿轮(13)，所述主动齿轮(12)与所述从动齿轮(13)相啮合。

5.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，所述渗流部包括第一密封壳(8)，所述第一密封壳(8)转动设置在所述节理面外缘，所述第一密封壳(8)靠近所述节理面的一侧开设有第一液体容纳腔(16)，所述第一密封壳(8)内开设有若干液体通道(17)，若干所述液体通道(17)沿所述第一密封壳(8)周向均匀间隔设置，所述液体通道(17)一端与所述第一液体容纳腔(16)连通，所述液体通道(17)另一端与所述水管(7)连通。

6.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，所述渗流部顶端与所述上剪切部底端、所述渗流部底端与所述下剪切部顶端留有让位间隙(19)。

7.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置，其特征在于，所述水管(7)上设置有阀门(20)。

8.一种权利要求1-7任一项所述的考虑尺寸效应的粗糙节理面旋转剪切-渗流试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制作所述上试样块(14)、所述下试样块(15)；

S2、将所述下试样块(15)放置到所述下剪切部内，然后将所述上试样块(14)放置到所述下试样块(15)上方，所述上试样块(14)与所述下试样块(15)节理面进行封水处理，封水处理完成后，将所述渗流部套设在节理面外缘，所述下固定座(2)上升使所述上试样块(14)位于所述上剪切部内；

S3、进行节理面剪切-渗流试验，试验过程中通过所述渗流部向所述节理面施加不同流向的液体，通过所述扭转部对所述下试样块(15)施加环向扭转动作，得出试验结果并记录；

S4、重复试验。

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