CN202903786U - 适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，该试验盒能实现剪切过程严格封水并在节理中形成稳定渗透水流。剪切盒主要由底板、侧板、侧向封水囊、进出水装置组成。本实用新型的特点在于侧面密封囊、前端注水、后端集水方式的设计。使用本实用新型的岩石节理剪切渗流耦合试验盒可以实现20mm以内的剪切位移，能够充分研究岩石节理剪切过程由于剪胀和剪缩导致的渗透特性变化；可以提供0.05-3.0MPa的水头，为充分研究水压对节理渗流的影响提供了条件；运用微型伺服水泵进行注水，可以在节理一端形成稳定的水流，使得其渗流情况更符合自然状态；本剪切盒可完成复杂荷载作用下节理试样的剪切和渗透试验。

Description

适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒

技术领域

本实用新型涉及一种剪切盒，尤其是涉及适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒。

背景技术

近年来，随着水利水电、核废料储藏、石油矿山开采等大型工程的建设，工程岩体所处的地质环境越来越复杂。地下水作为对岩体工程稳定性有着重要影响的因素越来越受到研究人员的重视，岩体中节理与地下水的相互作用往往直接决定着工程结构的稳定与安全。因此，深入研究岩体中节理的渗流特性对解决实际工程中的岩体稳定性问题十分重要。

自上世纪70年代以来，岩石节理的水力耦合特性受到了学术界和工程界的重视。然而，早期的大部分渗流试验的加载主要集中在法相应力的施加上，进行节理剪切与渗流耦合试验并不多。目前岩石节理剪切渗流耦合特性及机理研究已成为国际岩石力学领域的研究热点。为了能够实现节理剪切过程中同时进行渗流试验，必须对剪切盒进行密封。即在渗透水压保持某一定值或按照某一规律变化时，岩石节理试样在剪切力作用下产生相对位移，渗透水流沿节理面流动，节理周边不发生渗漏。剪切盒的密封技术是节理剪切渗流耦合试验设备研制的关键技术难题。

国内外许多学者，为了进行节理剪切渗流耦合试验研究，开发了有关剪切渗透设备或对现有剪切实验设备进行改进。然而，由于剪切盒密封技术的限制，目前已有节理剪切试验设备封水效果往往无法达到实验要求，很难完成岩石节理在复杂荷载作用下的剪切渗流试验。如现有的岩石节理剪切-渗流耦合试验技术采用上、下盒体组成，盒体中装有封水材料，当上盒与下盒发生相对位移时很难保证良好的封水性。随着大型岩体工程建设的需求，国内外岩土工程研究领域对于研发一种有效的节理剪切盒渗透水密封方法的需求极为迫切。

然而，1面对越来越复杂的工程岩体所处的地质环境，岩体中节理与地下水的相互作用往往直接决定着工程结构的稳定与安全，因此深入理解岩体中节理的渗流特性对解决实际工程中的岩体稳定性问题十分重要。国内外学者为了进行节理剪切渗流耦合试验研究，对已有的实验设备进行相关改进。然而，由于剪切盒密封措施有限，很难实现岩石节理在复杂荷载作用下的剪切渗透试验。2传统的试验设备最大的缺陷在于其密封手段的不足，无法实现良好的封水效果。3传统的节理渗透试验的注水方式，多采用节理进水端集中水头注水或者从节理面的中间注水形成向四周的辐射流，其与岩体裂隙中真实的水流运动情况存在偏差。4传统的节理剪切渗透试验无法实现较大的剪切位移。5传统的试验设备大多采用3-10 m的水头,不能充分研究水压对岩石节理变形的影响。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的密封手段的不足，无法实现良好的封水效果等的技术问题；提供了一种能在试样周边形成效果很好的封水边界的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒。

本实用新型还有一目的是解决现有技术所存在的多采用从节理进水端集中水头注水或者从节理的中间注水形成向四周的辐射流，其与岩体裂隙中真实的水流运动情况存在偏差等的技术问题；提供了一种能够在试样节理中形成稳定的层流，其与工程中岩体的真实渗流情况更接近的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒。

本实用新型再有一目的是解决现有技术所存在的无法实现较大的剪切位移等的技术问题；提供了一种可以实现20mm以内的剪切位移，能够充分研究岩石节理的剪缩、剪胀及峰后变形全过程的渗透特性变化规律的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，包括底板，设置在底板两侧通过螺栓与底板垂直固定的两块侧板，所述底板和两块侧板组成一个用于放置岩石试样的空腔；所述空腔内设有用于固定岩石试样的剪切垫块；两块侧板的两个侧面还分别设置有用于封水的侧向封水囊以及与侧向封水囊连接的用于给侧向封水囊加压的伺服油源；所述空腔内还设置有一进水装置和出水装置，所述出水装置上还设有用于监测出水流量及水压的监测装置。

在上述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，所述的剪切垫块包括前部剪切垫块和后部剪切垫块；所述前部剪切垫块和后部剪切垫块均有上下剪切垫块构成，即前部上剪切垫块、前部下剪切垫块、后部上剪切垫块以及后部下剪切垫块。

在上述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，还包括开槽设置在前部上剪切垫块上的前部上横向封水条、开槽设置在前部下剪切垫块上的前部下横向封水条；以及开槽设置在后部上剪切垫块的后部上横向封水条、开槽设置在后部下剪切垫块上的后部下横向封水条。

在上述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，前部上横向封水条和前部下横向封水条内均匀设置有由若干平行排列的渗水小孔组成的前部过水通道，所述进水装置包括分别设置在前部上剪切垫块和前部下剪切垫块上与前部过水通道连通的进水小孔；所述进水小孔通过进水管与控制水压力及流量的进水微型伺服水泵相连；后部上横向封水条和后部下横向封水条内均匀设置有由若干平行排列的渗水小孔组成的后部过水通道；   

在上述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，所述出水装置包括分别设置在后部上剪切垫块和后部下剪切垫块上与后部过水通道连通的出水小孔；所述出水小孔通过出水管与上述出水流量及水压监测装置连接。 

在上述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，所述监测装置包括流量及水压传感器。

因此，本实用新型具有如下优点：1.采用由弹性及硬度适中的聚氨脂制成的侧向封水囊进行封水，侧向封水囊压力采用伺服控制，其内注有液压油，能根据实验要求调节囊内压力。在油压的作用下侧向封水囊紧贴节理试样侧面，其与横向封水条在试样周边形成效果很好的封水边界；2.运用微型伺服水泵控制注水，水流通过一排小管进入横向封水条的过水通道，能够在试样节理内形成稳定的层流，其与工程中岩体的真实渗流情况更接近；3.可以实现20 mm以内的剪切位移，能够充分研究岩石节理的剪缩、剪胀及峰后变形全过程的渗透特性变化规律；4.可以提供0.05-3.0 MPa的水头，为充分研究水压对岩石节理变形的影响提供了条件。

附图说明

图1是本实用新型的一种主视结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是沿图1中A-A线的剖视结构示意图。

图4是沿图2中B-B线的剖视结构示意图。

图5是沿图2中C-C的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。图中，侧板1、侧向封水囊2、前部上剪切垫块3、岩石试件4、螺栓5、前部下剪切垫块6、底板7、进水管8、出水管9、前部上横向封水条10、岩石节理12、微型伺服泵组13、传感器14、后部上剪切垫块15、后部下剪切垫块16、前部下横向封水条11、后部上横向封水条18、后部下横向封水条17。

实施例：

首先介绍一下本实用新型所采用的装置结构，如图1和图2所示，本实用新型包括底板7，设置在底板7两侧通过螺栓5与底板7垂直固定的两块侧板1，底板7及侧板1均由钢材制成，底板7和两块侧板1组成一个用于放置岩石试样4的空腔；空腔内设有用于固定岩石试样4的剪切垫块；两块侧板1的两个侧面还分别设置有用于封水的侧向封水囊2以及与侧向封水囊2连接的用于给侧向封水囊2加压的伺服油源；所述空腔内还设置有一进水装置和出水装置，所述进水装置上还设有用于监测数据的监测装置；监测装置为水流流量及水压传感器14；剪切垫块包括前部剪切垫块和后部剪切垫块；所述前部剪切垫块和后部剪切垫块均有上下剪切垫块构成，即前部上剪切垫块3、前部下剪切垫块6、后部上剪切垫块15以及后部下剪切垫块16。前部上剪切垫块3、前部下剪切垫块6、后部上剪切垫块15以及后部下剪切垫块16均由密度较大的钢材加工而成，具有抗压强度高、耐水蚀性好的特点。前部下剪切垫块6和后部下剪切垫块16通过螺栓将试样下部固定，前部上剪切垫块3和后部上剪切垫块15传递水平推力，推动试样在剪切方向运动，实现试样的剪切作用。

本实用新型还包括开槽设置在前部上剪切垫块3上的前部上横向封水条10、开槽设置在前部下剪切垫块6上的前部下横向封水条11；以及开槽设置在后部上剪切垫块15的后部上横向封水条18、开槽设置在后部下剪切垫块16上的后部下横向封水条17；前部上横向封水条10和前部下横向封水条11内均匀设置有由若干平行排列的渗水小孔组成的前部过水通道；进水装置包括分别设置在前部上剪切垫块3和前部下剪切垫块6上与前部过水通道连通的进水小孔；所述进水小孔通过进水管8与进水微型伺服水泵相连；后部上横向封水条18和后部下横向封水条17内均匀设置有由若干平行排列的渗水小孔组成的后部过水通道，所述出水装置包括分别设置在后部上剪切垫块15和后部下剪切垫块16上与后部过水通道连通的出水小孔；所述出水小孔通过出水管9与上述监测装置连接。

在本实用新型中，侧向封水囊2由弹性及硬度适中的聚氨脂制成，内部充有液压油，侧向封水囊是本实用新型的特点及关键部件，聚氨脂橡胶具有可塑性好，摩擦小等特点。侧向封水囊2内的油压采用伺服控制，能根据实验要求调节囊内油压力。在油压的作用下侧向封水囊2将紧贴试样侧面，达到良好的封水效果。由于侧向封水囊2与试样之间存在压力，其将产生一定的摩擦力。因此要在侧向封水囊2的外侧和试样的接触面上涂抹润滑油，同时依靠伺服控制接触面的围压来减小摩擦力的影响。

前部上横向封水条10、前部下横向封水条11、后部上横向封水条18、后部下横向封水条17均由聚氨脂制成。分别安装在进水及出水端上、下剪切垫块的开槽部位并与试样接触。在水平荷载及侧向封水囊压力的作用下其将紧贴节理两端。横向封水条有一排渗水小孔形成进水、出水通道，由进水端的伺服水泵流过来的水经过横向封水条进水通道能够在节理进水端形成稳定渗透水流。节理周边的侧向封水囊和横向封水条将形成节理试样四周的水密封边界。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了侧板1、侧向封水囊2、前部上剪切垫块3、岩石试件4、螺栓5、前部下剪切垫块6、底板7、进水管8、出水管9、前部上横向封水条10、岩石节理12、微型伺服泵组13、传感器14、后部上剪切垫块15、后部下剪切垫块16、前部下横向封水条11、后部上横向封水条18、后部下横向封水条17等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (6)

1.一种适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，包括底板（7），设置在底板（7）两侧通过螺栓（5）与底板（7）垂直固定的两块侧板（1），所述底板（7）和两块侧板（1）组成一个用于放置岩石试样（4）的空腔；所述空腔内设有用于固定岩石试样（4）的剪切垫块；两块侧板（1）的两个侧面还分别设置有用于封水的侧向封水囊（2）以及与侧向封水囊（2）连接的用于给侧向封水囊（2）加压的伺服油源；所述空腔内还设置有一进水装置和出水装置，所述进水装置上还设有用于监测数据的出水流量及水压监测装置。

2.根据权利要求1所述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，所述的剪切垫块包括前部剪切垫块和后部剪切垫块；所述前部剪切垫块和后部剪切垫块均有上下剪切垫块构成，即前部上剪切垫块（3）、前部下剪切垫块（6）、后部上剪切垫块（15）以及后部下剪切垫块（16）。

3.根据权利要求2所述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，还包括开槽设置在前部上剪切垫块（3）上的前部上横向封水条（10）、开槽设置在前部下剪切垫块（6）上的前部下横向封水条（11）；以及开槽设置在后部上剪切垫块（15）的后部上横向封水条（18）、开槽设置在后部下剪切垫块（16）上的后部下横向封水条（17）。

4.根据权利要求3所述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，所述前部上横向封水条（10）和前部下横向封水条（11）内均匀设置有由若干平行排列的渗水小孔组成的前部过水通道；所述进水装置包括分别设置在前部上剪切垫块（3）和前部下剪切垫块（6）上与前部过水通道连通的进水小孔；所述进水小孔通过进水管（8）与控制水压力及流量的进水微型伺服水泵相连；后部上横向封水条（18）和后部下横向封水条（17）内均匀设置有由若干平行排列的渗水小孔组成的后部过水通道。

5.根据权利要求4所述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，所述出水装置包括分别设置在后部上剪切垫块（15）和后部下剪切垫块（16）上与后部过水通道连通的出水小孔；所述出水小孔通过出水管（9）与上述出水流量及水压监测装置连接。

6.根据权利要求1所述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒，其特征在于，所述监测装置包括水流流量及水压传感器（14）。

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