一种单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置与试验方法制造方法及图纸

一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪‑渗流试验装置与试验方法，属于岩石及岩体力学领域。其特征在于本发明专利技术的装置由加载系统、声发射监测系统、密封系统、数据采集系统和岩石试件前处理系统组成。本发明专利技术可对单裂隙岩石试件进行静水压力封装，及大剪切位移和高渗透压力下的直剪‑渗流试验，通过声发射监测系统可实时监测剪切过程中裂隙面的摩擦破裂变化，采用裂隙面数据处理系统可分析单裂隙岩石试件在直剪‑渗流试验前后的裂隙面的变化，可深入分析直剪‑渗流机理，探究影响单裂隙岩石直剪‑渗流特性的主要因素，为采动裂隙岩体在地下水作用下的剪切‑渗流失稳机制提供理论基础和试验依据。

【技术实现步骤摘要】
一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置与试验方法
本专利技术一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置与试验方法，属于岩石及岩体力学领域，尤其涉及一种加工制作简单、密封环节少的单裂隙岩石试件制备技术及多种配套系统，如声发射监测系统、裂隙面数据处理系统和数据采集系统等，能对单裂隙岩石试件进行静水压力封装、大剪切位移和高渗透压力下的直剪-渗流试验，可深入分析单裂隙岩石的直剪-渗流机理，探究影响单裂隙岩石直剪-渗流特性的主要因素，为地下岩石工程提供试验及理论依据。
技术介绍
在地下工程中，岩体中节理与地下水的相互作用往往决定着岩体工程的稳定性，而节理在直剪-渗流耦合作用下的滑移失稳通常会导致重大地质灾害的产生，因此，深入研究裂隙岩体的直剪-渗流耦合特性及由此所导致的失稳规律对于解决地下岩体工程的稳定性有着至关重要的作用。目前，国内外各专家对于岩石节理直剪-渗流耦合特性的研究并不多，其中最难以解决的便是直剪-渗流过程中存在的动密封问题，即难以保证水在岩石试件剪切错动过程中只沿裂隙上下面组成的不规则通道流动而不发生侧漏。因此，研制密封性较好的直剪盒是开展直剪-渗流试验的基础。目前，涉及直剪-渗流的装置及方法的中国专利技术专利主要有：山东科技大学的“一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统”（CN102607950A）。山东科技大学的“一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验系统”（CN102253185A）。山东科技大学的“岩石裂隙剪切渗流耦合试验盒”（CN202133661U）。同济大学的“岩石节理剪切-渗流耦合试验系统”（CN201237591Y）。武汉大学的“适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒”（CN202903786U）。太原理工大学的“一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置”（CN104596857A）。然而，这些已有的节理剪切试验设备存在以下几点问题：1.试验设备的密封操作比较繁琐且密封效果难以达到试验的要求；2.这些试验技术基本都只考虑裂隙岩体侧向密封而忽略了侧向的压力，进而导致岩体所处的应力状态和实际赋存状态严重不符；3.渗流试验的注水方式或者是从裂隙面中部注水形成向四周流动的辐射流，或者是从端面集中注水，这都和岩石中真实的水流运动方式情况相差较大。4.裂隙的剪切位移都不是很大，这主要是因为剪切位移越大，裂隙岩石的密封性越差；5.试验所施加的渗透水头都不是很高，无法满足试验的要求，即无法研究高渗透压作用下裂隙的剪切-渗流耦合规律；6、没有可靠的监测设备对直剪-渗流过程进行监测，只单纯的依靠变形和流量的变化量来推测直剪-渗流特性，过于简单。7、目前三轴压力室内所采用的声发射探测设备无法直接粘贴于岩石试件的表面，多数是粘贴于包裹岩石试件的热缩套管上，然而热缩套管会对声波传递造成影响，导致监测结果不可靠，而且对于应力-渗流耦合作用下的破损监测问题，更是难以实现。因此，为了解决上述试验方法所存在的诸多缺陷和不足，研制一种高效的、可靠的岩石试件直剪-渗流试验装置对于探究岩石的直剪-渗流特性有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于该装置能够对单裂隙试件施加静水压力条件，并实现试验对象的直剪-渗流过程，该试验装置由加载系统、声发射监测系统、密封系统、数据采集系统、岩石试件前处理系统和裂隙面数据处理系统等组成，其所述的加载系统由三轴压力室17、三轴压力室底座20、流体注入系统16、围压加载跟踪系统18和电液伺服加载试验系统29组成。三轴压力室分为上腔体26和下腔体27，两个腔体通过上下腔体连接管7连接。轴向加载杆25贯穿两个腔体，其上端受电液伺服加载试验系统29控制进行加载，而中部连接有上腔体活塞板1，并用O型圈13密封。上腔体活塞板1可随下腔体27内部油压变化而上下移动，既保证了下腔体27内的静水压力状态，也保证了轴向加载杆25能够对试件施加偏应力；轴向加载杆25下端设置有球形压头2，球形压头2下端设置有转换压头9，转换压头9上端设计为圆柱形，下端设计为方形，而转换压头下端还置有方形压头3，方形压头内设计有“L”型渗流孔，其中孔的一端连接压头的下端口，而孔的另一端连接压头侧端口，侧端口通过管线28连接出三轴压力室17外部，方形压头3下端还置有声发射特制压头14，其下端用于放置特殊加工的单裂隙岩石试件12，其中单裂隙岩石试件12下端依次再放置声发射特制压头14、方形压头3；整个三轴压力室17用凹型环形卡套6实现密封，并通过定位销21置于电液伺服加载系统29中，流体注入系统16和围压加载跟踪系统18分别通过三轴室内外管线为单裂隙试件12提供渗透压和围压，分别采用围压传感器22、入口压力传感器23和出口压力传感器24来监测围压、流体注入口和流体出口31的压力值，流出口的流体流量用高精度电子天平15监测，而通过溢流阀8来控制三轴压力室17内部油体的充满；所述的声发射系统用于监测单裂隙岩石试件12在直剪-渗流作用下的破裂现象，主要包括声发射传感器35和声发射特制压头14，其中声发射传感器35采用美国美国声学物理公司PAC生产的PCI-2型传感器，而声发射特制压头14由四部分构成，分别为声发射探头放置室40、声发射探头放置室盖板41、导流压板Ⅰ32和导流压板Ⅱ36，其中导流压板Ⅱ36中部设置有环形导流水槽43，而导流水槽43的内外侧均设置有环形O型圈45，在环形导流槽43内开有导流孔44，另外，所述的导流压板Ⅰ32的中部设置有4个导流管46，且外侧同样置有环形O型圈45，具体的安装流程为：首先将所述的导流压板Ⅱ36置于单裂隙岩石试件12的上端面并对齐，然后将所述的声发射探头放置室40对齐置于导流压板Ⅱ36上，接着将3个声发射传感器探头35均匀摆放于所述的声发射探头放置室40内，然后在声发射传感器35和声发射探头放置室40间均匀涂抹凡士林34,并将声发射探头引出线42由声发射探头放置室40侧端引出，并用环氧树脂结构胶39密封，然后将声发射探头放置室盖板41与声发射探头放置室40间用螺丝38拧紧，最后将导流压板Ⅰ32的四根导流管46穿过声发射探头放置室40和声发射探头放置室盖板41上的四根导流孔。至此，导流压板Ⅰ32、导流压板Ⅱ36、声发射探头放置室40和声发射探头放置室盖板41共同组成声发射特制压头14；所述的密封系统主要是实现试件在直剪-渗流过程中的密封，首先将所述的单裂隙岩石试件12与上下声发射特制压头14对齐，接着再将所述的方形压头3置于声发射特制压头3的上下两端，然后利用电工胶带自下而上将试件和压头粘为一体，接着将该整体套入热缩套管11中，并用热风机反复上下吹拂热缩套管11四周，待热缩套管12与单裂隙岩石试件间空气完全被排空，然后用铁丝10将热缩套管12的两端缠绕数圈并拧紧，最后将该整体置于所述的三轴压力室20内进行试验；所述的数据采集系统30指对变形、压力等数据的监测采集，试验过程中的剪切位移由轴向位移传感器（4）进行测量，且其在安装时要恰好接触到所述的转换压头9的45o斜面，试验中的法向位移采用径向位移传感器5进行测量，另外，通过压力传感器22、23、24实现三轴压力室17的围压、入口压力和出口压力等数据的测量，所有这些测量元件的导线都本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪‑渗流试验装置，其特征在于是一种适用于单裂隙岩石试件在静水压力条件下的直剪‑渗流试验装置，该装置由加载系统、声发射监测系统、密封系统、数据采集系统、岩石试件前处理系统和裂隙面数据处理系统等组成；其所述的加载系统由三轴压力室（17）、三轴压力室底座（20）、流体注入系统（16）、围压加载跟踪系统（18）和电液伺服加载试验系统（29）组成，三轴压力室分为上腔体（26）和下腔体（27），两个腔体通过上下腔体连接管（7）连接，轴向加载杆（25）贯穿两个腔体，其上端受电液伺服加载试验系统（29）控制进行加载，而中部连接有上腔体活塞板（1），并用O型圈（13）密封，上腔体活塞板（1）可随下腔体（27）内部油压变化而上下移动，既保证了下腔体（27）内的静水压力状态，也保证了轴向加载杆（25）能够对试件施加偏应力，轴向加载杆（25）下端设置有球形压头（2），球形压头（2）下端设置有转换压头（9），转换压头（9）上端设计为圆柱形，下端设计为方形，而转换压头下端还置有方形压头（3），方形压头内设计有“L”型渗流孔，其中孔的一端连接压头的下端口，而孔的另一端连接压头侧端口，侧端口通过管线（28）连接出三轴压力室（17）外部，方形压头（3）下端还置有声发射特制压头（14），其下端用于放置特殊加工的单裂隙岩石试件（12），其中单裂隙岩石试件（12）下端依次再放置有声发射特制压头（14）和方形压头（3），整个三轴压力室（17）用凹型环形卡套（6）实现密封，并通过定位销（21）置于电液伺服加载系统（29）中，流体注入系统（16）和围压加载跟踪系统（18）分别通过三轴室内外管线为单裂隙试件（12）提供渗透压和围压，且分别采用围压传感器（22）、入口压力传感器（23）和出口压力传感器（24）来监测围压、流体注入口和流体出口（31）的压力值，流体出口的流量用高精度电子天平（15）监测，三轴压力室（17）内部油体的充满与否可通过溢流阀（8）来控制；所述的声发射系统用于监测单裂隙岩石试件（12）在直剪‑渗流作用下的破裂现象，主要包括声发射传感器（35）和声发射特制压头（14），其中声发射传感器（35）采用美国美国声学物理公司PAC生产的PCI‑2型传感器，而声发射特制压头（14）由四部分构成，分别为声发射探头放置室（40）、声发射探头放置室盖板（41）、导流压板Ⅰ（32）和导流压板Ⅱ（36），其中导流压板Ⅱ（36）中部设置有环形导流水槽（43），而导流水槽（43）的内外侧均设置有环形O型圈（45），在环形导流槽（43）内开有导流孔（44），另外，所述的导流压板Ⅰ（32）的中部设置有4个导流管（46），且外侧同样置有环形O型圈（45），具体的安装流程为：首先将所述的导流压板Ⅱ（36）置于单裂隙岩石试件（12）的上端面并对齐，然后将所述的声发射探头放置室（40）对齐置于导流压板Ⅱ（36）上，接着将3个声发射传感器探头（35）均匀摆放于所述的声发射探头放置室（40）内，然后在声发射传感器（35）和声发射探头放置室（40）间均匀涂抹凡士林（34）,并将声发射探头引出线（42）由声发射探头放置室（40）侧端引出，并用环氧树脂结构胶（39）密封，然后将声发射探头放置室盖板（41）与声发射探头放置室（40）间用螺丝（38）拧紧，最后将导流压板Ⅰ（32）的四根导流管（46）依次穿过声发射探头放置室（40）和声发射探头放置室盖板（41）上的四根导流孔，至此，导流压板Ⅰ（32）、导流压板Ⅱ（36）、声发射探头放置室（40）和声发射探头放置室盖板（41）共同组成声发射特制压头（14）；所述的密封系统主要是实现试件在直剪‑渗流过程中的密封，首先将所述的单裂隙岩石试件（12）与上下声发射特制压头（14）对齐，接着再将所述的方形压头(3)置于声发射特制压头（3）的上下两端，然后利用电工胶带自下而上将试件和压头粘为一体，接着将该整体套入热缩套管（11）中，并用热风机反复上下吹拂热缩套管（11）四周，待热缩套管（12）与单裂隙岩石试件间空气完全被排空，然后用铁丝（10）将热缩套管（12）的两端缠绕数圈并拧紧，最后将该整体置于所述的三轴压力室（20）内进行试验；所述的数据采集系统（30）主要包括变形、压力数据的监测采集，试验过程中的剪切位移由轴向位移传感器（4）进行测量，且其在安装时要恰好接触到所述的转换压头（9）的45...

【技术特征摘要】
1.一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于是一种适用于单裂隙岩石试件在静水压力条件下的直剪-渗流试验装置，该装置由加载系统、声发射监测系统、密封系统、数据采集系统、岩石试件前处理系统和裂隙面数据处理系统等组成；其所述的加载系统由三轴压力室（17）、三轴压力室底座（20）、流体注入系统（16）、围压加载跟踪系统（18）和电液伺服加载试验系统（29）组成，三轴压力室分为上腔体（26）和下腔体（27），两个腔体通过上下腔体连接管（7）连接，轴向加载杆（25）贯穿两个腔体，其上端受电液伺服加载试验系统（29）控制进行加载，而中部连接有上腔体活塞板（1），并用O型圈（13）密封，上腔体活塞板（1）可随下腔体（27）内部油压变化而上下移动，既保证了下腔体（27）内的静水压力状态，也保证了轴向加载杆（25）能够对试件施加偏应力，轴向加载杆（25）下端设置有球形压头（2），球形压头（2）下端设置有转换压头（9），转换压头（9）上端设计为圆柱形，下端设计为方形，而转换压头下端还置有方形压头（3），方形压头内设计有“L”型渗流孔，其中孔的一端连接压头的下端口，而孔的另一端连接压头侧端口，侧端口通过管线（28）连接出三轴压力室（17）外部，方形压头（3）下端还置有声发射特制压头（14），其下端用于放置特殊加工的单裂隙岩石试件（12），其中单裂隙岩石试件（12）下端依次再放置有声发射特制压头（14）和方形压头（3），整个三轴压力室（17）用凹型环形卡套（6）实现密封，并通过定位销（21）置于电液伺服加载系统（29）中，流体注入系统（16）和围压加载跟踪系统（18）分别通过三轴室内外管线为单裂隙试件（12）提供渗透压和围压，且分别采用围压传感器（22）、入口压力传感器（23）和出口压力传感器（24）来监测围压、流体注入口和流体出口（31）的压力值，流体出口的流量用高精度电子天平（15）监测，三轴压力室（17）内部油体的充满与否可通过溢流阀（8）来控制；所述的声发射系统用于监测单裂隙岩石试件（12）在直剪-渗流作用下的破裂现象，主要包括声发射传感器（35）和声发射特制压头（14），其中声发射传感器（35）采用美国美国声学物理公司PAC生产的PCI-2型传感器，而声发射特制压头（14）由四部分构成，分别为声发射探头放置室（40）、声发射探头放置室盖板（41）、导流压板Ⅰ（32）和导流压板Ⅱ（36），其中导流压板Ⅱ（36）中部设置有环形导流水槽（43），而导流水槽（43）的内外侧均设置有环形O型圈（45），在环形导流槽（43）内开有导流孔（44），另外，所述的导流压板Ⅰ（32）的中部设置有4个导流管（46），且外侧同样置有环形O型圈（45），具体的安装流程为：首先将所述的导流压板Ⅱ（36）置于单裂隙岩石试件（12）的上端面并对齐，然后将所述的声发射探头放置室（40）对齐置于导流压板Ⅱ（36）上，接着将3个声发射传感器探头（35）均匀摆放于所述的声发射探头放置室（40）内，然后在声发射传感器（35）和声发射探头放置室（40）间均匀涂抹凡士林（34）,并将声发射探头引出线（42）由声发射探头放置室（40）侧端引出，并用环氧树脂结构胶（39）密封，然后将声发射探头放置室盖板（41）与声发射探头放置室（40）间用螺丝（38）拧紧，最后将导流压板Ⅰ（32）的四根导流管（46）依次穿过声发射探头放置室（40）和声发射探头放置室盖板（41）上的四根导流孔，至此，导流压板Ⅰ（32）、导流压板Ⅱ（36）、声发射探头放置室（40）和声发射探头放置室盖板（41）共同组成声发射特制压头（14）；所述的密封系统主要是实现试件在直剪-渗流过程中的密封，首先将所述的单裂隙岩石试件（12）与上下声发射特制压头（14）对齐，接着再将所述的方形压头(3)置于声发射特制压头（3）的上下两端，然后利用电工胶带自下而上将试件和压头粘为一体，接着将该整体套入热缩套管（11）中，并用热风机反复上下吹拂热缩套管（11）四周，待热缩套管（12）与单裂隙岩石试件间空气完全被排空，然后用铁丝（10）将热缩套管（12）的两端缠绕数圈并拧紧，最后将该整体置于所述的三轴压力室（20）内进行试验；所述的数据采集系统（30）主要包括变形、压力数据的监测采集，试验过程中的剪切位移由轴向位移传感器（4）进行测量，且其在安装时要恰好接触到所述的转换压头（9）的45o斜面，试验中的法向位移采用径向位移传感器（5）进行测量，另外，通过压力传感器（22）、（23）、（24）实现三轴压力室（17）的围压、入口压力和出口压力数据的测量，所有这些测量元件的导线都从三轴压力室（17）引出，然后接入电脑进行测量；所述的岩石试件前处理系统指对单裂隙岩石试件（12）的加工处理，将50mm×50mm×100mm的长方体岩石试件劈成两块，分别为A块体（48）和B块体（49），分别切割A块体的上端面和B块体下端面长约20mm的长度，并用硅橡胶（33）填补至原来形状，在A块体（48）和B块体（49）的端面中部钻取导流孔（19）和导流缝（47），其中导流缝（47）长约80mm，深约2mm；所述的裂隙面数据处理系统指对A块体（48）和B块体（49）在试验前后的裂隙表面进行扫描，用于表征直剪-渗流试验对岩石裂隙面的损伤作用。2.根据权利要求书1所述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于所述的三轴压力室（17）主要用于施加静水压力，最大应力可达10MPa，电液伺服加载试验系统（29）用于施加剪切应力，控制精度可达0.0001KN/s或0.0001mm/s，流体注入系统则用于施加渗透压力，最大可达20MPa，声发射监测系统用于监测直剪-渗流试验过程中的裂隙面破损演化，轴向位移传感器（4）和径向位移传感器（5）分别用于监测试验过程中的剪切位移和法向位移，精度都可达0.001mm。3.根据权利要求书1所述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，所述的单裂隙岩石试件（12）为长方体形状，须用巴西劈裂装置进行单裂隙面的制取，试件底面尺寸为50×50mm，而长度方向可任意选取，为100~200mm。4.根据权利要求书1所述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁卫国，陈跃都，杨健锋，廉浩杰，胡耀青，肖宁，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14