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专利名称：适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒及试验方法
技术领域：
本发明涉及一种剪切盒及试验方法，尤其是涉及适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒及试验方法。
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，I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。

发明内容
本发明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及试验方法。本发明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及试验方法。本发明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及试验方法。本发明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；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；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，所述侧向封水囊由聚氨脂制成，内部充有液压油，所述前部上横向封水条、前部下横向封水条、后部上横向封水条、后部下横向封水条均由聚氨脂制成。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。一种适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒的试验方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1，将岩石试样装入剪切盒，然后连接进水管8和出水管9，之后即可放入剪切试验机进行试验，在岩石试样上加法向力，法向力的加载采用电液伺服加载控制；法向力的加载可选择常法向应力、常法向位移和常法向刚度二种方式；步骤2，法向力加载完成后，侧向封水囊内施加高于进水压力O. 3-0. 5 MPa的侧向油压再施加水压；水压加载装置采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，其将在试样节理内形成稳定水流，其中每根注水管内水流压力和流量通过伺服控制；
步骤3，通过在出水口处安装有水流流量及水压传感器监测流量和水压。在剪切过程中，剪切力作用在上剪切垫块上，然后由上剪切垫块传递给试件，剪切力的加载采用伺服控制，侧向封水囊中油压由伺服控制，使其对试件产生一定的围压，侧向封水囊和封水条共同作用，阻止节理中水流往外渗漏；
步骤4，通过试验中采集的流量、水压、法向和切向变形、法向和切向应力数据分析出岩石节理面的水力耦合特性。因此，本发明具有如下优点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O. 05-3. O 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。


图I是本发明的一种主视结构示意图。图2是图I的俯视结构示意图。图3是沿图I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。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，侧板I、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
首先介绍一下本发明所采用的装置结构，如图I和图2所示，本发明包括底板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I均由钢材制成，底板7和两块侧板I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I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。本发明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。在本发明中，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，侧向封水囊是本发明的特点及关键部件，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。使用岩石节理剪切渗流耦合剪切盒的具体步骤如下
I、试验试样尺寸为长沿渗流方向200 mm,宽100 mm,高100 mm。试样采用岩石天然节理试样或岩石人工节理试样。天然节理可在良好露头现场切割或采样在室内加工得到，对于外部形状不规则的节理试样可用水泥砂浆进行外部包裹，制成200 X 100X 100 mm的试件。人工节理试样可由采集花岗岩、大理岩、砂岩等完整岩样，通过人工切割磨平得到200X100X100 mm的试件，然后将试块劈裂得到人工节理。2、如图3，图4所示，底板7、侧板I均由钢板制成，通过螺栓5连接起来，试样放在底板和侧板形成的空腔中。侧板上装有侧向封水囊2，它是由弹性及硬度适中的聚氨脂制成，其抗压和抗剪性能良好。岩石节理试样安装于两侧向封水囊之间，在囊内油压作用下其与侧向封水囊紧密接触，将避免水流从岩石节理缝隙的两侧流出。试验时在侧向封水囊接触的表面涂抹润滑油以最大程度消除剪切时摩擦力的影响。试样前后方向由前部上剪切垫块3、前部下剪切垫块6、后部上剪切垫块15、后部下剪切垫块16固定。上下剪切垫块上分别装有前部上横向封水条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，避免水流从剪切垫块与岩石试样之间的缝隙流出。侧向封水囊与横向封水条共同作用能够很好的起到封水效果。剪切盒两侧板I、底板7、前部下剪切垫块6以及后部下剪切垫块16均通过螺栓5固定在一起。3、按照上述方法将试样装入剪切盒，然后连接进水管8和出水管9，之后即可放入剪切试验机进行试验。首先加法向力，法向力的加载采用电液伺服加载控制。法向力的加载可选择常法向应力、常法向位移和常法向刚度三种方式。法向力加载完成后，侧向封水囊内施加高于进水压力O. 3-0. 5 MPa的侧向油压再施加水压。水压加载装置采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，其将在试样节理内形成稳定水流。其中每根注水管内水流压力和流量可伺服控制。在出水口处安装有传感器14监测流量和水压。在剪切过程中，剪切力作用在上剪切垫块上，然后由上剪切垫块传递给试件。剪切力的加载采用伺服控制。侧向封水囊2中油压由伺服控制，使其对试件产生一定的围压，侧向封水囊2、前部上横向封水条IO、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共同作用，阻止节理中水流往外渗漏。 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明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，但并不会偏离本发明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I、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发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
权利要求
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(I)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(I)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I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);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，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。
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，所述侧向封水囊(2)由聚氨脂制成，内部充有液压油，所述前部上横向封水条(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。
5.根据权利要求I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 )。
6.一种根据权利要求I所述的适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒的试验方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I，将岩石试样装入剪切盒，然后连接进水管(8 )和出水管(9 )，之后即可放入剪切试验机进行试验，在岩石试样上加法向力，法向力的加载采用电液伺服加载控制；法向力的加载可选择常法向应力、常法向位移和常法向刚度二种方式； 步骤2，法向力加载完成后，侧向封水囊(2)内施加高于进水压力O. 3-0. 5 MPa的侧向油压再施加水压；水压加载装置采用微型伺服水泵控制注水，水流通过一排小管进入后部上横向封水条18、后部下横向封水条17的后部过水通道，其将在试样节理内形成稳定水流，其中每根注水管内水流压力和流量通过伺服控制； 步骤3，通过在出水口处安装有水流流量及水压传感器(14)监测流量和水压，在剪切过程中，剪切力作用在前部上剪切垫块3和后部上剪切垫块15上，然后由前部上剪切垫块3和后部上剪切垫块15传递给试件，剪切力的加载采用伺服控制，侧向封水囊(2)中油压由伺服控制，使其对试件产生一定的围压，侧向封水囊(2)和封水条共同作用，阻止节理中水流往外渗漏； 步 骤4，通过试验中采集的流量、水压、法向和切向变形、法向和切向应力数据分析出岩石节理面的水力耦合特性。
全文摘要
本发明涉及适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒及试验方法，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。本发明的特点在于侧面密封囊、前端注水、后端集水方式的设计。使用本发明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。
文档编号G01N33/24GK102944665SQ201210477780
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者荣冠, 侯迪, 王小江, 周创兵, 陈益峰 申请人:武汉大学