[发明专利]一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统及试验方法

权利要求书

1.一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，其特征在于，包括裂隙剪切装置、岩石常规三轴压缩装置、渗透压力伺服装置、流量测量装置以及数据采集处理装置；

所述裂隙剪切装置包括用于放置裂隙试样(5)的上置裂隙剪切装置和下置裂隙剪切装置以及封水胶套(7)和封水箍(9)；所述上置裂隙剪切装置放置于裂隙试样(5)上端面，所述下置裂隙剪切装置放置于裂隙试样(5)下端面；所述上置、下置裂隙剪切装置以及裂隙试样(5)均为圆柱形；所述上置、下置裂隙剪切装置结构相同，主要由刚性剪切垫片(2)、L型柔性剪切垫片(6)、圆形透水钢片(3)、半圆形透水钢片(12)依次顺序相连构成；所述裂隙试样(5)、上置裂隙剪切装置和下置裂隙剪切装置由封水胶套(7)封装，并由封水箍(9)固定在压力活塞(29)和底座(30)之间；

所述岩石常规三轴压缩装置、所述渗透压力伺服装置、所述流量测量装置分别与所述裂隙剪切装置连接；

所述岩石常规三轴压缩装置、所述渗透压力伺服装置、所述流量测量装置还分别与所述数据采集处理装置连接。

2.根据权利要求1所述的适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验体统，其特征在于，所述岩石常规三轴压缩装置包括第一液压阀门(4)、第二液压阀门(14)、第四液压阀门(19)、第五液压阀门(22)、轴压伺服高精度液压泵(18)、围压伺服高精度液压泵(21)、轴压传感器(20)、围压传感器(23)、千斤顶(1)、压力活塞(29)、三轴压力室(8)、底座(30)、流体回收容器(15)；所述轴压伺服高精度液压泵(18)、轴压传感器(20)、第四液压阀门(19)、千斤顶(1)依次顺序连接，所述围压伺服高精度液压泵(21)、围压传感器(23)、第五液压阀门(22)依次顺序连接；三轴压力室(8)上端通过压力活塞(29)与千斤顶(1)连接，左端与第五液压阀门(22)相连，右端通过第一液压阀门(4)、下端通过第二液压阀门(14)分别与流体回收容器(15)相连；三轴压力室(8)底部的底座(30)与裂隙剪切装置连接；轴压伺服高精度液压泵(18)、轴压传感器(21)、围压伺服高精度液压泵(20)、围压传感器(23)还分别与数据采集处理装置连接。

3.根据权利要求2所述的适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验体统，其特征在于，所述渗透压力伺服装置包括供水钢瓶(25)、水阀(24)、渗压伺服高精度液压泵(26)、第六液压阀门(27)、渗透压力传感器(13)、渗透进口管道(31)以及渗透出口管道(32)；所述供水钢瓶(25)、水阀(24)、渗压伺服高精度液压泵(26)、第六液压阀门(27)、渗透压力传感器(13)、渗透进口管道(31)依次顺序相连；所述渗透进口管道(31)前与渗透压力传感器(13)连接后与下置裂隙剪切装置连接，渗透出口管道(32)前与上置裂隙剪切装置连接后与流量测量装置连接，渗透出口管道(32)通过裂隙试样(5)与渗透进口管道(31)连接；渗压伺服高精度液压泵(26)、渗透压力传感器(13)还分别与数据采集处理装置连接。

4.根据权利要求3所述的适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，其特征在于：所述上置裂隙剪切装置与压力活塞(29)下端连接，所述上置裂隙剪切装置的圆形透水钢片(12)通过压力活塞(29)与千斤顶(1)连接，所述上置裂隙剪切装置的圆形透水钢片(12)还与渗透出口管道(32)相连；所述下置裂隙剪切装置与底座(30)上端连接，所述下置裂隙剪切装置的圆形透水钢片(12)与底座(30)相连，所述下置裂隙剪切装置的圆形透水钢片还与渗透进口管道(31)相连；所述上置裂隙剪切装置的半圆形透水钢片与下置裂隙剪切装置的半圆形透水钢片通过放置于两者之间的裂隙试样(5)相连。

5.根据权利要求4所述的适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，其特征在于：所述流量测量装置包括第三液压阀门(16)和高精度自动电子天平(17)；所述第三液压阀门(16)上与渗透出口管道(32)相连、下与高精度自动电子天平(17)连接，高精度自动电子天平(17)与数据采集处理装置连接。

6.根据权利要求5所述的适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，其特征在于：所述数据采集处理装置包括计算机采集及处理系统(28)。

7.一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验体统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，取样装样：钻取标准岩石试样，采用改进巴西劈裂法生成裂隙，将制备好的裂隙试样(5)端部放置裂隙剪切装置，并放入封水胶套(7)中装样；

步骤2，三轴室充油：装样完成后，合上三轴室，然后依次打开第五液压阀门(22)和第一液压阀门(4)，给三轴压力室(8)充液压油，以驱赶三轴压力室(8)里面的空气，液压油通过管道形成循环，说明三轴压力室(8)已经充满，此时关闭第一液压阀门(4)；

步骤3，力学加载：三轴压力室充油满后，通过围压伺服高精度液压泵(21)将三轴压力室(8)内压力施加至预定法向压力值，然后打开轴压伺服高精度液压泵(18)给千斤顶(1)里面的气缸施加液压，然后通过压力活塞(29)把剪切压力值施加到裂隙试样(5)；剪切压力加载可以选用位移、轴向应变率、常压力梯度和变应力梯度四种方式控制，为了开展剪切过程中的渗流实验，在剪切压力加载时先采用轴向应变率控制施加剪切位移到设定值，此时为了维护剪切位移在这个值不变，改为常位移的加载方式加载，相应的剪切压力通过轴压传感器(20)实时采集；

步骤4，流体渗透；具体包括如下子步骤：

步骤4.1，试样饱和过程：依次打开第三液压阀门(16)和第六液压阀门(27)，然后通过渗压伺服高精度液压泵(26)，采用蒸馏水饱和裂隙，饱和的目的主要是驱赶裂隙空隙中的空气，并浸润裂隙周围的岩块；

步骤4.2，渗透实验：待试样饱和后，梯级施加渗透压，在每级渗透压稳定后，通过高精度自动电子天平(17)和数据采集系统测定并记录裂隙的流量，开展不同水力梯度下裂隙渗流试验；

步骤5，重复步骤3，保持法向压力值不变，施加剪切位移到下一级设定值，然后重复步骤4进行当前剪切位移值下的渗流实验；在法向和剪切压力全过程中，通过数据采集系统实时测量记录裂隙试样当前法向压力、剪切压力值，法向、剪切变形值，并测量记录流体渗透实验的渗压值和相应流量值；数据处理系统绘制出相应的剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移、渗透率-剪切位移、渗流非线性系数-剪切位移、临界雷诺数-剪切位移曲线，并进行存储及显示；重复步骤4至步骤5，直到剪切过程结束；

步骤6，卸压拆样：通过计算机采集及处理系统(28)卸除剪切压力、法向压力至管道残余值后关闭第四液压阀门(19)和第五液压阀门(22)，依次打开第二液压阀门(14)和第一液压阀门(4)，液压油排净后依次关闭第一液压阀门(4)和第二液压阀门(14)，打开三轴压力室(8)拆除裂隙试样(5)，试验完毕。