[发明专利]一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法

权利要求书

1.一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：包括端部带有试样腔室(7)的试样夹持器(1)、试样(2)、端部带有内凹腔(29)的内凹端头(14)、位移传感(5)、加载系统，所述试样(2)包括上岩块(201)、中岩块(202)、下岩块(203)，所述上岩块(201)、下岩块(203)对称设置在中岩块(202)的上下两侧，所述中岩块(202)与上岩块(201)、下岩块(203)之间分别填充有第一层充填泥(301)、第二层充填泥(302)，所述内凹端头(14)将上岩块(201)、下岩块(203)固定在试验夹持器(1)的试样腔室(7)内，所述上岩块(201)、下岩块(203)之间形成可供中岩块(202)滑动的轴压腔室(8)，所述上岩块(201)、下岩块(203)与试样腔室(7)外壁之间形成围压腔室(9)，所述中岩块(202)可滑入内凹腔(29)内，所述加载系统包括轴压组件、围压组件，所述轴压组件用于为中岩块(202)往内凹腔(29)方向提供轴向压力，所述围压组件用于为围压腔室(9)内提供压力。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述围压组件包括第一压力泵(18)，所述第一压力泵(18)通过第一连通管(19)与围压腔室(9)相连。

3.根据权利要求2所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述轴压组件包括外凸压头(12)、轴向传压轴(13)、第二压力泵(20)，所述外凸压头(12)、轴向传压轴(13)相抵触，且轴向滑动适配在试样腔室(7)内，所述外凸压头(12)的端部与中岩块(202)端部相对应，所述轴向传压轴(13)的后端与试样腔室(7)之间形成轴压加压腔室(10)，所述轴向传压轴(13)的前端与试样腔室(7)之间形成轴压泄压腔室(11)，所述第二压力泵(20)通过第二连通管(21)分别与轴压加压腔室(10)、轴压泄压腔室(11)相连。

4.根据权利要求3所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述加载系统还包括第三压力泵(22)、量杯(25)，所述第三压力泵(22)通过第三连通管(23)与轴压腔室(8)相连，所述出水管(24)的两端分别连接内凹腔(29)与量杯(25)。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：由上岩块(201)、中岩块(202)、下岩块(203)组成的试样(2)外包裹有耐压胶套(4)。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述试样腔室(7)内的上下两侧设置有隔水挡板(15)，所述上岩块(201)和下岩块(203)的两端分别抵接在内凹端头(14)和隔水挡板(15)上，所述外凸压头(12)与中岩块(202)相抵触的一端滑动适配在两个隔水挡板(15)之间。

7.根据权利要求6所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述隔水挡板(15)与外凸压头(12)之间设置有密封圈一(16)，所述轴向传压轴(13)与试样腔室(7)之间设置有密封圈二(17)。

8.根据权利要求4所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：还包括数据采集控制系统，所述数据采集控制系统包括电脑(26)和数据线(27)，所述电脑(26)通过数据线(27)与第一压力泵(18)、第二压力泵(20)、第三压力泵(22)相连。

9.根据权利要求8所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述试样腔室(7)内设置有与轴向传压轴(13)相连的位移传感(5)，所述电脑(26)通过数据线(27)与位移传感(5)相连。

10.根据权利要求9所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将上岩块(201)、中岩块(202)和下岩块(203)叠合形成包含两个交界面的试样(2)，同时往两个交界面上填充充填泥(3)，最终形成包含两个软弱面的试样(2)；

步骤二：用耐压胶套(4)包裹试样(2)，并将试样(2)装入试样夹持器(1)内的试样腔室(7)；

步骤三：通过第一压力泵(18)往围压腔室(9)注水，为试样(2)提供围压，以模拟实际地层的地应力环境；

步骤四：通过第二压力泵(20)往轴压腔室(8)注水，施加轴向压力，驱动轴向传压轴(13)、外凸压头(12)沿轴向运动，进而推动中岩块(202)沿轴向运动，并通过位移传感(5)监测轴向位移；

步骤五：通过第三压力泵(22)往试样(2)内注水，以模拟地层中的水流环境，水流经过试样(2)后，由出水管(24)进入量杯(25)，通过量杯(25)测量出流量；

步骤六：通过数据采集控制系统控制围压、轴压和注水压力的大小，并记录轴向位移、出流量等数据，进而分析由软、硬层交错形成的软弱面的失稳过程及规律；

步骤七：试验结果计算及分析：软弱面的失稳阻力系数μ测定方法为：在试验前，测定中岩块(202)的横截面积为A₁，中岩块(202)与上岩块(201)、下岩块(203)的名义接触面积为A₂，在试验过程中，记录第一压力泵(18)、第二压力泵(20)和第三压力泵(22)的注水压强P₁、P₂、P₃，因此，中岩块(202)所受到的轴向推力F₁＝P₂×A₁，中岩块(202)与上岩块(201)、下岩块(203)交界面所受到的法向压强为P₄＝P₁-(P₃/2)，相应的法向压力F₂＝P₄×A₂＝(P₁-(P₃/2))×A₂，则失稳阻力系数μ＝F₁/F₂＝(P₂×A₁)/((P₁-(P₃/2))×A₂)。