[发明专利]一种单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置与试验方法

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，属于岩石及岩体力学领域。其特征在于本发明的装置由加载系统、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。

主权项

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)置于电液伺服加载试验系统(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岩石试件(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，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)，而环形导流水槽(43)的内外侧均设置有环形O型圈(45)，在环形导流水槽(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(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(14)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(11)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(11)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(17)内进行试验；所述的数据采集系统(30)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°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，通过围压传感器(22)、入口压力传感器(23)和出口压力传感器(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80mm，深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。/n