一种水力耦合试验三维裂隙类岩石试件的制作装置及方法与流程

本发明涉及一种制作类岩石材料的试样制作装置及方法，尤其是一种三维裂隙类岩石试件制作装置及方法。

背景技术：

近年来，随着我国水利水电、交通工程的建设重心向地形和地质复杂的西部地区转移，大量深长隧洞(隧道)、地下硐室修建于高山峡谷区，呈现出大埋深、高地应力、强渗透压的显著特点，为工程建设带来极大挑战。在高地应力、强渗透压的耦合作用下，工程裂隙岩体极易发生破裂演化，导致岩体强度弱化和工程结构失稳，进而诱发严重的工程事故。水利大坝失事、矿井坍塌以及岩质边坡失稳事故往往与水力耦合作用下裂隙岩体的破裂有关。因此，明确水力耦合作用下裂隙岩体的破裂机理，掌握裂隙扩展演化规律及其对岩体宏观力学行为的影响，是控制工程事故发生、确保建设和运营期安全所应亟需解决的关键科学问题。但目前还缺乏水力耦合作用下裂隙岩体的破裂机理的深入研究。

室内试验是研究水力耦合作用下三维裂隙岩体的破裂机理的有效手段，然而，国内外关于裂隙岩体的破裂机理研究大都基于纯应力环境下开展的，另外有关耦合作用下裂隙扩展以及水压致裂机理的研究也大都采用二维模型，下面将具有代表性的用于岩体裂隙破裂试验的模具及操作工艺简介如下：

2009年1月，公开号为cn101462854a的中国专利申请《用于制作类岩石的脆性材料及其试件预制裂隙的制备方法》中，提出了一种用于制作含三维裂隙类岩石的脆性材料及其试件预制裂隙的制备方法，采用内裂纹固定器和细棉线固定模拟裂隙的片状材料，在纯应力环境下进行裂隙岩体破裂试验。

2013年12月，公开号为cn103674658a的中国专利申请《一种随机裂隙试验模型的制备方法》中，提出了一种将不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机参入到连续介质的试验模型，适用于大型相似模拟试验，在纯应力环境下进行裂隙岩体破裂试验。

2015年3月，公开号为cn104833556a的中国专利申请《裂隙网络岩体试样的制作方法及其制样模具》中，提出了一种不透明的内含非随机三维裂隙网络岩石试样的制作方法，用水溶纸模拟内置裂隙网络，用水溶线定位裂隙网络，用煮沸法饱和试样，适用于纯应力环境下裂隙岩体破裂试验。

2016年5月，公开号为cn105973667a的中国专利申请《一种页岩水力压裂实验样品的制备方法》中，提出了一种页岩水力压裂实验样品的制备方法，现场取原样，采用高压水射流技术制作贯穿裂缝，适用于水力压裂试验。

2016年8月，公开号为cn106226135a的中国专利申请《一种水力压裂试块导向槽制作装置及制作方法》中，提出了一种水力压裂试块导向槽制作装置及制作方法，采用钢管、铁锥、牵引线和圆木棍预制导向槽。预制一个水平方向导向槽，适用于水力压裂试验。

上述代表性的提出了岩石裂隙试件制作方法和用于水力压裂试件的制作方法，在一定程度上解决了岩石裂隙试件和水力压裂试件的制作问题，但仍存在如下不足：

(1)已有的岩石裂隙试件的制作方法适用于纯应力环境下裂隙岩体的破裂机理的研究，没有涉及水力耦合岩石裂隙破坏机理的试件制作装置和制作方法。

(2)已有水力压裂试件的制作方法适用于水压作用下二维裂隙岩体的破裂机理的研究，没有涉及水压作用下三维裂隙岩体破坏机理的试件制作装置和制作方法。

(3)已有的岩石裂隙试件将水力耦合作用与三维裂隙两种试验因数分开考虑制作，没有涉及水力耦合作用下三维裂隙岩体破裂机理的试件制作装置和制作方法。

如何在类岩材料或相似材料中设置水压和多组裂隙是研究成功的关键，解决这一问题的方法在于制作试件装置上。目前，对水力耦合作用下裂隙岩体的破裂机理研究所进行的室内试验很少，用于岩体三维裂隙注水破裂试验样品的制作装置，尚未有人做过，因而研究一种用于岩体三维裂隙注水破裂试验的试件制作装置及制作方法具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水力耦合试验三维裂隙类岩石试件的制作装置及方法。本发明基于环向分布孔与横向分布孔相结合的方法，利用定位孔板实现了多条三维裂隙角度、间距及空间位置的精确定位，基于软管成孔、硬芯支撑的方法，利用小孔径橡胶水管与芯棒在试件中预制水力通道并连通张开型裂隙，实现了张开型裂隙的高压注水。本方明结构简单、操作方便、定位精确，可广泛应用于三维裂隙类岩石材料水力耦合试验。

为实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：

一种水力耦合试验三维裂隙类岩石试件的制作装置，其特征在于，包括用于精确定位多条三维裂隙及制备试件成型的三维裂隙精确定位试件模具和用于预制高压注水三维裂隙并形成注水通道的高压注水三维裂隙预制装置；

所述的三维裂隙精确定位试件模具，包括由两个侧板和一个底板形成的槽状结构，在所述的槽状结构内依次插装有多个定位孔板，在所述的定位孔板上设有多个定位孔；所述的定位孔可以定位倾斜角度和不同间距的裂隙；

所述的高压注水三维裂隙预制装置，包括聚酯薄膜盒，所述的聚酯薄膜盒与橡胶水管相连，用于形成水通道设置裂隙水压；所述的橡胶水管内设有用于对其进行支撑的芯棒，所述的芯棒与旋转把手相连；

所述的旋转把手插装在于其中一个侧板上，所述的聚酯薄膜盒与橡胶水管位于定位孔板与侧板形成的试件成型腔内用于形成三维裂隙。

进一步的，所述的侧板上设有用于插装定位孔板的纵向凹槽和用于插装底板的横向凹槽；每个纵向凹槽上开设两个用于固定定位孔板、底板以及侧板的内螺纹孔；在所述的侧板上所预制每个试件的端面上开设内螺纹孔，在不同侧板断面上开设不同位置的内螺纹孔，用于形成不同轴心间距的双裂纹或多裂纹。

进一步的，所述的底板长度与侧板长度相同，底板宽度为试件高度与两凹槽厚度之和，底板厚度与凹槽宽度相同，在每个纵向凹槽与横向凹槽交汇处相应的底板上开设内螺纹孔。

进一步的，在所述的定位孔板上设有用于定位裂隙角度的分布成圆形的孔和用于定位裂隙间距的分布成直线的孔，利用环向辅助线和横向辅助线将定位裂隙角度的孔和定位裂隙间距的孔进行孔位结合，形成孔位分布整体。

进一步的，所述的定位孔板可分为单双裂隙定位孔板和三裂隙定位孔板两种类型板件，单双裂隙定位孔板可定位单个或两个预制裂隙，三裂隙定位孔板可定位三个预制裂隙。

进一步的，所述的聚酯薄膜盒，由两片相同的聚酯薄膜片按照不同的形状进行叠放后粘结而成，使两个聚酯薄膜片之间形成封闭空腔，保证制作试件时液体不会进入腔内，进行加压测试时可形成水力通道。

进一步的，所述的聚酯薄膜盒外粘结有棉线，棉线两端分别穿过两侧定位孔板孔并固定于定位孔板上，并使聚酯薄膜盒中轴置于两侧定位孔板中间处。

进一步的，多个所述的聚酯薄膜盒之间用橡胶水管连接。

进一步的，所述的芯棒，直径略小于橡胶水管的直径，芯棒上涂有润滑油，将芯棒置于橡胶水管内，使芯棒前端抵在聚酯薄膜盒空腔内侧，芯棒末端抵到安装旋转把手的侧板内侧。

本发明还提供了一种水力耦合试验三维裂隙类岩石试件的制作方法，包括以下步骤：

(1)首先将底板两侧长边分别安插到侧板i、侧板ii的横向凹槽上；

(2)然后将试验方案所要求的相同孔位的定位孔板安插到中间一组纵向凹槽内，再把已安装定位孔板的纵向凹槽拧上螺丝，使结构达到半稳定状态；

(3)然后将试验方案所要求的两片聚酯薄膜片的内边缘用高强胶粘接在一起，形成聚酯薄膜盒，在聚酯薄膜盒中心处开孔，用高强胶粘结橡胶水管，再将两根棉线用高强胶粘结聚酯薄膜盒；若试验方案要求预制多裂隙则制作相同数量的聚酯薄膜盒，聚酯薄膜盒之间用橡胶水管连接。

(4)然后将已粘好的聚酯薄膜盒的棉线分别穿过两侧定位孔板所对应设定角度的孔内并拉紧打结固定，再将裂隙类型所对应的芯棒涂上润滑油并置于橡胶水管内，拧上手扭螺丝；

(5)对于两侧的定位孔板组，重复(2)、(3)、(4)步骤，再上紧所有的螺丝和旋转把手；

(6)最后将制作试样的材料倒入试件制作装置内，将试件制作装置放到振动台，不断填料、捣实，直到填满试件制作装置，然后搁置、拆模、保养，用于三维裂隙类岩石材料水力耦合试验。

本发明有益效果表现在以下几个方面：

(1)本发明使用模具组思路，既较好实现了一次成型多个试件，又保证了在相同环境下制作试件，使试件更加具有均一性；

(2)本发明使用定位孔板巧妙的将框架结构与裂隙定位装置相结合，既实现了裂隙定位，又节省了材料，简化了操作工艺。

(3)本发明使用环向辅助线和横向辅助线定位裂隙角度和裂隙间距，并将定位裂隙角度的孔和定位裂隙间距的孔进行孔位结合，形成孔位分布整体，即巧妙地解决了多位裂隙角度和间距难以定位的问题，又有效地提高孔位使用率。

(4)本发明使用橡胶水管和芯棒相结合的方式预制裂隙水力通道，橡胶水管利用粘接方式较好连接聚酯薄膜盒，保证了过水通道的密封性使水压在聚酯薄膜盒释放；芯棒用于支撑橡胶水管，防止在制作试样时橡胶水管被制作试样的材料挤扁，较好解决了试件难以预置水力通道(设置水压)的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的模具整体示意图；

图2为本发明实施例提供的单双裂隙定位孔板示意图；

图3为本发明实施例提供的三裂隙定位孔板示意图；

图4为本发明实施例提供的聚酯薄膜盒、橡胶水管和棉线粘结示意图；

图5为本发明实施例提供的单、双、三裂隙的高水压裂隙预制装置示意图；

图6为本发明实施例提供的聚酯薄膜片和橡胶水管粘接放样图；

其中1.侧板i，2.侧板ii，3.底板，4.定位孔板，5.手扭螺丝，6.芯棒，7.横向辅助线，8.环向辅助线，9.橡胶水管，10.聚酯薄膜盒，11.棉线，12.聚酯薄膜片，13.高强胶。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，水力耦合试验三维裂隙类岩石试件的制作装置，包括三维裂隙精确定位试件模具和高压注水三维裂隙预制装置，三维裂隙精确定位试件模具用于精确定位多条三维裂隙及制备试件成型，高压注水三维裂隙预制装置用于预制高压注水三维裂隙并形成注水通道。

如图1所示，三维裂隙精确定位试件模具，包含由侧板i1、侧板ii2、底板3和六个定位孔板4，板件均采用钢材。侧板i1、侧板ii2、底板3和六个定位孔板4形成框架结构，用于试件成型，特别的，侧板i1、侧板ii2和定位孔板4还用于三裂裂隙精确定位。

如图1所示，侧板i1、侧板ii2内侧面上均车削出六个纵向凹槽和一个横向凹槽，每隔两个纵向凹槽根据试件宽度组成一组，两组纵向凹槽间留有间隙，纵向凹槽与横向凹槽相互垂直且宽度均与定位孔板4的厚度相同，纵向凹槽的长度与试件的宽度相同，横向凹槽的长度与侧板长度相同。每个纵向凹槽上开设两个m4的内螺纹孔，一个螺纹孔位于纵向凹槽与横向凹槽交汇处的中心，另一个螺纹孔位于纵向凹槽的上半部，另外在侧板上所预制每个试件的端面上开设m6内螺纹孔，在不同侧板断面上开设不同位置的m6内螺纹孔，用于形成不同轴心间距的双裂纹或多裂纹。

如图1所示，底板长度与侧板长度相同，底板宽度为试件高度与两凹槽厚度之和，底板厚度与凹槽宽度相同，在每个纵向凹槽与横向凹槽交汇处相应的底板上开设m4的内螺纹孔。

如图1-3所示，定位孔板4高度与试件高度相同，定位孔板4长度与底板3宽度相同，定位孔板4厚度与凹槽宽度相同，在纵向凹槽上半部内螺纹对应的定位孔板4上开设m4的内螺纹孔。定位孔板4可定位倾斜角度和不同间距的裂隙，分布成圆形的孔定位裂隙角度，分布成直线的孔定位裂隙间距，利用环向辅助线8和横向辅助线7将定位裂隙角度的孔和定位裂隙间距的孔进行孔位结合，形成孔位分布整体，提高孔位使用率，减少孔位使用量。定位孔板4可分为单双裂隙定位孔板和三裂隙定位孔板两种类型板件，单双裂隙定位孔板可定位单个或两个预制裂隙，三裂隙定位孔板可定位三个预制裂隙。

如图4-5所示，高压注水三维裂隙预制装置，包括聚酯薄膜盒10、棉线11、橡胶水管9、芯棒6和手扭螺丝5。聚酯薄膜盒10用于形成三维裂隙，棉线11用于固定聚酯薄膜盒10，橡胶水管9用于形成水通道设置裂隙水压，芯棒6用于支撑橡胶水管9和聚酯薄膜盒10，手扭螺丝5配合侧板i1用于固定芯棒6。

如图6所示，聚酯薄膜盒9由两片相同的聚酯薄膜片12按同形状叠放，然后将叠放的两个聚酯薄膜片12内边缘采用高强胶13粘结，使两个聚酯薄膜片12之间形成封闭空腔，保证制作试件时液体不会进入腔内，进行加压测试时可形成水力通道，聚酯薄膜盒采用椭圆形，圆形，三角形，菱形和正方形，各形状的聚酯薄膜盒选取不同尺寸，从而形成不同形状大小的裂隙。

如图4所示，棉线11粘结于聚酯薄膜盒10外侧面，采用两条棉线11粘结聚酯薄膜盒10，保持两条棉线11相互平行，棉线11与聚酯薄膜盒10长轴垂直(以椭圆形聚酯薄膜为例)，棉线11两端分别穿过两侧定位孔并固定于定位孔板4上，并使聚酯薄膜盒10中轴置于两侧定位孔板4中间处。

如图1、图5-6所示，橡胶水管9粘结于聚酯薄膜盒10中心处，先在聚酯薄膜盒10中心处开孔，设定再聚酯薄膜盒10的角度和间距，然后将橡胶水管9斜交与聚酯薄膜盒10侧面中心开孔处并用高强胶13粘结，使拉直后的橡胶水管9轴向与试件的长度方向水平。靠近侧板i1的聚酯薄膜盒10侧面上粘接的橡胶水管9拉直后保证达到侧板i1内侧，靠近侧板ii2的聚酯薄膜盒10侧面上不粘接橡胶水管。若使用多个聚酯薄膜盒10时，聚酯薄膜盒10之间用橡胶水管9连接。

如图1、图5所示，芯棒6直径略小于橡胶水管9的直径，芯棒6上涂有润滑油，将芯棒6置于橡胶水管9内，使芯棒6前端抵在靠近侧板ii2的聚酯薄膜盒空腔内侧，芯棒6末端抵到侧板i1内侧。芯棒6根据适用的裂隙类型可分为单裂隙芯棒，双裂隙芯棒和三裂隙芯棒，区别在于芯棒的长度不同。

(5)如图1、图5所示，手扭螺丝5的螺纹段中轴与芯棒6中轴在一条线上，手扭螺丝5螺纹段与芯棒6末端焊接，手扭螺丝5旋拧在侧板i1内置螺纹孔内且保证焊接面位于侧板i1内侧平面内。

本发明还公开了一种用于类岩石材料三维裂隙注水破裂试验的试件制作方法，包括以下步骤：

如图1所示，首先将底板3两侧长边分别安插到侧板i1、侧板ii2的横向凹槽上。

如图1所示，然后将试验方案所要求的相同孔位的定位孔板4安插到中间一组纵向凹槽内，再把已安装定位孔板4的纵向凹槽拧上m4螺丝，使结构达到半稳定状态；

如图4-6所示，然后将试验方案所要求的两片聚酯薄膜片12的内边缘用高强胶13粘接在一起，形成聚酯薄膜盒10，在聚酯薄膜盒10中心处开孔，用高强胶13粘结橡胶水管9，再将两根棉线11用高强胶13粘结聚酯薄膜盒10。若试验方案要求预制多裂隙则制作相同数量的聚酯薄膜盒10，聚酯薄膜盒10之间用橡胶水管9连接。

如图1、图5所示，然后将已粘好的聚酯薄膜盒10的棉线分别穿过两侧定位孔板4所对应设定角度的孔内并拉紧打结固定，再将裂隙类型所对应的芯棒6涂上润滑油并置于橡胶水管9内，拧上手扭螺丝5。

对于两侧的定位孔板组，重复(2)、(3)、(4)步骤，再上紧所有的m4螺丝和手扭螺丝。

最后将制作试样的材料倒入试件制作装置内，将试件制作装置放到振动台，不断填料、捣实，直到填满试件制作装置，然后搁置、拆模、保养，用于三维裂隙类岩石材料水力耦合试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。