拉压环剪环向渗流试验仪及其系统的制作方法

本发明涉及力学试验装置技术领域，具体而言，涉及一种拉压环剪环向渗流试验仪及其系统。

背景技术：

岩石的抗剪强度是评价岩石力学性质的重要指标之一，准确的获取强度参数对岩体工程具有重要的实际意义。现阶段，岩石抗剪强度主要通过室内试验获取，主要试验类型有：常规三轴试验、直接剪切试验及楔形剪切试验等。

分析现有的试验实现方式，岩石在受剪过程中剪切面上受力不均匀，且变形具有延迟性，不能准确反映岩石的剪切强度。在岩石拉压环剪试验仪工作过程中，施加轴力过程和扭矩的过程会相互干扰，导致施加在空心岩样上的力精度和可靠性降低，对于试验结果的获取具有较大的误差。

有鉴于此，设计制造出一种拉压环剪环向渗流试验仪，能同时完成轴向拉压试验、环剪试验以及渗流试验，既可以独立施加轴向载荷、环剪扭矩，互不干扰，也可以实现相互耦合的试验是目前力学试验装置技术领域中急需改善的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种拉压环剪环向渗流试验仪，用于岩石的拉压环剪环向渗流试验。该拉压环剪环向渗流试验仪通过采用环形试样，通过施加扭力的方式，使得岩石在剪切面上均匀受力且变形均匀。同时，可以施加轴向拉、压力，实现岩石拉、压、环剪、环向渗流及相互耦合的试验，对准确获取岩石抗剪强度、残余强度及变形，改进和完善岩石的本构关系，具有重要意义。

本发明的目的还在于提供一种拉压环剪环向渗流试验系统，包括伺服泵、液压缸和上述的拉压环剪环向渗流试验仪，该拉压环剪环向渗流试验系统控制精准，误差小，可以施加轴向拉、压力，实现岩石拉、压、环剪、环向渗流及相互耦合的试验，功能完善。

本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种拉压环剪环向渗流试验仪，所述拉压环剪环向渗流试验仪包括第一框架、第二框架、第一底板、第二底板、轴向活塞杆、扭矩传力轴、轴力传感器、扭矩传感器、上剪切盒、下剪切盒和环向渗流结构。

所述第一框架固定连接于所述第一底板，所述第二框架固定连接于所述第二底板，所述第一框架位于所述第一底板和所述第二底板之间，所述第二框架位于所述第二底板远离所述第一底板的一侧。所述上剪切盒与所述下剪切盒位于所述第二框架内，所述上剪切盒与所述下剪切盒之间固设有试样，且所述上剪切盒、所述下剪切盒、所述试样位于同一轴线上。

所述扭矩传感器设于所述扭矩传力轴上。所述扭矩传力轴的一端固定连接在所述第一底板上，另一端穿过所述第二底板与所述下剪切盒固定连接，用于将扭矩传递至所述试样。所述轴力传感器设于所述轴向活塞杆上，所述轴向活塞杆与所述上剪切盒固定连接，用于为所述试样施加轴向荷载。

所述环向渗流结构包括密封套筒、进水通道和排水通道；所述密封套筒分别与所述上剪切盒、所述下剪切盒固定连接，所述密封套筒与所述上剪切盒、所述下剪切盒之间分别设有密封圈。

所述进水通道设于所述下剪切盒，所述排水通道设于所述上剪切盒，所述试样上开设有连通所述进水通道与所述排水通道的流道，形成环向渗流通道。

进一步地，所述第一框架内设有千斤顶，所述千斤顶固定连接于所述第一框架的两侧，用于为所述扭矩传力轴施加扭矩。

进一步地，所述第一框架内设有多个支撑杆，所述支撑杆的两端分别固定在所述第一框架的两侧，用于稳定所述拉压环剪环向渗流试验仪。

进一步地，所述第二框架内设有传力板，所述传力板与所述上剪切盒固定连接，所述传力板的两端分别与所述第二框架连接，且可沿所述第二框架的内壁滑动，所述传力板用于传递施加扭矩的反力，保持所述上剪切盒的稳定。

进一步地，所述第二框架的内侧壁设有直线导轨，所述直线导轨上安装有与所述直线导轨可相对滑动的滑块，所述传力板与所述滑块固定连接，可沿所述直线导轨滑动。

进一步地，所述第一底板、所述第二底板、所述上剪切盒、所述下剪切盒、所述传力板、所述轴向活塞杆的两端面及所述扭矩传力轴的两端面两两相互平行。

进一步地，所述千斤顶与所述扭矩传感器相互平行安装，且所述千斤顶、所述扭矩传感器均与所述第一框架的侧壁垂直。所述直线导轨与所述第二框架的侧壁相互平行，所述直线导轨与所述第二底板相互垂直。

进一步地，所述第一框架包括两个相对设置的第一侧板，所述第一底板安装于两个所述第一侧板之间，所述支撑杆与所述第一侧板通过螺栓连接。

进一步地，所述第二框架包括盖板和两个相对设置的第二侧板，所述第二侧板的一端凸设有安装部，所述安装部与所述第二底板可拆卸地连接；所述盖板固定连接于所述第二侧板的另一端，所述盖板上开设有通孔，所述轴向活塞杆穿过所述通孔与所述上剪切盒连接。

本发明提供的一种拉压环剪环向渗流试验系统，包括伺服泵、液压缸和上述的拉压环剪环向渗流试验仪，所述轴向活塞杆设于所述液压缸内，所述伺服泵与所述液压缸连接，用于控制所述轴向活塞杆的移动。

本发明提供的拉压环剪环向渗流试验仪及其系统具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的拉压环剪环向渗流试验仪，通过将轴向活塞杆与上剪切盒连接将扭矩传力轴与下剪切盒连接在轴向活塞杆上设置轴力传感器，在扭矩传力轴上设置扭矩传感器，通过设置环向渗流结构，可以实现环向渗流试验。该拉压环剪环向渗流试验仪实现了轴向荷载与扭矩的独立与耦合施加，保证试验加载过程中试验装置的稳定及荷载施加的平稳。结构简单、操控方便，适合各种形状的岩石力学试验，对研究岩石的各项力学性能具有重要意义。

本发明提供的拉压环剪环向渗流试验系统，包括伺服泵、液压缸和上述的拉压环剪环向渗流试验仪，控制精确，误差小，稳定性好。该拉压环剪环向渗流试验系统可用于研究岩石的抗剪切强度、残余强度及完善岩石强度模型，全面分析岩石力学性质，具有极大的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪的一种视角的结构示意图；

图2为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪的另一种视角的结构示意图；

图3为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪的环向渗流结构的一种视角的结构示意图；

图4为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪的操作流程图。

图标：100-拉压环剪环向渗流试验仪；101-上剪切盒；103-下剪切盒；105-试样；110-第一框架；111-第一底板；113-第一侧板；120-扭矩传力轴；121-扭矩传感器；123-千斤顶；125-支撑杆；130-第二框架；131-第二底板；133-第二侧板；1331-安装部；135-盖板；140-轴向活塞杆；141-轴力传感器；143-传力板；145-直线导轨；147-滑块；150-密封套筒；155-密封圈；161-进水通道；163-排水通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪100的一种视角的结构示意图，图2为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪100的另一种视角的结构示意图，请参照图1和图2。

本实施例提供的一种拉压环剪环向渗流试验仪100，通过采用环形试样105，施加轴向载荷、扭力的方式，可实现岩石拉、压、环剪、环向渗流及相互耦合的试验，使得岩石在剪切面上均匀受力且变形均匀。对研究岩石的抗剪切强度、残余强度及完善岩石强度模型，全面分析岩石力学性质具有重要意义。

拉压环剪环向渗流试验仪100包括第一框架110、第二框架130、第一底板111、第二底板131、传力板143、轴向活塞杆140、扭矩传力轴120、千斤顶123、轴力传感器141、扭矩传感器121、上剪切盒101、下剪切盒103和环向渗流结构。

第一框架110固定连接于第一底板111，第二框架130固定连接于第二底板131，第一框架110位于第一底板111和第二底板131之间，第二框架130位于第二底板131远离第一底板111的一侧。具体地，第一框架110包括两个相对设置的第一侧板113，两个第一侧板113之间连接有第一底板111，第一底板111位于第一侧板113中部偏底部的位置。第一框架110内还设有多个支撑杆125，作为优选，第一侧板113的前后各设两个支撑杆125。支撑杆125的两端分别固定在第一侧板113上，两个第一侧板113开设有对应的螺栓孔，第一侧板113与支撑杆125通过螺栓固定连接，多个支撑杆125用于稳定整个拉压环剪环向渗流试验仪100，确保在施加载荷和扭矩过程中的稳定性，提高试验准确度以及试验结果的精确性。

两个第一侧板113的顶部连接有第二底板131，第二底板131的上方固定连接第二框架130。第二框架130包括两个相对设置的第二侧板133和连接第二侧板133的盖板135，第二侧板133远离盖板135的一端凸设安装部1331，用于和第二底板131可拆卸地连接，优选地，此处采用螺栓连接。

第二框架130内设有上剪切盒101与下剪切盒103，上剪切盒101与下剪切盒103之间固设有试样105，本实施例中采用岩石试样105，当然也可以用于其他材质的力学性能研究。上剪切盒101、下剪切盒103的结构形式均与试样105的形状一致。上剪切盒101、下剪切盒103通常采用粘接剂和试样105牢固地粘接为一体，且上剪切盒101、下剪切盒103、试样105位于同一轴线上，以保证轴向载荷或扭矩均匀地加载到试样105上。上剪切盒101与轴向活塞杆140固定连接，下剪切盒103与扭矩传力轴120固定连接。扭矩传力轴120上设置有扭矩传感器121，扭矩传力轴120用于将扭矩传递至试样105，扭矩传感器121用于检测加载的扭矩大小。轴力传感器141设于轴向活塞杆140上，轴向活塞杆140用于为试样105施加轴向荷载，轴力传感器141用于检测加载的轴向荷载的大小，轴向载荷可以是拉力，也可以是压力。

扭矩传力轴120的一端固定连接在第一底板111上，另一端穿过第二底板131与下剪切盒103固定连接，扭矩传力轴120与第一底板111通过螺栓固定连接。扭矩传感器121套设于扭矩传力轴120的外表面并与之固定连接。每个第一侧板113上固定安装有千斤顶123，两个第一侧板113上的千斤顶123相对设置，千斤顶123的一端与第一侧板113通过螺栓固定连接，另一端连接在扭矩传力轴120上。通过千斤顶123向扭矩传力轴120施加扭矩，扭矩传力轴120将该扭矩传递至下剪切盒103，以执行对试样105的扭矩加载试验。

轴向活塞杆140穿过第二框架130的盖板135与上剪切盒101固定连接，轴向活塞杆140上下移动即可实现对上剪切盒101施加轴向拉力或轴向压力，由于上剪切盒101、下剪切盒103和试样105粘接为一体，即也是对试样105施加轴向载荷，完成轴向载荷的加载试验。第二框架130内设有传力板143，传力板143与上剪切盒101固定连接。传力板143用于传递施加扭矩的反力，保持上剪切盒101的稳定。第二框架130的内侧壁设有直线导轨145，即在第二侧板133相对的内表面设置直线导轨145。直线导轨145上安装有与直线导轨145可相对滑动的滑块147，传力板143与滑块147固定连接，可沿直线导轨145滑动。

需要说明的是，为了使加载试验的成功率更高，试验结果更精准。第一底板111、第二底板131、上剪切盒101、下剪切盒103、传力板143、轴向活塞杆140的两端面及扭矩传力轴120的两端面需设置为两两相互平行。千斤顶123与扭矩传感器121相互平行安装，且千斤顶123、扭矩传感器121均与第一框架110的第一侧板113垂直。直线导轨145与第二框架130的侧壁相互平行，直线导轨145与第二底板131相互垂直。这样可以使得加载轴向载荷时，试样105只会受到轴线方向的拉力或压力，而不会有其他方向的分力；同理，在施加扭矩时，这样可以使得试样105在剪切面上均匀受力且变形均匀，从而提高试验精度。

图3为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪100的环向渗流结构的一种视角的结构示意图，请参照图3。

环向渗流结构包括密封套筒150、第三进水通道161和第三排水通道163。密封套筒150分别与上剪切盒101、下剪切盒103固定连接，密封套筒150分别与下剪切盒103通过螺栓固定连接。第三进水通道161设于下剪切盒103，第三排水通道163设于上剪切盒101，试样105上开设有连通第三进水通道161与第三排水通道163的流道，形成环向渗流通道。密封套筒150与上剪切盒101、下剪切盒103之间分别设有密封圈155，在试样105的空隙处涂抹硅胶，提高密封性。随着剪切力的施加，对第三进水通道161注水，在第三排水通道163观测出水量，实现沿试样105的剪切面的渗流，渗流方向平行于剪切面。

值得注意的是，文中提到的可拆卸连接方式或固定连接，除了采用螺栓连接，也可以采用螺纹连接、套接、粘接、卡接、扣接、焊接、铆接等固定连接方式。

本实施例提供的一种拉压环剪环向渗流试验系统，包括伺服泵、液压缸和上述的拉压环剪环向渗流试验仪100，轴向活塞杆140设于液压缸内，伺服泵与液压缸连接，用于控制轴向活塞杆140的移动。由伺服泵控制液压缸的输油，以使活塞杆施加轴向载荷，以及通过伺服泵控制液压缸的输油，以使千斤顶123施加扭矩，加载过程控制精准，试验误差小，精度高，易于操控。

本发明提供的拉压环剪环向渗流试验仪100和拉压环剪环向渗流试验系统，其安装过程和试验过程如下：

制备空心圆柱岩石试样105，将上剪切盒101、下剪切盒103的凹槽底部和侧壁涂抹粘结剂，将岩石试样105与上剪切盒101和下剪切盒103粘结一起，并且保证下剪切盒103、岩石试样105、上剪切盒101表面相互平行，且在同一条中心线上，岩石试样105和下剪切盒103、上剪切盒101连接为一个整体。下剪切盒103通过螺栓与扭矩传力轴120固定连接，并保证下剪切盒103和扭矩传力轴120的端部水平连接，上剪切盒101与轴向活塞杆140的端部通过螺栓连接，并保证上剪切盒101和轴向活塞杆140的端部水平连接。

扭矩传力轴120穿过第一底板111、千斤顶123、扭矩传感器121及第二底板131与下剪切盒103连接。扭矩传力轴120的端部与第二底板131、下剪切盒103的上下表面水平平行。扭矩传力轴120将千斤顶123输出的扭矩传递到下剪切盒103上，使岩石试样105受到剪切力的作用。轴向活塞杆140穿过传力板143、轴力传感器141与上剪切盒101连接。轴向活塞杆140的下表面和传力板143、下剪切盒103、上剪切盒101的上下表面水平平行。直线导轨145通过螺栓与第二框架130的第二侧板133固定连接，滑块147在直线导轨145上滑行。传力板143穿过轴向活塞杆140与滑块147垂直连接，实现了轴向荷载的传递。在施加扭矩时，保证上剪切盒101位置的固定，将扭矩反力通过传力板143、滑块147及直线导轨145传递到第二框架130上，以实现轴向力(拉力、压力)的独立或混合的加载。

当加载轴向压力时，通过液压伺服泵向轴向活塞杆140上部空间输油，推动轴向活塞杆140向下移动，施加轴向压力。继续加载轴向压力至轴力传感器141达到设定值，试验结束并需卸载轴向压力时，通过液压伺服泵向轴向活塞杆140下部空间输油，提升活塞杆。

当加载轴向拉力时，通过液压伺服泵向轴向活塞杆140下部空间输油，推动轴向活塞杆140向上移动，施加轴向拉力。继续加载轴向拉力至轴力传感器141达到设定值，试验结束并需卸载轴向拉力时，通过液压伺服泵向轴向活塞杆140的上部空间输油，活塞杆下移。

当加载扭矩时，通过液压伺服泵向千斤顶123输油，直至扭矩传感器121达到设定值，试验结束时卸载千斤顶123的油压。

图4为本发明具体实施例提供的拉压环剪环向渗流试验仪100的操作流程图，请参照图4。需要执行环向渗流试验时，其步骤如下：

s201：在试样105上钻取孔道。在环形岩石试样105上钻取与第三进水通道161、第三排水通道163对应的孔道。

s202：在试样105空隙处涂设硅胶。在岩石试样105空隙处涂抹硅胶，实现密封。

s203：连接密封套筒150和螺栓。将密封套筒150通过螺栓与下剪切盒103固定连接。

s204：施加水压。对第三进水通道161进行注水，在第三排水通道163出口处观测出水量，当第三排水通道163不再出现气泡并连续出水时，视为排气完成。随着剪切力的施加，实现沿岩石试样105剪切面的渗流，渗流方向平行于剪切面。

该环向渗流结构实现了平行试样105剪切面的渗流，相比于常规渗流试验的局限性，该设备可实现多种试验路径下的渗流，丰富、完善对剪切面的渗流特性研究。

试验结束并需取出岩石试样105时，将连接上剪切盒101与轴向活塞杆140的螺栓拆卸，取出上剪切盒101。将连接下剪切盒103与扭矩传力轴120的螺栓拆除，取出下剪切盒103。采用高温加热或者溶解胶体的方式，将岩石试样105与上剪切盒101、下剪切盒103分离。

通过上述步骤的操作，可实现岩石拉、压、环剪、环向渗流及相互耦合的试验，对准确获取岩石抗剪强度、残余强度及变形，改进和完善岩石的本构关系，具有重要意义。该环向渗流结构实现了平行岩石试样105剪切面的渗流，相比于常规渗流试验的局限性，可实现多种试验路径下的渗流，丰富、完善对剪切面的渗流特性研究。

综上所述，本发明提供的拉压环剪环向渗流试验仪100及其系统具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的拉压环剪环向渗流试验仪100，结构简单、操控方便。通过千斤顶123、扭矩传感器121和扭矩传力轴120组成的扭矩施加及测量单元，具有控制精度高、扭矩荷载施加大、扭矩测量准确、摩擦力小等优点。通过轴向活塞杆140、轴力传感器141、传力板143、滑块147和直线导轨145组成的轴向加载及测量单元，具有控制精度高、同时实现拉力、压力的加载及测量的功能、输出荷载值大等优点；传力板143与第二侧板133连接，实现了轴向荷载与扭矩的独立与耦合施加，并将荷载传递到第二框架130上，保证试验加载过程中整个拉压环剪环向渗流试验仪100的稳定性及荷载施加的平稳性。同时，该拉压环剪环向渗流试验仪100可实现多种试验路径下的渗流，丰富、完善对剪切面的渗流特性研究。本发明提供的拉压环剪环向渗流试验系统，采用液压伺服泵，控制精准，易于操控，误差小，试验精度高，极大地提高了试验效率及成功率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。