用于岩石试样粗糙裂隙面生成的劈裂装置的制作方法

本实用新型涉及一种劈裂装置，具体是一种用于岩石试样粗糙裂隙面生成的劈裂装置，属于单裂隙渗流研究领域。

背景技术：

裂隙岩体中的流体动量传输在大量工程现场应用普遍，包括岩土水力学、矿山地热工程、地下隧道、油气开采、污染物封存等，针对工程问题提取出的离散裂隙网络模型(DFN模型)普遍应用在渗流研究中，其中的单裂隙渗流是研究基础，随着研究的深入，越来越多的试验资料和监测资料证实了很多偏离达西渗流规律现象的存在，即渗流速度和水力坡降不呈线性关系，目前这种非线性关系的出现主要由于如图1所示的粗糙与迂曲的流体渗流通道引起的压力降增大，因此研究单裂隙试样粗糙裂隙面对渗流的影响成为研究热点。目前，国内外针对圆柱试件粗糙裂隙面的制备主要有两种思路：①利用天然裂隙制备，在岩石上穿过天然裂隙钻样；②利用巴西劈裂方法制备，先钻取完整的圆柱试样，利用相关夹具劈裂试样。由于方法①具有地域的局限性，方法②得到了较多的应用。巴西劈裂夹具的基本原理如图2所示，目前主要有两种结构，a、上下压板加三角钢条，b、上下圆弧承压板，这两种形式各有缺点：对于结构a，这种结构试验操作中人为影响较大，试件很容易在加载过程中受偏心载荷，即线载荷不通过试件中心面；对于结构b，随着加载过程中试件的变形，加载处圆弧承压板与圆柱试样表面的接触面积不断增大，加载处的载荷由线载荷变成了面载荷。因此，国内外有很多以上述两种结构为基础对夹具进行的改进。然而改进的夹具大多有以下克服不了的缺陷：①夹具多针对φ25*50mm，对φ50*100mm试件劈裂效果较差；②已公开的部分技术考虑从试样左右方向对试样固定，但随着加载，试样会偏离固定中心面，导致试样在加载过程中受偏心载荷。③试样承受的载荷不是标准的线载荷。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种能够适应性加工多种规格试样，在整个加载过程中线载荷始终通过试件的中心面、避免试件承受偏心载荷，且能够保证试件承受的载荷始终为标准线载荷的用于岩石试样粗糙裂隙面生成的劈裂装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于岩石试样粗糙裂隙面生成的劈裂装置，包括下承压结构，所述下承压结构包括底座和对称设在底座宽度方向两侧的立柱，所述底座中部上表面沿其长度方向设有一承压容置长槽，所述承压容置长槽中依次铺设有下支撑弹性体和平面支撑体，所述平面支撑体的上表面中部沿其长度方向设有一正三角钢条，所述正三角钢条置于一沿平面支撑体长度方向设置的外包槽内；所述下支撑弹性体和平面支撑体中垂直贯通设有多个承压刚体柱，所述承压刚体柱的底端插入承压容置长槽的槽底，顶端旋入外包槽底部的螺纹孔中；所述正三角钢条两侧分别对称设有可配合支撑起试件的上弧形支撑体，所述上弧形支撑体顶端的弧形面分别与试件的圆柱面贴合，底端通过侧边限位部固定在平面支撑体上表面；

所述两根立柱之间设有上承压结构，所述上承压结构包括一水平设置的上承压板，所述上承压板两端分别连接到立柱上且可沿立柱上下移动，上承压板的底表面沿其长度方向设有倒三角钢条，倒三角钢条位于正三角钢条的正上方，所述上承压板的上表面设有上压头，所述上压头位于倒三角钢条的正上方。

作为一个较好的方案，正三角钢条的底部嵌入外包槽中，且正三角钢条的底部两侧分别通过弹簧卡件卡入外包槽的槽体内；所述外包槽置入沿平面支撑体长度方向设置的安装槽中。上述结构方便了正三角钢条的组装和拆卸，当需要使用不同规格的正三角钢条或正三角钢条发生破损时可以压住弹簧卡件、将正三角钢条取出，再将新的正三角钢条置入外包槽的槽体内、松开弹簧卡件即可固定。

优选的，上弧形支撑体由上弧形支撑块和从外侧支撑起上弧形支撑块的支撑台阶组成，所述上弧形支撑块和支撑台阶配合卡接在一起。支撑台阶能够从外侧进一步对上弧形支撑块的侧向移动进行限位，避免上弧形支撑体承受面载荷时向两侧平移导致试件歪斜和承受偏心载荷，多重限位下的上弧形支撑体具有更好的稳定性。

更优选的，侧边限位部包括侧边限位卡件，所述侧边限位卡件的上部卡住上弧形支撑体底端的外侧边缘，底部配合置入平面支撑体上表面。侧边限位卡件可以避免上弧形支撑体承受面载荷时向两侧平移导致试件歪斜、承受偏心载荷。

进一步，每个上弧形支撑体侧边的侧边限位卡件有多个，分别嵌入沿平面支撑体长度方向设置的卡槽内。多个侧边限位卡件同时对上弧形支撑体侧边进行限位，有效分散了单个侧边限位卡件所受的应力，限位的稳定性更好。

本实用新型中的承压刚体柱可以设有六组，沿长度方向均匀间隔置于下支撑弹性体和平面支撑体的通孔中，每组承压刚体柱的数量为两根。多组承压刚体柱提升了支撑的稳定性和支撑强度。

优选的，倒三角钢条的底部两侧分别通过弹簧卡件卡入上承压板底表面中。方便了倒三角钢条的自由拆卸，以便于更换不同规格的倒三角钢条和对破损倒三角钢条的快速更换；还可将倒三角钢条换成平板钢条，以满足不同试验的需求。

进一步的，上承压板两端分别设有滑动滚珠，所述滑动滚珠嵌入对应侧立柱的滑轨中且可沿滑轨滚动。减轻了加载时上承压板两端与立柱之间的摩擦阻力、延长了使用寿命。

优选的，下支撑弹性体和平面支撑体通过卡接的方式配合连接在一起。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优势：

(1)本实用新型中，对称的上弧形支撑体可以从两侧平衡支撑起试件、所受的面载荷一致，且两个上弧形支撑体可将各自所受的面载荷一致通过平面支撑体垂直传递至下支撑弹性体中，保证在整个加载受力过程中两个上弧形支撑体受力情况一致、能够平衡支撑试件，线载荷能始终从试件的中心面通过，杜绝了试件承受偏心载荷的现象；且限位卡件可对上弧形支撑体侧边进行限位，可以避免上弧形支撑体承受面载荷时向两侧平移导致试件歪斜、承受偏心载荷；

(2)下支撑弹性体提供了一个让压和形变位移空间，使上弧形支撑体受压后有向下移动的空间，平面支撑体受压力会整体向下移动并对具有弹性的下支撑弹性体施压使其发生形变，将试件与上弧形支撑体之间的面载荷向下传递并直接转换成弹性势能，与此同时通过试件中心向下传递的线载荷会通过承压刚体柱的硬连接直接传递至底座，在该过程中试件承受的线载荷不会转化为其他形式的能量、而接触面的面载荷由于转换成了弹性势能会大大减小，试件承受的线载荷会始终大于上弧形支撑体与试件接触产生的面载荷，从而保证试件本身始终承受线载荷。

(3)本实用新型可以适应不同长度(25-100mm)、不同直径(50-75mm)圆柱形岩石试样的劈裂要求，利用本实用新型的装置和方法劈裂后生成的粗糙裂隙面基本在中心面，为研究单裂隙粗糙裂隙面的渗流规律提供了基础，极大方便了相关试验试件的制备。

附图说明

图1是试件的粗糙裂隙面构成流体渗流通道的示意图；

图2是利用巴西劈裂夹具制备圆柱试件粗糙裂隙面的基本原理示意图；

图3是本实用新型劈裂装置的立体结构图；

图4是本实用新型忽略掉下支撑弹性体、平面支撑体和上弧形支撑体的主视图；

图5是本实用新型的主视图；

图6是正三角钢条与外包槽配合安装的示意图；

图7是本实用新型中的平面支撑体的结构示意图；

图8是本实用新型中的下支撑弹性体的结构示意图；

图9是本实用新型中的上弧形支撑体的安装结构示意图；

图中：1.上压头；2.上承压板；3.滑动滚珠；4.倒三角钢条；4a.加载刀刃，5.弹簧卡件；6.底座；7.立柱；7-1.滑轨；8.承压刚体柱；8a.通孔；9.正三角钢条；9a.承压刀刃，10.外包槽；11.平面支撑体；11-1.安装槽；11-2.卡槽；12.下支撑弹性体；13.上弧形支撑体；13a.弧形面；13-1.上弧形支撑块；13-2.支撑台阶；14.侧边限位卡件；20.试件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图所示，一种用于岩石试样粗糙裂隙面生成的劈裂装置，包括下承压结构，所述下承压结构包括底座6和对称设在底座6宽度方向两侧的立柱7，所述底座6中部上表面沿其长度方向设有一承压容置长槽，所述承压容置长槽中依次铺设有下支撑弹性体12和平面支撑体11，所述平面支撑体11的上表面中部沿其长度方向设有一正三角钢条9，所述正三角钢条9置于一沿平面支撑体11长度方向设置的外包槽10内；所述下支撑弹性体12和平面支撑体11中垂直贯通设有多个承压刚体柱8，所述承压刚体柱8的底端插入承压容置长槽的槽底，顶端旋入外包槽10底部的螺纹孔中；所述正三角钢条9两侧分别对称设有可配合支撑起试件20的上弧形支撑体13，所述上弧形支撑体13顶端的弧形面13a分别与试件20的圆柱面贴合，底端通过侧边限位部固定在平面支撑体11上表面；

所述两根立柱7之间设有上承压结构，所述上承压结构包括一水平设置的上承压板2，所述上承压板2两端分别连接到立柱7上且可沿立柱7上下移动，上承压板2的底表面沿其长度方向设有倒三角钢条4，倒三角钢条4位于正三角钢条9的正上方，所述上承压板2的上表面设有上压头1，所述上压头1位于倒三角钢条4的正上方。

上述正三角钢条9的横截面为三角形，倒三角钢条4的横截面为倒三角形，当试件20稳定放置在两个上弧形支撑体13上时，倒三角钢条4的加载刀刃4a、正三角钢条9的承压刀刃9a与试件20的中轴线在同一平面上，保证加载时从上承压结构传来的线载荷从试件20的中心面通过；

作为一个较好的方案，正三角钢条9的底部嵌入外包槽10中，且正三角钢条9的底部两侧分别通过弹簧卡件5卡入外包槽10的槽体内；所述外包槽10置入沿平面支撑体11长度方向设置的安装槽11-1中。上述结构方便了正三角钢条9的组装和拆卸，当需要使用不同规格的正三角钢条9或正三角钢条9发生破损时可以压住弹簧卡件5、将正三角钢条9取出，再将新的正三角钢条9置入外包槽10的槽体内、松开弹簧卡件5即可固定。

优选的，上弧形支撑体13由上弧形支撑块13-1和从外侧支撑起上弧形支撑块13-1的支撑台阶13-2组成，所述上弧形支撑块13-1和支撑台阶13-2配合卡接在一起。支撑台阶13-2能够从外侧进一步对上弧形支撑块13-1的侧向移动进行限位，避免上弧形支撑体13承受面载荷时向两侧平移导致试件20歪斜和承受偏心载荷，多重限位下的上弧形支撑体13具有更好的稳定性。

更优选的，侧边限位部包括侧边限位卡件14，所述侧边限位卡件14的上部卡住上弧形支撑体13底端的外侧边缘，底部配合置入平面支撑体11上表面。侧边限位卡件14可以避免上弧形支撑体13承受面载荷时向两侧平移导致试件20歪斜、承受偏心载荷。

进一步，每个上弧形支撑体13侧边的侧边限位卡件14有多个，分别嵌入沿平面支撑体11长度方向设置的卡槽11-2内。多个侧边限位卡件14同时对上弧形支撑体13侧边进行限位，有效分散了单个侧边限位卡件14所受的应力，限位的稳定性更好。

本实用新型中的承压刚体柱8可以设有六组，沿长度方向均匀间隔置于下支撑弹性体12和平面支撑体11的通孔8a中，每组承压刚体柱8的数量为两根。多组承压刚体柱8提升了支撑的稳定性和支撑强度。

优选的，倒三角钢条4的底部两侧分别通过弹簧卡件5卡入上承压板2底表面中。方便了倒三角钢条4的自由拆卸，以便于更换不同规格的倒三角钢条4和对破损倒三角钢条4的快速更换；还可将倒三角钢条4换成平板钢条，以满足不同试验的需求。

进一步的，上承压板2两端分别设有滑动滚珠3，所述滑动滚珠3嵌入对应侧立柱7的滑轨7-1中且可沿滑轨7-1滚动。减轻了加载时上承压板2两端与立柱7之间的摩擦阻力、延长了使用寿命。

优选的，下支撑弹性体12和平面支撑体11通过卡接的方式配合连接在一起。

本实用新型的上弧形支撑体13的弧形面13a有多种可选弧度，可以分别对应直径50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm的圆柱型试件20，具体试验时根据试件20尺寸的不同选用更换不同的上弧形支撑体13安装到本实用新型的装置中即可。

下面以在φ50*100mm的圆柱形砂岩试件20中生成粗糙裂隙面为例说明本实用新型的具体操作方法：

1)制备φ50*100mm的圆柱形砂岩试件20；

2)将下支撑弹性体12、平面支撑体11依次放入底座6的承压容置长槽中；

3)将多个承压刚体柱8的顶端配合旋入外包槽10底部的螺纹孔中，并将承压刚体柱8垂直穿过平面支撑体11、下支撑弹性体12，并使承压刚体柱8的底端插入承压容置长槽的槽底；在外包槽10内安装正三角钢条9；

4)根据试件20的圆柱面弧度选择合适的上弧形支撑体13，上弧形支撑体13顶端弧形面13a的弧度与φ50*100mm的试件20的圆柱面弧度一致；将侧边限位卡件14的上部卡住上弧形支撑体13底端的外侧边缘、底部配合置入平面支撑体11上表面的卡槽11-2内，将试件20放在两个上弧形支撑体13的弧形面13a上使两个上弧形支撑体13共同配合支撑起试件20；

5)在试件20上方安装上承压板2和上压头1，并在上承压板2下表面与正三角钢条9正对设置倒三角钢条4；

6)将装置整体放在伺服压力机上，上压头1的顶部与伺服压力机相连并由伺服压力机施加线载荷；由于正三角钢条9的横截面为三角形，倒三角钢条4的横截面为倒三角形，当试件20稳定放置在两个上弧形支撑体13上时，倒三角钢条4的加载刀刃4a、正三角钢条9的承压刀刃9a与试件20的中轴线在同一平面上，保证加载时从上承压结构传来的线载荷从试件20的中心面通过；

7)从两侧对称支撑起试件20的上弧形支撑体13可以稳定承托起试件20，随着载荷的增加，由于两侧的上弧形支撑体13皆与平面支撑体11采用相同的方式连接固定，试件20对两侧上弧形支撑体13的压力是一致的，且相同的压力载荷能分别通过上弧形支撑体13传递至平面支撑体11，保证在整个加载受力过程中两个上弧形支撑体受力情况一致、能够从两侧始终平衡支撑试件，中间的线载荷能始终从试件的中心面通过；此时下支撑弹性体12提供了一个让压和形变位移空间，平面支撑体11受力会整体向下移动并对具有弹性的下支撑弹性体12施压使其发生形变，将试件20与上弧形支撑体13之间的面载荷向下传递并直接转换成弹性势能，与此同时通过试件20中心向下传递的线载荷会通过承压刚体柱8的硬连接直接传递至底座6，在该过程中试件20承受的线载荷不会转化为其他形式的能量、而接触面的面载荷由于转换成了弹性势能会大大减小，从而试件20承受的线载荷会始终大于上弧形支撑体13与试件20接触产生的面载荷，因此保证试件20本身始终承受线载荷；

8)按位移加载直到试件20被劈裂形成粗糙裂隙面后关闭伺服压力机停止加载。