全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置及方法与流程

1.本发明涉及岩石室内加载试验技术领域，特别涉及一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置及方法。


背景技术：

2.近来年，随着中国工程技术的快速发展，水利水电、矿山、石油存储等一大批深部岩体工程正在建设，深部岩体工程在建设过程中一直面临着较大的挑战，如岩爆、塌方、大变形等地质灾害时有发生。另外，深部岩体经历了漫长的地质作用，是由结构面及切割而成的岩块组成的复杂地质体，特别是高压水渗流作用下，节理、层理及裂隙等结构面岩体的力学行为将极其复杂，严重制约着深部工程的安全与稳定。
3.结构面的力学行为及渗流特性可以通过剪切渗流试验进行研究，且深部岩体处于三向不等应力状态(σ1＞σ2＞σ3)，真三轴试验装置能够模拟真三向应力状态。通过高压真三轴剪切渗流试验开展结构面的剪切及渗流力学特性，有助于为揭示深部岩体破裂机制及有效控制工程地质灾害提供理论基础。
4.岩石的剪切试验一般通过剪切盒实现，而目前的剪切装置无法实现真三向应力的全应力空间加载，即立方体岩石试样的六个受力面无法全面积受载，在切向方向只有剪切位置受载，导致岩石在剪切过程中存在应力空白区，无法很好的模拟工程现场的真三向应力状态，导致岩石的剪切破裂机制和变形规律认知不准确。现有技术中，仅仅考虑了剪切方向与渗流方向一致的剪切渗流试验，并未考虑剪切方向与渗流方向非一致的剪切渗流试验，导致深部工程复杂条件下的岩石剪切渗流破坏机制认知不全面。另外，真三轴剪切渗流试验对装置的密封性要求极高，目前尚无能够用于全应力空间真三轴剪切渗流试验的装置。
5.因此，需要设计一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流装置，实现真三轴剪切试验过程中岩石全应力空间受载及渗流高压水的严格密封。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置及方法，能够用于开展硬岩的真三轴剪切渗流试验，实现岩石全应力空间加载及高压水渗流过程中流体完全密封的效果。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置，包括剪切盒装置、高压水渗流系统和密封组件；
9.所述剪切盒装置包括扣合在岩石试样外部的上剪切盒和下剪切盒，用于实现岩石试样的全应力空间加载；
10.所述高压水渗流系统设置于所述剪切盒装置，用于实现岩石试样的高压水渗流；
11.所述密封组件设置于所述剪切盒装置，用于实现高压水渗流过程中的密封。
12.进一步的，所述高压水渗流系统包括设置于下剪切盒的圆柱形腔一以及设置于上剪切盒的圆柱形腔二，所述圆柱形腔一的开口端为渗流进水口，圆柱形腔一的侧壁与若干个渗流进水管路连通，高压水从渗流进水口进入圆柱形腔一，再从渗流进水管路的出水端流出，在岩石试样中部进行高压水渗流；所述圆柱形腔二的开口端为渗流出水口，圆柱形腔二的侧壁与若干个渗流出水管路连通，岩石试样渗出端的高压水从渗流出水管路的进水端进入圆柱形腔二，再从渗流出水管路的出水口流出。
13.进一步的，所述上剪切盒和下剪切盒均为长方形盒体结构。
14.进一步的，所述上剪切盒的上部设置有法向装配口一，用于装配法向传力板；所述上剪切盒的下部设置有法向装配口二，用于装配岩石试样；所述上剪切盒的右侧设置有切向装配口一，用于装配上传力压块；所述上剪切盒前后两侧均设置有侧向装配口一，分别用于装配侧向传力压块；
15.所述下剪切盒的上部设置有法向装配口三，用于装配岩石试样；所述下剪切盒的左侧设置有切向装配口二，用于装配下传力压块；所述下剪切盒前后两侧均设置有侧向装配口二，分别用于装配侧向传力压块。
16.进一步的，所述切向装配口一、侧向装配口一、切向装配口二和侧向装配口二的侧壁均设置有环形槽一，所述法向装配口三的侧壁设置有环形槽二。
17.进一步的，所述密封组件包括密封圈一、密封圈二和水压管，所述密封圈一设置于所述环形槽一内，用于实现侧向和切向的密封；所述密封圈二和水压管从上至下设置于环形槽二内，用于实现法向的密封，通过剪切盒装置和密封组件实现渗流高压水的全面有效密封。
18.优选的，所述环形槽二的截面为上宽下窄的结构，进一步保证密封圈二和水压管的密封效果。
19.进一步的，所述全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置用于剪切方向与渗流方向一致以及非一致的真三向剪切渗流试验。
20.一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验方法，采用上述全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置，包括如下步骤：
21.s1、将密封圈一嵌入下剪切盒的环形槽一内，将下传力压块装配到下剪切盒切向装配口二，将侧向传力压块装配到下剪切盒的侧向装配口二；
22.s2、将密封圈一嵌入上剪切盒的环形槽一内，将上传力压块装配到上剪切盒的切向装配口一，将侧向传力压块装配到上剪切盒的侧向装配口一；
23.s3、将岩石试样放置于下剪切盒1中部；将密封圈二和水压管嵌入下剪切盒的环形槽二内；将上剪切盒放置于岩石试样上方，使岩石试样嵌入上剪切盒的中部；将法向传力板装配到上剪切盒的法向装配口一；
24.s4、将装配后的剪切盒装置放置于真三轴剪切试验机的压力室内，在水压管内注入高压水使其膨胀挤压密封圈二，起到流体密封效果；
25.s5、对岩石试样进行切向力、法向力和侧向力加载，同时，向下剪切盒的渗流进水口注入高压水，进行真三轴条件下的剪切渗流试验。
26.本发明的有益效果：
27.1)本发明结构简单、操作方便，能够用于开展岩石的全应力空间真三轴剪切渗流
试验，并实现高压水在岩石剪切及渗流过程中完全密封的效果；
28.2)本发明通过上剪切盒、下剪切盒、上传力压块、下传力压块、侧向传力压块和法向传力板互扣式装配形成剪切盒装置实现岩石全应力空间的真三轴剪切渗流试验；
29.3)本发明通过剪切盒装置、高压水渗流系统和密封组件的配合，实现高压水在岩石剪切及渗流过程中的完全密封；
30.4)本发明通过全应力空间条件下的剪切与高压水渗流的耦合作用，更好地模拟工程现场的真实应力，更准确地认知剪切破裂机制和变形规律；
31.5)本发明可以实现剪切方向与渗流方向一致与非一致的真三向剪切渗流试验，有助于准确全面地认识深部工程复杂条件下的岩石剪切渗流破坏机制。
32.本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置的整体结构示意图；
34.图2是本发明实施例提供的全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置的剖面图；
35.图3是本发明实施例提供的下剪切盒的结构示意图；
36.图4是本发明实施例提供的上剪切盒的结构示意图。
37.说明书附图中的附图标记包括：
38.1-下剪切盒；2-下传力压块；3-上剪切盒；4-法向传力板；5-上传力压块；6-渗流进水口；7-渗流进水管路；8-渗流出水口；9-渗流出水管路；10-水压管；11-密封圈一；12-密封圈二；13-法向装配口一；14-侧向传力压块；15-岩石试样；16-声发射传感器；17-法向装配口二；18-切向装配口一；19-侧向装配口一；20-法向装配口三；21-切向装配口二；22-侧向装配口二。
具体实施方式
39.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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”“内”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，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装置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。此外，术语“一”、“二”、“三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，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，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
42.为了解决现有技术存在的问题，如图1至图4所示，本发明提供了一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置，包括剪切盒装置、高压水渗流系统和密封组件；
43.剪切盒装置包括扣合在岩石试样15外部的上剪切盒3和下剪切盒1，用于实现岩石试样15的全应力空间加载；
44.高压水渗流系统设置于剪切盒装置，用于实现岩石试样15的高压水渗流；
45.密封组件设置于剪切盒装置，用于实现高压水渗流过程中的密封。
46.高压水渗流系统包括设置于下剪切盒1的圆柱形腔一以及设置于上剪切盒3的圆柱形腔二，圆柱形腔一的开口端为渗流进水口6，圆柱形腔一的侧壁与若干个渗流进水管路7连通，高压水从渗流进水口6进入圆柱形腔一，再从渗流进水管路7的出水端流出，在岩石试样15中部进行高压水渗流；圆柱形腔二的开口端为渗流出水口8，圆柱形腔二的侧壁与若干个渗流出水管路9连通，岩石试样15渗出端的高压水从渗流出水管路9的进水端进入圆柱形腔二，再从渗流出水管路9的出水口流出。
47.上述技术方案中，渗流进水管路7的出水端位于岩石试样15的右侧中部，渗流出水管路9的进水端位于岩石试样15的左侧中部。高压水渗流系统与密封组件配合，实现岩石剪切试验过程中水的渗流功能，且剪切盒装置内的水能够完全密封，不渗漏。
48.图1至图4所示，上剪切盒3和下剪切盒1均为长方形盒体结构。上剪切盒3的上部设置有法向装配口一13，用于装配法向传力板4；上剪切盒3的下部设置有法向装配口二17，用于装配岩石试样15；上剪切盒3的右侧设置有切向装配口一18，用于装配上传力压块5；上剪切盒3前后两侧均设置有侧向装配口一19，分别用于装配侧向传力压块14；
49.下剪切盒1的上部设置有法向装配口三20，用于装配岩石试样15；下剪切盒1的左侧设置有切向装配口二21，用于装配下传力压块2；下剪切盒1前后两侧均设置有侧向装配口二22，分别用于装配侧向传力压块14。
50.上述技术方案中，剪切盒装置有上剪切盒3、下剪切盒1、上传力压块5、下传力压块2、侧向传力压块14和法向传力板4进行互扣式装配而成，上剪切盒3、下剪切盒1与岩石试样15进行互扣式装配，以实现岩石试样15全应力空间加载。切向加载时，通过上剪切盒3外壁实现岩石试样15左侧上方的切向加载，通过上传力压块5实现岩石试样15右侧上方的切向加载，通过下传力压块2实现岩石试样15左侧下方的切向加载，通过下剪切盒1外壁实现岩石试样15右侧下方的切向加载，进而实现岩石试样15切向的全面积受载，保证剪切过程中没有应力空白区；侧向加载时，上剪切盒3前后两侧的两个侧向传力压块14以及下剪切盒1前后两侧的两个侧向传力压块14，实现岩石试样15侧向的全面积受载，保证剪切过程中没有应力空白区；法向加载时，通过下剪切盒1底部和法向传力板4实现岩石试样15法向的全面积受载，保证剪切过程中没有应力空白区；通过立方体岩石试样15的六个受力面的全面积受载，真实模拟工程现场的真三向应力状态，提高剪切破裂机制和变形规律认知的准确度。
51.本实施例中，上传力压块5、下传力压块2和侧向传力压块14均采用钢块，法向传力板4采用钢板。
52.切向装配口一18、侧向装配口一19、切向装配口二21和侧向装配口二22的侧壁均设置有环形槽一，法向装配口三20的侧壁设置有环形槽二。
53.密封组件包括密封圈一11、密封圈二12和水压管10，密封圈一11设置于环形槽一内，用于实现侧向和切向的密封；密封圈二12和水压管10从上至下设置于环形槽二内，用于实现法向的密封，通过剪切盒装置和密封组件实现渗流高压水的全面有效密封，密封圈二
12在长时间受挤压条件下会发生不可逆的变形，影响渗流系统的密封性，通过在水压管内注入高压水进而挤压密封圈二12的方法能够有效提高渗流系统的密封性，密封圈二12和水压管10实现了一级密封，密封圈一11实现了二级密封，通过两级密封提高了渗流密封效果。
54.上述技术方案中，位于上剪切盒3、下剪切盒1切向密封的环形槽一内的密封圈一11，通过与上传力压块5、下传力压块2相互挤压，起到密封的效果；位于上剪切盒3、下剪切盒1侧向密封的环形槽一内的密封圈一11，通过与侧向传力压块14相互挤压，起到密封的效果。密封圈二12用于密封高压水，密封圈二12下方的水压管10是具有膨胀性的橡胶管，试验时将高压水注入水压管10使其膨胀，挤压密封圈二12，进而起到密封的效果。
55.作为优选实施例，环形槽二的截面为上宽下窄的结构，进一步保证密封圈二12和水压管10的密封效果。
56.本发明全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置用于剪切方向与渗流方向一致以及非一致的真三向剪切渗流试验，具体的，在试验过程中，当上剪切盒3的左侧和下剪切盒1的右侧作为加载的主动端(即载荷不断增加，直至岩石发生破坏)，试验装置上的其他所有压块所受载荷保持不变，岩石试样最终在切向方向发生剪切破坏，岩石在剪切过程中，渗流方向与剪切方向是一致的。当上剪切盒3前侧的侧向传力压块14和下剪切盒1后侧的侧向传力压块14作为加载的主动端(即载荷不断增加，直至岩石发生破坏)，试验装置上的其他所有压块所受载荷保持不变，岩石试样最终在侧向方向发生剪切破坏，在剪切过程中，渗流方向与剪切方向是垂直的。现有技术的实验装置，仅仅考虑了剪切方向与渗流方向一致的剪切渗流试验，本发明能够克服这一缺陷，实现剪切方向与渗流方向的平行与垂直关系的真三向剪切渗流试验，有助于准确全面地认识深部工程复杂条件下的岩石剪切渗流破坏机制。
57.本发明还提供了一种全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验方法，采用上述全应力空间加载的岩石真三轴剪切渗流试验装置，包括如下步骤：
58.s1、将密封圈一11嵌入下剪切盒1的环形槽一内，将下传力压块2装配到下剪切盒1切向装配口二21，将侧向传力压块14装配到下剪切盒1的侧向装配口二22；
59.s2、将密封圈一11嵌入上剪切盒3的环形槽一内，将上传力压块5装配到上剪切盒3的切向装配口一18，将侧向传力压块14装配到上剪切盒3的侧向装配口一19；
60.s3、将岩石试样15放置于下剪切盒1中部；将密封圈二12和水压管10嵌入下剪切盒1的环形槽二内；将上剪切盒3放置于岩石试样15上方，使岩石试样15嵌入上剪切盒3的中部；将法向传力板4装配到上剪切盒3的法向装配口一13；
61.s4、将装配后的剪切盒装置放置于真三轴剪切试验机的压力室内，在水压管10内注入高压水使其膨胀挤压密封圈二12，起到流体密封效果；
62.s5、对岩石试样15进行切向力、法向力和侧向力加载，同时，向下剪切盒1的渗流进水口6注入高压水，进行真三轴条件下的剪切渗流试验。
63.本发明在实际使用时，在真三轴剪切试验机的压力室内进行加载前，需要进行预加载。下剪切盒1的渗流进水口6与渗流泵的高压注入端相连，上剪切盒3的渗流出水口8与渗流泵低压流出端相连，实现高压水渗流。
64.本发明在实际使用时，可设置若干个声发射传感器16，若干个声发射传感器16均匀嵌于上剪切盒3、下剪切盒1以及侧向传力压块14的圆孔中，用于采集岩石破裂信号，声发
射传感器16通过连接线与电脑相连，试验过程中，岩石的破裂信号被声发射传感器16接收，然后通过声发射连接线传到电脑端。
65.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。