一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩石力学试验技术，尤其涉及一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置。

背景技术：

岩体剪切装置是一种可直接测定岩体（节理）的剪切强度及其变形等参数的岩石力学测试装置，常用来测试工程岩体的力学特性参数，指导岩土工程的设计及安全评估。近年来，随着地下工程和采矿工程的深部扩展，地下水严重影响了岩体工程的稳定性，因此开展岩体剪切渗流耦合研究极为重要。目前国内外已开展了大量研究工作，同时研发出多种岩体剪切渗流耦合试验装置，但这些装置都存在着渗透流体压力较小的问题，无法突破高压流体密封的难题，致使高压流体条件下的剪切渗流试验无法开展。

近年来，全球二氧化碳地址封存研究取得较大发展，现已有大量工程应用项目正进行或已竣工。但在工程实施过程中及已完成项目中发现较多问题，尤其在项目安全评估上缺少最基本的超临界二氧化碳作用下的岩体力学特性参数及本构模型。目前的剪切装置无法满足高压流体下岩体剪切渗流试验；一种能够完成高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体剪切渗流试验装置对研究岩体在高温、高应力、高渗透压作用下的力学特性、变形破坏机制及本构模型有很重要的作用。

如今，液压伺服控制技术国内外已取得了长足的发展，在此基础上研制的真三轴伺服控制压力机已十分成熟，可满足当前各种力学实验的应力控制及边界条件的实现。各种耐高温、高强度橡胶材料已普遍应用于各种极端环境下，使得进行适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置的研发变为可能。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于提供一种适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置，该装置能够实现高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体真三轴剪切渗流试验，最高渗透压可达50MPa。采用特殊设计的密封胶套能克服岩体剪切过程中高压流体密封难的问题以及岩体中流体的压力和体积不能精准测量和控制的问题；该装置的加载能力能够满足完整岩石剪切的高应力要求，并能实现三个方向应力的独立加载，同时能够高精度的测量岩样三个方向的变形，为深入研究岩石或节理的渗流特性、剪切强度、变形破坏机制及本构模型等相关内容提供了可能。

本实用新型的目的是这样实现的：

一、适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验装置（简称装置）

本装置包括刚性框架、油缸、压力传感器、高压腔体、压柱、剪切板、法向压板、岩样、密封胶套、计算机、流体注入计量泵、流体回流计量泵、围压跟踪泵、X向位移传感器、Y向位移传感器和Z向位移传感器；

其位置和连接关系是：

在刚性框架内设置有高压腔体，在高压腔体内设置有一个由剪切板、法向压板、岩样和密封胶套构成剪切渗流密封的组合件，所述的组合件的结构是：岩样置于胶套的中心，在岩样的上下分别设置有法向压板，在岩样的左右分别设置有剪切板；

在刚性框架内部的左侧、右侧和上侧分别固定有油缸，油缸的活塞与压力传感器连接，通过压柱压紧组合件，对组合件施加法向应力和剪切应力；

在高压腔体上部设置有液压油注入孔和管线通道，内部空腔为围压室；并在围压室内设置有刚性垫块、温度传感器和加热盘管；温度传感器和加热盘管分别与计算机连接，能够实现围压室内部温度的控制；

在密封胶套内嵌有变形胶囊和变形隔板；围压跟踪泵分别与变形胶囊和围压室连接，能够使变形胶囊内部压力和围压室的压力始终保持一致；

流体注入计量泵和流体回流计量泵分别与左侧和右侧的剪切板上的流体通道连接，能够对岩样注入流体的压力和流量进行测量和控制；

X向位移传感器设有X向位移探测支架和X向位移固定支架；X向位移传感器通过X向位移探测支架和X向位移固定支架固定于组合件上；Y向位移传感器设有Y向位移探测支架和Y向位移固定支架；Y向位移传感器通过Y向位移探测支架和Y向位移固定支架固定于组合件上；Z向位移传感器设有Z向位移固定支架；Z向位移传感器通过Z向位移固定支架固定于组合件；能够测量岩样的 X、Y和Z向的变形；

流体注入计量泵、流体回流计量泵、围压跟踪泵、X向位移传感器、Y向位移传感器和Z向位移传感器分别与计算机连接，实现位移和压力信息的采集。

二、适于高渗透压的岩体真三轴剪切渗流试验的方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

第1、岩样制备

将待测试岩石加工成长×宽×高=100mm×100mm×100mm的立方体，并将各表面打磨平整光滑；若待测试为岩石节理，需将节理面处于横切立方体的中心位置；

第2、组合件组装

首先将变形胶囊和变形隔板内嵌在密封胶套内，然后将岩样装入密封胶套内；岩样上下两面贴上减摩片后再装法向压板和剪切板，并压紧岩样，最终形成组合件；通过各向位移固定支架和位移探测支架将相应的位移传感器固定在组合件上；

第3、组合件放置

将组合件放在围压室的刚性垫块的中心位置，并将组合件上下轴心与上压柱轴心重合，左右轴心与左右压柱轴心重合，使压柱压紧组合件；

第4、管线连接

将围压室内的流体管线、胶囊注油管及各传感器线缆分别与剪切板、变形胶囊及相应的传感器相连，并检查传感器工作状态，最后关闭高压腔体，拧紧螺丝；

第5、应力加载

首先对岩样施加法向应力至5MPa，然后同时对围压室和变形胶囊注入液压油至5MPa；

第6、密封性检查

通过流体注入和回流管路对岩样抽真空，达到一定真空度，关闭管路，检查系统的密封性；待确定岩样密封性良好，可进行下一步，否则找出问题所在，并加以解决；

第7、应力和温度调整

根据预定的法向应力和围压，对岩样施加法向应力和围压，在施加围压过程中，围压跟踪泵能使变形胶囊的内部压力与围压始终保持一致；待法向应力和围压稳定后启动加温装置，使围压室内的液压油升至预定温度，并保持2h；

第8、流体注入

打开流体注入泵和流体回流泵对岩样注入流体，待流体的压力或流量稳定后进行测试；

第9、剪切测试

打开相关参数监视系统，确保各系统工作正常后，对岩样按预定控制模式加载剪切应力，直至达到预定剪切位移；根据试验需要继续进行数据监测或其他试验项目；

第10、应力卸载

测试完成后，关闭加温系统及监测系统；待液压油温度降至一定值时，首先对流体泄压，流体泄压后再缓慢卸载围压、剪切应力和法向应力；

第11、清理装置

应力完全卸载之后，排出围压室内的液压油，然后打开高压腔体，取出组合件；小心拆开组合件，并将相应部件归类放置。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

1、通过特殊设计的密封胶套可以实现对高压流体的良好密封性；

2、密封胶套内嵌有变形胶囊、变形隔板，变形胶囊与围压跟踪泵相连，可以实现剪切区域的体积变形，因而在保证良好的密封性的同时也可满足较大剪切位移；

3、在围压室内设置有加热盘管可以实现不同温度下的各种剪切渗流试验；

4、通过围压室中的高压液压油可以对岩样施加侧向应力、法向压板施加法向应力和剪切板施加剪切力，实现了剪切渗流试验的真三轴应力条件；

5、在剪切压板上设置有流体通道，可以实现剪切-渗流耦合试验及不同流体

环境下的剪切试验；

6、岩体四周没有多余的死空间，便于对岩体注入流体的压力和体积进行精确控制和测量；

7、在组合件上设置有Z向的位移传感器可以检测岩样Z向变形情况，进而深入研究岩体剪切变形机制等。

总之，本实用新型能够实现高温、高应力、高渗透压复杂条件下的岩体真三轴剪切渗流试验，并解决了剪切时对高渗透流体（最高渗透压可达50MPa）的密封问题，并能精准控制和计量渗流流体的体积和压力。

附图说明

图1是本装置的结构示意图（主视，剖）；

图2是本装置的剪切渗流密封组合件的结构原理图；

图3是组合件X-Y平面上位移传感器装配示意图；

图4是组合件Y-Z平面上位移传感器装配示意图；

图5是密封胶套的立体图。

图中：

1—刚性框架；

2—油缸；

3—压力传感器；

4—高压腔体，

4-1—围压室， 4-2—液压油注入孔， 4-3—管线通道，

4-4—刚性垫块， 4-5—温度传感器， 4-6—加热盘管；

5—压柱；

6—剪切板；

6-1—流体通道；

7—法向压板；

8—岩样；

9—密封胶套

9-1—变形胶囊， 9-2—变形隔板；

10—计算机；

11—流体注入计量泵；

12—流体回流计量泵；

13—围压跟踪泵；

14—X向位移传感器；

14-1—X向位移探测支架，14-2—X向位移固定支架；

15—Y向位移传感器；

15-1—Y向位移探测支架；15-2—Y向位移固定支架；

16—Z向位移传感器；

16-1—Z向位移固定支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、总体

如图1、2、3、4，本装置包括刚性框架1、油缸2、压力传感器3、高压腔体4、压柱5、剪切板6、法向压板7、岩样8、密封胶套9、计算机10、流体注入计量泵11、流体回流计量泵12、围压跟踪泵13、X向位移传感器14、Y向位移传感器15、Z向位移传感器16；

其位置和连接关系是：

在刚性框架1内的底部设置有高压腔体4，在高压腔体4内设置有一个由剪切板6、法向压板7、岩样8和密封胶套9构成剪切渗流密封的组合件，所述的组合件的结构是：岩样8置于胶套9的中心，在岩样8的上下分别设置有法向压板7，在岩样8的左右分别设置有剪切板6；

在刚性框架1内部的左侧、右侧和上侧分别固定有油缸2，油缸2的活塞与压力传感器3连接，通过压柱5压紧组合件，对组合件施加法向应力和剪切应力；

在高压腔体4上部设置有液压油注入孔4-2和管线通道4-3，内部空腔为围压室4-1；并在围压室4-1内设置有刚性垫块4-4、温度传感器4-5和加热盘管4-6；温度传感器4-5和加热盘管4-6分别与计算机10连接，能够实现围压室4-1内部温度的控制；

在密封胶套9内嵌有变形胶囊9-1和变形隔板9-2；围压跟踪泵13分别与变形胶囊9-1和围压室4-1连接，能够使变形胶囊9-1内部压力和围压室4-1的压力始终保持一致；

流体注入计量泵11和流体回流计量泵12分别与左侧和右侧的剪切板6上的流体通道6-1连接，能够对岩样8注入流体的压力和流量进行测量和控制；

X向位移传感器14设有X向位移探测支架14-1和X向位移固定支架14-2；X向位移传感器14通过X向位移探测支架14-1和X向位移固定支架14-2固定于组合件上；Y向位移传感器15设有Y向位移探测支架15-1和Y向位移固定支架15-2；Y向位移传感器15通过Y向位移探测支架15-1和Y向位移固定支架15-2固定于组合件上；Z向位移传感器16设有Z向位移固定支架16-1；Z向位移传感器16通过Z向位移固定支架16-1固定于组合件；能够测量岩样8 在X、Y和Z向的变形；

流体注入计量泵11、流体回流计量泵12、围压跟踪泵13、X向位移传感器14、Y向位移传感器15和Z向位移传感器16分别与计算机10连接，实现位移和压力信息的采集。

2、功能部件

1）刚性框架1

刚性框架1是一种特制刚度大的口字形框架；

其功能是其它功能部件的支撑体；固定油缸2为装置提供巨大的应力支撑；其自身刚度可达刚度7GN/m，对装置施加巨大应力时自身变形很小，且岩样破坏瞬间自身不会引起强大弹性能释放而造成岩样崩裂破坏影响试验数据。

2）油缸2

油缸2是一种可以伺服控制的液压加载设备；

本装置采用三套具有1000KN加载能力的伺服控制油缸，可提供200MPA的剪切应力、100MPA的法向应力，实现试验的高应力功能。

3）压力传感器3

压力传感器3是一种高精度的能够检测油缸2压力变化的传感器；其最大量程为150t，分辨率为0.00001；

其功能是实时监测装置的应力变化。

4）高压腔体4

高压腔体4是一种特制耐高压不锈钢带前面盖的密闭缸体，前面盖通过螺丝固定；并在缸体上设置有液压油注入孔4-2和管线通道4-3，内部空腔为围压室4-1；并在围压室4-1内设置有刚性垫块4-4、温度传感器4-5和加热盘管4-6；

其功能是外设的伺服增压泵通过液压油注入孔4-2向围压室4-1注入液压油可产生最大100MPa的围压，对岩样8施加Z向应力，实现岩样真三轴应力边界条件，并为加热盘管4-6加热区域；

*刚性垫块4-4是一种不锈钢立方体，方便组合件的放置及对岩样8施加反向的法向应力；

*温度传感器4-5是一种耐高压铂电阻温度传感器，可以监测围压室4-1内的温度变化；

*加热盘管4-6是一种耐高压的电阻加热式器件，可以通过计算机10控制它的工作状态，进而实现温度控制。

5）压柱5

压柱5是一种不锈钢制穿过高压腔体4的圆柱体；压柱5穿过高压腔体4时通过密封圈密封，即实现了密封且摩擦力也很小。

其功能是将油缸产生的压力施加到岩样8上。

6）剪切板6

剪切板6是一种带有流体通道6-1的不锈钢块体；

其功能是传递应力，两块平行不同轴的剪切板6对施加岩样8形成剪切力；其中流体通道6-1是使流体可以流向岩样8，且剪切板6与岩样8之间没有死空间，能精准计算出渗入岩样8的流体体积。

*流体通道6-1为设置在剪切板6上可以使流体流入岩体8的L形孔。

7）法向压板7

法向压板7是一种不锈钢立方体；

其功能是传递法向油缸产生的压力，对岩样8施加法向应力。

8）岩样8

岩样8是待测试岩体制成的标准试样，一般制成边长为100mm的正方体，并将各面打磨光滑平整。

9）密封胶套9

如图5，密封胶套9是一种由三元乙丙橡胶制成的呈中心对称的近似十字形状的壳体（沿中心垂线将密封胶套1分成左右两块，再将右块沿中心顺时针旋转180º即和左快重合），壳体厚度约2mm，上、下、左、右开口；

在密封胶套9的内部设置有变形胶囊9-1和变形隔板9-2；

其位置和连接关系是：

2个变形胶囊9-1分别置于密封胶套9内部左右两侧剪切位移区，2块变形隔板9-2分别紧贴2个变形胶囊9-1。

*变形胶囊9-1

变形胶囊9-1是一种由三元乙丙橡胶制成带有流体注入口的方形囊体，可以随内外压力差发生一定体积的变形，为岩样8剪切位移腾空位置，从而避免岩样8发生剪切位移时破坏密封胶套9。

*变形隔板9-2

变形隔板9-2是一种由铝制成的尺寸与变形胶囊9-1相匹配的金属板，夹在变形胶囊9-1和岩样8之间，并能随之移动，避免变形胶囊9-1与岩样8直接接触而发生破坏。

密封胶套的功能是当围压室4-1内液压油对岩样8施加Z向应力时，液压油不渗入岩样8内；而且能够密封高压渗流流体，实现剪切-渗流的试验要求；

10）计算机10

计算机10采用性能稳定的工控机；

其功能是采集位移、应力等数据，并对加温装置、流体注入计量泵11、流体回流计量泵12和围压跟踪泵13进行控制和数据采集。

11）流体注入计量泵11

流体注入计量泵11采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵；

其功能是：精确控制流体的压力，并精确测量流体的瞬态质量和流量等参数，并具有恒压和恒流两种工作模式；恒压工作模式可调节压力范围为0.06895～68.95MPa。

12）流体回流计量泵12

流体回流计量泵12与流体注入计量泵11采用同一种TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵；

其功能是监测透过岩样8流体的流量和压力，并能根据需求设定恒压或恒流模式，实现对渗入岩样8流体的精准计量。

13）围压跟踪泵13

围压跟踪泵13是一种根据围压压力值自动调整输出压力并与围压保持一致的压力泵；

其功能是保持变形胶囊9-1内部压力与围压一致，使得岩样8剪切位移变化挤压变形胶囊9-1变小时不会造成变形胶囊9-1内部压力升高而引起密封胶套9变形。

14）X向位移传感器14

如图3，X向位移传感器14是一种常用的高精度线性位移差动变压器式传感器，其左、右端部分别和左、右剪切压板6连接。

其功能是监测岩样8在剪切过程中X向的变形。

为了方便安装，在X向位移传感器14的一端部（右）设置有位移固定支架14-2，在X向位移传感器14的另一端部（左）设置有位移探测支架14-1；

*位移固定支架14-2是一种不锈钢制L形支架，可将X向位移传感器14固定在支架14-2上，而支架14-2通过螺丝固定在剪切压板6上（右）；

*位移探测支架14-1是一种不锈钢制L形支架，通过螺丝固定在剪切压板6上（左），支架14-1的一面直接与X向位移传感器14的衔铁接触。

15）Y向位移传感器15

Y向位移传感器15采用与X向位移传感器14同一种类的位移传感器；其端部设置有Y向位移探测支架15-1和Y向位移固定支架15-2；

其功能是检测岩样8在剪切过程中Y向的变形。

*位移固定支架15-2是一种不锈钢制L形支架，可将Y向和Z向的位移传感器15、16固定在支架15-2上，而支架15-2通过螺丝固定在法向压板7上；

*位移探测支架15-1是一种不锈钢制L形支架，通过螺丝固定在法向压板7上，支架15-1的一面直接与Y向位移传感器15的衔铁接触。

16）Z向位移传感器16；

如图4，Z向位移传感器16采用与X向位移传感器14同一种类的位移传感器；其端部也设置有Z向位移固定支架16-1，其另一端直接顶住岩样8中心位置；

其功能是检测岩样8在剪切过程中Z向的变形。

*Z向位移固定支架16-1是一种不锈钢制支架，可将Z向的位移传感器16固定在Z向位移固定支架16-1上，而Z向位移固定支架16-1通过螺丝固定在法向压板7上；

3、本装置的工作机理

本装置通过固定在刚性框架1上的3个油缸2、3个压柱5、2块剪切压板6和2块法向压板7对岩样8施加X向剪切应力和Y向法应力，最大剪切应力可达200MPa，最大法向应力可达100MPa；通过向围压室4-1注入液压油对岩样8施加Z向（侧向）应力，最大侧向应力可达100MPa；从而实现真三轴应力条件下的剪切试验。

由于围压始终要高于渗透压（有效围压等于围压减去渗透压），胶套9始终处于被压状态，通过流体注入计量泵11、流体回流计量泵12、流体通道6-1和胶套9可对岩样8注入超高压流体（如超临界CO2、水等）实现高渗透压环境下的剪切渗流试验，最高渗透压力可到50MPa；密封胶套9主要起到对渗流流体的密封作用和隔离围压室4-1内液压油进入岩样8；流体注入计量泵11主要用于以设定的恒压模式或恒流模式注入流体，并计量注入流体体积及压力的变化等；流体回流计量泵12主要用于计量回流流体的体积及压力变化，且根据需要可以设定恒压模式测定等。

通过加热盘管4-6、温度传感器4-5和计算机10可以控制围压室4-1内液压油的温度，使得岩样8与液压油的温度同步，进而实现高温环境下的剪切渗流试验。

通过固定在组合件上的X、Y、Z向位移传感器14、15、16及其自身的固定支架和探测支架来监测岩样8在剪切过程中的位移变形情况。

通过胶套9内部的变形胶囊9-1、变形隔板9-2和围压跟踪泵13实现变形胶囊9-1内部压力与围压室4-1液压油压力一致，使得变形胶囊9-1随岩样8的破坏部分移动变形而不会引起胶套9的变形，从而使得胶套9始终使胶套保持良好的密封性；变形隔板9-2可以避免胶囊9-1直接与破坏的岩样接触而发生破坏。