本发明一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置与试验方法，属于岩石及岩体力学领域，尤其涉及一种加工制作简单、密封环节少的单裂隙岩石试件制备技术及多种配套系统，如声发射监测系统、裂隙面数据处理系统和数据采集系统等，能对单裂隙岩石试件进行静水压力封装、大剪切位移和高渗透压力下的直剪-渗流试验，可深入分析单裂隙岩石的直剪-渗流机理，探究影响单裂隙岩石直剪-渗流特性的主要因素，为地下岩石工程提供试验及理论依据。
背景技术：
在地下工程中，岩体中节理与地下水的相互作用往往决定着岩体工程的稳定性，而节理在直剪-渗流耦合作用下的滑移失稳通常会导致重大地质灾害的产生，因此，深入研究裂隙岩体的直剪-渗流耦合特性及由此所导致的失稳规律对于解决地下岩体工程的稳定性有着至关重要的作用。
目前，国内外各专家对于岩石节理直剪-渗流耦合特性的研究并不多，其中最难以解决的便是直剪-渗流过程中存在的动密封问题，即难以保证水在岩石试件剪切错动过程中只沿裂隙上下面组成的不规则通道流动而不发生侧漏。因此，研制密封性较好的直剪盒是开展直剪-渗流试验的基础。目前，涉及直剪-渗流的装置及方法的中国发明专利主要有：山东科技大学的“一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统”（cn102607950a）。山东科技大学的“一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验系统”（cn102253185a）。山东科技大学的“岩石裂隙剪切渗流耦合试验盒”（cn202133661u）。同济大学的“岩石节理剪切-渗流耦合试验系统”（cn201237591y）。武汉大学的“适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒”（cn202903786u）。太原理工大学的“一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置”（cn104596857a）。然而，这些已有的节理剪切试验设备存在以下几点问题：1.试验设备的密封操作比较繁琐且密封效果难以达到试验的要求；2.这些试验技术基本都只考虑裂隙岩体侧向密封而忽略了侧向的压力，进而导致岩体所处的应力状态和实际赋存状态严重不符；3.渗流试验的注水方式或者是从裂隙面中部注水形成向四周流动的辐射流，或者是从端面集中注水，这都和岩石中真实的水流运动方式情况相差较大。4.裂隙的剪切位移都不是很大，这主要是因为剪切位移越大，裂隙岩石的密封性越差；5.试验所施加的渗透水头都不是很高，无法满足试验的要求，即无法研究高渗透压作用下裂隙的剪切-渗流耦合规律；6、没有可靠的监测设备对直剪-渗流过程进行监测，只单纯的依靠变形和流量的变化量来推测直剪-渗流特性，过于简单。7、目前三轴压力室内所采用的声发射探测设备无法直接粘贴于岩石试件的表面，多数是粘贴于包裹岩石试件的热缩套管上，然而热缩套管会对声波传递造成影响，导致监测结果不可靠，而且对于应力-渗流耦合作用下的破损监测问题，更是难以实现。
因此，为了解决上述试验方法所存在的诸多缺陷和不足，研制一种高效的、可靠的岩石试件直剪-渗流试验装置对于探究岩石的直剪-渗流特性有着重要的意义。
技术实现要素：
本发明一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于该装置能够对单裂隙试件施加静水压力条件，并实现试验对象的直剪-渗流过程，该试验装置由加载系统、声发射监测系统、密封系统、数据采集系统、岩石试件前处理系统和裂隙面数据处理系统等组成，其所述的加载系统由三轴压力室17、三轴压力室底座20、流体注入系统16、围压加载跟踪系统18和电液伺服加载试验系统29组成。三轴压力室分为上腔体26和下腔体27，两个腔体通过上下腔体连接管7连接。轴向加载杆25贯穿两个腔体，其上端受电液伺服加载试验系统29控制进行加载，而中部连接有上腔体活塞板1，并用o型圈13密封。上腔体活塞板1可随下腔体27内部油压变化而上下移动，既保证了下腔体27内的静水压力状态，也保证了轴向加载杆25能够对试件施加偏应力；轴向加载杆25下端设置有球形压头2，球形压头2下端设置有转换压头9，转换压头9上端设计为圆柱形，下端设计为方形，而转换压头下端还置有方形压头3，方形压头内设计有“l”型渗流孔，其中孔的一端连接压头的下端口，而孔的另一端连接压头侧端口，侧端口通过管线28连接出三轴压力室17外部，方形压头3下端还置有声发射特制压头14，其下端用于放置特殊加工的单裂隙岩石试件12，其中单裂隙岩石试件12下端依次再放置声发射特制压头14、方形压头3；整个三轴压力室17用凹型环形卡套6实现密封，并通过定位销21置于电液伺服加载系统29中，流体注入系统16和围压加载跟踪系统18分别通过三轴室内外管线为单裂隙试件12提供渗透压和围压，分别采用围压传感器22、入口压力传感器23和出口压力传感器24来监测围压、流体注入口和流体出口31的压力值，流出口的流体流量用高精度电子天平15监测，而通过溢流阀8来控制三轴压力室17内部油体的充满；所述的声发射系统用于监测单裂隙岩石试件12在直剪-渗流作用下的破裂现象，主要包括声发射传感器35和声发射特制压头14，其中声发射传感器35采用美国美国声学物理公司pac生产的pci-2型传感器，而声发射特制压头14由四部分构成，分别为声发射探头放置室40、声发射探头放置室盖板41、导流压板ⅰ32和导流压板ⅱ36，其中导流压板ⅱ36中部设置有环形导流水槽43，而导流水槽43的内外侧均设置有环形o型圈45，在环形导流槽43内开有导流孔44，另外，所述的导流压板ⅰ32的中部设置有4个导流管46，且外侧同样置有环形o型圈45，具体的安装流程为：首先将所述的导流压板ⅱ36置于单裂隙岩石试件12的上端面并对齐，然后将所述的声发射探头放置室40对齐置于导流压板ⅱ36上，接着将3个声发射传感器探头35均匀摆放于所述的声发射探头放置室40内，然后在声发射传感器35和声发射探头放置室40间均匀涂抹凡士林34,并将声发射探头引出线42由声发射探头放置室40侧端引出，并用环氧树脂结构胶39密封，然后将声发射探头放置室盖板41与声发射探头放置室40间用螺丝38拧紧，最后将导流压板ⅰ32的四根导流管46穿过声发射探头放置室40和声发射探头放置室盖板41上的四根导流孔。至此，导流压板ⅰ32、导流压板ⅱ36、声发射探头放置室40和声发射探头放置室盖板41共同组成声发射特制压头14；所述的密封系统主要是实现试件在直剪-渗流过程中的密封，首先将所述的单裂隙岩石试件12与上下声发射特制压头14对齐，接着再将所述的方形压头3置于声发射特制压头3的上下两端，然后利用电工胶带自下而上将试件和压头粘为一体，接着将该整体套入热缩套管11中，并用热风机反复上下吹拂热缩套管11四周，待热缩套管12与单裂隙岩石试件间空气完全被排空，然后用铁丝10将热缩套管12的两端缠绕数圈并拧紧，最后将该整体置于所述的三轴压力室20内进行试验；所述的数据采集系统30指对变形、压力等数据的监测采集，试验过程中的剪切位移由轴向位移传感器（4）进行测量，且其在安装时要恰好接触到所述的转换压头9的45o斜面，试验中的法向位移采用径向位移传感器5进行测量，另外，通过压力传感器22、23、24实现三轴压力室17的围压、入口压力和出口压力等数据的测量，所有这些测量元件的导线都从三轴压力室17引出，然后接入电脑进行测量；所述的岩石试件前处理系统主要是指单裂隙岩石试件12的加工处理，首先将50mm×50mm×100mm的长方体岩石试件劈成两块，分别为a块体48和b块体49，然后切割a块体的上端面和b块体下端面长约20mm的长度，并用硅橡胶33填补至原来形状，接着在a、b块体的端面中部钻取导流孔19和导流缝47，其中导流缝47长约80mm，深约2mm；所述的裂隙面数据处理系统指对a块体48和b块体49在试验前后的裂隙表面进行扫描，用于表征直剪-渗流试验对岩石裂隙面的损伤作用。
上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于，所述的三轴压力室17主要用于施加静水压力，最大应力可达10mpa；电液伺服加载试验系统29用于施加剪切应力，控制精度可达0.0001kn/s或0.0001mm/s,；流体注入系统16则用于施加渗透压力，最大可达20mpa；声发射监测系统用于监测直剪-渗流试验过程中的裂隙面破损演化；轴向位移传感器4和径向位移传感器5用于监测试验过程中的剪切位移和法向位移，精度可达0.001mm。
上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于，所述的单裂隙岩石试件12为长方体形状，须用巴西劈裂装置进行单裂隙面的制取，试件底面尺寸为50×50mm，而长度方向可任意选取，为100~200mm。
上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于，裂隙面数据处理系统可精确表征裂隙面的粗糙特性，平均采样点距为0.15mm～0.07mm，测量精度为0.02mm～0.01mm；此外，系统还包括点云数据处理程序，所述的程序可依据上下裂隙面的点云坐标计算裂隙的开度，并结合直剪渗流过程中法向及剪切方向的位移数据，计算裂隙的开度变化。
上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于，轴向位移传感器4由四根测量杆构成，每根测量杆分布于试件每个面的中部，而四根测量杆的读数的平均值为岩石产生剪切位移的大小；而径向位移传感器5由两根测量杆构成，两者垂直于裂隙面的方位相对分布，两者的读数和为裂隙面在剪切过程中所产生的法向变形量。
上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，其特征在于流体注入系统16和围压加载跟踪系统18包括空气压缩机50、大流量平流泵51、高精度跟踪泵52、蒸馏水罐53、储油罐54、高精密围压跟踪泵55和大流量手摇泵56，其中空气压缩机5是提供本试验所有气动加载的气体动力源，而大流量平流泵56的最大流量为500ml/min，加载精度为1ml，可恒定流量控制，主要用于研究直剪-渗流过程中流速对单裂隙岩石直剪-渗流特性的影响，而高精密跟踪泵52的最大流量为10ml，加载精度为0.001ml，可恒定压力控制，主要是为了实现渗透压对单裂隙岩石直剪-渗流特性的影响；而蒸馏水罐53主要提供注入流体；储油罐54提供三轴压力室17的压力介质；大流量手摇泵56是为了手工调节三轴室内71的静水压力值；高精密围压跟踪泵55是可保持单裂隙岩石试件12在直剪-渗流过程中受到的静水压力的恒定。
上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置的试验方法，其特征在于采用上述的一种静水压力下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置，可模拟矿物所处的静水压力状态，并可模拟研究所有地下工程中受采动作用断裂而成的采动裂隙岩体在地下水作用下的剪切-渗流失稳机理。该方法首先需要按规定的加工方法制作适合试验的单裂隙岩石试件12，然后对单裂隙岩石试件12的a块体48和b块体49的裂隙面进行形貌扫描，接着再拼成整体，并将声发射特制压头14和方形压头3依次置于单裂隙岩石试件12的上下两端面，接着用电工胶带和热缩套管11进行密封并置于三轴压力室内，然后连接所有数据监测线。
本发明的具体实施的步骤为：
步骤一：采用巴西劈裂装置将尺寸为50×50×100mm的方形岩石试件劈裂为两半，接着截割裂隙岩石a块体48和b块体49的相对两端面约20mm长度，并保证截割后的端面不平整度最大误差不超过0.02mm；接着分别在每个块体上钻取岩石试件渗流孔19和导流缝47，之后将a、b块体拼合并置于50×50×100mm的磨具内，并将硅橡胶33倒入截割空间内，待硅橡胶完全凝固后从磨具中取出，得到试验用的单裂隙岩石试件12，然后用裂隙面数据处理系统对a块体48和b块体4）的裂隙表面进行数据处理。
步骤二：将导流压板ⅱ36对齐放置于单裂隙岩石试件12上，接着安装声发射探头放置室40和声发射传感器35，在声发射传感器35和声发射探头放置室40间涂抹凡士林34，接着将声发射探头放置室盖板41置于声发射探头放置室40，并将二者用螺丝38拧紧，最后将导流压板ⅰ32和方形压头3依次对齐置于盖板上。待试件两端都安装好各压头后，接着用电工胶带由下至上将该整体螺旋缠绕数圈，接着将其套入热缩套管11中，并用热风机反复吹拂，待热缩套管11与试件和压头贴合紧密并无气泡存在时，用铁丝10将热缩套管11的两端缠绕数圈并拧紧，最后将该整体置于所述的三轴压力室17内。
步骤三：安装轴向位移传感器4和径向位移传感器5，并将两者的监测线和声发射监测线连接到相应的数据采集系统30上，然后将三轴压力室17安装好，并将所有的数据清零。
步骤四：开启声发射监测系统、开启数据采集系统，然后施加静水压力、剪切应力和渗透压到设定值，开始直剪-渗流试验。
步骤五：全程监测所有的数据变化，并按试验步骤变化应力加载条件。
步骤六：待试验结束后，将压力卸载，将所有监测设备关闭，然后拆卸试验设备。
步骤七：将试验后的单裂隙岩石试件12从热缩套管33和电工胶带中取出，并用裂隙面数据处理系统对试验后的a块体48和b块体49的裂隙面形貌特征进行处理，并与试验前进行对比分析。
处理试验数据，至此，本次直剪-渗流试验完成。
因此，本发明的优点在于：能够克服现有的试验技术的缺陷及不足，可根据裂隙岩体所处的地质赋存条件，模拟其真实的应力状态，并可进一步研究其在采动应力-地下水耦合作用下的剪切-渗流失稳机理，具体包括以下几点：1、试验岩石试件的底面尺寸须固定，为50mm×50mm，而高度方向尺寸可灵活选取，为100~200mm；2、采用硅橡胶作为试件端面及侧面密封介质，实现了密封系统的一体化，也实现了较大的剪切位移；3、采用声发射特制压头不但可实现声发射探头与试件端面间的近距离贴合，还可实现渗流通道的密封性，保证了监测数据的可靠性；4、岩石试件裂隙面上切割有导流缝，保证了水流在裂隙面内的均匀分布；5、采用三轴压力室可实现静水压力和轴向偏应力的独立控制。
附图说明
图1为本试验装置的结构示意图
图2为岩石试件与压头装配示意图
图3为声发射探头放置室俯视图
图4为导流压板ⅱ俯视图
图5为导流压板ⅱ侧视图
图6为导流压板ⅰ俯视图
图7为导流压板ⅰ立体图
图8为单裂隙岩石试件a块体侧视图
图9为单裂隙岩石试件b块体侧视图
图10为单裂隙岩石试件a或b俯视图
图11为围压及渗透压加载系统示意图
图中标号如下：
1—上腔体活塞板、2—球形压头、3—方形压头、4—轴向位移传感器、5—径向位移传感器、6—凹型环形卡套、7—上下腔体连接管、8—溢流阀、9—转换压头、10—铁丝、11—热缩套管、12—单裂隙岩石试件、13—o型圈、14—声发射特制压头、15—高精度电子天平、16—流体注入系统、17—三轴压力室、18—围压加载跟踪系统、19—导流孔、20—三轴压力室底座、21—定位销、22—围压传感器、23—入口压力传感器、24—出口压力传感器、25—轴向加载杆、26—上腔体、27—下腔体、28—管线、29—电液伺服加载试验系统、30—数据采集系统、31—流体出口、32—导流压板ⅰ、33—硅橡胶、34—凡士林、35—声发射传感器、36—导流压板ⅱ、37—流体注入口、38—螺丝、39—环氧树脂结构胶、40—声发射探头放置室、41—声发射探头放置室盖板、42—声发射探头引出线、43—环形导流水槽、44—导流孔、45—环形o型圈、46—导流管、47—导流缝、48—a块体、49—b块体、50—空气压缩机、51—大流量平流泵、52—高精度渗透压跟踪泵、53—蒸馏水罐、54—储油罐、55—高精度围压跟踪泵、56—大流量手摇泵。
具体实施方式
下面通过实例，并参照附图，对本发明所述的一种静水压力条件下
单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置做进一步的说明。
实施方式：以50×50×100mm的细砂岩方形试件为例，对单裂隙砂岩试件直剪-试验过程中渗透特性的变化研究，具体的试验步骤如下：
步骤一：单裂隙岩石试件的制取。采用巴西劈裂装置将尺寸为50×10×200mm的细砂岩方形试件劈成两半，得到单裂隙岩石试件，接着截割单裂隙岩石试件12的a块体48和b块体49的相对两端面约20mm长度，并打磨块体端面，确保端面的不平整度最大误差不超过0.02mm；然后在每个块体的截割面中部钻取深约30mm的岩石试件渗流孔19，以及宽约80mm，深约2mm的导流缝47，之后将处理过的两裂隙块体紧密拼合并置于规格尺寸为50×50×100mm的钢制磨具内，然后将硅橡胶缓慢倒入试件的切割空间内，直至硅橡胶与未切割一侧的断面持平后方可停止。将磨具置于室外24h，待硅橡胶完全凝固后将磨具上下翻转，采用同样的步骤填补另一侧的切割空间，待该侧的硅橡胶完全凝固后将试件从磨具中取出，并继续用硅橡胶重点填补试件的侧向缝隙处，尤其是上下最后待硅橡胶完全凝固后得到了单裂隙岩石试件12，最后用3d形貌扫描仪获取各裂隙面的形貌特征。
步骤二：三轴压力室内试件安装。将导流压板ⅱ36置于单裂隙岩石试件12的端面上，并同时在导流压板ⅱ36上安装环形o型圈45，接着将声发射探头放置室40置于导流压板ⅱ36上，并同时将3个声发射传感器35均匀放入声发射探头放置室内40，并和声发射探头放置室40内预留的声发射引出线42相接，然后在声发射传感器35和声发射探头放置室40间涂抹凡士林34，接着将声发射探头放置室盖板41置于声发射探头放置室40上并用螺丝38将二者拧紧，最后将导流压板ⅰ32和方形压头3依次对齐置于声发射探头放置室盖板41上，并同时安装o型圈13，接着用电工胶布从上到下将各压头和单裂隙岩石试件12螺旋缠绕数圈，直至稳固。之后将该整体套入热缩套管11中，用热风机反复上下均匀吹拂单裂隙岩石试件12的表面，待热缩套管11完全和单裂隙岩石试件12贴合紧密并无气泡存在时，用铁丝10将热缩套管的两端口处缠绕数圈并拧紧，接着将该整体置于三轴压力室17的固定位置处。
步骤三：安装监测传感器。将轴向位移传感器4安装与试件的外围，并调整及固定位置，须保证每根测量杆分布于试件每个面的中部；安装径向位移传感器5时应放置于平行于裂隙面的两个试件表面的中部，然后将声发射传感器引出线42、轴向及径向位移传感器监测线连接到相应的数据采集系统上，然后将三轴压力室17安装好，并将所有的监测数据清零。
步骤四：开始试验。开启所有的压力、变形监测系统和声发射系统，然后开启空气压缩机50给三轴压力室17内充油，充油结束后，接着用大流量手摇泵56快速施加静水压力至设定的值2mpa，然后开启高精密围压跟踪系统55监测静水压力值，使其稳定在2mpa；然后启动电液伺服加载试验系统29，以0.002mm/s的加载速率施加剪应力，并实时观测各压力和变形值的变化；待剪切量达到0.2mm时，停止剪切力加载，开启大流量平流泵51按恒定的速率注入流体，并采用高精度电子天平15采集出口处液体流量，待渗透稳定后，停止平流泵，并继续按速率0.002mm/s施加剪切力，如此反复，直至剪切量达到15mm后停止加载。
步骤五：停止试验。待试验结束后，先卸载注入流体压力，接着卸载剪切力，最后卸载静水压力，之后将所有监测设备关闭，然后拆卸三轴压力室17。
步骤六：将试验后的岩石试件12从热缩套管11和电工胶带中取出，并用3d形貌扫描仪继续扫描试验后的裂隙面形貌特征，和试验前的裂隙面形貌特征进行对比分析。
综上所述，本发明可进行静水压力下的单裂隙岩石试件的直剪-渗流试验。
还需指明，以上所述仅用以说明本发明的技术方案而非限制，任何本领域的科研技术人员参照本发明的实施方式改变岩石的种类、岩石的尺寸及规格，以及其他形式及细节上的各式各样的改变，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。