本实用新型涉及岩土工程试验设备，具体涉及一种采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机。
背景技术：
黏土岩是一种材料性质介于岩石和土之间软岩，往往具有一定塑性，渗透系数低，内部裂隙则在水化作用下一般可以缓慢的闭合。正是由于这样的特性，黏土岩(包括膨润土块)常被用于防渗材料，在世界各地更是常被用作高放核废料储库的母岩和缓冲材料。剪切裂隙是黏土岩地下洞室中的常见裂隙形式，因此研究黏土岩在剪切过程中渗透系数演化是一个重要课题。
当前测量岩土材料在剪切破坏时渗透性演化主要是采用渗流-应力耦合的三轴试验机进行试验：在试样三轴剪切(或三轴压缩)过程中，通过在圆柱形试样的顶部和底部直接施加水压差来测量渗透系数。这种方法较适合于渗透性相对较大的岩土介质如砂岩等，而对于黏土岩这种渗透性很低，且裂隙有较强的自闭合特性的岩体，如果制备成普通的三轴试样，由于渗透路径较长无法采用稳态法测量渗透系数，而只能采用脉冲法来测量。脉冲法测量得到的渗透系数本身的误差较大，因此这种方法通常无法得到规律性较好的试验结果。而且三轴剪切的剪切裂隙往往不是上下贯通的，这就导致测得的渗透系数远小于实际值。如果将黏土岩试样制备成扁平圆柱，则无法进行三轴剪切，同样无法达到试验目的。
2012年1月出版的《Engineering Geology》第124卷第47-58页介绍了一种可测量黏土岩剪切裂隙的渗透系数的渗流-应力耦合空心圆柱三轴仪，在三轴压缩的过程中通过在空心圆柱试样的内外侧分别测量水压力和流量，可以计算出黏土岩试样在剪切过程中的渗透性的变化规律。空心试样的壁厚较小，可以采用稳态法测量渗透系数，测量的数据比较精确，能较好地反映黏土岩剪切过程中的渗透系数变化。但是这种方法试验仪器复杂，且在试验过程中空心圆柱的顶部、底部均需要密封，试样内外壁均需包裹橡皮膜并安装传感器，难度大、耗时长。另外黏土岩的空心圆柱试样本身的加工的难度也较大。此外，剪切裂隙的位置也较难控制。
2014年1月出版的《Rock Mechanics and Rock Engineering》第47卷第1期第87–99页介绍了采用预制裂隙的试样进行试验以测量黏土岩剪切裂隙的渗透系数的方法，由于黏土岩的渗透性比较低，试样采用厚度较小(1cm～2cm)的圆片试样。采用这种方法只能测得黏土岩的裂隙的渗透性以及在水的作用下裂隙自闭合，渗透性逐渐降低的特性，不能测得剪切过程中的渗透性的演化，而且预先剪裂的裂隙面上的岩屑流失也可能会对试验结果准确性造成影响。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，可以实现采用较简单的实验装备以较高的精度测量黏土岩在剪切过程中渗透系数演化的规律。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，包括用于冲剪黏土岩试样的剪切盒，以及水压伺服加载器、水压传感器和LVDT位移传感器；所述黏土岩试样安置在所述剪切盒内，且所述黏土岩试样为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，所述剪切盒通过液压驱动活塞运动使所述黏土岩试样产生剪切；所述水压伺服加载器通过管道连通至位于所述剪切盒内的黏土岩试样的上方，且为所述黏土岩试样提供孔隙水并施加孔隙水压力，所述黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在所述黏土岩试样中的渗透路径平行；所述水压传感器包括孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器，所述孔隙水水压传感器安装在所述水压伺服加载器连通至所述黏土岩试样的上方的管道上，所述活塞缸水压传感器用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切压力；所述LVDT位移传感器安装在所述剪切盒上，且用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样的剪切位移。
本实用新型的有益效果是：在本实用新型一种采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机中，黏土岩试样被加工为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，在施加剪切位移的同时，在黏土岩试样上方施加孔隙水压，黏土岩试样的下方通过管道连通至大气，这样就可以在受冲剪的黏土岩试样上下方形成恒定水头差，从而产生稳态渗流，进而可以采用稳态法精确的测得低渗透性的黏土岩的渗透系数；由于采用冲剪的方式对黏土岩试样进行剪切，则对黏土岩试样的剪切位移可控；由于剪切盒对黏土岩试样的剪切方向与孔隙水在黏土岩试样中的渗透路径平行，则可以精确评估剪切裂隙对黏土岩试样渗透系数的影响，通过在不同剪切位移下分别测量黏土岩试样的渗透系数，可以得到剪切变形对试样渗透系数的影响规律；同时，在剪切过程中通过读取LVDT位移传感器和活塞缸水压传感器的读数，可以计算得到黏土岩试样的剪切应力-应变关系；另外，在剪切裂隙形成以后，控制黏土岩试样的剪切位移保持恒定，使黏土岩试样的裂隙逐渐自闭合，在不同的时间测量其渗透系数，可以得到黏土岩试样自闭过程中的渗透系数演化规律。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
进一步，还包括计算机、控制器和放大器，所述计算机通过所述控制器与所述水压伺服加载器相连，所述LVDT位移传感器通过所述放大器与所述计算机相连，所述孔隙水水压传感器和活塞缸水压传感器还均与所述控制器相连。
采用上述进一步方案的有益效果是：计算机既可以读取压力、位移等数据，也可以对压力、位移进行控制，方便试验的进行。
进一步，所述剪切盒包括剪切盒顶盖和剪切盒底座，所述剪切盒顶盖安装在所述剪切盒底座上，所述剪切盒顶盖的底部设有开口向下的上部活塞缸，所述剪切盒底座的顶部设有开口向上的下部活塞缸，且所述上部活塞缸与所述下部活塞缸的位置相对，所述上部活塞缸中滑动设有上部活塞，所述上部活塞的侧壁与所述上部活塞缸的侧壁之间密封，所述下部活塞缸中滑动设有下部活塞，所述下部活塞的侧壁与所述下部活塞缸的侧壁之间密封，所述黏土岩试样位于所述上部活塞和下部活塞之间，且通过驱动所述上部活塞并在所述下部活塞的配合下对所述黏土岩试样进行冲剪。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过驱动上部活塞和下部活塞对黏土岩试样进行冲剪式的剪切，可以保证黏土岩试样的剪切位移可控。
进一步，所述水压伺服加载器还通过管道分别与所述上部活塞缸和下部活塞缸连通，所述水压伺服加载器通过管道向所述上部活塞缸和下部活塞缸中注入水压，且通过水压驱动所述上部活塞并在所述下部活塞的配合下对所述黏土岩试样进行剪切；所述活塞缸水压传感器设有两个，两个所述活塞缸水压传感器对应安装在所述水压伺服加载器分别与所述上部活塞缸和下部活塞缸连通的管道上。
采用上述进一步方案的有益效果是：黏土岩试样的剪切裂隙采用冲剪的方式形成，冲剪则是通过水压驱动上部活塞和下部活塞的移动来实现，这样一方面剪切裂隙形成时不会破坏试验的边界条件，另一方面也可以确保剪切裂隙形状和方向，从而可以提高试验结果的精度。
进一步，所述上部活塞的顶端伸出所述剪切盒顶盖，所述LVDT位移传感器安装在所述上部活塞的顶端上，且所述LVDT位移传感器的感应端与所述剪切盒顶盖的上端面相接触。
进一步，所述黏土岩试样通过下透水板安置在所述下部活塞缸中，所述上部活塞缸中设有上透水板，所述黏土岩试样夹装在所述上透水板和下透水板之间；所述上透水板和下透水板均分别包括圆形透水板和环形透水板，所述圆形透水板位于所述环形透水板的圆形孔内；所述上透水板中的圆形透水板与所述上部活塞相对，且所述上透水板中的圆形透水板的面积与所述上部活塞的截面积相等，所述下透水板中的圆形透水板与所述下部活塞相对，且所述下透水板中的圆形透水板的面积与所述下部活塞的截面积相等，同时所述上部活塞的截面积与所述下部活塞的截面积相等。
采用上述进一步方案的有益效果是：黏土岩试样的顶部和底部均放置透水板，由于试样需要沿着竖直方向冲剪，故上、下透水板都沿着冲剪边缘分为圆形透水板和环形透水板；同时剪切位置在黏土岩试样中央，不会对黏土岩试样的密封产生影响；另外，圆形不透水板与上、下部活塞截面一致，从而避免了透水石对剪切的阻碍。
进一步，所述上部活塞缸和下部活塞缸中均分别设有用于限制上部活塞和下部活塞位移的且带螺纹的卡环，所述上部活塞缸和下部活塞缸中的卡环分别对应与所述上透水板和下透水板中的环形透水板连接，且所述卡环与对应的上部活塞缸、上部活塞、下部活塞缸和下部活塞之间均分别设有密封圈。
进一步，所述黏土岩试样的侧边缘与所述剪切盒底座内侧边缘之间的缝隙中填充有用于密封的环氧树脂。
采用上述进一步方案的有益效果是：环氧树脂保证黏土岩试样侧面不透水边界条件，从而提高试验精度。
进一步，所述上透水板及下透水板与所述黏土岩试样之间均分别铺设有滤纸。
采用上述进一步方案的有益效果是：为了避免黏土岩试样岩屑流失堵塞
管道，上、下透水板与黏土岩试样之间也可以垫上等面积的滤纸。
进一步，所述管道为不锈钢毛细管。
附图说明
图1为本实用新型采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机的整体结构示意图；
图2为本实用新型采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机中透水板的爆炸结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、计算机，2、控制器，3、水压伺服加载器，3a、第一水压伺服加载器，3b、第二水压伺服加载器，3c第三水压伺服加载器，4、水压传感器，4a、第一活塞缸水压传感器，4b、孔隙水水压传感器，4c、第二活塞缸水压传感器，5、管道，5a、第一管道，5b、第二管道，5c、第三管道，5d、第四管道，6、LVDT位移传感器，7、放大器，8、上部活塞，9、密封圈，10、剪切盒顶盖，11、上部活塞缸，12、螺栓，13、卡环，14、环形透水板，15、圆形透水板，16、环氧树脂，17、黏土岩试样，18、下部活塞，19、下部活塞缸，20、剪切盒底座，21、接水容器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，包括计算机1、控制器2、水压伺服加载器3、水压传感器4、管道5、LVDT位移传感器6、放大器7、上部活塞8、密封圈9、剪切盒顶盖10、上部活塞缸11、螺栓12、卡环13、环形透水板14、圆形透水板15、环氧树脂16、黏土岩试样17、下部活塞18、下部活塞缸19、剪切盒底座20和接水容器21。在本具体实施例中，所述水压伺服加载器3包括第一水压伺服加载器3a、第二水压伺服加载器3b和第三水压伺服加载器3c；控制器2包括第一控制器2a、第二控制器2b和第三控制器3c；水压传感器4包括孔隙水水压传感器4b和活塞缸水压传感器，所述活塞缸水压传感器包括第一活塞缸水压传感器4a和第二活塞缸水压传感器4c；管道5包括第一管道5a、第二管道5b、第三管道5c和第四管道5d。
在本具体实施例中，所述黏土岩试样17安置在所述剪切盒内，所述剪切盒用于冲剪黏土岩试样17，具体的，所述剪切盒通过液压驱动活塞运动使所述黏土岩试样产生剪切；所述黏土岩试样17为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，加工完成后放置在剪切盒底座上，黏土岩试样17渗透方向为厚度方向，由于渗透路径较短，可以采用稳态法精确测量黏土岩试样17的渗透系数。
在本具体实施例中，所述水压伺服加载器3通过管道连通至所述黏土岩试样17的上方(具体的是：第二水压伺服加载器3b通过第二管道5b连通至所述黏土岩试样17的上方，且孔隙水水压传感器4b设置在第二管道5b上)，并为所述黏土岩试样17提供孔隙水；所述黏土岩试样17的下方通过管道5连通至大气(具体的是：所述黏土岩试样17的下方通过第四管道5d连通至大气，且第四管道5d的末端还设有接水容器21，接水容器21用于收集在黏土岩试样17中渗透流出的孔隙水)；当第二水压伺服加载器3b通过第二管道5b向黏土岩试样17的上方施加孔隙水压力时，黏土岩试样17的上下方会形成恒定水头差，从而可以产生稳态渗流，从而可以采用稳态法精确的测得低渗透性的黏土岩试样17的渗透系数。
在本具体实施例中，所述剪切盒对所述黏土岩试样17进行剪切所形成的裂隙方向与孔隙水在所述黏土岩试样17中的渗透路径平行，可以精确评估剪切裂隙对黏土岩试样渗透系数的影响。
在本具体实施例中，所述活塞缸水压传感器用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样17的剪切压力(具体为第一活塞缸水压传感器4a和第二活塞缸水压传感器4c用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样17的剪切压力)。所述LVDT位移传感器6安装在所述剪切盒上，且用于测量所述剪切盒对所述黏土岩试样17的剪切位移，在本具体实施例中，LVDT位移传感器6具体为LVDT传感器。
在本具体实施例中，第一水压伺服加载器3a通过第一控制器2a连接至计算机，第二水压伺服加载器3b通过第二控制器2b连接至计算机，第三水压伺服加载器3c通过第三控制器2c连接至计算机；第一活塞缸水压传感器4a与第一控制器2a相连、孔隙水水压传感器4b与第二控制器2b相连，第二活塞缸水压传感器4c与第三控制器2c相连；所述LVDT位移传感器6通过所述放大器7与所述计算机1相连。
在本具体实施例中，所述剪切盒包括剪切盒顶盖10和剪切盒底座20，所述剪切盒顶盖10安装在所述剪切盒底座20上，具体的可以通过螺栓12将剪切盒顶盖10固定在剪切盒底座20上；所述剪切盒顶盖10的底部设有开口向下的上部活塞缸11，所述剪切盒底座20的顶部设有开口向上的下部活塞缸19，且所述上部活塞缸11与所述下部活塞缸19的位置相对；所述上部活塞缸11中滑动设有上部活塞8，所述上部活塞8的侧壁与所述上部活塞缸10的侧壁之间密封；所述下部活塞缸19中滑动设有下部活塞18，所述下部活塞18的侧壁与所述下部活塞缸19的侧壁之间密封；所述黏土岩试样17位于所述上部活塞8和下部活塞18之间，且通过驱动所述上部活塞8并在所述下部活塞18的配合下对所述黏土岩试样17进行冲剪式剪切。
在本具体实施例中，所述水压伺服加载器3还通过管道5分别与所述上部活塞缸11和下部活塞缸19连通(具体的是：第一水压伺服加载器3a通过第一管道5a与上部活塞缸11连通，第三水压伺服加载器3c通过第三管道5c与下部活塞缸19连通，且第一活塞缸水压传感器4a设置在第一管道5a上，第二活塞缸水压传感器4c设置在第三管道5c上)，所述水压伺服加载器3(第一水压伺服加载器3a和第三水压伺服加载器3c)通过管道5(第一管道5a和第三管道5c)向所述上部活塞缸11和下部活塞缸19中注入水压，且通过水压驱动所述上部活塞8并在所述下部活塞18的配合下对所述黏土岩试样17进行冲剪式剪切。
在本具体实施例中，所述上部活塞8的顶端伸出所述剪切盒顶盖10，所述LVDT位移传感器6安装在所述上部活塞8的顶端上，且所述LVDT位移传感器6的感应端与所述剪切盒顶盖10的上端面相接触。
在本具体实施例中，所述黏土岩试样17通过下透水板安置在所述下部活塞缸19中，所述上部活塞缸11中设有上透水板，所述黏土岩试样17夹装在所述上透水板和下透水板之间；如图2所示，所述上透水板和下透水板(均有透水石材料构成)均分别包括圆形透水板15和环形透水板14，所述圆形透水板15位于所述环形透水板14的圆形孔内；所述上透水板中的圆形透水板15与所述上部活塞8相对，且所述上透水板中的圆形透水板15的面积与所述上部活塞8的截面积相等，所述下透水板中的圆形透水板15与所述下部活塞18相对，且所述下透水板中的圆形透水板15的面积与所述下部活塞18的截面积相等，同时所述上部活塞8的截面积与所述下部活塞18的截面积相等；在对黏土岩试样17进行剪切的过程中，上透水板中的圆形透水板15随上部活塞8移动；所述水压伺服加载器3(第一水压伺服加载器3a和第三水压伺服加载器3c)通过管道5(第一管道5a和第三管道5c)向上部活塞缸11和下部活塞缸19中注水，从而提供上部活塞8和下部活塞18活动的压力，上部活塞8向下移动使黏土岩试样17产生向下的剪切，下部活塞18则提供向上的反力，使下透水板中的圆形透水板15与黏土岩试样17的底部紧贴。
在本具体实施例中，所述上部活塞缸11和下部活塞缸19中均分别设有带螺纹的卡环13，所述上部活塞缸11和下部活塞缸19中的卡环13分别对应与所述上透水板和下透水板中的环形透水板14连接，且所述卡环13与对应的上部活塞缸11、上部活塞8、下部活塞缸19和下部活塞18之间均分别设有密封圈9。上部活塞8的侧壁与剪切盒顶盖10的侧壁之间也设有密封圈9。
在本具体实施例中，所述黏土岩试样17的侧向边缘与所述下部活塞缸19之间的缝隙中填充有环氧树脂16，环氧树脂16与下部活塞缸19之间也设有密封圈9。
在本具体实施例或其他实施例中，所述上透水板及下透水板与所述黏土岩试样17之间均分别铺设有滤纸。所述管道5为不锈钢毛细管。
利用本实用新型试验机进行试验步骤如下：
步骤1：将黏土岩试样17加工为1～2cm厚的扁平圆柱体形结构，安装到剪切盒底座20上，并采用环氧树脂16对试样外侧缝隙进行密封；
步骤2：通过水压伺服加载器3(第一水压伺服加载器3a和第三水压伺服加载器3c)向上部活塞缸11和下部活塞缸19中注入水，以使黏土岩试样17上方下方各施加约20kPa压力，从而使得上部活塞8和下部活塞18分别与上、下透水板中的圆形透水板15紧密贴合；
步骤3：控制上部活塞8和下部活塞18的位置不变，通过水压伺服加载器3(第二水压伺服加载器3b)对黏土岩试样17上方施加孔隙水压力，可以在黏土岩试样17的上下面形成水头差，水通过黏土岩试样17从顶部渗透到底部，并通过管道(第四管道5d)流入到接水容器21内，通过孔隙水水压传感器4b测量孔隙水压力，当渗流状态达到稳态时，可以计算得到黏土岩试样17的渗透系数；
步骤4：将黏土岩试样17上方的水头降至大气压力，待孔压消散约20分钟后，通过水压伺服加载器3(第一水压伺服加载器3a和第三水压伺服加载器3c)向上部活塞缸11和下部活塞缸19中注入水，以驱动上、下部活塞至20kPa的压力，使黏土岩试样17的上、下压力平衡，然后保持下部活塞压力不变，使得下透水板与黏土岩试样紧贴，通过水压伺服加载器3(第一水压伺服加载器3a)向上部活塞缸11中注入水，驱动上部活塞向下移动冲剪黏土岩试样17，在黏土岩试样17中部形成圆形的剪切裂隙(剪切位置在黏土岩试样17中央，不会对黏土岩试样的密封产生影响，剪切裂隙的位置、周长、宽度均可控)，同时通过LVDT位移传感器6和活塞缸水压传感器(第一活塞缸水压传感器4a)测量剪切位移和上部活塞的压力；
步骤5：在上部活塞冲剪到不同的位移时，控制上部活塞位置不变，重复步骤3，测得剪切的不同阶段黏土岩试样17的渗透系数的演化。
步骤6：在上部活塞冲剪到某一位移时，控制剪切位移保持恒定，使黏土岩试样17的裂隙逐渐自闭合，在不同时间重复步骤3，测得剪切后黏土岩试样17的裂隙自闭合过程中渗透系数的演化。
在本实用新型中，通过水压伺服加载器3对黏土岩试样17上方施加孔隙水压力，可以在黏土岩试样17的上下面形成水头差，水通过黏土岩试块17从顶部渗透到底部，并通过管道流入到接水容器21内，孔隙水压力通过水压传感器进行测量，当渗流状态达到稳态时，可以计算得渗透系数；通过水压伺服加载器3驱动上部活塞8和下部活塞18的移动可以冲剪黏土岩试样17，在黏土岩试样17中部形成环形的剪切裂隙，剪切力通过活塞缸水压传感器进行测量后换算，剪切位移可以通过LVDT位移传感器测量；在冲剪到不同的位移时，停止上部活塞移动，控制唯一保持恒定，并施加黏土岩试样顶部的孔隙水压力，测得剪切的不同阶段黏土岩试样的渗透系数的演化。在剪切到某一位移时，可以控制活塞位移保持恒定，并放置一段时间，使黏土岩试样的裂隙在水化作用下逐渐自闭合，在不同的时间对施加黏土岩试样顶部的孔隙水压力，测得黏土岩裂隙自闭合工程中的渗透系数的演化。
渗透系数计算方法如下:
其中，Q为单位时间内通过试样的水量；L为试样厚度(m)；γw为水的容重(kN/m3)；Δpw为试样上下两端的压力差，A为试样的横截面积(m2)。
剪切过程中通过计算机实时读取LVDT位移传感器以及活塞缸水压传感器的读数，也可以得到黏土岩试样的剪切应力-应变关系。其中剪切应力为：
其中，ΔP为试样上下两端轴向压力之差；d为剪切裂隙的直径。
剪切应变为：
其中，Δu为试样活塞位移。
通过本实用新型采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机，可以完整地测量试样在剪切裂隙形成和自闭合过程中的渗透系数演化；采用稳态法测量岩体的渗透系数，精度较高；试样制备过程简单，效率高，成功率较高；可以同时测得试样的剪切的应力-应变关系。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。