一种剪切-渗流耦合实验装置的制作方法

本实用新型属于三轴压力试验领域，涉及岩石的剪切、渗流耦合的技术，具体涉及一种剪切-渗流耦合实验装置。

背景技术：

渗流是流体通过多孔介质或裂隙介质的流动。岩体的渗透性对于核废料深部地质处置库围岩、深部巷道支护体、干热岩等大型工程的安全和稳定性具有重要影响。目前岩石渗透率的测定常用到液体渗透和气体渗透测试方法，两种方法的原理均为经典达西定律。剪切是两相对力将岩体切割导致破坏的现象。岩体发生剪切破坏对于房屋地基、地下埋桩等工程的稳定性和耐久性具有很大的影响。目前岩石的剪切方法常用到有Z形柱单面剪切法和等高变宽梁四点受力剪切法，其分析方法有ANSYS分析法。现有的技术条件在这两种单方面的实验已经是很容易实现，但对于两种现象耦合的岩体实验目前在国内外是鲜有的，实验仪器也比较缺乏。在现有的仪器设备上很难实现剪切、渗流耦合，实验的结果也不尽人意。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有技术中难以实现的剪切-渗流耦合且精确测量试样力学性质及其渗透率的问题。本实用新型操作简单、经济方便。

在实际工程中往往是多场耦合，考虑剪切和渗流同时发生时岩样的力学性质和渗透性的变化规律，由于岩石的致密性，在普通试验中渗流的速率非常缓慢，但在剪切作用下产生的贯通裂隙大大加快了渗流的速率。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种剪切-渗流耦合实验装置，包括三轴压力室、轴压装置和围压装置，三轴压力室内高点处设有排气管道，围压装置通过围压高强排液管道与三轴压力室相连，所述轴压装置用于给三轴压力室顶部的压头施加轴向压力，围压装置用于给三轴压力室施加恒定静压力，其特征在于：三轴压力室顶部的压头和三轴压力室的底座之间设有一对剪切垫片，试样置于该对剪切垫片之间，所述剪切垫片为圆形垫片，圆形垫片一面中部开有沉孔凹槽，沉孔凹槽内设有多个透水孔，在圆形垫片另一面切除一个直径与其一样的半圆柱，在切除的半圆空间填充橡胶至圆形垫片原始尺寸，圆形垫片填充橡胶一侧与试样接触，且两个圆形垫片以试样为中心对称设置，上部剪切垫片的沉孔凹槽通过孔压高强排液管道连接孔压装置，下部剪切垫片的沉孔凹槽通过渗透底端排液管道连通到三轴压力室外。

作为改进，所述轴压装置为液压千斤顶，所述液压千斤顶通过轴压高强排液管道与液压装置相连。

作为改进，所述孔压装置和围压装置均为液压装置。

作为改进，所述液压装置为高压电液伺服泵。

作为改进，所述试样外包裹一层橡胶套，橡胶套将剪切垫片也包裹在内，包裹橡胶套的试样外部设有环向位移计，三轴压力室顶部的压头与三轴压力室的底部之间设有高精度LVDT。

作为改进，还包括电脑控制主机，环向位移计和高精度LVDT测得数据通过电脑控制主机记录，电脑控制主机控制轴压装置、围压装置和孔压装置的压力参数。

作为改进，所述三轴压力室底部设有反力底座。

作为改进，所述轴压高强排液管道、围压高强排液管道、孔压高强排液管道、渗透底端排液管道和排气管道上均设有控制阀门。

所述的三轴试验系统包括三轴压力室、轴压装置的压头(液压千斤顶)、高压电液伺服泵、数据采集系统和附属装置。三轴压力室由钢套筒、压头、底座三部分组成，形成一个密闭的空间；加压方式是“下压式”压头(液压千斤顶)由上向下运动给试样施加轴向的压力。高压电液伺服泵由恒压泵提供围压、轴压、孔压，高压电液伺服泵通过不同高强排液管道向三轴压力室排液进而施加压力；数据采集系统是集成加载控制、压力变形的实时数据记录的软件程序和配套的集成电路和数据反馈模块。不仅控制压力加载速率、大小还实时反馈围压室内的真实压力且记录围压室内岩样的变形。试样的变形通过高精度LVDT(差动式位移传感器)和环向位移环的位移进行采集。渗透率是根据达西定律来测定的：在岩样上下游分别固定相应的压力，记录相同时间内渗透过岩样液体的质量，通过相应的公式来计算出渗透率的大小。附属装置包括电子秤，测量渗过岩样液体的质量。

本实用新型有益效果是：

实用新型使岩样在发生剪切破坏的同时也能比较准确的测出岩样的渗流的情况。其操作简单，经济安全，检测数据的准确性高，可靠性强。

附图说明

图1为本实用新型剪切-渗流耦合实验装置结构示意图；

图2为本实用新型剪切垫片结构图；

图3为本实用新型剪切垫片俯视图；

图4为本实用新型剪切垫片侧视图；

图5为剪切-渗流耦合实验原理图。

附图标记的含义为：1-反力底座，2-试样，3-三轴压力室，4-排气管道，5-液压千斤顶，6-渗透底端排液管道，7-环向位移计，8-围压高强排液管道，9-孔压高强排液管道，10-围压高压电液伺服泵，11-孔压高压电液伺服泵，12-显示装置，13-透水孔，14-橡胶部分，15-钢制垫片，16-轴压高压电液伺服泵，17-轴压高强排液管道，18-压头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，一种剪切-渗流耦合实验装置，包括三轴压力室3、轴压装置和围压装置，三轴压力室3内高点处设有排气管道4，围压装置通过围压高强排液管道8与三轴压力室3相连，所述轴压装置用于给三轴压力室3顶部的压头18施加轴向压力，围压装置用于给三轴压力室3施加恒定静压力，三轴压力室3顶部的压头18和三轴压力室3的底座之间设有一对剪切垫片，试样2置于该对剪切垫片之间，所述剪切垫片为圆形垫片，圆形垫片一面中部开有沉孔凹槽，沉孔凹槽内设有多个透水孔13，在圆形垫片另一面切除一个直径与其一样的半圆柱，在切除的半圆空间填充橡胶至圆形垫片原始尺寸，圆形垫片填充橡胶一侧与试样2接触，且两个圆形垫片以试样2为中心对称设置，上部剪切垫片的沉孔凹槽通过孔压高强排液管道9连接孔压装置，下部剪切垫片的沉孔凹槽通过渗透底端排液管道6连通到三轴压力室3外。

所述轴压装置为液压千斤顶5，所述液压千斤顶5通过轴压高强排液管道17与轴压高压电液伺服泵16，所述孔压装置为孔压高压电液伺服泵11，所述围压装置为围压高压电液伺服泵10。

试验时，所述试样2外包裹一层橡胶套，橡胶套将剪切垫片也包裹在内，包裹橡胶套的试样2外部设有环向位移计7，三轴压力室3顶部的压头18与三轴压力室3的底部之间设有高精度LVDT(差动式位移传感器)。

轴压高压电液伺服泵16、孔压高压电液伺服泵11和围压高压电液伺服泵10均通过电脑控制主机，压力和排液量，环向位移计7和高精度LVDT测得数据通过电脑控制主机记录，电脑控制主机控制轴压装置、围压装置和孔压装置的压力参数。

所述三轴压力室3底板设有反力底座1。所述轴压高强排液管道17、围压高强排液管道8、孔压高强排液管道9、渗透底端排液管道6和排气管道4上均设有控制阀门。

如图2至图4所示，该实施例中，剪切垫片是由一块高度为10mm，直径为50mm的不锈钢制圆柱形块，在剪切垫片上面中轴线开宽度为4mm的沉孔凹槽，在沉孔凹槽中每隔将10mm打直径为2mm的透水孔13，在剪切垫片下面沿相应沉孔凹槽所对应的中轴线切除高度5mm，直径为50mm的半圆柱，后用橡胶填充至原高度。剪切垫片在试样2的上下两端同时相对放置(即当试样2上端左半与垫片橡胶部分14接触，则试样2下端右半与垫片橡胶部分14接触)，由于橡胶与不锈钢的刚度不同，当液压千斤顶5通过压头18加轴压时不锈钢和橡胶的变形不同，试样2左右两半有错动的空间形成剪切，而液体也可通过垫片上的孔洞从剪切裂隙面渗过。

图5表示本实用新型剪切渗透原理示意图，图中A表示剪切垫片上不锈钢制部分，B表示剪切垫片上橡胶部分14，h表示施加轴压后试样2在轴向形变。

所述的加载的方式：首先将轴压装置的压头下降至刚好与三轴压力室3顶部的压头18接触不产生轴压，打开孔压高强排液管道9和围压高强排液管道8的控制阀门，在电脑控制主机的软件上输入围压和围压高压电液伺服泵10排液流量的大小，点击软件上的围压高压电液伺服泵10排液到三轴压力室3内，气体从排气管道4排出形成围压，到设定值时围压停止加压，再在电脑控制主机上输入指定孔压值和孔压高压电液伺服泵11排液流量的大小，设定轴压值及轴压高压电液伺服泵16排液流量大小，轴压和孔压同时开始加压，孔压到达一定值时停止加压，轴压继续加压直到试样2被破坏，记录各项参数，具体步骤如下：

步骤1：将所需测试的试样2加工成标准圆柱体试件，按照所需的要求对试样2进行试验前的处理；

步骤2：将试样2放入橡胶套中，将剪切垫片放入橡胶套内且在试样2上下两端各放置一片(相对放置)；

步骤3：将环向位移计7紧箍在试样2上，；

步骤4：将试样2放在三轴压力室3的底座上，并与底座相固定，再将高精度差动式位移计安装在三轴压力室3顶部的压头18与三轴压力室3的底座之间，并将高精度差动式位移计与传输电路相连接；

步骤5：将三轴压力室3封合放入轴向加载缸上；

步骤6：将轴压加载缸下降至与三轴压力室3顶部的压头18刚好相接触不产生压力，并将接收电路与电脑控制主机相连接；

步骤7：打开围压排液高强排液管道，在电脑控制主机端输入指定的围压值和排液流量，点击开始；

步骤8：打开孔压高强排液管道9和轴压高强排液管道17，在电脑软件端输入指定孔压值和排液流量大小开始加压，同时轴压也开始加压，在电脑端输入轴压排液流量大小，并把渗透底端排液管道6放入计量杯中。孔压达到指定值之后停止加压，轴压继续加压直到试样2破坏后立即停止加压。

步骤9：所述有数据传入数据采集仪，计算试样2的渗透率。

本实用新型中，所述孔压排出液可以用水代替，试样2使用前用水浸泡使其处于水饱和状态，这样渗出液体积才是能使用的有效数据。本实用新型记录的各项参数可以通过显示装置12现场实时显示。

试样2的实验温度要恒定，可以在室温的情况下进行实验保持不变即可。

以上所述的实例，仅仅是对本实用新型的解释说明，并不能限定实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则内所作的任何替换和更改，均应在本实用新型包括范围之内。