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岩石剪切-渗流试验机及其试验方法

阅读：134发布：2020-05-16

专利汇可以提供岩石剪切-渗流试验机及其试验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种岩石剪切-渗流试验机及其试验方法，试验机包括密封试验盒，所述密封试验盒包括中空框架，中空框架内设置有岩石试样，岩石试样上端设置有Z轴加载板，X轴方向的两侧均设置有上X轴加载板和下X轴加载板，Y轴方向的两侧均设置有上Y轴加载板和下Y轴加载板，上X轴加载板和下X轴加载板之间设置有第一密封组件，第一密封组件包括弧形的弹性金属套，弹性金属套内设置有第一聚氨酯封水囊，上Y轴加载板和下Y轴加载板之间设置有与第一聚氨酯封水囊的端部相连的第二聚氨酯封水囊。本发明实现了模拟岩石的三轴应力状态下，对岩石剪切破坏以及渗流的实时测试，在岩石试样裂缝的四周形成了一个无缝的密封圈实现有效密封。，下面是岩石剪切-渗流试验机及其试验方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.岩石剪切-渗流试验机，包括密封试验盒，其特征在于：所述密封试验盒包括由六个外板(1)可拆卸组成的中空框架，中空框架内设置有岩石试样(20)，岩石试样(20)上端设置有Z轴加载板(2)，岩石试样(20)X轴方向的两侧均设置有上X轴加载板(3)和下X轴加载板(4)，岩石试样(20)Y轴方向的两侧均设置有上Y轴加载板(5)和下Y轴加载板(6)，上X轴加载板(3)和下X轴加载板(4)之间设置有第一密封组件，第一密封组件与岩石之间构成了渗水腔(16)，第一密封组件包括弧形的弹性金属套(13)，弹性金属套(13)开口朝外且通过支撑板(14)与对应的外板(1)相连，弹性金属套(13)内设置有第一聚氨酯封水囊(15)，上Y轴加载板(5)和下Y轴加载板(6)之间设置有第二聚氨酯封水囊(18)，第二聚氨酯封水囊(18)的端部与第一聚氨酯封水囊(15)的端部相连。
2.根据权利要求1所述的岩石剪切-渗流试验机，其特征在于：第二聚氨酯封水囊(18)为梯形结构，第二聚氨酯封水囊(18)较宽的一端朝向岩石试样(20)，上Y轴加载板(5)的下端和下Y轴加载板(6)上端均为与第二聚氨酯封水囊(18)配合的倾斜面。
3.根据权利要求1所述的岩石剪切-渗流试验机，其特征在于：第一聚氨酯封水囊(15)和第二聚氨酯封水囊(18)分别与伺服液压系统相连。
4.根据权利要求1所述的岩石剪切-渗流试验机，其特征在于：上X轴加载板(3)和下X轴加载板(4)与同侧的外板(1)之间构成了活动腔(8)，上Y轴加载板(5)和下Y轴加载板(6)与同侧的外板(1)之间之间设置有橡胶套(9)。
5.根据权利要求1-4之一所述的岩石剪切-渗流试验机，其特征在于：上X轴加载板(3)的下端设置有上密封片(11)，下X轴加载板(4)的上端设置有下密封片(12)，弹性金属套(13)的上端与上密封片(11)相抵，下端与下密封片(12)相抵。
6.根据权利要求1所述的岩石剪切-渗流试验机，其特征在于：上X轴加载板(3)和下X轴加载板(4)内均设置有与渗水腔(16)相通的输水管道(17)。
7.根据权利要求1所述的岩石剪切-渗流试验机，其特征在于：六个外板(1)相接的拐角处与对应的相邻加载板的夹角处均设置有密封垫(10)。
8.权利要求1-7之一所述的岩石剪切-渗流试验机的试验方法，包括以下步骤：
(1)将岩石试样(20)置于中空框架内，并通过液压系统分别向第一聚氨酯封水囊(15)和第二聚氨酯封水囊(18)填充液压油，使其达到设定的压强，第一聚氨酯封水囊(15)用于支撑弹性金属套(13)，使其上下两端分别与上密封片(11)和下密封片(12)实现密封相抵，实现对渗水腔(16)的密封，第二聚氨酯封水囊(18)实现对渗水腔(16)以及岩石试样(20)裂缝的两侧进行密封；
(2)通过应力加载机构(7)分别对Z轴加载板(2)、下X轴加载板(4)、上Y轴加载板(5)和下Y轴加载板(6)加载设定的压力，使岩体试样处于三维应力状态；
(3)通过应力加载机构(7)分别对两个上X轴加载板(3)加载设定的压力，左侧的上X轴加载板(3)压力不变，右侧的上X轴加载板(3)压力逐渐减小，对岩石试样(20)进行剪切试验，记录两个上X轴加载板(3)的压力差以及位移量；
(4)通过渗透测试系统经左侧的输水管道(17)向左侧的渗水腔(16)内通入设定水压的水，第一聚氨酯封水囊(15)和第二聚氨酯封水囊(18)内的压强大于水压，水经岩石试样(20)的裂缝进入右侧的渗水腔(16)，收集右侧的输水管道(17)排出的水并计量和监测水压，实现岩石试样(20)剪切过程中，剪切方向渗流的测试。

说明书全文

岩石剪切-渗流试验机及其试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩石力学领域，特别是指一种岩石剪切-渗流试验机及其试验方法。

背景技术

[0002] 水对岩石工程的稳定性有较大的影响，目前已有的岩石剪切-渗流试验装置及方法较多，如CN102944665B公开了一种适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒及试验方法，涉及单法向力以及直剪切力，无法对真实地层的受力情况过程进行模拟；如CN207215662U公开了一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，也是只涉及单法向力以及直剪切力，可随裂缝变形自行修正密封压力，但是随着岩石试样的剪切位移以及变形，岩石试样裂缝两侧的端部与水腔的端部相接处容易出现密封不严漏水的情况。

[0003] CN108519293A公开了一种真三轴岩石剪切渗流实验装置，在X、Y、Z三轴应力状态，对岩石剪切破坏以及渗流进行实时测试，但是岩石试样的裂缝两侧并未进行密封，水流可能从岩石试样裂缝的两侧流出，而非沿裂缝的剪切面流动。现有岩石剪切-渗流试验装置主要存在以下问题：密封试验盒密封措施有限，岩石在剪切渗透过程中，可能出现剪缩、剪胀等变形，无法实现良好的封水效果；无法实现较大的剪切位移，很难实现岩石试样在复杂载荷作用下的剪切渗透试验。

发明内容

[0004] 本发明提出一种岩石剪切-渗流试验机及其试验方法，实现了模拟岩石的三轴应力状态下，对岩石剪切破坏以及渗流的实时测试，两个第二聚氨酯封水囊和两个第一聚氨酯封水囊依次首尾相连构成了方形，即可岩石试样裂缝的四周形成了一个无缝的密封圈，无论岩石试样为剪缩、剪胀或者错位相对移动，均可实现有效密封。

[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：岩石剪切-渗流试验机，包括密封试验盒，所述密封试验盒包括由六个外板可拆卸组成的中空框架，中空框架内设置有岩石试样，岩石试样上端设置有Z轴加载板，岩石试样X轴方向的两侧均设置有上X轴加载板和下X轴加载板，岩石试样Y轴方向的两侧均设置有上Y轴加载板和下Y轴加载板，上X轴加载板和下X轴加载板之间设置有第一密封组件，第一密封组件与岩石之间构成了渗水腔，第一密封组件包括弧形的弹性金属套，弹性金属套开口朝外且通过支撑板与对应的外板相连，弹性金属套内设置有第一聚氨酯封水囊，上Y轴加载板和下Y轴加载板之间设置有第二聚氨酯封水囊，第二聚氨酯封水囊的端部与第一聚氨酯封水囊的端部相连。

[0006] 进一步地，第二聚氨酯封水囊为梯形结构，第二聚氨酯封水囊较宽的一端朝向岩石试样，上Y轴加载板的下端和下Y轴加载板上端均为与第二聚氨酯封水囊配合的倾斜面。

[0007] 进一步地，第一聚氨酯封水囊和第二聚氨酯封水囊分别与液压系统相连。

[0008] 进一步地，上X轴加载板和下X轴加载板与同侧的外板之间构成了活动腔，上Y轴加载板和下Y轴加载板与同侧的外板之间之间设置有橡胶套。

[0009] 进一步地，上X轴加载板的下端设置有上密封片，下X轴加载板的上端设置有下密封片，弹性金属套的上端与上密封片相抵，下端与下密封片相抵。

[0010] 进一步地，上X轴加载板和下X轴加载板内均设置有与渗水腔相通的输水管道。

[0011] 进一步地，六个外板相接的拐角处与对应的相邻加载板的夹角处均设置有密封垫。

[0012] 所述的岩石剪切-渗流试验机的试验方法，包括以下步骤：

[0013] (1)将岩石试样置于中空框架内，并通过液压系统分别向第一聚氨酯封水囊和第二聚氨酯封水囊填充液压油，使其达到设定的压强，第一聚氨酯封水囊用于支撑弹性金属套，使其上下两端分别与上密封片和下密封片实现密封相抵，实现对渗水腔的密封，第二聚氨酯封水囊实现对渗水腔以及岩石试样裂缝的两侧进行密封；

[0014] (2)通过应力加载机构分别对Z轴加载板、下X轴加载板、上Y轴加载板和下Y轴加载板加载设定的压力，使岩体试样处于三维应力状态；

[0015] (3)通过应力加载机构分别对两个上X轴加载板加载设定的压力，左侧的上X轴加载板压力不变，右侧的上X轴加载板压力逐渐减小，对岩石试样进行剪切试验，记录两个上X轴加载板的压力差以及位移量；

[0016] (4)通过渗透测试系统经左侧的输水管道向左侧的渗水腔内通入设定水压的水，第一聚氨酯封水囊和第二聚氨酯封水囊内的压强大于水压，水经岩石试样的裂缝进入右侧的渗水腔，收集右侧的输水管道排出的水并计量和监测水压，实现岩石试样剪切过程中，剪切方向渗流的测试。

[0017] 本发明的有益效果：

[0018] 本发明的岩石剪切-渗流试验机实现了实现了模拟岩石的三轴应力状态下，对岩石剪切破坏以及渗流的实时测试，而且岩石试样安装操作方便；采用弹性金属套和上密封片及下密封片的配合，实现对渗水腔的密封，弹性金属套表面光滑，且有一定的弹性，在岩石试样剪切移动时，可减少摩擦，又实时保证密封状态，而在弹性金属套内设置第一聚氨酯封水囊，用于支撑弹性金属套，使弹性金属套承受高的水压，便于进行高水压的剪切-渗流试验；两个第二聚氨酯封水囊和两个第一聚氨酯封水囊依次首尾相连构成了方形，即在岩石试样裂缝的四周形成了一个无缝的密封圈，无论岩石试样为剪缩、剪胀或者错位相对移动，均可实现有效密封，而且可根据需要，进行大剪切位移的试验。

[0019] 本发明第二聚氨酯封水囊为梯形结构，上Y轴加载板的下端和下Y轴加载板上端均为与第二聚氨酯封水囊配合的倾斜面，一方面便于第二聚氨酯封水囊的定位，另一方面上Y轴加载板和下Y轴加载板对岩石试样加载力时，也进一步地使第二聚氨酯封水囊紧贴在岩石试样裂缝处，进一步加强了密封。

[0020] 本发明的岩石剪切-渗流试验机，可根据需要对岩石试样的X轴方向两侧的上下以及Y轴方向上下的两侧施加不同的压力，更加便于模拟复杂载荷作用下的剪切渗透试验。附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0022] 图1为本发明岩石剪切-渗流试验机的结构示意图；

[0023] 图2为图1中A-A的剖视图；

[0024] 图3为图1中B-B的剖视图。

[0025] 外板1，Z轴加载板2，上X轴加载板3，下X轴加载板4，上Y轴加载板5，下Y轴加载板6，应力加载机构7，活动腔8，橡胶套9，密封垫10，上密封片11，下密封片12，弹性金属套13，支撑板14，第一聚氨酯封水囊15，渗水腔16，输水管道17，第二聚氨酯封水囊18，输油管19，岩石试样20。

具体实施方式

[0026] 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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 本发明的“上、下、左、右”等术语是相对于图1所示的位置关系。

[0028] 实施例一

[0029] 如图1-3所示，岩石剪切-渗流试验机，包括密封试验盒，所述密封试验盒包括由六个外板1组成的中空框架，六个外板1分别为底板、4个侧板和上板，4个侧板围城方框，下端与底板螺纹固定相连，上端与上端螺纹固定相连，中空框架内安装有岩石试样20，岩石试样20的下端与底板之间放置有垫板，岩石试样20上端设置有Z轴加载板2，岩石试样20X轴方向的两侧均设置有上X轴加载板3和下X轴加载板4，岩石试样20Y轴方向的两侧均设置有上Y轴加载板5和下Y轴加载板6，Z轴加载板2、上X轴加载板3、下X轴加载板4、上Y轴加载板5和下Y轴加载板6分别与应力加载机构7相连，应力加载机构7包括液压伸缩缸、压力传感器和线性变位计(LVDT)。

[0030] 上X轴加载板3和下X轴加载板4与同侧的外板1之间构成了活动腔8，上Y轴加载板5和下Y轴加载板6与同侧的外板1之间之间设置有橡胶套9。六个外板1相接的拐角处与对应的相邻加载板的夹角处均填充有密封垫10。

[0031] 上X轴加载板3的下端粘结固定有上密封片11，下X轴加载板4的上端粘结固定有下密封片12，上X轴加载板3和下X轴加载板4之间设置有第一密封组件，第一密封组件包括弧形的弹性金属套13，弹性金属套13开口朝向外且通过支撑板14与对应的外板1相连，弹性金属套13内设置有第一聚氨酯封水囊15，弹性金属套13的上端与上密封片11相抵，下端与下密封片12相抵，弹性金属套13与岩石之间构成了渗水腔16。上X轴加载板3和下X轴加载板4内均设置有与渗水腔16相通的输水管道17，输水管道17远离渗水腔16的一端与渗透测试系统相连，渗透测试系统包括与左侧的输水管道17相连的进水装置，以及与右侧的输水管道17相连且用于监测出水流量和水压的传感器，进水装置为控制水压力及流量的进水微型伺服水泵。

[0032] 上Y轴加载板5和下Y轴加载板6之间设置有第二聚氨酯封水囊18，第二聚氨酯封水囊18的端部与第一聚氨酯封水囊15的端部相连，两个第二聚氨酯封水囊18和两个第一聚氨酯封水囊15依次首尾相连构成了方形。第二聚氨酯封水囊18为梯形结构，第二聚氨酯封水囊18较宽的一端朝向岩石试样20，上Y轴加载板5的下端和下Y轴加载板6上端均为与第二聚氨酯封水囊18配合的倾斜面。第一聚氨酯封水囊15和第二聚氨酯封水囊18分别通过输油管19与伺服液压系统相连，便于对第一聚氨酯封水囊15和第二聚氨酯封水囊18内的压强进行调控。

[0033] 实施例二

[0034] 实施例一所述的岩石剪切-渗流试验机的试验方法，包括以下步骤：

[0035] (1)将岩石试样20置于中空框架内，并通过液压系统分别向第一聚氨酯封水囊15和第二聚氨酯封水囊18填充液压油，使其达到设定的压强，第一聚氨酯封水囊15用于支撑弹性金属套13，使其上下两端分别与上密封片11和下密封片12实现密封相抵，实现对渗水腔16的密封，第二聚氨酯封水囊18实现对渗水腔16以及岩石试样20裂缝的两侧进行密封；

[0036] (2)通过应力加载机构7分别对Z轴加载板2、下X轴加载板4、上Y轴加载板5和下Y轴加载板6加载设定的压力，使岩体试样处于三维应力状态，第二聚氨酯封水囊18对岩石的压力为第二聚氨酯封水囊18内的压强加上乘以第二聚氨酯封水囊18与岩石试样20的接触面积，则岩石试样20Y轴方向岩石侧面的受力为上Y轴加载板5、下Y轴加载板6和第二聚氨酯封水囊18对岩石侧面的压力总和；

[0037] (3)通过应力加载机构7分别对两个上X轴加载板3加载设定的压力，左侧的上X轴加载板3压力不变，右侧的上X轴加载板3压力逐渐减小，对岩石试样20进行剪切试验，记录两个上X轴加载板3的压力差以及位移量，得到岩石试样20剪切破坏曲线；

[0038] (4)通过渗透测试系统经左侧的输水管道17向左侧的渗水腔16内通入设定水压的水，第一聚氨酯封水囊15和第二聚氨酯封水囊18内的压强大于水压，水经岩石试样20的裂缝进入右侧的渗水腔16，收集右侧的输水管道17排出的水并计量和监测水压，实现岩石试样20剪切过程中，剪切方向渗流的测试。

[0039] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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