[发明专利]一种单裂隙岩体流‑固耦合试验系统及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩体力学试验领域，尤其涉及一种单裂隙岩体流试验领域。

背景技术

岩体是富含裂隙的复杂介质，在地下水环境和复杂地应力的作用下，受到法向应力和切向应力的共同作用,地下裂隙或者孔隙岩体的渗流特性对地下工程的设计和安全运行具有重要的影响。裂隙岩体是经历长期地质改造作用过的，包含众多不同规模和特征的裂隙，并赋存于一定物理环境中的各向异性地质体。由于岩块较为坚硬且渗透性较低，岩体的变形主要发生在裂隙中，且裂隙及其连通网络是岩体地下水运移的主要通道。一方面，裂隙在复杂应力作用下承受着挤压、剪切等变形，导致其表面张开、接触、磨损或闭合，从而改变其几何特征和渗流流态，并进一步影响其渗流特性；另一方面，裂隙渗流及其产生的水压力将引起裂隙有效应力和强度的降低，进而影响裂隙岩体的力学性质，从而使得岩体工程的稳定性在很大程度上取决于裂隙的渗流特性。

在试验室内进行岩体流-固耦合试验对于揭示裂隙的渗流特性及其在荷载作用下的渗透特性机制、建立并验证渗透特性的理论模型具有不可替代的作用。在目前现有技术中，岩体流-固耦合试验主要采用剪切渗流试验装置，该装置主要分为两大类，一类试验装置采用岩石剪切试验机改装而成，这类试验机造价高且试验过程复杂，对式样外形有严格要求，试验式样形状尺寸单一，试验机主要部件为长方体剪切盒，岩石试件安置在剪切盒中，然后进行密封防漏水处理，在剪切过程中剪切盒的上盒与下盒发生一定相对位移，此时很难保证剪切盒两侧的密封效果，从而导致试验装置因防水效果不理想而失败；另一类渗流剪切装置采用在常规三轴试验机的基础上添加L型或梯形刚性垫块等裂隙剪切渗流装置来实现剪切渗流，试验安装及拆卸过程更为复杂消耗时间较长，并且试验过程中若试件密闭性不好出现漏水现象，泄露出的水会流入到三轴压力室，随着时间积累会在压力室中形成油水混合物，影响三轴试验机的正常使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统以及试验方法。

本发明的具体技术方案为：

一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统，由试样剪切装置、应力加载装置、渗透压伺服装置以及数据采集处理装置共同组成；

所述试样剪切装置由置于岩石试件顶部的上压头、上刚性垫片和置于岩石试件底部的下压头、下刚性垫片组成；所述的上压头、上刚性垫片、下压头、下刚性垫片的断面与岩石试件断面一致，由封水胶套依次将上压头、上刚性垫片、岩石试件、下刚性垫片、下压头套在一起，共同组成一个柱状体；所述的下压头和下刚性垫片上设有向岩石试件注水的进水通道，上压头和上刚性垫片上设有供岩石试件出水的回水通道；所述的上刚性垫片和下刚性垫片设计为互为对应的台阶状，当上下台阶对岩石试件施压时形成剪应力，在岩石试件上形成裂隙；

所述的应力加载装置包括轴压力框架和侧压力装置，轴压力框架的底部设有千斤顶，千斤顶上设有用于放置试样剪切装置的联合支座，轴压力框架的顶部设有用于给试样剪切装置施加反力的轴向压头，千斤顶与轴向压头的作用中心在一条轴线上；上述的侧压力装置是在试样剪切装置的两侧位置对称设有侧压头、侧压板和侧顶板；其中，侧压头压紧在岩石试件的两侧并与岩石试件的接触面相配合，例如岩石试件为方柱形时接触面为平面，岩石试件为圆柱形时接触面为弧面；侧压板与侧压头的接触面互为凸凹槽结构，使侧压头与岩石试件可沿轴向加载方向滑动；所述的侧顶板顶在联合支座两侧；所述的侧顶板和侧压板上设有对应的通孔，通过通孔用拉杆将两侧的侧顶板拉紧，从而将联合支座、侧压板、侧压头和岩石试件紧固在一起；为了使联合支座被千斤顶顶起时可产生一定的侧向力，其中一侧的侧顶板和联合支座的接触面设计为互为斜面；上述侧压力装置的底部对称设有滑动轴承，通过滑动轴承支撑在支撑杆上，使侧压力装置在支撑杆上可沿侧向力方向滑动；

为了掌握轴向压力和轴向位移量大小，在试样剪切装置上设有轴压传感器，在轴压力框架顶部和联合支座之间设有轴向位移传感器；

为了掌握侧向压力和侧向位移量大小，在侧压头上设有侧压传感器，在轴压力框架和侧压头之间设有侧向位移传感器；

所述的渗透压力伺服装置包括伺服液压泵和为伺服液压泵供水的水箱，伺服液压泵的出水口用进水管与岩石试件的进水通道连通，岩石试件回水通道用回水管与水箱连通，从而形成水循环；在进水管和回水管上分别设有阀门、水压力传感器和水流量传感器。