[发明专利]一种地质体结构面应力渗流耦合剪切流变系统

说明书

本发明公开了一种地质体结构面应力渗流耦合剪切流变系统，包括：法向加载系统；剪切盒，其包括内部构成用以容纳岩石试件的盒体容纳部，其两侧为盒体连接部，盒体连接部的内壁尺寸大于盒体容纳部的内壁尺寸；密封胶套，其包括胶套容纳部，其两侧为胶套连接部，胶套连接部的外周尺寸与盒体连接部的内壁尺寸相匹配；剪切加载系统，包括设于剪切盒内的两个相互错开的主动加载端头，主动加载端头由液压系统控制，液压系统用以控制主动加载端头施力的活塞室通过剪切连接部密封连接于剪切盒两侧的盒体连接部，剪切连接部将密封胶套压紧在剪切盒的内壁；渗透压力加载系统，包括连通至岩石试件端面的渗流孔，渗透压力泵通过渗流孔向岩石试件施加渗透压力。

技术领域

本发明涉及实验测量仪器技术领域，更具体涉及一种地质体结构面应力渗流耦合剪切流变系统。

背景技术

在矿山开采、核废料处置、水利水电、隧道、边坡等地下工程中，裂隙岩体是经常遇到的一类复杂岩体，它的强度、变形和渗透性等特征，直接关系工程设计、施工和运营稳定性，而且这些特性具有显著的时间相关性。裂隙岩体剪切流变常常是造成岩体滑坡、围岩塌落、地下工程失稳等岩石工程事故的主要因素。因此开展对岩石裂隙剪切流变特性的试验研究，对于整个岩体工程的长期稳定性具有重要的指导价值。

岩石节理面应力渗流耦合剪切流变试验系统的关键参数主要包括：最大法向加载力、最大剪切加载力、最大剪切位移范围、最大渗透压力、剪切盒尺寸、持续工作时间。国内外类似系统技术中，很难达到上述各参数同时具有较高水平。现有技术中存在以下问题：

1、最大法向加载力和最大剪切加载力很难同时达到较大值。过大的载荷将引起试验系统框架结构的不稳定，使得系统不易控制，为了保证试验系统的稳定性，一些研究者研制的设备的最大载荷都较小，见表1。

表1一些剪切渗流试验设备的最大载荷

2、最大剪切位移与最大剪切加载力及最大法向加载力很难同时兼顾。最大剪切位移与剪切盒的密封性密切相关，大位移剪切将对密封性造成影响，进而影响最大剪切加载力和最大法向加载力的参数。而为了保证剪切盒的密封性，大多数设备研制都采用较小的剪切位移。例如，Yeo L.W.等研制的剪切渗流设备最大剪切位移仅为2mm。同济大学夏才初、长崎大学蒋宇静等研制的设备最大剪切位移虽然达到20mm，但是其最大剪切加载力和最大法向加载力只有600kN。

3、最大渗透压力与与最大剪切加载力及最大法向加载力很难同时兼顾。渗透压力将对密封性造成影响，进而影响最大剪切加载力和最大法向加载力的参数。

较低的渗透压力可以保证剪切盒较好的密封，因此为了保证剪切盒良好的密封，一些设备选用的渗透压力较低，如表2所示，K.Iwai、Y.E.Detournay等学者研制的剪切渗流试验系统最大渗透压力均不超过1MPa，同济大学夏才初等研制的设备渗透压力也仅有0.5MPa，只能进行低渗透压下的试验。这类低渗透压无法体现裂隙岩体在地下深部的高压地下水作用。

但是高渗透压力下的剪切盒将出现漏水等密封问题，因而具有高渗透压力的剪切盒其最大剪切加载力及最大法向加载力均较小。日本长崎大学蒋宇静等研制的剪切渗流设备的剪切盒采用新型密封方法，其渗透压力可达到3MPa，但是其最大剪切加载力和最大法向加载力只有600kN。最近，重庆大学许江等研制的试验机渗透压力达到了5MPa，在剪切渗流设备方面较为领先，但是其最大剪切加载力和最大法向加载力只有300kN。

表2一些渗流试验设备的最大渗透压力

4、剪切盒尺寸不能过小，否则无法反应岩样的尺寸效应；但是当剪切盒的尺寸较大时，则会无法保证剪切过程的稳定性和可控制性，因此最大渗透压力较小。同济大学夏才初等研制的剪切盒尺寸分为两种，径向流为200mm×200mm×100mm，辐射流为300mm×300mm×150mm，但是其最大渗透压力仅为0.5MPa。