柔性邊界的巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗裝置及其應用方法與流程

本專利涉及一種復雜應力條件下的實驗設備及其應用方法，尤其涉及一種不同圍壓作用下巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗裝置及其應用方法。

背景技術：

巖體中的結構面與地下水對巖體的物理力學性質有著重要的影響。一方面結構面的存在使得巖體成為不連續體，力學性質也發生相應的改變，同時對地下水滲流起決定性作用；另一方面地下水可以改變巖體的應力和形變。因此在巖土工程中研究地下水在裂隙中的滲流十分有必要。而巖體在天然環境下，受到各方面的力比較復雜，進行人工節理的試驗就顯得簡單易行，其中巖石節理的室內壓剪滲流耦合試驗是研究裂隙滲流的一種十分有效的方法。

在巖石節理的壓剪過程中，當兩個節理面在剪壓作用下產生一定的位移時，通過在壓剪滲流試驗盒進水口和出水口設置一定的水頭差，即滲透水壓力，來使巖石節理內的水沿著指定路徑流動，同時要保證試驗盒四周不漏水。因此需要使試驗盒具有良好的密封性質。但目前存在的試驗盒密封效果都不理想，所以需要一種理想的密封試驗盒來完成相關試驗，同時需要一種相應的應用方法與試件制作方法。

技術實現要素：

為解決上述問題，本專利公開一種柔性邊界的巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗裝置及其應用方法，可以保證在巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗過程中，試件產生相應位移后時，實現水流仍然沿指定路徑流動并且保證良好的密封性，有效解決漏水問題。

一種柔性邊界的巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗裝置，包括包含中空腔的橡膠墊層、不連續剛性加壓板、可調節螺母、進水口、側向擋板、上側加壓板、下側加壓板、出水口、上側擋板、下側擋板所組成的內部壓剪系統與外部框架；所述的橡膠墊層，左右兩側設置不連續剛性加壓板，上下兩側設置上側加壓板與下側加壓板；所述的上側加壓板上具有進水口，下側加壓板上具有出水口；所述的不連續剛性加壓板，其特征在于使用透明材料制成；所述不連續剛性加壓板，其特性在于可通過不同的加壓組合方式，分別實現對試件的擠壓、剪切、壓剪共同作用；所述的上側加壓板、下側加壓板，其特征在于使用透明材料制成；所述的上側擋板、下側擋板，其特征在于使用透明材料制成，且預留有供加載桿通過的小孔。

制備試件使用剛性的鑄鐵模具，由外圍鑄鐵模具與內部金屬片制成。使用時先用鑄鐵模具澆筑試件。如圖4所示，將極限莫爾應力圓與庫倫準則直線同時在平面上作出，則圓必與庫倫準則直線相切。可由圖求得剪切面與試件水平軸線之間的最大夾角，超過這一極限角度后則無法發生剪切。所以澆筑試件時應控制內部金屬片與試件水平軸線之間的夾角小于（其中為所用澆筑材料的內摩擦角），否則不會發生剪切。所述金屬片用于控制預制剪切面與模具邊界之間的夾角，如果只進行擠壓試驗，則無需使用。

等試件養護到符合試驗要求的強度后，將使用鑄鐵模具制成的試件放置在試驗盒的中空腔，然后調整外圍橡膠墊層用于夾緊試件，同時調整試件，使試件與柔性墊層保持密閉。調整試驗盒大小，必要時可以更換橡膠墊層來滿足實驗要求。然后將試驗盒打開，放入試件，放入過程中要保持夾緊，使試件與柔性邊界充分接觸，杜絕空隙的出現，柔性橡膠墊層夾緊。調節理想后將柔性邊界巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗盒整體安裝到剪切滲流機上進行試驗。

由于試件預制的剪切面具有一定角度，在加壓過程中，會同時產生豎直方向與水平方向的力，進而使試件產生相應的位移。上側加壓板、下側加壓板起到固定試件并防止豎直位移過大的作用。側向加壓板根據需要進行加壓，加壓的過程中橡膠墊層產生一定的彈性形變，使得密封性進一步增強。四周保持密閉后開始豎向加壓，加壓過程中，未擠密縫隙隨應力增加而擠密，密封性進一步加強，達到有效的密封效果，防止漏水發生。

本設計的有益效果是：當進行壓剪滲流耦合試驗時，可以充分保證試驗盒的密封性，防止漏水。同時可以通過調節試件的剪切角度來控制剪應力與壓應力的大小，還可以進行不同圍壓下的剪切滲流耦合試驗。

附圖說明

下面結合附圖與具體實施方式對本專利作進一步說明：

附圖1為本設計所述柔性邊界的巖石裂隙壓剪滲流耦合試驗裝置的結構示意圖。

附圖2為試驗盒的俯視圖與橡膠墊層分布情況。

附圖3為制備試驗所需試件的模具示意圖。

附圖4為極限應力圓與庫倫準則直線關系示意圖。

附圖5為最大剪切面與試件水平軸線的關系示意圖。

附圖標記如下1-試件，2-包含中空腔的橡膠墊層，3-不連續剛性加壓板，4-加固螺母，5-外部框架，6-進水口，7-上側加壓板，8-下側加壓板，9-出水口，10-側向擋板，11-上側擋板，12-下側擋板，13-金屬片，14-鑄鐵模具。

具體實施方式

在使用所述試驗盒時，需先根據試驗要求，制作試件。制備試件時使用的剛性鑄鐵模具，由外圍鑄鐵模具與內部金屬片制成。使用時先用鑄鐵模具澆筑試件。如果進行剪切試驗或者壓剪試驗，澆筑試件時應控制內部金屬片與試件水平軸線之間的夾角應小于（其中為所用澆筑材料的內摩擦角），否則不會發生剪切。如果只進行擠壓試驗時，則不需預制傾角。然后等試件養護到符合試驗要求的強度后，調整試驗盒大小，必要時可以更換橡膠墊層來滿足實驗要求。然后將試驗盒打開，放入試件，放入過程中要保持夾緊，使試件與柔性邊界充分接觸，杜絕空隙的出現，柔性橡膠墊層夾緊，同時側向加壓板根據需要進行加壓，加壓的過程中橡膠墊層產生一定的彈性形變，使得密封性增強。四周保持密閉后開始豎向加壓，加壓過程中，未擠密縫隙隨應力增加而擠密，密封性進一步加強，達到有效的密封效果，防止漏水發生。

側向不連續剛性加壓板可單一加壓板加壓進行局部加壓，避免整體加壓引起的橡膠墊層變形而漏水，也可根據實驗需求，多個單一加壓板同時加壓進行側向整體加壓。由于外部擋板與加壓板均通過透明材料制作，可直接觀察加壓情況，也可以通過橡膠墊層的厚度變化來計算出相應的位移與壓力變化。

密封情況達到要求后即可通過相應的進水裝置從進水口進水，進行滲流實驗。由于四周密封性較好，可以承受具有相應壓力水頭與流速水頭的液體進入，在出水口可檢測到相應的出水量，通過計算單位時間內的滲流量，結合相應的壓剪力大小，可進行壓剪滲流耦合的相應研究。

以上所述實施案例，只是具體的實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明專利的保護范圍內。技術領域。