本發(fā)明涉及巖石力學(xué)試驗裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀。

背景技術(shù)：

巖石的抗剪斷強度是巖石抵抗剪切破壞的能力，是巖石力學(xué)研究中需要的重要的特性之一。在巖土工程領(lǐng)域，廣泛采用試驗方法測定巖石的抗剪強度指標。量測巖石抗剪斷強度的試驗方法，可分為室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗兩大類。其中，室內(nèi)試驗通常包括直接剪切試驗、楔形剪切試驗和三軸壓縮試驗?，F(xiàn)場試驗通常為直接剪切試驗。

現(xiàn)有的試驗方法，其試驗加載方式、試樣結(jié)構(gòu)形式的選取，使得在剪切過程中，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，剪切面為漸進式破壞且與剪應(yīng)力輸出方向不在同一平面，并不能真實反映巖石受剪時的受力狀態(tài)，對于反映巖石的真實受力狀態(tài)和研究巖石的抗剪斷強度等參數(shù)具有較強的局限性。

在各類巖體工程的建設(shè)和運營過程中，特別是在深部高地應(yīng)力和強滲透水壓環(huán)境下，開挖造成應(yīng)力集中、卸荷、滲流等因素的影響下，巖體中原有的微裂紋發(fā)育擴展成宏觀裂紋、裂縫造成巖體開裂甚至破碎，破碎巖體裂隙的滲透率要遠比孔隙的滲透率高，從而造成巖體工程滲流突變而引發(fā)重大災(zāi)害事故，如煤礦巷道巖爆與突涌水事故等。因此，對巖體裂隙滲流特性的研究具有重要而深遠的意義。

現(xiàn)有技術(shù)中，巖石試驗僅僅是沿剪切面方向裂隙的滲流特性，沒有沿剪切面垂直方向裂隙的滲流特性，導(dǎo)致滲流特性并不完整，可靠性過低；同時由于不能真實反映巖石受剪時的受力狀態(tài)使得巖體裂隙滲透特性也過于片面，可靠性不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀，解決現(xiàn)有技術(shù)中巖石滲流試驗滲流特性片面，試樣剪切過程中無法真實還原受力狀態(tài)導(dǎo)致的滲流特性可靠性不高的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀，包括：基座、下剪切盒、上剪切盒、第一框架、第二框架、軸向加載系統(tǒng)、扭矩加載系統(tǒng)以及滲流結(jié)構(gòu)；

所述第一框架固定在所述基座上，所述第二框架固定在所述第一框架上；

所述軸向加載系統(tǒng)固定在所述第二框架上，所述上剪切盒固定在所述軸向加載系統(tǒng)輸出端；

所述扭矩加載系統(tǒng)固定在所述第二框架上；

所述下剪切盒固定在所述基座上；

所述上剪切盒與所述下剪切盒相對設(shè)置；所述上剪切盒上開設(shè)環(huán)形上試樣槽，所述下剪切盒上開設(shè)與之匹配的環(huán)形下試樣槽；

所述扭矩加載系統(tǒng)與所述軸向加載系統(tǒng)的輸出端相連，用于施加水平扭矩；

其中，所述滲流結(jié)構(gòu)包括：圍壓套筒、密封圈、進水通路以及出水通路；所述圍壓套筒固定在所述下剪切盒上，所述密封圈設(shè)置在所述上剪切盒外壁上；

所述進水通路以及所述出水通路分別設(shè)置在所述下剪切盒與所述下剪切盒上，與兩者間的空腔連通。

進一步地，所述軸向加載系統(tǒng)包括：軸向施力組件以及軸向活塞桿；

所述軸向施力組件固定在所述第二框架上；

所述軸向活塞桿與所述軸向施力組件相連，用于傳遞軸向拉力和壓力；

所述活塞桿頂端與所述上剪切盒固定相連。

進一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)包括：水平施力組件、水平推拉連桿以及齒輪盤；

所述齒輪盤中心處開設(shè)環(huán)套固定結(jié)構(gòu)，套接在所述軸向活塞桿上；

所述水平施力組件通過水平連桿與所述齒輪盤相連，驅(qū)動所述齒輪盤以所述軸向活塞桿為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，并拉動所述軸向活塞桿轉(zhuǎn)動；

其中，所述水平推拉連桿上設(shè)置與所述齒輪盤匹配嚙合的齒。

進一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：水平導(dǎo)向滑軌以及與之匹配的滑塊；

所述水平推拉桿與所述滑塊固定相連，可跟隨滑塊沿所述水平導(dǎo)向滑軌水平移動。

進一步地，所述環(huán)套固定結(jié)構(gòu)包括：限位結(jié)構(gòu)以及滾珠排；

所述限位結(jié)構(gòu)固定在所述齒輪盤與所述軸向活塞桿之間，用于限制兩者水平方向上的相對位移；

所述滾珠排設(shè)置在所述齒輪盤與所述軸向活塞桿之間，用于實現(xiàn)齒輪盤與所述軸向活塞桿在軸向上的相對滑動。

進一步地，所述軸向活塞桿中部設(shè)置成正多邊形外緣面，所述限位結(jié)構(gòu)采用與之匹配的正多邊形限位孔；

所述滾珠排嵌于所述正多邊形限位孔與所述正多邊形外緣面之間。

進一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：齒輪盤限位結(jié)構(gòu)；

所述出輪盤限位結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第一框架和所述第二框架之間，夾在所述齒輪面兩側(cè)，限制其軸向位移。

進一步地，在所述上剪切盒以及所述下剪切盒內(nèi)，與試樣接觸的面上開設(shè)凸臺。

進一步地，所述軸向施力組件采用軸向液壓千斤頂以及第一液壓伺服泵，所述水平施力組件采用水平液壓千斤頂和第二液壓伺服泵。

進一步地，所述第一框架和所述第二框架上均設(shè)置與所述軸向活塞桿匹配的滑套，分別套接在所述軸向活塞桿的上部和下部，限制其擺幅。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

本申請實施例中提供的巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀，通過軸向加載系統(tǒng)施加軸向拉力和壓力，形成需要的應(yīng)力環(huán)境；并進一步通過扭矩加載系統(tǒng)對環(huán)形柱狀巖石試樣施加扭矩，實現(xiàn)環(huán)剪，從而實現(xiàn)均勻施加剪應(yīng)力，促使剪切變形連續(xù)均勻；同時，通過上剪切盒與下剪切盒形成環(huán)形試樣槽結(jié)構(gòu)，從而保證剪切力處于圓環(huán)形試樣柱的切線方向，使得剪切應(yīng)力同平面，真實完整的反映巖石受剪時的受力狀態(tài)，對于反映巖石的真實受力狀態(tài)和研究巖石的抗剪斷強度等參數(shù)具有明確，可靠的完整性；同時，滲流處于徑向滲流狀態(tài)，垂直于剪切面，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中巖石滲流試驗僅能測量沿剪切面方向滲透性的缺陷，實現(xiàn)了沿剪切面垂直方向滲流特性的試驗，使得滲流特性完整全面，提升了可靠性。另一方面，還實現(xiàn)了拉壓狀態(tài)下多種應(yīng)力路徑的剪切試驗，完善了對巖體裂隙滲透特性研究的試驗，提升其可靠性，對預(yù)防巖體工程中因滲流突變引發(fā)重大災(zāi)害事故具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的滲流結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的扭矩加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀，解決現(xiàn)有技術(shù)中巖石滲流試驗滲流特性片面，試樣剪切過程中無法真實還原受力狀態(tài)導(dǎo)致的滲流特性可靠性不高，巖石試樣剪切過程中剪切面上剪切應(yīng)力分布不均勻，破壞不連續(xù)，剪應(yīng)力輸出方向不同面的技術(shù)問題；達到了提升巖石抗剪切強度參數(shù)、剪切變形變化精度，完整性，改善巖石本構(gòu)關(guān)系，同時完善了對巖體裂隙滲透特性的試驗的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供技術(shù)方案的總體思路如下：

通過扭矩加載系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)柱狀巖石試樣的扭矩均勻施加，保證形變連續(xù)均勻；并通過軸向加載系統(tǒng)和扭矩加載系統(tǒng)的獨立操作，并結(jié)合上下剪切盒形成的圓環(huán)形試樣槽結(jié)構(gòu)，形成切向扭剪切力與徑向滲透垂直的狀態(tài)，實現(xiàn)了垂直于切面方向的滲流試驗，獲得沿剪切面垂直方向裂隙的滲流特性提升試驗參數(shù)的精度、完整性和可靠性；同時能夠還原巖樣的綜合受力狀態(tài)，實現(xiàn)了多路徑應(yīng)力滲流試驗，提升試驗參數(shù)的精度、完整性和可靠性。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進行詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術(shù)方案的詳細的說明，而不是對本申請技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

依據(jù)空心圓柱的受力特點，采用針對空心圓柱試樣施加扭矩的方式，使其在預(yù)定環(huán)向截面發(fā)生破壞。剪切過程中，沿剪切面的剪應(yīng)力分布較為均勻、剪切面的變形連續(xù)且平整；環(huán)形試樣槽配合扭剪切力實現(xiàn)了徑向滲透與切向剪切的主結(jié)構(gòu)；獲得沿剪切面垂直方向裂隙的滲流特性。

參見圖1，具體來講，本發(fā)明實施例提供的一種巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀，包括：基座1、下剪切盒10、上剪切盒11、第一框架2-1、第二框架2-2、軸向加載系統(tǒng)、扭矩加載系統(tǒng)以及滲流結(jié)構(gòu)。

所述第一框架2-1固定在所述基座1上，所述第二框架2-2固定在所述第一框架2-1上；構(gòu)成設(shè)備支架，確切的講，構(gòu)成軸向加載系統(tǒng)和扭矩加載系統(tǒng)的施力支架。

所述軸向加載系統(tǒng)固定在所述第二框架2-2上，所述上剪切盒11固定在所述軸向加載系統(tǒng)輸出端；即，本實施例通過上剪切盒11具體作為執(zhí)行拉壓和剪切操作的直接執(zhí)行部件。

所述扭矩加載系統(tǒng)固定在所述第二框架2-2上；

所述下剪切盒2-1固定在所述基座1上；

其中，所述上剪切盒11與所述下剪切盒10相對設(shè)置；所述上剪切盒11上開設(shè)環(huán)形上試樣槽，所述下剪切盒上開設(shè)與之匹配的環(huán)形下試樣槽。

所述扭矩加載系統(tǒng)與所述軸向加載系統(tǒng)的輸出端相連，結(jié)合與其相連的上剪切盒11，實現(xiàn)軸向加載系統(tǒng)的輸出端，同時執(zhí)行剪切操作和拉壓操作，用于施加水平扭矩和拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

參見圖2，所述滲流結(jié)構(gòu)包括：圍壓套筒16、密封圈18、進水通路12、14以及出水通路13、15；所述圍壓套筒16固定在所述下剪切盒10上，所述密封圈18設(shè)置在所述上剪切盒11外壁上。當(dāng)執(zhí)行滲流試驗時，通過鎖緊件17將圍壓套筒15和密封圈16壓緊在上剪切盒10外壁上，密封兩盒間的空間，實現(xiàn)滲流試驗。

所述進水通路以及所述出水通路分別設(shè)置在所述下剪切盒與所述下剪切盒上，與兩者間的空腔連通。

第一框架2-1通過螺栓與基座1連接，其中部開有圓孔，用于軸向加載系統(tǒng)的動作；第二框架2-2通過螺栓與第一框架2-1連接，其中部及水平位置開有圓孔，分別用于安裝軸向加載系統(tǒng)及水平加載系統(tǒng)。

所述軸向加載系統(tǒng)包括：軸向施力組件以及軸向活塞桿5；所述軸向施力組件固定在所述第二框架2-2上；所述軸向活塞桿5與所述軸向施力組件相連，用于傳遞軸向拉力和壓力；所述活塞桿5頂端與所述上剪切盒11固定相連；形成直接施力結(jié)構(gòu)。

參見圖2，所述扭矩加載系統(tǒng)包括：水平施力組件3、水平推拉連桿7以及齒輪盤9；所述齒輪盤9中心處開設(shè)環(huán)套固定結(jié)構(gòu)，套接在所述軸向活塞桿5上；所述水平施力組件通過水平連桿7與所述齒輪盤9相連，驅(qū)動所述齒輪盤9以所述軸向活塞桿5為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，并拉動所述軸向活塞桿5轉(zhuǎn)動。

其中，所述水平推拉連桿7上設(shè)置與所述齒輪盤9匹配嚙合的齒。

進一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：水平導(dǎo)向滑軌8以及與之匹配的滑塊；所述水平推拉桿7與所述滑塊固定相連，可跟隨滑塊沿所述水平導(dǎo)向滑軌8水平移動。從而嚴格控制水平扭矩輸出的精度。

所述環(huán)套固定結(jié)構(gòu)包括：限位結(jié)構(gòu)以及滾珠排。

所述限位結(jié)構(gòu)固定在所述齒輪盤9與所述軸向活塞桿5之間，用于限制兩者水平方向上的相對位移。

所述滾珠排設(shè)置在所述齒輪盤9與所述軸向活塞桿5之間，用于實現(xiàn)齒輪盤9與所述軸向活塞桿5在軸向上的相對滑動。

從而形成軸向施力結(jié)構(gòu)以及水平扭矩結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述軸向活塞桿5中部設(shè)置成正多邊形外緣面5-2，所述限位結(jié)構(gòu)采用與之匹配的正多邊形限位孔；所述滾珠排嵌于所述正多邊形限位孔與所述正多邊形外緣面5-2之間。形成嚴格可靠的轉(zhuǎn)動力矩傳動。

具體來說，所述軸向活塞桿5可設(shè)置為變截面形狀，包括：第一部分活塞桿5-1，第二部分活塞桿5-2，第三部分活塞桿5-3。

其中，第一部分活塞桿5-1通過法蘭盤6與第二框架2-2連接，將反力傳遞給第二框架2-2。進而傳遞給第一框架2-1，直至基座1；從而形成穩(wěn)定的施力結(jié)構(gòu)。

第二部分活塞桿5-2截面形狀為方形，正多邊形等；通過滾珠排與齒輪盤9連接，可用于傳遞齒輪盤9旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，同時也可以上下移動，傳遞軸向荷載。

第三部分活塞桿5-3與傳力板為一體，通過螺栓與上剪切盒11連接，將前兩部分傳遞的荷載，施加給巖樣，達到試驗?zāi)康摹?/p>

進一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：齒輪盤限位結(jié)構(gòu)4；所述出輪盤限位結(jié)構(gòu)4設(shè)置在所述第一框架2-1和所述第二框架2-2之間，夾在所述齒輪面9兩側(cè)，限制其軸向位移，使之能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動。

進一步地，在所述上剪切盒以及所述下剪切盒內(nèi)，與試樣接觸的面上開設(shè)凸臺。在通過強力膠固定的時候，增大與試樣的接觸面積，保證試樣固定的可靠性。

所述軸向施力組件采用軸向液壓千斤頂以及第一液壓伺服泵，所述水平施力組件采用水平液壓千斤頂和第二液壓伺服泵。

進一步地，所述第一框架和所述第二框架上均設(shè)置與所述軸向活塞桿匹配的滑套，分別套接在所述軸向活塞桿的上部和下部，限制其擺幅。

本發(fā)明巖石拉壓—環(huán)剪滲流試驗儀可獨立或混合地對巖樣加載軸向拉力、壓力及扭矩，且克服了軸向力與扭矩加載時相互干擾的缺陷，可以實現(xiàn)剪切過程所受剪應(yīng)力分布的均勻性以及剪切變形的連續(xù)性，獲得更為精確的巖石抗剪切強度參數(shù)、剪切變形變化，改進和完善巖石的本構(gòu)關(guān)系。同時，克服了現(xiàn)有室內(nèi)巖石滲流試驗僅能量測沿剪切面方向滲透性的缺陷，實現(xiàn)了沿剪切面垂直方向滲流特性的研究，同時，本發(fā)明還可實現(xiàn)拉/壓情況下多種應(yīng)力路徑的剪切試驗，完善了對巖體裂隙滲透特性的研究，提高了現(xiàn)階段對裂隙滲透特性的認識，對預(yù)防巖體工程中因滲流突變引發(fā)重大災(zāi)害事故具有重要意義。

本發(fā)明的工作原理為：

制備空心圓柱巖樣，并在巖樣外壁的中部空隙位置粘貼應(yīng)變片，與應(yīng)變采集系統(tǒng)連接。上剪切盒11、下剪切盒10的底部和凸臺側(cè)壁涂抹強力膠，將巖樣與上剪切盒11和下剪切盒10粘結(jié)一起。并且保證下剪切盒10、巖樣、上剪切盒11在同一條中心線上，巖樣和下剪切盒10、上剪切盒11連接為一個整體。

下剪切盒10放置于基座1之間通過螺栓連接，并保證下剪切盒10和基座1端部水平連接。上剪切盒11通過螺栓與軸向活塞桿5連接，并保證上剪切盒11和軸向活塞桿5端部水平連接。

軸向活塞桿5通過法蘭盤6與第二框架2-2連接，第一部分軸向活塞桿5-1、第二部分軸向活塞桿5-2以及第三部分軸向活塞桿5-3，分別穿過第二框架2-2、齒輪盤9、第一框架2-1，與上剪切盒11連接。軸向活塞桿5的下表面和基座1、下剪切盒10、上剪切盒10的上下表面水平平行。

直線導(dǎo)軌8通過螺栓與第二框架2-2固定，水平推拉連桿7在水平導(dǎo)向滑軌8上滑行；水平施力組件3通過螺栓與第二框架2-2固定，且與第二框架2-2通過滑套13的形式，實現(xiàn)活塞桿的移動；齒輪盤9在軸向方向上通過齒輪限位裝置4與第一框架2-1、第二框架2-2固定，保證齒輪盤9在試驗過程中只能發(fā)生轉(zhuǎn)動，不能發(fā)生上下移動。在水平方向，水平施力組件3推動水平推拉連桿7沿水平導(dǎo)向滑軌8前后移動，控制齒輪盤9的旋轉(zhuǎn)。

齒輪盤9中間開有方形孔，通過滾排裝置與軸向活塞桿5連接，滾排形式的設(shè)置可以實現(xiàn)軸向活塞桿5的上下移動，同時可以將齒輪盤9旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩傳遞給軸向活塞桿5，進而傳遞給巖樣。以實現(xiàn)軸向力和扭矩的獨立或混合的加載。

當(dāng)進行剪切面滲流特性試驗時，通過鎖緊件17將圍壓套筒16與上剪切盒10連接固定，分別通過進水口12、14向剪切盒內(nèi)充水，通過出水口13、15的出水情況判斷剪切盒內(nèi)空氣是否全部排出。待剪切盒內(nèi)充滿水之后，關(guān)閉出水口13、15，控制進水口12、14以達到所需的滲透壓。在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)試驗。

當(dāng)加載軸向壓力時，通過液壓伺服泵向軸向活塞上部空間輸油，推動軸向活塞桿向下移動，施加軸向壓力。繼續(xù)加載軸向壓力至設(shè)定值，試驗結(jié)束并需卸載軸向壓力時，通過液壓伺服泵向軸向活塞下部空間輸油，提升活塞。

當(dāng)加載軸向拉力時，通過液壓伺服泵向軸向活塞下部空間輸油，推動軸向活塞桿向上移動，施加軸向拉力。繼續(xù)加載軸向拉力至設(shè)定值，試驗結(jié)束并需卸載軸向拉力時，通過液壓伺服泵向軸向活塞下上部空間輸油，提升活塞。

當(dāng)加載扭矩時，通過液壓伺服泵向千斤頂輸油至設(shè)定值，試驗結(jié)束時卸載千斤頂?shù)挠蛪骸?/p>

試驗結(jié)束并需取出巖樣時，將連接上剪切盒11與軸向活塞桿5的螺栓拆卸，取出上剪切盒11。將連接下剪切盒10與基座1的螺栓拆除，取出下剪切盒10。采用高溫加熱或者溶解膠體的方式，將巖樣與上剪切盒11、上剪切盒10分離。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

本申請實施例中提供的巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀，通過軸向加載系統(tǒng)施加軸向拉力和壓力，形成需要的應(yīng)力環(huán)境；并進一步通過扭矩加載系統(tǒng)對環(huán)形柱狀巖石試樣施加扭矩，實現(xiàn)環(huán)剪，從而實現(xiàn)均勻施加剪應(yīng)力，促使剪切變形連續(xù)均勻；同時，通過上剪切盒與下剪切盒形成環(huán)形試樣槽結(jié)構(gòu)，從而保證剪切力處于圓環(huán)形試樣柱的切線方向，使得剪切應(yīng)力同平面，真實完整的反映巖石受剪時的受力狀態(tài)，對于反映巖石的真實受力狀態(tài)和研究巖石的抗剪斷強度等參數(shù)具有明確，可靠的完整性；同時，滲流處于徑向滲流狀態(tài)，垂直于剪切面，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中巖石滲流試驗僅能測量沿剪切面方向滲透性的缺陷，實現(xiàn)了沿剪切面垂直方向滲流特性的試驗，使得滲流特性完整全面，提升了可靠性。另一方面，還實現(xiàn)了拉壓狀態(tài)下多種應(yīng)力路徑的剪切試驗，完善了對巖體裂隙滲透特性的試驗，提升其可靠性，對預(yù)防巖體工程中因滲流突變引發(fā)重大災(zāi)害事故具有重要意義。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。