CN113391012A - 一种岩石剪切试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩石试验技术领域，公开了一种岩石剪切试验装置，包括第一座体、第二座体、弹性带、驱动机构以及储液箱；第一座体具有用于供岩石上部容置的第一凹腔；第二座体具有用于供岩石下部容置的第二凹腔；弹性带绕预定轴线环形设置并用于张紧在岩石中部的外表面上；弹性带围合形成柱状空间，第一凹腔、第二凹腔以及柱状空间连通形成密封的容置腔室；储液箱具有用于容置预定液体的预定空间；预定空间和柱状空间通过管道连通。本发明将难以观测的裂隙体积的复杂变化转化为易于观测的储液箱内的液位变化，通过观测储液箱内的液位变化，即可便捷地获得岩石的裂隙体积变化。
Description
技术领域
本发明涉及岩石试验技术领域，特别是涉及一种岩石剪切试验装置。
背景技术
岩石剪切试验是测定岩石抗剪强度指标的试验。
其中，在岩石剪切试验中的裂隙的体积变化是一个重要的研究因素，其对地热、页岩气开采中流体的流动、溶质的运移等问题的研究具有重要的意义。
然而，现有的岩石剪切试验装置中，一般仅能够测定岩石的抗剪切强度指标，难以测定裂隙的体积变化。岩石在受到剪切力作用时，岩石试样产生细微裂纹，达到一定应力水平后微裂纹进一步发展为裂隙，进而沿破坏面发生脆性破坏或塑性破坏，岩石试样的破坏伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面错动等过程，导致裂隙面在发生水平切向运动外还产生向上的移动。这种剪切过程中产生的法向移动分量称之为“剪胀”。剪胀会引起裂隙体积的变化，致使裂隙的体积变化难以测定。
因此，亟需提出能够对裂隙体积进行测定的岩石剪切试验装置。
发明内容
本发明的目的是：提出一种能够对裂隙体积进行测定的岩石剪切试验装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种岩石剪切试验装置，包括第一座体、第二座体、弹性带、驱动机构以及储液箱；第一座体具有用于供岩石上部容置的第一凹腔；第二座体具有用于供岩石下部容置的第二凹腔；弹性带绕预定轴线环形设置并用于张紧在岩石中部的外表面上；所述弹性带围合形成柱状空间，所述第一凹腔、第二凹腔以及柱状空间连通形成密封的容置腔室；驱动机构用于驱动所述第一座体或所述第二座体，以使所述第一座体和所述第二座体在所述预定轴线的垂直方向上产生相对位移；储液箱具有用于容置预定液体的预定空间；所述预定空间和所述柱状空间通过管道连通。
进一步地，所述第一凹腔包括第一子区域和第一填充区域；第一子区域供岩石上部安装；第一填充区域处于所述第一子区域和所述第一凹腔内壁之间并用于填充第一密封材料。
进一步地，还包括第一压力传感器；所述第一压力传感器设于所述第一填充区域内并安装在所述第一凹腔的内壁上。
进一步地，所述第二凹腔包括第二子区域和第二填充区域；第二子区域供岩石下部安装；第二填充区域处于所述第二子区域和所述第二凹腔内壁之间并用于填充第二密封材料。
进一步地，还包括第二压力传感器；所述第二压力传感器设于所述第二填充区域内并安装在所述第二凹腔的内壁上。
进一步地，还包括用于监测所述预定液体的液位变化的液位传感器；所述液位传感器设于所述预定空间内
进一步地，所述储液箱上设有与所述预定腔室连通的进液口，所述弹性带上设有与所述柱状空间连通的出液口；所述进液口和所述出液口通过管道连通。
进一步地，所述进液口和所述出液口之间的管道为刚性管体。
进一步地，还包括用于驱动所述第一座体以向岩石上部施加第一压紧力的第一压紧机构。
进一步地，还包括用于驱动所述第二座体以向岩石下部施加第二压紧力的第二压紧机构。
本发明实施例一种岩石剪切试验装置与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明实施例的岩石剪切试验装置，将难以观测的裂隙体积的复杂变化转化为易于观测的储液箱内的液位变化，通过观测储液箱内的液位变化，即可便捷地获得岩石的裂隙体积变化，能够在对岩石进行剪切试验时，对裂隙体积进行测定。
附图说明
图1是本发明实施例的岩石剪切试验装置的剖视图。
图2是本发明实施李的岩石剪切实验装置的使用状态图。
图中，1、第一座体；11、第一凹腔；2、第二座体；21、第二凹腔；3、弹性带；31、柱状空间；4、储液箱；5、第一压力传感器；6、第二压力传感器；7、岩石；8、裂隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
请参阅图1和图2，本发明优选实施例的一种岩石7剪切试验装置，包括第一座体1、第二座体2、弹性带3、驱动机构以及储液箱4；第一座体1具有用于供岩石7上部容置的第一凹腔11；第二座体2具有用于供岩石7下部容置的第二凹腔21；弹性带3绕预定轴线环形设置并用于张紧在岩石7中部的外表面上；所述弹性带3围合形成柱状空间31，所述第一凹腔11、第二凹腔21以及柱状空间31连通形成密封的容置腔室；驱动机构用于驱动所述第一座体1或所述第二座体2，以使所述第一座体1和所述第二座体2在所述预定轴线的垂直方向上产生相对位移；储液箱4具有用于容置预定液体的预定空间；所述预定空间和所述柱状空间31通过管道连通。
利用本实施例的岩石7剪切试验装置对岩石7进行剪切试验时，首先，取第一座体1，将待试验的岩石7上部容置在第一凹腔11内；而后，取第二座体2，将待试验的岩石7下部容置在第二凹腔21内；继而，在岩石7中部的外表面上张紧设置弹性带3，使得待试验岩石7的裂隙8发生位置能够被弹性带3紧密包裹；最后，驱动机构驱动第一座体1或第二座体2，对待试验的岩石7进行剪切，岩石7在被剪切时，将在中部位置形成裂隙8，即岩石7的断裂面处于柱状空间31内，储液箱4内的预定液体通过管道进入到裂隙8内，其中，储液箱4液位的变化即表示了裂隙8体积的变化。
本实施例中，将难以观测的裂隙8体积的复杂变化转化为易于观测的储液箱4内的液位变化，通过观测储液箱4内的液位变化，即可便捷地获得岩石7的裂隙8体积变化，能够在对岩石7进行剪切试验时，对裂隙8体积进行测定。
可选地，预定液体可以是水、液压油以及化学溶液中的其中一种。
可选地，弹性带3为橡胶材质一体件。
需要说明的是，若待测试的岩石7的渗透率低且不吸水，则本实施例的岩石剪切试验装置可以直接对该岩石7进行剪切试验；若待测试的岩石7的渗透率高且吸水性高，则先对待测试的岩石7的表面进行防水处理后，方可使用本实施例的岩石剪切试验装置进行剪切试验。
实施例2：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例1进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，所述第一凹腔11包括第一子区域和第一填充区域；第一子区域供岩石7上部安装；第一填充区域处于所述第一子区域和所述第一凹腔11内壁之间并用于填充第一密封材料。
使用时，将待试验的岩石7上部容置在第一凹腔11内时，将岩石7上部占据的空间设为第一子区域；能够知晓的是，根据岩石7的不同，第一子区域的大小和位置均不同；因此，不可避免地，第一子区域在大部分情况下均会与第一凹腔11的内壁之间形成间隙。
本实施例中，将第一子区域和第一凹腔11内壁之间的间隙设为第一填充区域，将待试验的岩石7上部容置在第一凹腔11内时，在第一填充区域内填充第一密封材料，以使得第一座体1能够对岩石7施加作用力。
可选地，第一密封材料可以是聚氨酯材料。
实施例3：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例2进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，还包括第一压力传感器5；所述第一压力传感器5设于所述第一填充区域内并安装在所述第一凹腔11的内壁上。
本实施例中，通过设置第一压力传感器5，能够获得驱动机构在驱动第一座体1或第二座体2时，岩石7上部受到的作用力，从而便于获得剪切力大小、时间以及裂隙8体积的变化关系。
优选地，第一压力传感器5的数量为多个，部分第一压力传感器5设置在第一凹腔11的底壁上，另一部分第一压力传感器5设置在第一凹腔11的侧壁上。
实施例4：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例1进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，所述第二凹腔21包括第二子区域和第二填充区域；第二子区域供岩石7下部安装；第二填充区域处于所述第二子区域和所述第二凹腔21内壁之间并用于填充第二密封材料。
使用时，将待试验的岩石7下部容置在第二凹腔21内时，将岩石7下部占据的空间设为第二子区域；能够知晓的是，根据岩石7的不同，第二子区域的大小和位置均不同；因此，不可避免地，第二子区域在大部分情况下均会与第二凹腔21的内壁之间形成间隙。
本实施例中，将第二子区域和第二凹腔21内壁之间的间隙设为第二填充区域，将待试验的岩石7下部容置在第二凹腔21内时，在第二填充区域内填充第二密封材料，以使得第二座体2能够对岩石7施加作用力。
进一步地，结合实施例2，能够使得第一座体1和第二座体2分别稳固地夹持在岩石7上，能够分别对岩石7施加作用力，在驱动机构驱动第一座体1或第二座体2时，均能够保证岩石7上部和岩石7下部之间产生相对位移。
可选地，第二密封材料可以是聚氨酯材料。
实施例5：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例4进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，还包括第二压力传感器6；所述第二压力传感器6设于所述第二填充区域内并安装在所述第二凹腔21的内壁上。
本实施例中，通过设置第二压力传感器6，能够获得驱动机构在驱动第一座体1或第二座体2时，岩石7下部受到的作用力，从而便于获得剪切力大小、时间以及裂隙8体积的变化关系。
优选地，第二压力传感器6的数量为多个，部分第二压力传感器6设置在第二凹腔21的底壁上，另一部分第二压力传感器6设置在第二凹腔21的侧壁上。
实施例6：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例1进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，储液箱4内配置有液体体积测量传感器，以实时记录储液箱4内液体体积大小。
优选地，剪切试验装置还包括用于监测所述预定液体的液位变化的液位传感器；所述液位传感器设于所述预定空间内。
本实施例中，通过设置液位传感器，可以直接地观测到预定空间内液位变化。
在其它实施方式中，可以通过其它方式检测预定空间内的液位变化，如，在预定空间底部设置第三压力传感器，通过测量水压获得预定空间液位变化。
实施例7：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例1进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，所述储液箱4上设有与所述预定腔室连通的进液口，所述弹性带3上设有与所述柱状空间31连通的出液口；所述进液口和所述出液口通过管道连通。
本实施例中，通过设置进液口、出液口，以及进液口和出液口之间的管道，能够使得预定液体顺畅地进入到柱状空间31内，并填充裂隙8。
优选地，进液口的高度高于出液口，使得预定液体能够在高度差的作用下流动至柱状空间31内。
实施例8：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例7进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，所述进液口和所述出液口之间的管道为刚性管体。
本实施例中通过将进液口和所述出液口之间的管道设置为刚性管体，避免进液口和所述出液口之间的管道在预定液体流动时发生变形从而导致预定空间的液位变化不能准确地反应裂隙8体积的变化。
实施例9：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例7进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，还包括用于驱动所述第一座体1以向岩石7上部施加第一压紧力的第一压紧机构，避免在剪切的过程中岩石7脱离第一凹腔11。
实施例10：
请参阅图1和图2，本实施例基于实施例9进行改进。
本实施例的岩石7剪切试验装置中，还包括用于驱动所述第二座体2以向岩石7下部施加第二压紧力的第二压紧机构，避免在剪切的过程中岩石7脱离第二凹腔21。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种岩石剪切试验装置，其特征在于，包括：
第一座体，具有用于供岩石上部容置的第一凹腔；
第二座体，具有用于供岩石下部容置的第二凹腔；
弹性带，绕预定轴线环形设置并用于张紧在岩石中部的外表面上；所述弹性带围合形成柱状空间，所述第一凹腔、第二凹腔以及柱状空间连通形成密封的容置腔室；
驱动机构，用于驱动所述第一座体或所述第二座体，以使所述第一座体和所述第二座体在所述预定轴线的垂直方向上产生相对位移；
以及
储液箱，具有用于容置预定液体的预定空间；所述预定空间和所述柱状空间通过管道连通。
2.根据权利要求1所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，所述第一凹腔包括：
第一子区域，供岩石上部安装；
和
第一填充区域，处于所述第一子区域和所述第一凹腔内壁之间并用于填充第一密封材料。
3.根据权利要求2所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，还包括第一压力传感器；所述第一压力传感器设于所述第一填充区域内并安装在所述第一凹腔的内壁上。
4.根据权利要求1所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，所述第二凹腔包括：
第二子区域，供岩石下部安装；
和
第二填充区域，处于所述第二子区域和所述第二凹腔内壁之间并用于填充第二密封材料。
5.根据权利要求4所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，还包括第二压力传感器；所述第二压力传感器设于所述第二填充区域内并安装在所述第二凹腔的内壁上。
6.根据权利要求1所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，还包括用于监测所述预定液体的液位变化的液位传感器；所述液位传感器设于所述预定空间内。
7.根据权利要求1所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，所述储液箱上设有与所述预定腔室连通的进液口，所述弹性带上设有与所述柱状空间连通的出液口；所述进液口和所述出液口通过管道连通。
8.根据权利要求7所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，所述进液口和所述出液口之间的管道为刚性管体。
9.根据权利要求1所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，还包括用于驱动所述第一座体以向岩石上部施加第一压紧力的第一压紧机构。
10.根据权利要求9所述的岩石剪切试验装置，其特征在于，还包括用于驱动所述第二座体以向岩石下部施加第二压紧力的第二压紧机构。
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