CN114002072B - 施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置，属于岩石工程技术领域，包括内部设有空腔的装置本体，装置本体上设有与空腔连通的进液口、排气口和水压表，空腔内设有底座，岩石试样上设有单道裂隙，装置本体上设有给岩石试样加压的传力机构，注水后的空腔能够保证单道裂隙始终被水充满，继而提供恒定的裂隙水压；还提供了一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，包括：S1、安装裂隙岩石水力耦合试验装置；S2、安装岩石试样；S3、施加初始应力；S4、施加裂隙水压；S5、应力加载与裂隙扩展观测；S6、排水与取出岩石试样；通过对岩石试样水平卸载和竖直加载，从而模拟出开挖时围岩径向应力降低和切向应力增大的过程。

Description

施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，特别是涉及一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置及方法。

背景技术

裂隙岩体是地下工程施工建设过程中常见的一种复杂地质体，裂隙岩体中通常会含有裂隙水。随着地下工程向更深的地下发展，裂隙岩体所处地质环境也变得更为复杂，往往表现出高地应力、高裂隙水压等特点，裂隙岩体在高地应力、高裂隙水压的耦合作用下，容易发生原生裂隙的扩展和相互贯通，导致岩体强度弱化和工程结构失稳破坏，这种环境下的矿山开采或隧道开挖时，很容易诱发严重的工程地质灾害。尤其是在富水岩体中的隧道(或巷道、硐室和洞室)的开挖，很容易诱发突涌水灾害。因此，深部岩体工程地质灾害中涉及的水力耦合问题已经成为亟待解决的重点和难点问题，而掌握裂隙岩体水力耦合作用下裂隙扩展、贯通演化规律，明确其破裂的力学机理成为了突涌水灾害防治的关键。目前，在开展裂隙岩体水力耦合试验研究中，通常会采用应力变化、应变变化、渗透压力变化和渗透流量变化的数值相结合来表征裂隙的变化。如专利号“201610486665.7”，名称为“一种单裂隙岩体流-固耦合试验***及试验方法”的发明专利中公开了一种试验设备和试验方法，装置由应力加载装置、渗透压伺服装置以及数据采集处理装置组成，通过应力加载装置对试件进行加载；通过渗透压伺服装置进行流体渗透，通过数据采集处理装置对渗透的压力进行实时数据显示、采集和记录，从而表征裂隙岩体在高地应力、高裂隙水压下的裂隙变化。

但上述用渗透压力变化等数值来表征裂隙变化方式，并不能直观的表现出裂隙扩展、贯通演化规律。而且上述方式也只能用来研究一般的裂缝岩体裂隙变化，无法表征富水岩体的裂隙变化，因为在富水岩体中进行开挖工程活动时，裂隙水压在岩体裂隙扩展过程中是基本稳定不变的，即富水岩体的渗透压力是恒定不变的。为此，现阶段又提出了一种试验方法，通过在裂隙岩样上钻一个与裂隙连通的辅助注水孔，试验时将高压水泵装置的高压水管与辅助注水孔连接，向裂隙内注入恒定的高水压，以模拟富水岩体裂隙水压恒定的情况，然后高速摄像记录下裂隙的扩展过程，从而使裂隙扩展过程更为直观。但实际试验中发现由于裂隙进入不稳定扩展阶段后，裂隙扩展速度非常快，在极短时间内会新增相对较大的裂隙空间，而恒定流量的水流根本无法及时地向新增裂隙空间中补充等体积的高压水，继而无法满足裂隙内水压的稳定，造成裂隙内的水压显著降低，而稳定的裂隙水压正是导致隧道(或巷道、硐室和洞室)诱发突涌水灾害的主要力源之一。此外，虽然裂隙岩样上的辅助注水孔体积小，但对裂隙岩样钻孔，依然会对裂隙岩样的力学特性和破坏行为产生影响。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置及方法，岩石试样放入空腔后，岩石试样被浸泡在注满水后的空腔内，无论其单道裂隙如何变化，都能够时刻被空腔内的水充满，从而始终与空腔内的水压相同，而空腔容积不变，其内部水压就不变，从而可为岩石试样提供恒定的裂隙水压，真正模拟出深部富水岩体内裂隙扩展过程中恒定的裂隙水压环境，为掌握隧道突涌水机理提供试验技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置，包括装置本体，所述装置本体内部设有可注入水的空腔，所述装置本体上设有与所述空腔连通的进液口、排气口以及水压表，所述空腔内设有用于安放岩石试样的底座，所述岩石试样上设有供所述空腔内的水贯通的单道裂隙，所述装置本体上设有给所述岩石试样的非裂隙面加压的传力机构。

优选地，所述传力机构包括设置在所述装置本体顶部和两侧的传力活塞杆。

优选地，所述传力活塞杆与所述装置本体之间设有活塞套筒。

优选地，所述活塞套筒与所述传力活塞杆之间设有密封圈。

优选地，所述排气口位于所述装置本体的顶部，所述进液口位于所述装置本体的底部。

优选地，所述装置本体上设有用于所述岩石试样放入所述空腔的放入口，所述放入口处可拆卸的安装有观察窗口。

优选地，所述观察窗口包括透明聚碳酸酯板、环形压板，所述环形压板通过螺栓将所述透明聚碳酸酯板连接在所述装置本体上。

优选地，所述透明聚碳酸酯板与所述装置本体之间设有环形密封垫。

还提供了一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，采用了上述的施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置，包括以下步骤：

S1、安装裂隙岩石水力耦合试验装置，将所述装置本体安放在双轴岩石力学试验机的实验平台上；

S2、安装岩石试样，将所述岩石试样安放在所述底座上；

S3、施加初始应力，控制所述双轴岩石力学试验机水平加载轴、竖直加载轴通过所述传力机构对所述岩石试样的顶面和非裂隙面的侧面施加设定的初始应力；

S4、施加裂隙水压，打开所述排气口，通过所述进液口向所述空腔内注水，等到所述排气口有水溢出后，关闭所述排气口；通过所述进液口继续注入水，直至达到试验方案设定水压时，关闭进液口；

S5、应力加载与裂隙扩展观测，按照试验方案设定的应力加载路径，控制所述双轴岩石力学试验机的竖直加载轴、水平加载轴，对所述岩石试样进行水平卸载和竖直加载，模拟开挖导致围岩径向应力降低和切向应力增大过程，对所述岩石试样的裂隙扩展过程进行实时观测和记录；当所述岩石试样发生整体破坏后，立即停止加载，并退回所述双轴岩石力学试验机的水平加载轴和竖直加载轴；

S6、排水与取出岩石试样。

优选地，在步骤S1之前还包括步骤S0：制作岩石试样，将岩石加工成长方体试样，然后在长方体试样上加工出一条贯穿所述长方体试样正面和背面的单道裂隙，单道所述裂隙的横截面为与所述长方体试样的底面具有一定夹角的倾斜裂缝。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.装置本体内部空腔在注满水后，水会将岩石试样包围，岩石试样上的单道裂隙始终与空腔内的水相通，因此无论单道裂隙如何扩展变化，水始终是充满裂隙的，不会出现水跟不上裂隙扩展的速度的问题，继而裂隙内的裂隙水压始终与空腔内的水压相同；同时由于空腔的容积不变，空腔内的水量不变，因此空腔内的水压便是恒定的，继而裂隙内的裂隙水压也是恒定的，便可模拟出了富水岩体内裂隙水压始终是恒定，然后在装置本体上传力机构的加载下，模拟出高地应力环境，满足了深部富水岩体在高地应力、恒定裂隙水压下的真实裂隙扩展条件，然后通过观察和分析其扩展过程，便可掌握裂隙岩体水力耦合作用下裂隙扩展、贯通演化规律，明确其破裂的力学机理，为突涌水灾害防治提供理论指导。

2.传力机构包括设置在装置本体顶部和两侧的传力活塞杆，通过顶部传力活塞杆能够从岩石试样顶面进行加压，模拟隧道围岩受到的切向应力，通过两侧的传力活塞杆可以从岩石试样的两侧进行加压，从而模拟隧道围岩受到的径向应力，更加贴近真实模拟出隧道突涌水时，富水岩体内部裂隙应力的变化。

3.排气口位于装置本体的顶部，进液口位于装置本体的底部，水进入空腔后，能够将空气从空腔的底部向顶部的排气口压出，能够更好的将空腔内的空气排净，避免空气残留在空腔内。

4.施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法中，通过加大双轴岩石力学试验机的竖直加载轴的加载力，减小水平加载轴的加载力，从而能够模拟开挖导致围岩径向应力降低和切向应力增大过程，更加贴近真实隧道开挖过程中对围岩扰动造成的裂隙岩体应力的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为裂隙岩石水力耦合试验装置的正视图；

图2为裂隙岩石水力耦合试验装置的俯视图；

图3为裂隙岩石水力耦合试验装置的剖视图I；

图4为裂隙岩石水力耦合试验装置的剖视图II；

图5为裂隙岩石水力耦合试验装置的剖视图III；

图6为环形压板的结构示意图；

图7为透明聚碳酸酯板的结构示意图。

附图标记说明：1、装置本体；2、空腔；3、岩石试样；4、单裂隙；5、进液口；6、进出水阀门；7、排气口；8、排气阀门；9、水压表；10、底座；11、左传力活塞杆；12、上传力活塞杆；13、右传力活塞杆；14、左活塞筒；15、上活塞筒；16、右活塞筒；17、密封圈；18、放入口；19、透明聚碳酸酯板；20、环形压板；21、螺栓；22、螺栓孔；23、螺纹孔；24、环形密封垫。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置，如图1至图7所示，包括装置本体1，装置本体1内部设有可注入水的空腔2，装置本体1上设有与空腔2连通的进液口5、排气口7以及水压表9，进液口5上设有进出水阀门6，排气口7上设有排气阀门8。空腔2的底部设有用于安放岩石试样3的底座10，岩石试样3上预先设置一道贯穿岩石试样3的裂隙4，空腔2内部注满水后，水会通过该道裂隙4贯通岩石试样3。装置本体1上还设有给岩石试样3的非裂隙面加压的传力机构。实验时，传力机构对岩石试样3非裂隙面进行加压，从而模拟裂隙岩体所处高地应力环境。空腔2内注满高压水，静态的高压水贯通裂隙4，从而为岩石试样3提出了恒定的裂隙水压，同时在裂隙4变化过程中，空腔2的容积不变，因此空腔2内的高压水的水压一定是不变的，而岩石试样3始终浸泡在水中，裂隙4内始终与空腔2内的水连通，因此无论裂隙4如何变化，裂隙4始终是被空腔2内的水灌充满的，即时刻与空腔2内的高压水的水压相同，继而模拟出了富水岩体裂隙扩展时内部裂隙水压始终恒定的情况。然后通过观察和用高速摄像机记录裂隙4的扩展过程，便能直观的了解富水岩体在高地应力、恒定的高裂隙水压耦合作用下的裂隙扩展、贯通演化规律，明确其破裂的力学机理，从而为突涌水灾害防治的提供理论支撑。优选地，为了更加真实模拟隧道或矿山开挖发生突涌水时，富水岩体内部裂隙的变化，可以通过传力机构先对岩石试样3进行初步加压，然后在逐步卸载岩石试样3侧面的压力，增强岩石试样3顶部的压力，从而模拟出隧道开挖时，导致的隧道围岩径向应力降低和切向应力增大过程，此时石试样3上的裂隙4的变化更加符合隧道突涌水时的变化。

本实施例中，参考图1至图5，传力机构包括设置在装置本体1顶部的上传力活塞杆12、设置在装置本体1左侧的左传力活塞杆11以及设置在装置本体1右侧的右传力活塞杆13，各传力活塞杆均滑动连接在装置本体1上。实验时，将装置本体1安放双轴岩石力学试验机试验台上后，使左传力活塞杆11和右传力活塞杆13的中心轴线与双轴岩石力学试验机水平加载轴的中心轴线一致，上传力活塞杆12的中心轴线与双轴岩石力学试验机竖直加载轴的中心轴线一致，使用时，在放入岩石试样3后，开启双轴岩石力学试验机，使水平加载轴慢慢贴在左传力活塞杆11和右传力活塞杆13上，竖直加载轴慢慢贴在上传力活塞杆12上，便可在实验室对各传力活塞杆加载。然后在双轴岩石力学试验机的水平加载轴、竖直加载轴加载下，上传力活塞杆12对岩石试样3的顶部进行加压，左传力活塞杆11对岩石试样3的左侧面进行加压，右传力活塞杆13对岩石试样3的右侧面进行加压。优选地，各传力活塞杆的施力面略小于岩石试样3的对应面以避免加载过程中上传力活塞杆12与左传力活塞杆11、右传力活塞杆13相互碰撞。

进一步，为了保证各传力活塞杆的运动轨迹精准，以及避免提高空腔2内的水从各传力活塞杆处流出，本实施例中，参考图1至图5，装置本体1的底部一体成型有上活塞筒15，装置本体1的左侧一体成型有左活塞筒14，装置本体1的右侧一体成型有右活塞筒16，且上活塞筒15、左活塞筒14和右活塞筒16的端头均需要伸出装置本体1一段长度和伸入空腔2内一段长度。上传力活塞杆12滑动连接在上活塞筒15内，并与上活塞筒15紧密贴合；左传力活塞杆11滑动连接在左活塞筒14内，同样紧密贴合；右传力活塞杆13滑动连接在右活塞筒16内，同样紧密贴合。通过上活塞筒15、左活塞筒14和右活塞筒16起到对各传力活塞杆的导向和密封作用。

为了进一步提高各活塞筒与传力活塞杆之间的密封性，本实施例中，参考图1至图5，上活塞筒15、左活塞筒14和右活塞筒16上均开有环形槽，然后在环形槽内安装有密封圈17，密封圈17采用具有一定弹性的材质制成，优选采用橡胶圈，上传力活塞杆12、左传力活塞杆11和右传力活塞杆13在安装到各自活塞筒内后，密封圈17依靠其弹性能够与各传力活塞杆贴合紧密性更好。

本实施例，参考图1至图5，排气口7位于装置本体1的顶部，进液口5位于装置本体1的底部。注入水后，进液口5使得水从装置本体1的底部进入，然后能够向上将空腔2内的空气从装置本体1的顶部排气口7挤出，以便更好的将空腔2内的气体排净，避免空气残留。

本实施例中，装置本体1上开有用于放入岩石试样3的放入口18，放入口18处可拆卸的安装有观察窗口，通过观察窗口可以更加直观的观察到空腔2内的岩石试样3和裂隙4的变化情况。由于放入口18兼具安放和观察的作用，优选地放入口18位于装置本体1的正面，以使观察窗口正对岩石试样3，然后将岩石试样3放在底座10上时，设有裂隙4的一个面正对观察窗口。

本实施例中，参考图1至图7所示，观察窗口包括透明聚碳酸酯板19、环形压板20，透明聚碳酸酯板19、环形压板20的直径均大于放入口18，以便安装后透明聚碳酸酯板19能够封盖住放入口18。放入口18可为方形、圆形等等形状，但优选地放入口18为圆形，同时环形压板20的外径和透明聚碳酸酯板19的直径相同，环形压板20的内径与放入口18直径相同。透明聚碳酸酯板19和环形压板20均设有一圈螺栓孔22，且两者上面的螺栓孔22的数量和位置相互对应，同时放入口18***的装置本体1上设有螺纹孔23，螺纹孔23的数量、位置和螺栓孔22的数量、位置相互对应。安装观察窗口后，先将透明聚碳酸酯板19贴在装置本体1上，并将放入口18封盖住，然后用环形压板20压住透明聚碳酸酯板19，最后将环形压板20、透明聚碳酸酯板19上的螺栓孔22均与装置本体1上的螺纹孔23对好用，安上螺栓21，完成观察窗口的安装。

进一步，本实施例中，透明聚碳酸酯板19的直径和环形压板20的外直径均大于放入口18的直径与4倍螺纹孔23的直径之和。

进一步，为了避免空腔2内的水从观察窗口处流出，本实施例中，参考图1至图7，透明聚碳酸酯板19与装置本体1之间设有环形密封垫24，螺栓21穿过环形密封垫24后，透明聚碳酸酯板19将环形密封垫24紧紧压在装置本体1上。

本实施例还提供了一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，如图1至图7所示，采用了上述的施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验装置，包括以下步骤：

S1、安装裂隙岩石水力耦合试验装置，将装置本体1安放在双轴岩石力学试验机的实验平台上；

S2、安装岩石试样3，将岩石试样3安放在底座10上之后；

S3、施加初始应力，控制双轴岩石力学试验机水平加载轴、竖直加载轴进行加载，通过传力机构将加载力传递到岩石试样3的顶面和非裂隙面的侧面上，并直至达到设定的初始应力；

S4、施加裂隙水压，打开排气口7上的排气阀门8，然后打开进液口5上的进出水阀门6，通过高压水泵和进液口5向空腔2内注水，等到排气口7处有水溢出后，转动进出水阀门6，关闭排气口7；然后通过进液口5继续注入水，当水压表9的示数显示稳定，且达到试验方案设定水压时，关闭进液口5；并关停高压水泵，断开进液口5与高压水泵的连接；

S5、应力加载与裂隙扩展观测，按照试验方案设定的应力加载路径，控制双轴岩石力学试验机的竖直加载轴、水平加载轴，对岩石试样3进行水平卸载和竖直加载，以模拟因开挖导致围岩径向应力降低和切向应力增大的过程，然后用高速摄像机对岩石试样3的裂隙扩展过程进行实时观测和记录；当岩石试样3发生整体破坏后，立即停止加载，并退回双轴岩石力学试验机的水平加载轴和竖直加载轴，关停高速摄像机；

S6、排水与取出岩石试样，打开进出水阀门6，缓慢排出空腔2内的水后，取出破裂的岩石试样3，结束本次试验。

本实施例中，如图1至图7所示，在步骤S1之前还包括步骤S0：制作岩石试样，将岩石加工成长方体的试样，然后在长方体的试样上加工出一条贯穿长方体试样正面和背面的裂隙4，从而得到岩石试样3。其中参考图1可知，裂隙4的横截面为倾斜的裂缝，该倾斜裂缝与长方体试样的底面呈一定的夹角，同时对于裂隙4形状并无特殊要求，只要是一道裂隙4以及贯穿岩石试样3其中两个正对的侧面即可。

进一步，本实施例中，如图1至图7所示，裂隙4可为一条45°角倾斜的裂缝，即倾斜裂缝与岩石试样3的底面的夹角为45°角，以观察该倾斜的裂隙4在竖向和水平方向不同的压力下的扩展规律。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，采用了裂隙岩石水力耦合试验装置，所述裂隙岩石水力耦合试验装置包括装置本体，所述装置本体内部设有可注入水的空腔，所述装置本体上设有与所述空腔连通的进液口、排气口以及水压表，所述空腔内设有用于安放岩石试样的底座，所述岩石试样上设有供所述空腔内的水贯通的单道裂隙，所述单道裂隙贯穿所述岩石试样，所述装置本体上设有给所述岩石试样的非裂隙面加压的传力机构；

包括以下步骤：

S1、安装裂隙岩石水力耦合试验装置，将所述装置本体安放在双轴岩石力学试验机的实验平台上；

S2、安装岩石试样，将所述岩石试样安放在所述底座上；

S3、施加初始应力，控制所述双轴岩石力学试验机水平加载轴、竖直加载轴通过所述传力机构对所述岩石试样的顶面和非裂隙面的侧面施加设定的初始应力；

S4、施加裂隙水压，打开所述排气口，通过所述进液口向所述空腔内注水，等到所述排气口有水溢出后，关闭所述排气口；通过所述进液口继续注入水，直至达到试验方案设定水压时，关闭进液口；

S5、应力加载与裂隙扩展观测，按照试验方案设定的应力加载路径，控制所述双轴岩石力学试验机的竖直加载轴、水平加载轴，对所述岩石试样进行水平卸载和竖直加载，模拟开挖导致围岩径向应力降低和切向应力增大过程，对所述岩石试样的裂隙扩展过程进行实时观测和记录；当所述岩石试样发生整体破坏后，立即停止加载，并退回所述双轴岩石力学试验机的水平加载轴和竖直加载轴；

S6、排水与取出岩石试样。

2.根据权利要求1所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括步骤S0：制作岩石试样，将岩石加工成长方体试样，然后在长方体试样上加工出一条贯穿所述长方体试样正面和背面的单道裂隙，所述单道裂隙的横截面为与所述长方体试样的底面具有夹角的倾斜裂缝。

3.根据权利要求1所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述传力机构包括设置在所述装置本体顶部和两侧的传力活塞杆。

4.根据权利要求3所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述传力活塞杆与所述装置本体之间设有活塞套筒。

5.根据权利要求4所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述活塞套筒与所述传力活塞杆之间设有密封圈。

6.根据权利要求1所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述排气口位于所述装置本体的顶部，所述进液口位于所述装置本体的底部。

7.根据权利要求1所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述装置本体上设有用于所述岩石试样放入所述空腔的放入口，所述放入口处可拆卸的安装有观察窗口。

8.根据权利要求7所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述观察窗口包括透明聚碳酸酯板、环形压板，所述环形压板通过螺栓将所述透明聚碳酸酯板连接在所述装置本体上。

9.根据权利要求8所述的一种施加恒定裂隙水压的裂隙岩石水力耦合试验方法，其特征在于，所述透明聚碳酸酯板与所述装置本体之间设有环形密封垫。