一种用于三维裂隙岩样的水-力耦合加载装置及加载方法

摘要

一种用于三维裂隙岩样的水‑力耦合加载装置，包括左右对称设置的两块矩形的耦合加载板，二者通过刚性连接杆连接，刚性连接杆中间设有长度调节旋钮，其上设有应力传感器，耦合加载板内部为中空结构，它的内表面四周边缘设有防水边界，耦合加载板上有贯穿耦合加载板的多个均布的螺钉孔，每个螺钉孔内均设有从外向内安装的螺钉，螺钉的长度大于螺钉孔的深度，螺钉与螺钉孔之间密封，耦合加载板内表面上设有整齐排列的多个长条形开口，长条形开口分为水平和竖直两个方向且相互垂直，长条形开口和螺钉孔相间布置，耦合加载板下方侧边设有进水口。本发明在应力加载的过程中避免了堵塞裂隙，提高了试验结果的准确性，结构简单，加工方便，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于三维裂隙岩样的水-力耦合加载装置及加载方法，属于岩石力学与工程技术领域。

背景技术

裂隙岩体是水利、采矿、交通及能源等行业中最常见、最重要的介质之一。由于成岩作用及地质构造运动，工程实际中面对的岩体中都存在各种形式的裂隙。裂隙岩体渗流状态变化涉及复杂的渗流-应力耦合作用过程。一方面，水体在围岩中的渗流作用将改变围岩中的孔隙水压力，从而改变围岩的原始应力状态；另一方面，围岩应力状态的改变，反过来会改变围岩本身的结构，进而改变围岩的渗透性能，从而改变水体的渗流状态。为了对三维裂隙岩体的力学和水理性质进行研究，如何实现对三维裂隙岩体进行水-力耦合加载成为了重要环节。

目前关于三维裂隙岩样进行水-力耦合加载的研究，已知的公开号为201621389018.6的一种用于岩石冲击—静力—水力耦合劈裂拉伸破坏实验装置和公开号为201611173490.0的一种用于岩石冲击—静力—水力耦合劈裂拉伸破坏试验装置，它们都通过水压加载压头对岩石试样进行水压力加载，虽然能够很好地研究冲击—静力—水力耦合作用下岩石劈裂拉伸破坏动态力学特性，对评价含水岩体在动静载荷下破坏机理具有指导意义。但是为了进行应力加载，已知的加载装置与岩样表面是相接触，加载装置有会与裂隙相接触，以致将部分裂隙堵塞，由此会影响水压力的加载，并最终会影响实验结果的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种用于三维裂隙岩样的水-力耦合加载装置及加载方法，能够实现对三维裂隙试样进行水-力耦合加载，同时在应力加载的过程中避免堵塞裂隙，提高试验结果的准确性，结构简单，加工方便，成本低廉。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种用于三维裂隙岩样的水-力耦合加载装置，包括左右对称设置的两块矩形的耦合加载板，两块耦合加载板通过刚性连接杆连接为一体，刚性连接杆中间设有长度调节旋钮，长度调节旋钮上设有应力传感器，耦合加载板的内部为中空结构，耦合加载板的内表面四周边缘设有防水边界，耦合加载板上有贯穿耦合加载板的多个均布的螺钉孔，每个螺钉孔内均设有从外向内安装的螺钉，螺钉的长度大于螺钉孔的深度，螺钉与螺钉孔周边设有密封结构，耦合加载板内表面上设有整齐排列的多个长条形开口，长条形开口分为水平和竖直两个方向且相互垂直，长条形开口和螺钉孔相间布置，耦合加载板下方侧边设有进水口。

一种使用用于三维裂隙岩样的水-力耦合加载装置的加载方法，步骤如下：

a.安装三维裂隙岩样：将用于三维裂隙岩样放置在两块矩形的耦合加载板之间，调节刚性连接杆上的长度调节旋钮，使两块耦合加载板靠近三维裂隙岩样直至矩形耦合加载板上凸起的防水边界与三维裂隙岩样表面接触，同时耦合加载板内表面与三维裂隙岩样之间存在间隙；

b.进行应力加载：将多个螺钉通过螺钉孔从外向内旋进使之与三维裂隙岩样表面相接触，通过螺钉对三维裂隙岩样之间的点接触进行应力加载；若螺钉旋进后与三维裂隙岩样表面的裂隙接触，则将螺钉旋出使之与裂隙相互脱离；

c.进行水压力加载：通过进水口向两块矩形耦合加载板中持续注入水，注入耦合加载板后的水通过内表面的长条形开口流出，并对三维裂隙岩样产生水压力，从而两块耦合加载板分别对三维裂隙岩样两个相对表面进行水压力加载；

d.获取压应力：利用应力传感器监测刚性连接杆中的拉应力，获得两块耦合加载板与三维裂隙岩样之间的压应力。

相比现有技术，本发明的一种用于三维裂隙岩样的水-力耦合加载装置及加载方法，通过将三维裂隙岩样放置在两块耦合加载板之间，进而通过安装在耦合加载板上的螺钉进行加载，调整部分螺钉，使螺钉与裂隙相互脱离，这样避免了应力加载过程中对裂隙产生堵塞从而对试验结果产生的影响，提高了试验结果的准确性；另外，通过进水口向两块矩形的耦合加载板中持续注入水，然后经内表面的长条形开口流出，从而对三维裂隙岩样产生水压力，这样应力的加载和水压力的加载相互独立，为岩石力学试验中水-力耦合加载提供了新的思路，并且其结构简单，加工方便，成本低廉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为图1中耦合加载板的内侧面局部示意图。

图3为图1中耦合加载板的外侧面局部示意图。

图4为图1中螺钉的结构示意图。

图中：1、耦合加载板，2、刚性连接杆，3、长度调节旋钮，4、防水边界，5、螺钉，6、长条形开口，7、进水口，8、应力传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。

图1示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种用于三维裂隙岩样的水力耦合加载装置，它包括左右对称设置的两块矩形的耦合加载板1，两块耦合加载板1之间设有刚性连接杆2将两者连接在一起，刚性连接杆2的中间设有长度调节旋钮3，可以调节刚性连接杆2的水平长度，所述长度调节旋钮3上设有应力传感器8。耦合加载板1内部为中空结构，如图2和图3所示，耦合加载板1的内表面四周边缘设有防水边界4，防水边界4上最好黏贴有高聚物改性沥青防水卷材，可以防止水从耦合加载板1的四周边界渗出，防水边界4上防水卷材厚度可以设为4mm，防水边界4整体比耦合加载板1的内表面凸出为宜，耦合加载板1上设有贯穿耦合加载板1的多个螺钉孔，所有螺钉孔在整个耦合加载板1上均匀分布，每个螺钉孔内均设有从外向内安装图4所示的螺钉5，并且，螺钉5的长度大于螺钉孔的深度，螺钉5可以穿过螺钉孔并任意地旋进和旋出，螺钉5与螺钉孔周边设有密封结构，密封良好；耦合加载板1内表面上设有整齐排列的多个长条形开口6，长条形开口6分为水平和竖直两个方向且相互垂直，所述长条形开口6和螺钉孔相间布置；耦合加载板1下方侧边设有进水口7，用于向耦合加载板1内部注水。

一种用于三维裂隙岩样的水力耦合加载装置的加载方法，其步骤如下：

a.将用于三维裂隙岩样放置在两块矩形的耦合加载板1之间，调节刚性连接杆2上的长度调节旋钮3，使两块矩形的耦合加载板1靠近三维裂隙岩样，直至耦合加载板1上凸起的防水边界4与三维裂隙岩样的表面接触，同时，耦合加载板1内表面与三维裂隙岩样之间存在间隙；

b.将多个螺钉5通过螺钉孔从外向内旋进使之与三维裂隙岩样表面相接触，通过螺钉5对三维裂隙岩样之间的点接触进行应力加载；若螺钉5旋进后与三维裂隙岩样表面的裂隙接触，则将螺钉5旋出使之与裂隙相互脱离，防止应力加载过程中将裂隙堵塞，从而避免了由于应力加载对裂隙造成影响；

c.通过进水口7向两块矩形的耦合加载板1中持续注入水，水的压力根据实际需要确定，注入耦合加载板1后的水通过内表面的长条形开口6流出，并对三维裂隙岩样进行水压力加载，从而实现两块耦合加载板1分别对三维裂隙岩样两个相对表面进行加载；

d.利用应力传感器8监测刚性连接杆2中的拉应力，从而获得两块耦合加载板1与三维裂隙岩样之间的压应力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。