深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机

技术领域

本发明属于模拟深地工程复杂赋存条件下圆柱岩心完整岩块或含结构面岩块的直接剪切试验及直接剪切流变试验领域，具体的是深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机。

背景技术

岩石的抗剪力学特性是岩体工程建设中必不可少的关键力学参数之一。对于深埋地下的深部工程岩体，其赋存环境通常是高应力与高渗压的共同作用，甚至还面临高温的耦合作用，在高应力与高渗压下，围岩的抗剪强度及变形特征对工程安全尤为重要，特别是对于具有显著流变特性的工程岩体，其在剪切荷载下的流变特性也是工程建设需首先掌握的。深地工程在前期勘查中，剪切试验所用岩心通常是在地质勘探过程中利用勘探钻孔钻取柱状岩心方式获得，岩心直径通常低于65mm，然后在室内利用切割机切割成试验所需尺寸。由于岩心尺寸小，很难保障切割成试验所需标准尺寸的试件，而且对于含有结构面的钻孔柱状岩心，沿垂直于岩心轴线方向切割后，结构面可能会贯穿岩石的圆柱面。为了解决加工标准试件困难及对结构面贯穿切割后柱状岩心圆周柱面或结构面与试件轴平面大角度相交超出45°等条件下的直接剪切试验所需试件尺寸不符合要求的难题，通常将切割后的试件拟定剪切面置于剪切模具中心，然后在试件周边浇筑混凝土使之符合剪切试验所需的尺寸要求，待混凝土固化强度达到要求后再把与混凝土浇筑成一体的试件安装到试验机上进行试验。但是，混凝土浇筑进行剪切试验面临诸多难题，比如，混凝土强度及变形特征与被测试岩石不协调、不同步，在施加法向荷载和剪切荷载的过程中混凝土会首先发生破坏，导致试验成功率低；混凝土变形量远高于岩石变形，特别是胶结界面处更易发生较大变形，导致试验测得的法向变形和切向变形不能有效反映实际；混凝土需要一定的养护龄期，通常是28天，严重影响试验效率，并且成本大大增加；浇筑混凝土后的试件总重量大大增加，搬运安装困难，需要多人协同工作，造成严重人力资源浪费；对于含结构面的试件，在浇筑和搬运过程中的扰动更容易造成结构面状态的改变或破坏，试验难以达到预期效果。此外，由于剪切过程中试件上下两部分必然发生相对移动，如何实现剪切过程中法向加载和试件上下两部分相对运动下的渗流密闭，保障深部复杂赋存下的高渗流压力环境，目前仍缺乏有效的实现技术。上述这些难题，严重制约深部复杂赋存环境下的圆柱岩心完整岩块及含结构岩块沿垂直于岩心轴面方向的剪切力学性能研究。

发明内容

本发明的目的是解决现有模拟深地复杂环境下圆柱状岩心沿垂直于岩心轴面方向的剪切力学性能有效测试难题，提供一种深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机，其操作简单易行。

本发明采用的技术方案是：深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机，包括剪切压头1，所述剪切压头1包括底座1A、试样卡座1B和角度调节螺杆1E；在底座1A的两侧均设置有耳板1C，由底座1A和两侧的耳板1C包围形成卡接区1D；所述耳板1C上沿竖向设置有延伸至底座1A的滑槽1C1；

所述试样卡座1B呈柱状，且其横截面呈三角形，围绕其轴向包括试样夹持面1B1、支撑面1B2和连接试样夹持面1B1与支撑面1B2的连接面1B3；所述试样夹持面1B1与支撑面1B2均为平面；

沿试样卡座1B轴向在试样卡座1B的前后两端均设置有滑块1B4，所述滑块1B4设置于试样卡座1B的驱动侧1B5，所述驱动侧1B5为试样夹持面1B1与支撑面1B2相交的一侧，与驱动侧1B5相对的另一侧为传力侧1B6；滑块1B4卡接于滑槽1C1内，并沿竖向与滑槽1C1滑动配合；所述试样卡座1B的支撑面1B2活动支撑于底座1A上；

所述角度调节螺杆1E沿竖向与底座1A螺纹配合连接，其工作端穿过底座1A与试样卡座1B的驱动侧1B5相配合，经角度调节螺杆1E驱动试样卡座1B的滑块1B4在滑槽1C1内移动。

进一步的，沿着试样卡座1B轴向，所述试样卡座1B的连接面1B3呈弧形。

进一步的，所述剪切压头1有两套，两套剪切压头1沿竖向分布并呈中心对称布置；由两套剪切压头1的试样卡座1B的试样夹持面1B1之间的间距形成放置岩样的试样夹持区。

进一步的，沿竖向，设置有驱动两套剪切压头1沿竖向运动的竖向驱动机构；

所述竖向驱动机构包括支撑平台2和竖向液压千斤顶3；所述下方剪切压头1支撑于支撑平台2上；沿竖向，所述竖向液压千斤顶3位于上方剪切压头1的上方，并经过传力垫板10与上方剪切压头1相连接，驱动上方剪切压头1上下运动。

进一步的，沿水平方向，设置有提供剪切力的水平驱动机构；

所述水平驱动机构包括固定横梁5和水平液压千斤顶4；所述固定横梁5设置于上方剪切压头1的传力侧1B6，并经传力结构与试样夹持区相对设置；所述水平液压千斤顶4设置于下方剪切压头1的传力侧，并经传力结构与试样夹持区相对设置。

进一步的，所述传力结构包括传力垫块6和侧向施力头7，所述侧向施力头7设置于传力垫块6相邻于试样夹持区的一端；

所述侧向施力剪切压头1包括安装座7A和压块7B，在安装座7A上设置有内凹的球面状凹槽7A1，所述压块7B的一端呈与凹槽7A1适配的球面状，插接于凹槽7A1内，与凹槽7A1活动连接；另一端与试样卡座1B的连接面1B3相适配；压块7B的外周设置有伸缩弹簧7C，压块7B经伸缩弹簧7C与安装座7A相连接。

进一步的，包括水箱9，所述水箱9呈长方体状，包括底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E，由底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E包围形成顶部的盛水腔体9G；

所述两套剪切压头1、传力结构和传力垫板10均位于盛水腔体9G内；

所述水平液压千斤顶4的活塞杆穿过右侧壁9C与下方的剪切压头1对应的施力结构相连接；

所述固定横梁5穿过左侧壁9B与上方的剪切压头1对应的施力结构相连接。

进一步的，所述水箱9还包括用于封闭盛水腔体9G顶部开口的顶盖9F；

所述竖向液压千斤顶3的活塞杆穿过顶盖9F与传力垫板10相连接；

在顶盖9F设置有贯通至盛水腔体9G的排气孔9H；在侧壁设置有为盛水腔体9G注入或放水的注水孔9K。

进一步的，还包括机架8，所述固定横梁5、水平液压千斤顶4、竖向液压千斤顶3和支撑平台2均安装于所述机架8；所述机架8呈正八边形环状结构，所述支撑平台2和水箱9均位于机架8的正八边形中空区域内。

本发明的有益效果是：

1实现了直接对圆柱状完整岩块及含结构面的圆柱状岩块进行剪切试验，解决了尺寸、性状等制约而不能有效进行剪切试验的难题,。

2解决了混凝土浇筑导致的变形不协调、变形测量结果失真、试验成功率低等难题，同时还克服了混凝土浇筑导致费时、费工问题，并且节省了浇筑成本和人员成本。

3克服了混凝土浇筑导致的结构面二次扰动和破坏难题，保障了测试结构面性状的原始状态，从而确保了测得力学参数的真实性。

4实现了剪切过程中法向荷载和试件上下两部分相对运动中的高渗压密闭，保障了实现深部高渗压下的直接剪切测试。

附图说明

图1为剪切压头主视图；

图2为剪切压头左视图；

图3为剪切压头俯视图；

图4为滑块处于下限位时，剪切压头的A-A剖视图；

图5为滑块处于上限位时，剪切压头的A-A剖视图；

图6为滑块处于下限位时，剪切压头的B-B剖视图；

图7为侧向施力压头的主视图；

图8为侧向施力压头的俯视图；

图9为侧向施力压头的左视图；

图10为深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机的整体装配主视图；

图11为深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机工作状态示意图；

图12为水箱主视图；

图13为水箱俯视图；

图14为水箱左视图。

图中，剪切压头1、底座1A、试样卡座1B、试样夹持面1B1、支撑面1B2、连接面1B3、滑块1B4、驱动侧1B5、传力侧1B6、耳板1C、滑槽1C1、卡接区1D、角度调节螺杆1E、支撑平台2、竖向液压千斤顶3、水平液压千斤顶4、固定横梁5、传力垫块6、侧向施力头7、安装座7A、凹槽7A1、压块7B、伸缩弹簧7C、机架8、水箱9、底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D、后侧壁9E、顶盖9F、盛水腔体9G、排气孔9H、注水孔9K、传力垫板10、岩样11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：

本说明书中所表示方位的“上”和“下”均以附图1所示为准。

深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机，如图1、图2和图3所示，包括剪切压头1，所述剪切压头1包括底座1A、试样卡座1B和角度调节螺杆1E；在底座1A的两侧均设置有耳板1C，由底座1A和两侧的耳板1C包围形成卡接区1D；所述耳板1C上沿竖向设置有延伸至底座1A的滑槽1C1；

所述试样卡座1B呈柱状，且其横截面呈三角形，围绕其轴向包括试样夹持面1B1、支撑面1B2和连接试样夹持面1B1与支撑面1B2的连接面1B3；所述试样夹持面1B1与支撑面1B2均为平面；

沿试样卡座1B轴向在试样卡座1B的前后两端均设置有滑块1B4，所述滑块1B4设置于试样卡座1B的驱动侧1B5，所述驱动侧1B5为试样夹持面1B1与支撑面1B2相交的一侧，与驱动侧1B5相对的另一侧为传力侧1B6；滑块1B4卡接于滑槽1C1内，并沿竖向与滑槽1C1滑动配合；所述试样卡座1B的支撑面1B2活动支撑于底座1A上；

所述角度调节螺杆1E沿竖向与底座1A螺纹配合连接，其工作端穿过底座1A与试样卡座1B的驱动侧1B5相配合，经角度调节螺杆1E驱动试样卡座1B的滑块1B4在滑槽1C1内移动。

该剪切压头1，试样卡座1B用于放置岩样11，岩样11直接接触试样夹持面1B1。当滑块处于下限位时，如图4和图6所示，试样卡座1B的支撑面1B2完全贴合底座1A，随着角度调节螺杆1E的旋进将试样卡座1B的驱动侧1B5抬离底座1A，在驱动侧1B5抬离底座1A的过程中，传力侧1B6底端始终支撑在底座1A上并跟随滑动，从而达到调节岩样11剪切角度的目的，即针对的岩石中有特定的待剪切面，所述待剪切面与岩心轴面有一定夹角的，需要通过调节把所述待剪切面调整为水平。

优选的，沿着试样卡座1B轴向，所述试样卡座1B的连接面1B3呈弧形。所述连接面1B3为弧面可以更好贴合岩石柱面。通常地下取样的岩心钻头的直径基本都是恒定的，为通用的标准直径尺寸，把这个弧面加工成与钻头直径相同的弧面，将岩石放在试样夹持面1B1后，岩石的柱面与试样卡座1B弧面相匹配。如图10所示，压块7B施加力的时候，压块7B的弧面一部分与试样卡座1B弧面接触，压块7B的弧面一部分与岩石柱面接触，压块7B的高度方向的平面正好通过岩石需要剪切的水平面。即，在剪切的时候，剪切压头1和岩心可以当成一个整体，侧向施力头7施加剪切力的时候，剪切压头1和岩心同步运动。

要注意，这几份专利中，无论什么样的剪切，竖向荷载都是通过待剪切面中心的，剪切力都是水平的，所以剪切破坏面最后都是水平面。

为了完成对岩样11的装卡与剪切试验，如图10或图11所示，所述剪切压头1有两套，两套剪切压头1沿竖向分布并呈中心对称布置；由两套剪切压头1的试样卡座1B的试样夹持面1B1之间的间距形成放置岩样的试样夹持区。岩样11放置于试样夹持区，通过两套剪切压头1从上下两个方向将其夹紧。

为了利于岩样11的装卡与拆卸，沿竖向，设置有驱动两套剪切压头1沿竖向运动的竖向驱动机构；所述竖向驱动机构包括支撑平台2和竖向液压千斤顶3；所述下方剪切压头1支撑于支撑平台2上；沿竖向，所述竖向液压千斤顶3位于上方剪切压头1的上方，并经过传力垫板10与上方剪切压头1相连接，驱动上方剪切压头1上下运动。通过竖向液压千斤顶3的活塞杆伸出，向下推动位于上方的剪切压头1，从而使得两套剪切压头1相对抱紧岩样11。待需要拆卸岩样11时，竖向液压千斤顶3的活塞杆回缩，取下位于上方的剪切压头1即可取出岩样11。

沿水平方向，设置有提供剪切力的水平驱动机构；所述水平驱动机构包括固定横梁5和水平液压千斤顶4；所述固定横梁5设置于上方剪切压头1的传力侧1B6，并经传力结构与试样夹持区相对设置，固定横梁5为提供剪切反力的构件，主要起到承受水平方向剪切力的作用，还用于固定传力结构中的传力垫块6。所述水平液压千斤顶4设置于下方剪切压头1的传力侧，并经传力结构与试样夹持区相对设置，水平液压千斤顶4提供水平剪切力的作用，将水平剪切力施加于对应的传力结构上，通过传力结构传递给岩样11，完成岩样11剪切。

其中，所述传力结构包括传力垫块6和侧向施力头7。传力垫块6为L形。

所述侧向施力头7设置于传力垫块6相邻于试样夹持区的一端；如图7、图8和图9所示，所述侧向施力剪切压头1包括安装座7A和压块7B，在安装座7A上设置有内凹的球面状凹槽7A1，所述压块7B呈类圆柱形，其一端呈与凹槽7A1适配的球面状，插接于凹槽7A1内，与凹槽7A1活动连接；另一端与试样卡座1B的连接面1B3相适配；压块7B的外周设置有伸缩弹簧7C，压块7B经伸缩弹簧7C与安装座7A相连接。当待剪切岩样11不规则时，该安装座7A和压块7B之间可以自动调节角度，使压块7B与岩样11始终保持面接触。

为了实现加水渗透剪切，如图12、图13和图14所示，需要加装水箱9，所述水箱9呈长方体状，包括底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E，由底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E包围形成顶部的盛水腔体9G；所述两套剪切压头1、传力结构和传力垫板10均位于盛水腔体9G内；在右侧壁9C中部开设有圆孔，圆孔大小与水平液压千斤顶4的活塞杆直径相匹配，水平液压千斤顶4的活塞杆穿过右侧壁9C与下方的剪切压头1对应的施力结构相连接，水平液压千斤顶4的活塞杆可沿圆孔轴向相对右侧壁9C滑动，并在水平液压千斤顶4的活塞杆上套装密封圈，以保证水平液压千斤顶4的活塞杆与右侧壁9C上的圆孔之间的密封性。同理，在左侧壁9B的中部开设有圆孔，圆孔大小与固定横梁5的外径相匹配，固定横梁5穿过左侧壁9B上的圆孔与上方的剪切压头1对应的施力结构相连接，固定横梁5可沿圆孔轴向相对左侧壁9B滑动，并在固定横梁5外周套装密封圈，以保证固定横梁5与左侧壁9B上的圆孔之间的密封性。

若不设置顶盖，只能进行常压渗透剪切，若要实现高压渗透剪切，需要在水箱9顶部加装用于封闭盛水腔体9G顶部开口的顶盖9F，在顶盖9F的中部开设有圆孔，圆孔大小与竖向液压千斤顶3活塞杆的直径相匹配，竖向液压千斤顶3的活塞杆穿过顶盖9F上的圆孔与上方的剪切压头1对应的施力结构相连接，竖向液压千斤顶3的活塞杆可沿圆孔轴向相对顶盖9F滑动，并在竖向液压千斤顶3的活塞杆上套装密封圈，以保证竖向液压千斤顶3的活塞杆与顶盖9F上的圆孔之间的密封性。安装完成后，可以通过在侧壁设置的注水孔9K向盛水腔体9G注水。在顶盖9F设置有贯通至盛水腔体9G的排气孔9H。

为了使该深地环境下圆柱岩心柱面直剪流变试验机形成一个整体，方便使用，还包括机架8，所述固定横梁5、水平液压千斤顶4、竖向液压千斤顶3和支撑平台2均安装于所述机架8；所述机架8呈正八边形环状结构，所述支撑平台2和水箱9均位于机架8的正八边形中空区域内。