本發(fā)明涉及土木工程，尤其是涉及一種軟弱巖體密封裝置及試樣制備、剪切滲流耦合試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、大型水電工程或地下工程建設(shè)中往往會(huì)遇到存在軟弱巖體夾層的地質(zhì)條件，如局部軟化或泥化的角礫巖、碎裂巖、糜棱巖等。此外，許多重大滑坡災(zāi)害也與軟弱巖體及軟弱巖體結(jié)構(gòu)面密切相關(guān)，如軟硬互層滑坡、軟弱夾層滑坡等。軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面與地下水的相互作用下，其抗剪強(qiáng)度顯著降低，進(jìn)而可能給工程帶來(lái)不利影響或?qū)е碌刭|(zhì)災(zāi)害。因此，研究軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面的剪切-滲流特性，具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

2、目前在軟弱巖體水巖劣化的試驗(yàn)研究中，大多針對(duì)飽水軟化、干濕循環(huán)等進(jìn)行研究，通常是測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度等非耦合工況的強(qiáng)度指標(biāo)得出規(guī)律，或者為水巖耦合三軸試驗(yàn)。同時(shí)，目前巖石結(jié)構(gòu)剪切滲流耦合的試驗(yàn)裝置和方法均為針對(duì)硬巖開(kāi)展。目前缺乏軟弱巖體及軟弱巖體結(jié)構(gòu)面直接開(kāi)展剪切-滲流耦合試驗(yàn)的研究報(bào)道?，F(xiàn)有技術(shù)針對(duì)剪切滲流試驗(yàn)的密封，均是在試樣剪切縫處壓一條硅膠止水帶、橡膠條或其他止水材料，且壓止水材料的壓力需要超過(guò)密封水壓才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定密封，在水壓較高時(shí)該壓力會(huì)高達(dá)數(shù)兆帕。然而，軟弱巖體由于強(qiáng)度低往往無(wú)法承受該壓力，尤其是試驗(yàn)中其強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步劣化。另一方面，該壓力對(duì)硬巖的影響可以忽略不計(jì)，而對(duì)軟弱巖體則會(huì)導(dǎo)致較大變形，會(huì)對(duì)結(jié)果造成不可忽略的影響。因此，現(xiàn)有技術(shù)中，無(wú)法在剪切滲流耦合試驗(yàn)中對(duì)軟弱巖體或軟弱巖體結(jié)構(gòu)面試樣穩(wěn)定密封，進(jìn)而無(wú)法開(kāi)展試驗(yàn)。此外，傳統(tǒng)針對(duì)硬巖的剪切滲流試驗(yàn)大多通過(guò)把試樣直接裝入剪切盒進(jìn)行加載，然而軟弱巖體自身結(jié)構(gòu)松散強(qiáng)度低，遇水之后其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化甚至裂解。因此，現(xiàn)有技術(shù)中，直接將軟弱巖體或軟弱巖體結(jié)構(gòu)面試樣裝入剪切盒可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中軟弱巖體出現(xiàn)裂解，進(jìn)而無(wú)法開(kāi)展試驗(yàn)。且，自然界中軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面的剪切滲流耦合過(guò)程，伴隨著可溶性礦物溶解、細(xì)小固體顆粒流失等物質(zhì)遷移。然而，尚無(wú)針對(duì)軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面的剪切滲流耦合過(guò)程物質(zhì)遷移量的量化測(cè)定的方法。

3、綜上，目前關(guān)于軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面剪切-滲流耦合試驗(yàn)研究存在以下問(wèn)題：

4、一、無(wú)特定用于軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面剪切-滲流耦合試驗(yàn)研究的試驗(yàn)裝置，常使用適用于硬巖的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，但硬巖試驗(yàn)裝置會(huì)致使軟弱巖體產(chǎn)生變形；

5、二、若將軟弱巖體直接放置在試驗(yàn)裝置中會(huì)出現(xiàn)試樣裂解無(wú)法開(kāi)展試驗(yàn)；

6、三、在實(shí)際生活中，軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面剪切滲流耦合過(guò)程中伴隨著可溶性礦物溶解、細(xì)小固體顆粒流失等物質(zhì)遷移，而現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行量化測(cè)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種軟弱巖體試樣制備方法及裝置、剪切滲流耦合試驗(yàn)方法。

2、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確可靠地開(kāi)展軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面剪切滲流耦合試驗(yàn)研究的問(wèn)題，旨在提供一種能夠克服軟弱巖體強(qiáng)度低、易裂解等難題，實(shí)現(xiàn)軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面在剪切滲流耦合作用下力學(xué)特性及物質(zhì)遷移量化測(cè)定的方法。

3、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

4、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種軟弱巖體試樣制備方法，該制備方法包括以下步驟：

5、將單面試樣放置于試樣制備裝置，所述的試樣制備裝置包括硅膠模具以及設(shè)置于硅膠模具內(nèi)的試樣護(hù)套和楔形墊塊；

6、調(diào)整楔形墊塊位置使單面試樣的結(jié)構(gòu)面與試樣護(hù)套遠(yuǎn)離楔形墊塊的一側(cè)齊平；

7、配置高強(qiáng)低滲的澆筑材料，將澆筑材料灌注入試樣與試樣制備裝置的空隙處，直至全部填充，并養(yǎng)護(hù)至澆筑材料強(qiáng)度穩(wěn)定；

8、取下硅膠模具與楔形墊塊，并填充楔形墊塊形成的空隙；

9、檢查制備完成后的試樣平整度，結(jié)束制備。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在完成澆筑材料的灌注填充后通過(guò)真空法將氣泡排出。

11、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種軟弱巖體試樣制備裝置，該裝置用于實(shí)現(xiàn)上述的試樣制備方法，包括：起保護(hù)和支撐作用的硅膠模具、用于調(diào)整試樣位置的楔形墊塊和用于固定和保護(hù)試樣的試樣護(hù)套；所述的試樣護(hù)套包括鋼龍骨，所述的鋼龍骨上設(shè)有加強(qiáng)肋和加強(qiáng)圍擋；所述的楔形墊塊設(shè)置于試樣護(hù)套內(nèi)靠近硅膠模具的一側(cè)。

12、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的加強(qiáng)肋包括位于靠近楔形墊塊的第一加強(qiáng)肋和另一側(cè)的第二加強(qiáng)肋，所述的加強(qiáng)圍擋位于試樣護(hù)套的遠(yuǎn)離楔形墊塊一側(cè)的鋼龍骨上。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的加強(qiáng)圍擋包括第一加強(qiáng)圍擋和第二加強(qiáng)圍擋，所述的第二加強(qiáng)圍擋端部設(shè)有便于灌注澆筑材料的小孔。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的第一加強(qiáng)肋包括用于試樣定位的十字交叉加強(qiáng)肋和第一寬度加強(qiáng)肋。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，該裝置還包括用于流體進(jìn)出的預(yù)留縫；所述的預(yù)留縫位于試樣護(hù)套靠近加強(qiáng)圍擋側(cè)。

16、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種軟弱巖體剪切滲流耦合試驗(yàn)方法，所述的軟弱巖體剪切滲流耦合試驗(yàn)方法用于對(duì)利用上述試樣制備方法制備后的軟弱巖體進(jìn)行剪切滲流耦合試驗(yàn)，并測(cè)量進(jìn)水口和出水口的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算出水口處流體密度從而得到軟弱巖體剪切過(guò)程中的質(zhì)量損失；所述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括進(jìn)水口和出水口前后兩時(shí)刻的質(zhì)量數(shù)據(jù)、進(jìn)水口和出水口前后兩時(shí)刻的密度數(shù)據(jù)、進(jìn)水口流體體積以及出水口流體體積。

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，該試驗(yàn)方法的詳細(xì)步驟包括：

18、將兩塊制備完成的單面試樣以結(jié)構(gòu)面相對(duì)分別放入上剪切盒和下剪切盒中得到試驗(yàn)試樣；所述的上剪切盒與下剪切盒拼合處設(shè)有第一密封縫和第二密封縫；所述的第一密封縫指靠近試驗(yàn)機(jī)的切向端頭側(cè)的密封縫，所述的第二密封縫指遠(yuǎn)離試驗(yàn)機(jī)的切向端頭側(cè)的密封縫；

19、將密封材料嵌入第二密封縫，使用密封夾具將密封片緊固于第一密封縫中；所述的密封夾具包括密封反力架，覆蓋于第二密封縫上并通過(guò)密封反力架擠壓密封片；

20、逐步調(diào)整密封夾具使得密封反力架對(duì)試驗(yàn)試樣產(chǎn)生的正應(yīng)力超過(guò)最大水壓的規(guī)定倍數(shù)，完成安裝；

21、對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)加載，排空試驗(yàn)機(jī)中所有氣泡后進(jìn)行軟弱巖體剪切滲流耦合試驗(yàn)，測(cè)量進(jìn)水口和出水口的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

22、結(jié)束試驗(yàn)，取出試驗(yàn)試樣對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析。

23、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的軟弱巖體剪切過(guò)程中的質(zhì)量損失的分析過(guò)程包括以下步驟：

24、獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將進(jìn)水口的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與出水口的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)；

25、計(jì)算出水口處的流體實(shí)時(shí)流體密度，表達(dá)式為：

26、

27、其中，ρout表示出水口處流體密度；m1out表示前一時(shí)刻出水口的質(zhì)量數(shù)據(jù)；m2out表示后一時(shí)刻出水口的質(zhì)量數(shù)據(jù)；qout表示出水口流體體積；

28、使用實(shí)時(shí)流體密度差△ρ＝ρout-ρin表示實(shí)時(shí)質(zhì)量損失，繪制流體密度差曲線以及累計(jì)質(zhì)量損失曲線；其中ρin表示進(jìn)水口流體密度。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

30、1)、本發(fā)明提供了一種能夠保護(hù)軟弱巖體試樣完整性的試樣制備方法以及用于試樣制備的裝置；用裝置中的試樣護(hù)套龍骨承受止水材料的正應(yīng)力，有效密封止水同時(shí)，徹底避免了該壓力導(dǎo)致的軟弱巖體或軟弱巖體結(jié)構(gòu)面試樣被破壞或者對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；用試樣護(hù)套加強(qiáng)肋作為擋片延長(zhǎng)滲流路徑；通過(guò)高強(qiáng)、低滲材料半包裹加固軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面試樣，避免了試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)崩解，能夠獲得全過(guò)程剪切曲線；使得經(jīng)過(guò)該制備方法制備后的試樣能夠適用于針對(duì)硬巖及硬巖結(jié)構(gòu)面的試驗(yàn)設(shè)備，避免傳統(tǒng)高壓密封造成軟弱巖體大變形甚至巖體破壞的影響，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；

31、2)、本發(fā)明建立一套能夠定量測(cè)定軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面在剪切滲流耦合作用下物質(zhì)遷移量的方法，針對(duì)軟弱巖體在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)兩個(gè)電子秤和兩個(gè)密度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)定物質(zhì)遷移，為涉及軟弱巖體的工程和地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)；

32、3)、本發(fā)明提出一種適用于軟弱巖體的密封方法，通過(guò)在在第一密封縫處使用密封片和密封夾具替代傳統(tǒng)高壓密封裝置，避免傳統(tǒng)高壓密封造成軟弱巖體大變形甚至巖體破壞的影響，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；

33、4)、本發(fā)明適用范圍廣，使用半包裹加固的制樣方法制作試驗(yàn)試樣，該方法適用于所有類型的軟弱巖體，包括初始結(jié)構(gòu)相對(duì)完整的軟弱巖體、初始狀態(tài)松散碎裂狀態(tài)的軟弱巖體以及軟硬互層的巖石試樣；

34、5)、本發(fā)明能夠真實(shí)還原軟弱巖體剪切滲流過(guò)程的真實(shí)狀態(tài)，通過(guò)高強(qiáng)、低滲材料半包裹加固軟弱巖體及其結(jié)構(gòu)面試樣，使試樣受到了來(lái)自側(cè)向的約束，剪切大變形集中在剪切帶，使試驗(yàn)更接近于自然狀態(tài)下的剪切滲流狀態(tài)。