CN102253183A - 一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验*** - Google Patents

Abstract

一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验***，包括剪切渗流耦合试验盒、轴向加载机构、切向加载机构、围压加载机构、水压加载机构、伺服控制机构、可视化***。

Description

一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验***

技术领域

本发明涉及一种复杂应力条件下的试验***，尤其涉及一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验***。

背景技术

在石油矿山开采、水利水电、煤矿生产、交通边坡等工程中，地下水对岩体工程的稳定性有着重要影响。一方面地下水可改变岩体的应力和变形，另一方面岩体结构面的几何特征及其物理力学性质对地下水渗流起决定性作用。岩体中节理裂隙的渗透和变形模量都远大于岩石基层，因此，岩体中各类结构面与地下水的相互作用往往直接决定着工程结构的稳定和安全。

因此，本领域非常需要对节理的剪切-渗流耦合特性进行研究，而进行岩石节理的室内剪切-渗流耦合试验，是一种有效的研究手段。岩石节理剪切渗流耦合试验中的关键技术是试验边界条件的实现，即位移、荷载边界条件和渗流边界条件。在岩石节理的剪切过程中，当上、下节理面在剪切力作用下产生相对位移时，通过在剪切盒进水口和出水口之间设定一定的水压差，即渗透水压力，来实现岩石节理内的水沿指定路径流动，同时要保证剪切盒在垂直水流方向边界上不发生水流渗漏，因此必须对剪切盒做良好的密封。

由于试验条件的限制，特别是渗透密封手段，国内关于岩石节理剪切-渗流耦合试验的试验设备还比较缺乏。

在现有技术中，“新型数控岩石节理剪切渗流试验台的设计与应用”公开了一种岩石剪切渗流试验台，使用轴向和切向加载机构对岩石试样施力进行试验，但其没有围压加载机构，无法模拟围压作用下的岩石裂隙剪切渗流状况，且其密封套结构简单，密封性较差，试验结果精度不高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出的一种新的岩石裂隙剪切渗流耦合试验***，可以实现在复杂应力状态下进行岩石裂隙渗透性试验和分析。在节理试件法向方向上，试验台有三类可控边界条件：恒定法向应力、恒定法向位移、恒定法向刚度；平行节理剪切方向，可施加剪切力或位移，渗透压力。在三种边界和荷载组合条件下可进行一系列耦合试验：复杂应力条件下裂隙剪切试验，复杂应力条件下裂隙（可视化）渗透试验，复杂应力条件下裂隙（可视化）闭合应力-渗透耦合试验，复杂应力条件下裂隙（可视化）剪切-渗透耦合试验，复杂应力条件下裂隙（可视化）的剪切渗流流变试验。

本发明所述的岩石裂隙剪切渗流耦合试验***的具体技术方案为：

一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验***，包括剪切渗流耦合试验盒、轴向加载机构、切向加载机构、围压加载机构、水压加载机构、伺服控制机构、可视化***；

所述剪切渗流耦合试验盒用于放置试样，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒包括上密封套，下剪切盒包括下密封套；上、下密封套分别具有中空腔，由聚氨脂制材料浇注模压成型，当上、下剪切盒产生相对移动时，上密封圈和下密封圈的接触面在滑动状态下可以保持压缩密封，上密封盒上设置有进水孔和排气孔；下密封盒上设置有出水孔；

所述轴向加载机构用于给试样加载轴向力，包括轴向加载框架、轴向加载油缸和伺服油源，轴向加载框架包括上横梁、下横梁和立柱，轴向加载油缸固定在下横梁上，轴向加载油缸中的活塞通过伺服油源可对剪切渗流耦合试验盒中的试样施加轴向力；

所述切向加载机构用于给试样加载剪切力，包括切向加载框架、切向加载油缸、力传感器、位移传感器，切向加载框架用于承载切向加载油缸，切向加载油缸中的活塞可对剪切渗流耦合试验盒中的试样施加剪切力；

所述围压加载机构用于给试样加载围压以模拟地层的围压作用，包括交流伺服电机及交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠、加压水缸，伺服电机通过减速机、滚珠丝杠连接加压水缸的活塞，加压水缸的活塞腔连接上、下密封圈的中空腔，通过控制伺服电机的转动控制上、下密封圈的中空腔的压力，以此得到所需要的试样围压；

所述水压加载机构用于给试样注水，包括交流伺服电机及交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠、加压水缸，伺服电机通过减速机、滚珠丝杠连接加压水缸的活塞，加压水缸的活塞腔连接所述剪切渗流耦合试验盒，通过控制伺服电机的转动控制所述剪切渗流耦合试验盒的水压，产生试样试验所需的水压和所需的流量；

所述伺服控制机构包括轴向控制***、切向控制***、围压控制***、水压控制***和操作***；轴向控制***和切向压力控制***是由各自的EDC全数字伺服控制器及传感器构成， EDC控制器把各传感器的信号进行放大处理后进行显示和控制，并与设定的参数进行比较，然后调整伺服阀的开口大小，以达到设定的目标值；并同时把这些数据送到计算机内，由计算机进行显示和数据处理，画出试验曲线，打印试验报告；水压控制***和围压控制***分别包括EDC控制器各自直接控制一个交流伺服电机控制器，控制器各自控制一个交流伺服电机，使各自加压水缸的活塞移动；水压、围压和活塞的位移转换为电信号送到EDC控制器里，经放大处理后进行显示和控制，同时将这些参数送到计算机内进行数据存储、显示、画曲线和打印试验报告；

所述可视化***包括数码摄像机和与之相连的计算机，所述剪切渗流耦合试验盒上设置有方形观测孔，所述数码摄像机设置在观测孔的上方。

附图说明

附图1为岩石裂隙剪切渗流耦合试验***的主视图；

附图2为岩石裂隙剪切渗流耦合试验***的侧视图；

附图3为岩石裂隙剪切渗流耦合试验***中剪切渗流耦合试验盒的主视图；

附图4为岩石裂隙剪切渗流耦合试验***中上密封套的正视图；

附图5为岩石裂隙剪切渗流耦合试验***中上密封套的A－A向剖视图；

附图6为岩石裂隙剪切渗流耦合试验***中可视化***的工作简图。

附图标记如下：

1－剪切渗流耦合试验盒；2－轴向加载机构；3－切向加载机构；4－围压加载机构；5－水压加载机构；6－可视化***；7－上剪切盒；8－下剪切盒；9－上密封套；10－下密封套；11－试样；12－中空腔。

具体实施方式

下面参照附图对本发明所述的岩石裂隙剪切渗流耦合试验***做进一步详细的说明。参见附图1－2，一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验***，包括剪切渗流耦合试验盒、轴向加载机构、切向加载机构、围压加载机构、水压加载机构、伺服控制机构（未示出）、可视化***。

参见附图3，剪切渗流耦合试验盒内部尺寸为200mm（水渗透方向）×100mm（渗透宽度）×100mm（高度）。渗流剪切盒由上下剪切盒组成，上剪切盒包括上密封套（参见附图4－5），下剪切盒包括下密封套，上密封套和下密封套形状结构对称；上、下密封套分别具有中空腔。密封套由弹性及硬度适中的聚氨脂制成液体橡胶，浇注模压成型。聚氨脂橡胶具有既软又硬，摩擦小等特点。在工作时，试样放置在密封套中间，当试样装好之后，中空腔内将注入一定压力的液体，上密封套在压力下紧紧贴到试样上半部的四周，而下密封套在压力下紧紧贴到试样下半部的四周，从而实现了有效的密封。同时上密封套和下密封套的接触面也受到了压力紧密接触，实现了密封。当上下剪切盒产生相对移动时，上密封套和下密封套的接触面在滑动状态下仍然保持压缩密封，直到密封圈脱离接触。上剪切盒有一个进水孔用以向岩样剪切面渗水，另有一孔作为排气孔；下剪切盒有一个出水孔，用以排出渗入岩样剪切面中的水。

轴向加载机构包括轴向加载框架、伺服油源等。轴向加载框架是由上下横梁、四立柱镶楔组合构成，加载油缸固定在下横梁上，活塞向上对试样施加试验力；这种结构形式最大限度的提高了试验机的刚度，减小了试验机的间隙，设在剪切盒的上部观察孔可实现裂隙试件剪切过程的可视化，而且也使得试验机的外型美观。伺服油源提供动力油给电液伺服阀，通过伺服阀的控制进行轴向加载。

切向加载机构包括加载油缸、剪切加载框架、力传感器、位移传感器等。剪切加载框架采用四框组合式，油缸座和承压梁及两面的侧板均采用高标号球墨铸铁，使其框架刚度大（5000kN/mm），工作平稳可靠。

围压加载机构可采用螺旋加载的方式，并由伺服电机和控制器及测控器来控制，可现实多级可控的恒定渗透围压控制。围压***是由上下胶套组合，交流伺服电机及交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠、传动***、加压油水缸等；伺服电机按设置的控制参数进行转动，通过减速机、滚珠丝杠、传动***移动水缸的活塞，使油水产生所需的油压。参考橡胶套和剪切盒强度，最高油压可达25MPa以上。

水压加载机构可采用螺旋加载的方式，并由伺服电机和控制器及测控器来控制，可现实多级可控的恒渗透压力和渗透量控制。水压***包括：交流伺服电机及交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠、传动***、加压水缸等；伺服电机按设置的控制参数进行转动，通过减速机、滚珠丝杠、传动***移动水缸的活塞，使水产生所需的水压和所需的流量。水压最大可达5MPa。

伺服控制机构是指试验机的控制中心，它包括轴向控制***、切向控制***、围压控制***、水压控制***和操作***。

轴向控制***和切向压力控制***是由各自的EDC全数字伺服控制器及传感器构成，在本***中包括试验力传感器、位移传感器、伺服阀等，EDC控制器把各传感器的信号进行放大处理后进行显示和控制（与设定的参数进行比较），然后调整伺服阀的开口大小，以达到设定的目标值；并同时把这些数据送到计算机内，由计算机进行显示和数据处理，画出试验曲线，打印试验报告。

水压***和围压控制***分布有各自的EDC控制器直接控制一个交流伺服电机控制器，该控制器控制交流伺服电机，电机通过减速机、齿型同步带带动滚珠丝杠，使水压缸的活塞移动，产生水压；水压传感器和编码器把压力及活塞的位移（可换算成水流量）的电信号送到EDC控制器里，经放大处理后进行显示和控制，同时将这些参数送到计算机内进行数据存储、显示、画曲线和打印试验报告。

参见附图6，其显示了本发明中可视化***的工作简图。在剪切盒上部留有试验观测孔，试验中选用适当的透明类材料预制具有自然断裂节理表面特征的裂隙试件的上半部分，用着色水代替普通水以实现裂隙水流动路径和流动状态的可视化。借助材料的透明性，水在裂隙内的流动影像可通过上部试件的剪切盒观察孔观测到，并可用CCD摄像机来记录其流动过程。

如剪切渗流耦合试验盒结构图中所示上压头中心留有方形观测孔，在剪切渗流耦合试验中可以用透明类岩石材料裂隙试件代替裂隙试件的上半部分，通过在剪切盒的顶部安装数码摄像设备并联接计算机，可实现水在裂隙试件内流动过程的可视化，为试验研究提供详实可贵的数据。

本发明所述的岩石裂隙剪切渗流耦合试验***还可以包括计算机控制***。计算机***是试验机的控制核心，它控制四个EDC控制器，使EDC按设置的程序参数进行工作，并要实时存储、处理EDC各通道的测量数据，实时画出多种试验曲线；计算机***还要实时处理温度、等测量参数。计算机***的操作软件是在WINDOWS环境下运行的，具有良好的人机界面和操作简便的特点。计算机控制***包括前面板和流程图。前面板是控制和显示对象的集合，包含旋钮、按钮、图形和其它的控制与显示对象等；通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮；同时，可在计算机屏幕上同步监测试验结果数据。流程图窗口用以编辑虚拟仪器的图形化源代码，通过连线将输出、接收数据的对象连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制和执行相应的流程

基于控制器和传感器的测控数据，采用LabVIEW图形化编程语言构建一个测控直接剪切试验的虚拟仪器，对垂直荷载和剪切荷载的闭合电液伺服回路***进行统一监控，同时进行多路数据采集、存贮、数据处理和曲线显示。LabVIEW采用强大的图形化语言编程，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。数控***使用了参数自调节的PID控制技术实现了非线性的前馈预测。***采用位移型PID控制，以剪切速度恒定控制为基础。垂直荷载的高精度液压同步控制采用位移型PID控制实现；渗透压力差值的高精度控制同样采用位移型PID控制实现。剪切试验装置通过接受反馈信号值使负载侧的动作能跟进指令值，从而实现高速实时数据采集与复杂控制。与弹簧式垂直刚度一定（CNS）直接剪切试验相比较，新型数控直接剪切试验机有如下特点：提高了试验结果的精度；垂直刚度值的设定和变更可简易便利地通过微机输入；可随时中断进行中的试验，然后继续执行。更可在执行途中变更控制条件，例如CNL、CNS、CNV控制之间的任意切换，亦可实现多阶段垂直刚度非线性CNS控制。

以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验***，其特征在于包括：剪切渗流耦合试验盒、轴向加载机构、切向加载机构、围压加载机构、水压加载机构、伺服控制机构、可视化***；

所述剪切渗流耦合试验盒用于放置试样，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒包括上密封套，下剪切盒包括下密封套；上、下密封套分别具有中空腔，由聚氨脂制材料浇注模压成型，当上、下剪切盒相对移动时，上密封圈和下密封圈的接触面在滑动状态下保持压缩密封，上密封盒上设置有进水孔和排气孔；下密封盒上设置有出水孔；

所述轴向加载机构用于给试样加载轴向力，包括轴向加载框架、轴向加载油缸和伺服油源，轴向加载框架包括上横梁、下横梁和立柱，轴向加载油缸固定在下横梁上，轴向加载油缸中的活塞通过伺服油源可对剪切渗流耦合试验盒中的试样施加轴向力；

所述切向加载机构用于给试样加载剪切力，包括切向加载框架、切向加载油缸、力传感器、位移传感器，切向加载框架用于承载切向加载油缸，切向加载油缸中的活塞可对剪切渗流耦合试验盒中的试样施加剪切力；

所述围压加载机构用于给试样加载围压以模拟地层的围压作用，包括交流伺服电机及交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠、加压水缸，伺服电机通过减速机、滚珠丝杠连接加压水缸的活塞，加压水缸的活塞腔连接上、下密封圈的中空腔，通过控制伺服电机的转动控制上、下密封圈的中空腔中的压力，以此得到所需要的试样围压；

所述水压加载机构用于给试样注水，包括交流伺服电机及交流伺服电机控制器、减速机、滚珠丝杠、加压水缸，伺服电机通过减速机、滚珠丝杠连接加压水缸的活塞，加压水缸的活塞腔连接所述剪切渗流耦合试验盒，通过控制伺服电机的转动控制所述剪切渗流耦合试验盒的水压，产生试样试验所需的水压和所需的流量；

所述伺服控制机构包括轴向控制***、切向控制***、围压控制***、水压控制***和操作***；轴向控制***和切向压力控制***是由各自的EDC全数字伺服控制器及传感器构成， EDC控制器把各传感器的信号进行放大处理后进行显示和控制，并与设定的参数进行比较，然后调整伺服阀的开口大小，以达到设定的目标值；并同时把这些数据送到计算机内，由计算机进行显示和数据处理，画出试验曲线，打印试验报告；水压控制***和围压控制***分别包括EDC控制器各自直接控制一个交流伺服电机控制器，控制器各自控制一个交流伺服电机，使各自加压水缸的活塞移动；水压、围压和活塞的位移转换为电信号送到EDC控制器里，经放大处理后进行显示和控制，同时将这些参数送到计算机内进行数据存储、显示、画曲线和打印试验报告；

所述可视化***包括数码摄像机和与之相连的计算机，所述剪切渗流耦合试验盒上设置有方形观测孔，所述数码摄像机设置在观测孔的上方。

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