專利名稱：一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜應(yīng)力條件下的試驗系統(tǒng)，尤其涉及一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在石油礦山開采、水利水電、煤礦生產(chǎn)、交通邊坡等工程中，地下水對巖體工程的穩(wěn)定性有著重要影響。一方面地下水可改變巖體的應(yīng)力和變形，另一方面巖體結(jié)構(gòu)面的幾何特征及其物理力學(xué)性質(zhì)對地下水滲流起決定性作用。巖體中節(jié)理裂隙的滲透和變形模量都遠(yuǎn)大于巖石基層，因此，巖體中各類結(jié)構(gòu)面與地下水的相互作用往往直接決定著工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。因此，本領(lǐng)域非常需要對節(jié)理的剪切-滲流耦合特性進(jìn)行研究，而進(jìn)行巖石節(jié)理的室內(nèi)剪切-滲流耦合試驗，是一種有效的研究手段。巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗中的關(guān)鍵技術(shù)是試驗邊界條件的實現(xiàn)，即位移、荷載邊界條件和滲流邊界條件。在巖石節(jié)理的剪切過程中，當(dāng)上、下節(jié)理面在剪切力作用下產(chǎn)生相對位移時，通過在剪切盒進(jìn)水口和出水口之間設(shè)定一定的水壓差，即滲透水壓力，來實現(xiàn)巖石節(jié)理內(nèi)的水沿指定路徑流動，同時要保證剪切盒在垂直水流方向邊界上不發(fā)生水流滲漏，因此必須對剪切盒做良好的密封。由于試驗條件的限制，特別是滲透密封手段，國內(nèi)關(guān)于巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗的試驗設(shè)備還比較缺乏。在現(xiàn)有技術(shù)中，“新型數(shù)控巖石節(jié)理剪切滲流試驗臺的設(shè)計與應(yīng)用”公開了一種巖石剪切滲流試驗臺，使用軸向和切向加載機(jī)構(gòu)對巖石試樣施力進(jìn)行試驗，但其沒有圍壓加載機(jī)構(gòu)，無法模擬圍壓作用下的巖石裂隙剪切滲流狀況，且其密封套結(jié)構(gòu)簡單，密封性較差，試驗結(jié)果精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出的一種新的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行巖石裂隙滲透性試驗和分析。在節(jié)理試件法向方向上，試驗臺有三類可控邊界條件恒定法向應(yīng)力、恒定法向位移、恒定法向剛度；平行節(jié)理剪切方向， 可施加剪切力或位移，滲透壓力。在三種邊界和荷載組合條件下可進(jìn)行一系列耦合試驗復(fù)雜應(yīng)力條件下裂隙剪切試驗，復(fù)雜應(yīng)力條件下裂隙(可視化)滲透試驗，復(fù)雜應(yīng)力條件下裂隙(可視化)閉合應(yīng)力-滲透耦合試驗，復(fù)雜應(yīng)力條件下裂隙(可視化)剪切-滲透耦合試驗， 復(fù)雜應(yīng)力條件下裂隙(可視化)的剪切滲流流變試驗。本發(fā)明所述的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)的具體技術(shù)方案為
一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)，包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機(jī)構(gòu)、切向加載機(jī)構(gòu)、圍壓加載機(jī)構(gòu)、水壓加載機(jī)構(gòu)、伺服控制機(jī)構(gòu)、可視化系統(tǒng)；
所述剪切滲流耦合試驗盒用于放置試樣，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、下密封套分別具有中空腔，由聚氨脂制材料澆注模壓成型，當(dāng)上、下剪切盒產(chǎn)生相對移動時，上密封圈和下密封圈的接觸面在滑動狀態(tài)下可以保持壓縮密封，上密封盒上設(shè)置有進(jìn)水孔和排氣孔；下密封盒上設(shè)置有出水孔；
所述軸向加載機(jī)構(gòu)用于給試樣加載軸向力，包括軸向加載框架、軸向加載油缸和伺服油源，軸向加載框架包括上橫梁、下橫梁和立柱，軸向加載油缸固定在下橫梁上，軸向加載油缸中的活塞通過伺服油源可對剪切滲流耦合試驗盒中的試樣施加軸向力；
所述切向加載機(jī)構(gòu)用于給試樣加載剪切力，包括切向加載框架、切向加載油缸、力傳感器、位移傳感器，切向加載框架用于承載切向加載油缸，切向加載油缸中的活塞可對剪切滲流耦合試驗盒中的試樣施加剪切力；
所述圍壓加載機(jī)構(gòu)用于給試樣加載圍壓以模擬地層的圍壓作用，包括交流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)控制器、減速機(jī)、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機(jī)通過減速機(jī)、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接上、下密封圈的中空腔，通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制上、下密封圈的中空腔的壓力，以此得到所需要的試樣圍壓；
所述水壓加載機(jī)構(gòu)用于給試樣注水，包括交流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)控制器、減速機(jī)、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機(jī)通過減速機(jī)、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接所述剪切滲流耦合試驗盒，通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制所述剪切滲流耦合試驗盒的水壓，產(chǎn)生試樣試驗所需的水壓和所需的流量；
所述伺服控制機(jī)構(gòu)包括軸向控制系統(tǒng)、切向控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)和操作系統(tǒng)；軸向控制系統(tǒng)和切向壓力控制系統(tǒng)是由各自的EDC全數(shù)字伺服控制器及傳感器構(gòu)成，EDC控制器把各傳感器的信號進(jìn)行放大處理后進(jìn)行顯示和控制，并與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，然后調(diào)整伺服閥的開口大小，以達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值；并同時把這些數(shù)據(jù)送到計算機(jī)內(nèi)，由計算機(jī)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理，畫出試驗曲線，打印試驗報告；水壓控制系統(tǒng)和圍壓控制系統(tǒng)分別包括EDC控制器各自直接控制一個交流伺服電機(jī)控制器，控制器各自控制一個交流伺服電機(jī)，使各自加壓水缸的活塞移動；水壓、圍壓和活塞的位移轉(zhuǎn)換為電信號送到 EDC控制器里，經(jīng)放大處理后進(jìn)行顯示和控制，同時將這些參數(shù)送到計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示、畫曲線和打印試驗報告；
所述可視化系統(tǒng)包括數(shù)碼攝像機(jī)和與之相連的計算機(jī)，所述剪切滲流耦合試驗盒上設(shè)置有方形觀測孔，所述數(shù)碼攝像機(jī)設(shè)置在觀測孔的上方。


附圖1為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)的主視圖； 附圖2為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)的側(cè)視附圖3為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)中剪切滲流耦合試驗盒的主視圖； 附圖4為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)中上密封套的正視圖； 附圖5為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)中上密封套的A — A向剖視圖； 附圖6為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)中可視化系統(tǒng)的工作簡圖。附圖標(biāo)記如下
1 一剪切滲流耦合試驗盒；2 —軸向加載機(jī)構(gòu)；3 —切向加載機(jī)構(gòu)；4 一圍壓加載機(jī)構(gòu)； 5 一水壓加載機(jī)構(gòu)；6 —可視化系統(tǒng)；7 —上剪切盒；8 —下剪切盒；9 一上密封套；10 —下密封套；11 一試樣；12—中空腔。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明所述的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。參見附圖1 一 2，一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)，包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機(jī)構(gòu)、切向加載機(jī)構(gòu)、圍壓加載機(jī)構(gòu)、水壓加載機(jī)構(gòu)、伺服控制機(jī)構(gòu)(未示出)、可視化系統(tǒng)。參見附圖3，剪切滲流耦合試驗盒內(nèi)部尺寸為200mm (水滲透方向)X IOOmm (滲透寬度)XlOOmm (高度)。滲流剪切盒由上下剪切盒組成，上剪切盒包括上密封套(參見附圖 4 - 5)，下剪切盒包括下密封套，上密封套和下密封套形狀結(jié)構(gòu)對稱；上、下密封套分別具有中空腔。密封套由彈性及硬度適中的聚氨脂制成液體橡膠，澆注模壓成型。聚氨脂橡膠具有既軟又硬，摩擦小等特點。在工作時，試樣放置在密封套中間，當(dāng)試樣裝好之后，中空腔內(nèi)將注入一定壓力的液體，上密封套在壓力下緊緊貼到試樣上半部的四周，而下密封套在壓力下緊緊貼到試樣下半部的四周，從而實現(xiàn)了有效的密封。同時上密封套和下密封套的接觸面也受到了壓力緊密接觸，實現(xiàn)了密封。當(dāng)上下剪切盒產(chǎn)生相對移動時，上密封套和下密封套的接觸面在滑動狀態(tài)下仍然保持壓縮密封，直到密封圈脫離接觸。上剪切盒有一個進(jìn)水孔用以向巖樣剪切面滲水，另有一孔作為排氣孔；下剪切盒有一個出水孔，用以排出滲入巖樣剪切面中的水。軸向加載機(jī)構(gòu)包括軸向加載框架、伺服油源等。軸向加載框架是由上下橫梁、四立柱鑲楔組合構(gòu)成，加載油缸固定在下橫梁上，活塞向上對試樣施加試驗力；這種結(jié)構(gòu)形式最大限度的提高了試驗機(jī)的剛度，減小了試驗機(jī)的間隙，設(shè)在剪切盒的上部觀察孔可實現(xiàn)裂隙試件剪切過程的可視化，而且也使得試驗機(jī)的外型美觀。伺服油源提供動力油給電液伺服閥，通過伺服閥的控制進(jìn)行軸向加載。切向加載機(jī)構(gòu)包括加載油缸、剪切加載框架、力傳感器、位移傳感器等。剪切加載框架采用四框組合式，油缸座和承壓梁及兩面的側(cè)板均采用高標(biāo)號球墨鑄鐵，使其框架剛度大(5000kN/mm)，工作平穩(wěn)可靠。圍壓加載機(jī)構(gòu)可采用螺旋加載的方式，并由伺服電機(jī)和控制器及測控器來控制， 可現(xiàn)實多級可控的恒定滲透圍壓控制。圍壓系統(tǒng)是由上下膠套組合，交流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)控制器、減速機(jī)、滾珠絲杠、傳動系統(tǒng)、加壓油水缸等；伺服電機(jī)按設(shè)置的控制參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，通過減速機(jī)、滾珠絲杠、傳動系統(tǒng)移動水缸的活塞，使油水產(chǎn)生所需的油壓。參考橡膠套和剪切盒強(qiáng)度，最高油壓可達(dá)25MPa以上。水壓加載機(jī)構(gòu)可采用螺旋加載的方式，并由伺服電機(jī)和控制器及測控器來控制， 可現(xiàn)實多級可控的恒滲透壓力和滲透量控制。水壓系統(tǒng)包括交流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)控制器、減速機(jī)、滾珠絲杠、傳動系統(tǒng)、加壓水缸等；伺服電機(jī)按設(shè)置的控制參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，通過減速機(jī)、滾珠絲杠、傳動系統(tǒng)移動水缸的活塞，使水產(chǎn)生所需的水壓和所需的流量。 水壓最大可達(dá)5MPa。伺服控制機(jī)構(gòu)是指試驗機(jī)的控制中心，它包括軸向控制系統(tǒng)、切向控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。軸向控制系統(tǒng)和切向壓力控制系統(tǒng)是由各自的EDC全數(shù)字伺服控制器及傳感器構(gòu)成，在本系統(tǒng)中包括試驗力傳感器、位移傳感器、伺服閥等，EDC控制器把各傳感器的信號進(jìn)行放大處理后進(jìn)行顯示和控制(與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較)，然后調(diào)整伺服閥的開口大小， 以達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值；并同時把這些數(shù)據(jù)送到計算機(jī)內(nèi)，由計算機(jī)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理，畫出試驗曲線，打印試驗報告。水壓系統(tǒng)和圍壓控制系統(tǒng)分布有各自的EDC控制器直接控制一個交流伺服電機(jī)控制器，該控制器控制交流伺服電機(jī)，電機(jī)通過減速機(jī)、齒型同步帶帶動滾珠絲杠，使水壓缸的活塞移動，產(chǎn)生水壓；水壓傳感器和編碼器把壓力及活塞的位移(可換算成水流量)的電信號送到EDC控制器里，經(jīng)放大處理后進(jìn)行顯示和控制，同時將這些參數(shù)送到計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示、畫曲線和打印試驗報告。參見附圖6，其顯示了本發(fā)明中可視化系統(tǒng)的工作簡圖。在剪切盒上部留有試驗觀測孔，試驗中選用適當(dāng)?shù)耐该黝惒牧项A(yù)制具有自然斷裂節(jié)理表面特征的裂隙試件的上半部分，用著色水代替普通水以實現(xiàn)裂隙水流動路徑和流動狀態(tài)的可視化。借助材料的透明性， 水在裂隙內(nèi)的流動影像可通過上部試件的剪切盒觀察孔觀測到，并可用CCD攝像機(jī)來記錄其流動過程。如剪切滲流耦合試驗盒結(jié)構(gòu)圖中所示上壓頭中心留有方形觀測孔，在剪切滲流耦合試驗中可以用透明類巖石材料裂隙試件代替裂隙試件的上半部分，通過在剪切盒的頂部安裝數(shù)碼攝像設(shè)備并聯(lián)接計算機(jī)，可實現(xiàn)水在裂隙試件內(nèi)流動過程的可視化，為試驗研究提供詳實可貴的數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)還可以包括計算機(jī)控制系統(tǒng)。計算機(jī)系統(tǒng)是試驗機(jī)的控制核心，它控制四個EDC控制器，使EDC按設(shè)置的程序參數(shù)進(jìn)行工作， 并要實時存儲、處理EDC各通道的測量數(shù)據(jù)，實時畫出多種試驗曲線；計算機(jī)系統(tǒng)還要實時處理溫度、等測量參數(shù)。計算機(jī)系統(tǒng)的操作軟件是在WINDOWS環(huán)境下運行的，具有良好的人機(jī)界面和操作簡便的特點。計算機(jī)控制系統(tǒng)包括前面板和流程圖。前面板是控制和顯示對象的集合，包含旋鈕、按鈕、圖形和其它的控制與顯示對象等；通過鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕；同時，可在計算機(jī)屏幕上同步監(jiān)測試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。流程圖窗口用以編輯虛擬儀器的圖形化源代碼，通過連線將輸出、接收數(shù)據(jù)的對象連接起來創(chuàng)建流程圖，就能實現(xiàn)特定的功能，控制和執(zhí)行相應(yīng)的流程
基于控制器和傳感器的測控數(shù)據(jù)，采用LabVIEW圖形化編程語言構(gòu)建一個測控直接剪切試驗的虛擬儀器，對垂直荷載和剪切荷載的閉合電液伺服回路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，同時進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集、存貯、數(shù)據(jù)處理和曲線顯示。LabVIEW采用強(qiáng)大的圖形化語言編程，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點。數(shù)控系統(tǒng)使用了參數(shù)自調(diào)節(jié)的PID控制技術(shù)實現(xiàn)了非線性的前饋預(yù)測。系統(tǒng)采用位移型PID控制，以剪切速度恒定控制為基礎(chǔ)。垂直荷載的高精度液壓同步控制采用位移型PID控制實現(xiàn)；滲透壓力差值的高精度控制同樣采用位移型PID控制實現(xiàn)。剪切試驗裝置通過接受反饋信號值使負(fù)載側(cè)的動作能跟進(jìn)指令值，從而實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)采集與復(fù)雜控制。與彈簧式垂直剛度一定(CNS)直接剪切試驗相比較，新型數(shù)控直接剪切試驗機(jī)有如下特點提高了試驗結(jié)果的精度；垂直剛度值的設(shè)定和變更可簡易便利地通過微機(jī)輸入；可隨時中斷進(jìn)行中的試驗，然后繼續(xù)執(zhí)行。更可在執(zhí)行途中變更控制條件，例如CNL、CNS、CNV控制之間的任意切換，亦可實現(xiàn)多階段垂直剛度非線性CNS控制。以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不
6局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)，其特征在于包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機(jī)構(gòu)、切向加載機(jī)構(gòu)、圍壓加載機(jī)構(gòu)、水壓加載機(jī)構(gòu)、伺服控制機(jī)構(gòu)、可視化系統(tǒng)；所述剪切滲流耦合試驗盒用于放置試樣，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、下密封套分別具有中空腔，由聚氨脂制材料澆注模壓成型，當(dāng)上、下剪切盒相對移動時，上密封圈和下密封圈的接觸面在滑動狀態(tài)下保持壓縮密封，上密封盒上設(shè)置有進(jìn)水孔和排氣孔；下密封盒上設(shè)置有出水孔；所述軸向加載機(jī)構(gòu)用于給試樣加載軸向力，包括軸向加載框架、軸向加載油缸和伺服油源，軸向加載框架包括上橫梁、下橫梁和立柱，軸向加載油缸固定在下橫梁上，軸向加載油缸中的活塞通過伺服油源可對剪切滲流耦合試驗盒中的試樣施加軸向力；所述切向加載機(jī)構(gòu)用于給試樣加載剪切力，包括切向加載框架、切向加載油缸、力傳感器、位移傳感器，切向加載框架用于承載切向加載油缸，切向加載油缸中的活塞可對剪切滲流耦合試驗盒中的試樣施加剪切力；所述圍壓加載機(jī)構(gòu)用于給試樣加載圍壓以模擬地層的圍壓作用，包括交流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)控制器、減速機(jī)、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機(jī)通過減速機(jī)、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接上、下密封圈的中空腔，通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制上、下密封圈的中空腔中的壓力，以此得到所需要的試樣圍壓；所述水壓加載機(jī)構(gòu)用于給試樣注水，包括交流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)控制器、減速機(jī)、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機(jī)通過減速機(jī)、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接所述剪切滲流耦合試驗盒，通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制所述剪切滲流耦合試驗盒的水壓，產(chǎn)生試樣試驗所需的水壓和所需的流量；所述伺服控制機(jī)構(gòu)包括軸向控制系統(tǒng)、切向控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)和操作系統(tǒng)；軸向控制系統(tǒng)和切向壓力控制系統(tǒng)是由各自的EDC全數(shù)字伺服控制器及傳感器構(gòu)成，EDC控制器把各傳感器的信號進(jìn)行放大處理后進(jìn)行顯示和控制，并與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，然后調(diào)整伺服閥的開口大小，以達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值；并同時把這些數(shù)據(jù)送到計算機(jī)內(nèi)，由計算機(jī)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理，畫出試驗曲線，打印試驗報告；水壓控制系統(tǒng)和圍壓控制系統(tǒng)分別包括EDC控制器各自直接控制一個交流伺服電機(jī)控制器，控制器各自控制一個交流伺服電機(jī)，使各自加壓水缸的活塞移動；水壓、圍壓和活塞的位移轉(zhuǎn)換為電信號送到 EDC控制器里，經(jīng)放大處理后進(jìn)行顯示和控制，同時將這些參數(shù)送到計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示、畫曲線和打印試驗報告；所述可視化系統(tǒng)包括數(shù)碼攝像機(jī)和與之相連的計算機(jī)，所述剪切滲流耦合試驗盒上設(shè)置有方形觀測孔，所述數(shù)碼攝像機(jī)設(shè)置在觀測孔的上方。
全文摘要
一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)，包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機(jī)構(gòu)、切向加載機(jī)構(gòu)、圍壓加載機(jī)構(gòu)、水壓加載機(jī)構(gòu)、伺服控制機(jī)構(gòu)、可視化系統(tǒng)。
文檔編號G01N33/24GK102253183SQ20111017678
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者付厚利, 張慶喜, 李廷春, 王剛, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學(xué)