專利名稱：適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種剪切盒，尤其是涉及適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒。
背景技術(shù)：
近年來，隨著水利水電、核廢料儲藏、石油礦山開采等大型工程的建設(shè)，工程巖體所處的地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜。地下水作為對巖體工程穩(wěn)定性有著重要影響的因素越來越受到研究人員的重視，巖體中節(jié)理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)定與安全。因此，深入研究巖體中節(jié)理的滲流特性對解決實際工程中的巖體穩(wěn)定性問題十分重要。自上世紀(jì)70年代以來，巖石節(jié)理的水力耦合特性受到了學(xué)術(shù)界和工程界的重視。然而，早期的大部分滲流試驗的加載主要集中在法相應(yīng)力的施加上，進(jìn)行節(jié)理剪切與滲流耦合試驗并不多。目前巖石節(jié)理剪切滲流耦合特性及機理研究已成為國際巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。為了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)理剪切過程中同時進(jìn)行滲流試驗，必須對剪切盒進(jìn)行密封。即在滲透水壓保持某一定值或按照某一規(guī)律變化時，巖石節(jié)理試樣在剪切力作用下產(chǎn)生相對位移，滲透水流沿節(jié)理面流動，節(jié)理周邊不發(fā)生滲漏。剪切盒的密封技術(shù)是節(jié)理剪切滲流耦合試驗設(shè)備研制的關(guān)鍵技術(shù)難題。國內(nèi)外許多學(xué)者，為了進(jìn)行節(jié)理剪切滲流耦合試驗研究，開發(fā)了有關(guān)剪切滲透設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有剪切實驗設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。然而，由于剪切盒密封技術(shù)的限制，目前已有節(jié)理剪切試驗設(shè)備封水效果往往無法達(dá)到實驗要求，很難完成巖石節(jié)理在復(fù)雜荷載作用下的剪切滲流試驗。如現(xiàn)有的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗技術(shù)采用上、下盒體組成，盒體中裝有封水材料，當(dāng)上盒與下盒發(fā)生相對位移時很難保證良好的封水性。隨著大型巖體工程建設(shè)的需求，國內(nèi)外巖土工程研究領(lǐng)域?qū)τ谘邪l(fā)一種有效的節(jié)理剪切盒滲透水密封方法的需求極為迫切。然而，I面對越來越復(fù)雜的工程巖體所處的地質(zhì)環(huán)境，巖體中節(jié)理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)定與安全，因此深入理解巖體中節(jié)理的滲流特性對解決實際工程中的巖體穩(wěn)定性問題十分重要。國內(nèi)外學(xué)者為了進(jìn)行節(jié)理剪切滲流耦合試驗研究，對已有的實驗設(shè)備進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。然而，由于剪切盒密封措施有限，很難實現(xiàn)巖石節(jié)理在復(fù)雜荷載作用下的剪切滲透試驗。2傳統(tǒng)的試驗設(shè)備最大的缺陷在于其密封手段的不足，無法實現(xiàn)良好的封水效果。3傳統(tǒng)的節(jié)理滲透試驗的注水方式，多采用節(jié)理進(jìn)水端集中水頭注水或者從節(jié)理面的中間注水形成向四周的輻射流，其與巖體裂隙中真實的水流運動情況存在偏差。4傳統(tǒng)的節(jié)理剪切滲透試驗無法實現(xiàn)較大的剪切位移。5傳統(tǒng)的試驗設(shè)備大多采用3-10 m的水頭，不能充分研究水壓對巖石節(jié)理變形的影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的密封手段的不足，無法實現(xiàn)良好的封水效果等的技術(shù)問題；提供了一種能在試樣周邊形成效果很好的封水邊界的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒。本實用新型還有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的多采用從節(jié)理進(jìn)水端集中水頭注水或者從節(jié)理的中間注水形成向四周的輻射流，其與巖體裂隙中真實的水流運動情況存在偏差等的技術(shù)問題；提供了一種能夠在試樣節(jié)理中形成穩(wěn)定的層流，其與工程中巖體的真實滲流情況更接近的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒。本實用新型再有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的無法實現(xiàn)較大的剪切位移等的技術(shù)問題；提供了一種可以實現(xiàn)20mm以內(nèi)的剪切位移，能夠充分研究巖石節(jié)理的剪縮、剪脹及峰后變形全過程的滲透特性變化規(guī)律的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒。本實用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的一種適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，包括底板，設(shè)置在底板兩側(cè)通過螺栓與底板垂直固定的兩塊側(cè)板，所述底板和兩塊側(cè)板組成一個用于放置巖石試樣的空腔；所述空腔內(nèi)設(shè)有用于固定巖石試樣的剪切墊塊；兩塊側(cè)板的兩個側(cè)面還分別設(shè)置有用于封水的側(cè)向封水囊以及與側(cè)向封水囊連接的用于給側(cè)向封水囊加壓的伺服油源；所述空腔內(nèi)還設(shè)置有一進(jìn)水裝置和出水裝置，所述出水裝置上還設(shè)有用于監(jiān)測出水流量及水壓的監(jiān)測裝置。在上述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，所述的剪切墊塊包括前部剪切墊塊和后部剪切墊塊；所述前部剪切墊塊和后部剪切墊塊均有上下剪切墊塊構(gòu)成，即前部上剪切墊塊、前部下剪切墊塊、后部上剪切墊塊以及后部下剪切墊塊。在上述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，還包括開槽設(shè)置在前部上剪切墊塊上的前部上橫向封水條、開槽設(shè)置在前部下剪切墊塊上的前部下橫向封水條；以及開槽設(shè)置在后部上剪切墊塊的后部上橫向封水條、開槽設(shè)置在后部下剪切墊塊上的后部下橫向封水條。在上述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，前部上橫向封水條和前部下橫向封水條內(nèi)均勻設(shè)置有由若干平行排列的滲水小孔組成的前部過水通道，所述進(jìn)水裝置包括分別設(shè)置在前部上剪切墊塊和前部下剪切墊塊上與前部過水通道連通的進(jìn)水小孔；所述進(jìn)水小孔通過進(jìn)水管與控制水壓力及流量的進(jìn)水微型伺服水泵相連；后部上橫向封水條和后部下橫向封水條內(nèi)均勻設(shè)置有由若干平行排列的滲水小孔組成的后部過水通道；在上述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，所述出水裝置包括分別設(shè)置在后部上剪切墊塊和后部下剪切墊塊上與后部過水通道連通的出水小孔；所述出水小孔通過出水管與上述出水流量及水壓監(jiān)測裝置連接。在上述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，所述監(jiān)測裝置包括流量及水壓傳感器。因此，本實用新型具有如下優(yōu)點1.采用由彈性及硬度適中的聚氨脂制成的側(cè)向封水囊進(jìn)行封水，側(cè)向封水囊壓力采用伺服控制，其內(nèi)注有液壓油，能根據(jù)實驗要求調(diào)節(jié)囊內(nèi)壓力。在油壓的作用下側(cè)向封水囊緊貼節(jié)理試樣側(cè)面，其與橫向封水條在試樣周邊形成效果很好的封水邊界；2.運用微型伺服水泵控制注水，水流通過一排小管進(jìn)入橫向封水條的過水通道，能夠在試樣節(jié)理內(nèi)形成穩(wěn)定的層流，其與工程中巖體的真實滲流情況更接近；
3.可以實現(xiàn)20 mm以內(nèi)的剪切位移，能夠充分研究巖石節(jié)理的剪縮、剪脹及峰后變形全過程的滲透特性變化規(guī)律；4.可以提供0. 05-3. 0 MPa的水頭，為充分研究水壓對巖石節(jié)理變形的影響提供了條件。

圖1是本實用新型的一種主視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是沿圖1中A-A線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是沿圖2中B-B線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是沿圖2中C-C的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。圖中，側(cè)板1、側(cè)向封水囊2、前部上剪切墊塊3、巖石試件4、螺栓5、前部下剪切墊塊6、底板7、進(jìn)水管8、出水管9、前部上橫向封水條10、巖石節(jié)理12、微型伺服泵組13、傳感器14、后部上剪切墊塊15、后部下剪切墊塊16、前部下橫向封水條11、后部上橫向封水條18、后部下橫向封水條17。實施例首先介紹一下本實用新型所采用的裝置結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，本實用新型包括底板7，設(shè)置在底板7兩側(cè)通過螺栓5與底板7垂直固定的兩塊側(cè)板1，底板7及側(cè)板I均由鋼材制成，底板7和兩塊側(cè)板I組成一個用于放置巖石試樣4的空腔；空腔內(nèi)設(shè)有用于固定巖石試樣4的剪切墊塊；兩塊側(cè)板I的兩個側(cè)面還分別設(shè)置有用于封水的側(cè)向封水囊2以及與側(cè)向封水囊2連接的用于給側(cè)向封水囊2加壓的伺服油源；所述空腔內(nèi)還設(shè)置有一進(jìn)水裝置和出水裝置，所述進(jìn)水裝置上還設(shè)有用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測裝置；監(jiān)測裝置為水流流量及水壓傳感器14 ;剪切墊塊包括前部剪切墊塊和后部剪切墊塊；所述前部剪切墊塊和后部剪切墊塊均有上下剪切墊塊構(gòu)成，即前部上剪切墊塊3、前部下剪切墊塊6、后部上剪切墊塊15以及后部下剪切墊塊16。前部上剪切墊塊3、前部下剪切墊塊6、后部上剪切墊塊15以及后部下剪切墊塊16均由密度較大的鋼材加工而成，具有抗壓強度高、耐水蝕性好的特點。前部下剪切墊塊6和后部下剪切墊塊16通過螺栓將試樣下部固定，前部上剪切墊塊3和后部上剪切墊塊15傳遞水平推力，推動試樣在剪切方向運動，實現(xiàn)試樣的剪切作用。本實用新型還包括開槽設(shè)置在前部上剪切墊塊3上的前部上橫向封水條10、開槽設(shè)置在前部下剪切墊塊6上的前部下橫向封水條11 ;以及開槽設(shè)置在后部上剪切墊塊15的后部上橫向封水條18、開槽設(shè)置在后部下剪切墊塊16上的后部下橫向封水條17 ;前部上橫向封水條10和前部下橫向封水條11內(nèi)均勻設(shè)置有由若干平行排列的滲水小孔組成的前部過水通道；進(jìn)水裝置包括分別設(shè)置在前部上剪切墊塊3和前部下剪切墊塊6上與前部過水通道連通的進(jìn)水小孔；所述進(jìn)水小孔通過進(jìn)水管8與進(jìn)水微型伺服水泵相連；后部上橫向封水條18和后部下橫向封水條17內(nèi)均勻設(shè)置有由若干平行排列的滲水小孔組成的后部過水通道，所述出水裝置包括分別設(shè)置在后部上剪切墊塊15和后部下剪切墊塊16上與后部過水通道連通的出水小孔；所述出水小孔通過出水管9與上述監(jiān)測裝置連接。在本實用新型中，側(cè)向封水囊2由彈性及硬度適中的聚氨脂制成，內(nèi)部充有液壓油，側(cè)向封水囊是本實用新型的特點及關(guān)鍵部件，聚氨脂橡膠具有可塑性好，摩擦小等特點。側(cè)向封水囊2內(nèi)的油壓采用伺服控制，能根據(jù)實驗要求調(diào)節(jié)囊內(nèi)油壓力。在油壓的作用下側(cè)向封水囊2將緊貼試樣側(cè)面，達(dá)到良好的封水效果。由于側(cè)向封水囊2與試樣之間存在壓力，其將產(chǎn)生一定的摩擦力。因此要在側(cè)向封水囊2的外側(cè)和試樣的接觸面上涂抹潤滑油，同時依靠伺服控制接觸面的圍壓來減小摩擦力的影響。前部上橫向封水條10、前部下橫向封水條11、后部上橫向封水條18、后部下橫向封水條17均由聚氨脂制成。分別安裝在進(jìn)水及出水端上、下剪切墊塊的開槽部位并與試樣接觸。在水平荷載及側(cè)向封水囊壓力的作用下其將緊貼節(jié)理兩端。橫向封水條有一排滲水小孔形成進(jìn)水、出水通道，由進(jìn)水端的伺服水泵流過來的水經(jīng)過橫向封水條進(jìn)水通道能夠在節(jié)理進(jìn)水端形成穩(wěn)定滲透水流。節(jié)理周邊的側(cè)向封水囊和橫向封水條將形成節(jié)理試樣四周的水密封邊界。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。盡管本文較多地使用了側(cè)板1、側(cè)向封水囊2、前部上剪切墊塊3、巖石試件4、螺栓
5、前部下剪切墊塊6、底板7、進(jìn)水管8、出水管9、前部上橫向封水條10、巖石節(jié)理12、微型伺服泵組13、傳感器14、后部上剪切墊塊15、后部下剪切墊塊16、前部下橫向封水條11、后部上橫向封水條18、后部下橫向封水條17等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。
權(quán)利要求1.一種適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，包括底板(7)，設(shè)置在底板(7)兩側(cè)通過螺栓(5)與底板(7)垂直固定的兩塊側(cè)板(1)，所述底板(7)和兩塊側(cè)板(I)組成一個用于放置巖石試樣(4 )的空腔；所述空腔內(nèi)設(shè)有用于固定巖石試樣(4 )的剪切墊塊；兩塊側(cè)板(I)的兩個側(cè)面還分別設(shè)置有用于封水的側(cè)向封水囊(2)以及與側(cè)向封水囊(2)連接的用于給側(cè)向封水囊(2)加壓的伺服油源；所述空腔內(nèi)還設(shè)置有一進(jìn)水裝置和出水裝置，所述進(jìn)水裝置上還設(shè)有用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的出水流量及水壓監(jiān)測裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，所述的剪切墊塊包括前部剪切墊塊和后部剪切墊塊；所述前部剪切墊塊和后部剪切墊塊均有上下剪切墊塊構(gòu)成，即前部上剪切墊塊(3)、前部下剪切墊塊(6)、后部上剪切墊塊(15)以及后部下剪切墊塊(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，還包括開槽設(shè)置在前部上剪切墊塊(3)上的前部上橫向封水條(10)、開槽設(shè)置在前部下剪切墊塊(6)上的前部下橫向封水條(11);以及開槽設(shè)置在后部上剪切墊塊(15)的后部上橫向封水條(18)、開槽設(shè)置在后部下剪切墊塊(16)上的后部下橫向封水條(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，所述前部上橫向封水條(10)和前部下橫向封水條(11)內(nèi)均勻設(shè)置有由若干平行排列的滲水小孔組成的前部過水通道；所述進(jìn)水裝置包括分別設(shè)置在前部上剪切墊塊(3)和前部下剪切墊塊(6)上與前部過水通道連通的進(jìn)水小孔；所述進(jìn)水小孔通過進(jìn)水管(8)與控制水壓力及流量的進(jìn)水微型伺服水泵相連；后部上橫向封水條(18)和后部下橫向封水條(17)內(nèi)均勻設(shè)置有由若干平行排列的滲水小孔組成的后部過水通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，所述出水裝置包括分別設(shè)置在后部上剪切墊塊(15)和后部下剪切墊塊(16)上與后部過水通道連通的出水小孔；所述出水小孔通過出水管(9)與上述出水流量及水壓監(jiān)測裝置連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，其特征在于，所述監(jiān)測裝置包括水流流量及水壓傳感器(14 )。
專利摘要本實用新型涉及適用于巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗的剪切盒，該試驗盒能實現(xiàn)剪切過程嚴(yán)格封水并在節(jié)理中形成穩(wěn)定滲透水流。剪切盒主要由底板、側(cè)板、側(cè)向封水囊、進(jìn)出水裝置組成。本實用新型的特點在于側(cè)面密封囊、前端注水、后端集水方式的設(shè)計。使用本實用新型的巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗盒可以實現(xiàn)20mm以內(nèi)的剪切位移，能夠充分研究巖石節(jié)理剪切過程由于剪脹和剪縮導(dǎo)致的滲透特性變化；可以提供0.05-3.0MPa的水頭，為充分研究水壓對節(jié)理滲流的影響提供了條件；運用微型伺服水泵進(jìn)行注水，可以在節(jié)理一端形成穩(wěn)定的水流，使得其滲流情況更符合自然狀態(tài)；本剪切盒可完成復(fù)雜荷載作用下節(jié)理試樣的剪切和滲透試驗。
文檔編號G01N33/24GK202903786SQ20122062259
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者榮冠, 侯迪, 王小江, 周創(chuàng)兵, 陳益峰 申請人:武漢大學(xué)