專利名稱：巖石節(jié)理剪切－滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種進(jìn)行巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自然界中的巖體受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)面，某個(gè)區(qū)域的完整巖石受到外力作用破裂時(shí)，會(huì)形成一對(duì)節(jié)理面。國(guó)內(nèi)外進(jìn)行巖石節(jié)理的剪切-滲流耦合試驗(yàn)，多存在兩個(gè)方面的問題滲透水壓值過小和輻射狀的水流方式。滲透水壓值過小，水頭高度只有2m多，低滲透壓力下，剪切盒的密封較容易實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際工程中的最大水頭高度甚至超過1000m，很難對(duì)剪切盒做密封；而輻射流的滲流方式，即從節(jié)理面中心鉆孔注水向四周流動(dòng)，這種滲流方式，只要能滿足連續(xù)的水流方式，對(duì)剪切盒可以不做密封，但這與實(shí)際情況也是不相符的，自然界水在節(jié)理中的流動(dòng)方式應(yīng)該為單面流，即從節(jié)理面的一端流向另一端。
由于前述難題的存在，可進(jìn)行巖石節(jié)理的剪切-滲流耦合試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)發(fā)展緩慢，目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行巖石節(jié)理的剪切滲流耦合試驗(yàn)，大多是將巖石節(jié)理裝入經(jīng)獨(dú)特設(shè)計(jì)的密封剪切盒內(nèi)，并安裝到直剪試驗(yàn)機(jī)上，通過直剪試驗(yàn)機(jī)在巖石上分別施加不同的切向力和法向力，通過位移傳感器測(cè)量巖石節(jié)理的開度變化和切向位移。要測(cè)量水在巖石節(jié)理中滲流的流量，必須使用另外的專用試驗(yàn)設(shè)備來進(jìn)行。無法形成一體化的集合試驗(yàn)力加載裝置、水壓加載流量測(cè)量裝置、密封剪切盒和張開度測(cè)量裝置的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)水壓或瞬態(tài)水壓滲流狀態(tài)下的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)，并對(duì)豎向力和水平力、張開度和水平位移以及流量同時(shí)做出精確測(cè)量。
因此，如何解決現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多缺點(diǎn)實(shí)已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，能進(jìn)行巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)，在進(jìn)行加載的可同時(shí)獲得節(jié)理張開度、水平位移、流量的變化值。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一剪切盒、一試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置，一張開度測(cè)量裝置和一計(jì)算機(jī)，所述剪切盒有一進(jìn)水通道和一出水通道，其特征在于，還包括一滲流檢測(cè)裝置，該滲流檢測(cè)裝置包括一進(jìn)水裝置和一出水流量測(cè)量裝置，該進(jìn)水裝置聯(lián)通剪切盒的進(jìn)水通道的進(jìn)水口，出水流量測(cè)量裝置聯(lián)通剪切盒的出水通道的出水口。
其中，所述出水流量測(cè)量裝置包括一集水箱、一第二流量計(jì)；第二流量計(jì)連接在剪切盒的出水口和集水箱之間，第二流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
其中，所述出水流量測(cè)量裝置還包括一反壓加載裝置、一第二液壓傳感器和一控制器，第二液壓傳感器安裝在出水管上，與控制器電連接，控制器與反壓加載裝置電連接，控制出水管的出水壓力，保證進(jìn)水管與出水管的壓力差；反壓加載裝置安裝在第二流量計(jì)和第二液壓傳感器之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
其中，所述出水流量測(cè)量裝置還包括一壓力感應(yīng)器，壓力感應(yīng)器安裝在第二流量計(jì)和集水箱之間，與計(jì)算機(jī)相連。
優(yōu)選地是，所述進(jìn)水裝置包括一儲(chǔ)水箱、一水壓加載裝置、一第一液壓傳感器；第一液壓傳感器安裝在進(jìn)水管上，與控制器電連接，水壓加載裝置安裝在第一液壓傳感器和儲(chǔ)水箱之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
更優(yōu)選地是，所述進(jìn)水裝置還包括一第一流量計(jì)，第一流量計(jì)安裝在儲(chǔ)水箱和水壓加載裝置之間，第一流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
更優(yōu)選地是，所述出水流量測(cè)量裝置的集水箱為一密封容器，該密閉容器有一個(gè)有開關(guān)控制的出口，通往進(jìn)水裝置的儲(chǔ)水箱。
使用本發(fā)明，可以在巖石節(jié)理剪切的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剪切-滲流耦合試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中可以任意改變豎向力、水平力、水壓值，并可同時(shí)獲得張開度、剪切位移和流量變化值；試驗(yàn)過程中，水流可以模擬自然流動(dòng)狀態(tài)，因此，獲得的試驗(yàn)結(jié)果更能真實(shí)有效地用于指導(dǎo)實(shí)際工程。同時(shí)，使用本系統(tǒng)，一次獲得所需數(shù)據(jù)，無需多套設(shè)備，降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間和后期數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，提高了工作效率，操作更人性化。


圖1為本發(fā)明的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框2a為本發(fā)明中的剪切盒的縱剖視圖；圖2b為圖2a沿B-B線的剖視圖；圖2c為圖2a沿A-A線的剖視圖；圖3是本發(fā)明中的滲流檢測(cè)裝置的工作原理圖；圖4為是本發(fā)明中的試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置的工作原理圖；圖5為本發(fā)明中的引伸計(jì)安裝示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)裝系統(tǒng)包括一剪切盒，一試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置，一張開度測(cè)量裝置，一滲流檢測(cè)裝置和一計(jì)算機(jī)。
剪切盒如圖2a～2c所示，剪切盒1由下盒3、上盒4、進(jìn)水管5、出水管6組成，構(gòu)成剪切盒1的壁板均由鋼板制成。
下盒3由前壁板31、后壁板32、左壁板33、34、右壁板35、36和下壁板37組成前壁板31與后壁板32為大小、厚度均相同的兩塊鋼板，對(duì)稱布置；左壁板33、34和右壁板35、36分別對(duì)稱，左壁板33和右壁板35、左壁板34和右壁板36為大小相同、厚度不同的鋼板，通過螺栓連接而成；上盒4由前壁板41、后壁板42、左壁板43、44、右壁板45、46和上壁板47組成前41壁板與后壁板42為大小、厚度均相同的兩塊鋼板，對(duì)稱布置；左壁板43、44和右壁板45、46分別對(duì)稱，左壁板43和右壁板45、左壁板44和右壁板46為大小相同、厚度不同的鋼板，通過螺栓連接而成；上盒的前壁板41與下盒的前壁板31厚度相同，上盒的后壁板42與下盒的后壁板32厚度相同，上盒的左壁板43、44與下盒的左壁板33、34厚度相同，上盒的右壁板45、46與下盒的右壁板35、36厚度相同，上盒的上壁板47與下盒的下壁板37大小、厚度均相同。
在前壁板31和前壁板41接觸面之間、后壁板32和后壁板42接觸面之間安裝減摩板51，在左壁板33、左壁板43、右壁板35和右壁板45預(yù)留的槽內(nèi)壓入隔水密封圈52。
上盒4與下盒3可沿水流的左右方向相對(duì)水平滑動(dòng)，沿垂直方向相對(duì)上下滑動(dòng)。
進(jìn)水管5和出水管6呈梳狀對(duì)稱嵌平安裝在左壁板34和右壁板36的上端面內(nèi)側(cè)，進(jìn)水管5的梳狀出水口伸入兩節(jié)理面組成的空腔內(nèi)，出水管14的梳狀進(jìn)水口亦伸入空腔內(nèi)，進(jìn)水管5的進(jìn)水口和出水管6的出水口穿出后壁板32。
試驗(yàn)之前，用密封材料53封住剪縫，僅留出進(jìn)水口和出水口的通道，并在試件外部包裹隔水層54。
滲流檢測(cè)裝置滲流檢測(cè)裝置主要用于控制水壓加載并測(cè)量水的流量，為一套閉環(huán)控制系統(tǒng)。
如圖3所示，滲流檢測(cè)裝置包括一進(jìn)水裝置、一出水流量測(cè)量裝置。進(jìn)水裝置包括一儲(chǔ)水箱、一第一流量計(jì)、一水壓加載裝置、一第一液壓傳感器和一控制器。第一液壓傳感器安裝剪切盒的進(jìn)水管路上，與控制器電連接，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。第一流量計(jì)安裝在水壓加載裝置和儲(chǔ)水箱之間。出水流量測(cè)量裝置包括一集水箱、一壓力感應(yīng)器、一第二流量計(jì)、一反壓加載裝置、一第二液壓傳感器和一控制器。第二液壓傳感器安裝在剪切盒1的出水管路上，與控制器電連接，反壓加載裝置安裝在第二液壓傳感器和第二流量計(jì)之間，控制器與反壓加載裝置電連接，壓力感應(yīng)器安裝在第二流量計(jì)和集水箱之間。集水箱為一密閉的容器，該集水箱有一個(gè)出口，通往儲(chǔ)水箱，在試驗(yàn)中，出口關(guān)閉。當(dāng)流量較小、第二流量計(jì)無法識(shí)別流量時(shí)，可以通過壓力感應(yīng)器獲得出水口處的流量數(shù)據(jù)；測(cè)流量的第一流量計(jì)、第二流量計(jì)、壓力傳感器與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)時(shí)采集，可隨時(shí)獲取數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)時(shí)，首先由計(jì)算機(jī)輸出指令到控制器，控制器分別輸出一路信號(hào)到水壓加載裝置的壓力傳動(dòng)器，輸出一路信號(hào)到反壓加載裝置的反壓傳動(dòng)器，壓力傳動(dòng)器推動(dòng)水壓加載裝置的水壓加載器，儲(chǔ)水箱里的水在一定的壓力作用下流入剪切盒進(jìn)水口，通過巖石節(jié)理面從出水口流出，經(jīng)反壓加載裝置，流向集水箱，同時(shí)，反壓加載裝置的反壓傳動(dòng)器，推動(dòng)反壓加載器，產(chǎn)生一定的反壓，使得進(jìn)水口和出水口的壓差保持一定數(shù)值；根據(jù)試驗(yàn)要求，可分別實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法加載；當(dāng)不需使用反壓加載裝置時(shí)，可將反壓數(shù)值設(shè)為0將其屏蔽；在水壓加載裝置和剪切盒進(jìn)水口之間安裝第一液壓傳感器，在剪切盒出水口和反壓加載器之間也安裝第二液壓傳感器，用于測(cè)量試驗(yàn)過程中的加載的水壓和反壓，并與控制器連接，控制器與計(jì)算機(jī)相連接，隨時(shí)獲取數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整，控制水壓，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；出水口處的集水箱為一密閉容器，該集水箱有一個(gè)有開關(guān)控制的出口，通往儲(chǔ)水箱，可以根據(jù)試驗(yàn)情況和試驗(yàn)要求控制。
可以通過進(jìn)水流量和出水流量的對(duì)比來檢查本裝置是否有滲漏。
試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量測(cè)量裝置試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置為現(xiàn)有技術(shù)，如圖4所示，包括一法向試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置和一切向試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置。
法向試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置包括法向控制器、法向油缸、法向加載頭、法向負(fù)荷傳感器、兩個(gè)法向變形傳感器和法向位移傳感器。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到法向控制器，法向控制器控制油缸的移動(dòng)進(jìn)行加載和卸載，荷載通過加載頭作用在剪切盒上；在加載或卸載的同時(shí)，附著在加載頭上的法向變形傳感器和法向負(fù)荷傳感器測(cè)出法向變形和負(fù)荷的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到法向控制器，以檢驗(yàn)和校核加載的數(shù)值；在加載或卸載的同時(shí)，將法向位移傳感器固定在剪切盒上，測(cè)量法向位移；試驗(yàn)過程中測(cè)得的數(shù)據(jù)通過控制器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
切向試驗(yàn)力及位移測(cè)量裝置包括切向控制器、切向油缸、切向加載頭、切向負(fù)荷傳感器、兩個(gè)切向變形傳感器和切向位移傳感器。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到切向控制器，切向控制器控制油缸的移動(dòng)進(jìn)行加載和卸載，荷載通過加載頭作用在剪切盒上；在加載或卸載的同時(shí)，附著在加載頭上的切向變形傳感器和切向負(fù)荷傳感器測(cè)出切向變形和負(fù)荷的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到切向控制器，以檢驗(yàn)和校核加載的謬誤；在加載或卸載的同時(shí)，將切向位移傳感器固定在剪切盒上，測(cè)量切向位移；試驗(yàn)過程中測(cè)得的數(shù)據(jù)通過控制器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
所述的試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置，由計(jì)算機(jī)伺服控制；所述的水平位移測(cè)量裝置測(cè)量出的位移由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。
張開度測(cè)量裝置張開度的變化，反應(yīng)在試驗(yàn)中，指的是上下兩節(jié)理面相對(duì)距離的變化，由于剪切盒是完全密封的，試驗(yàn)過程中的張開度無法直接測(cè)得，要用引伸計(jì)將位移引出。將引伸計(jì)安裝在上下剪切盒壁上，測(cè)量引伸計(jì)沿節(jié)理面法向的相對(duì)位移，由于剪切盒為剛性，故引伸計(jì)即為節(jié)理面平均張開度的變化值?？紤]節(jié)理面的不規(guī)則性，試件在剪切過程中，不同位置會(huì)出現(xiàn)不同程度的位移，如滑移、爬坡、翻轉(zhuǎn)等，故可以在剪切盒的四個(gè)角分別設(shè)置引伸計(jì)7，張開度變化取四角的平均值。見圖4。
將引伸計(jì)用磁性表座8固定在上、下剪切盒壁板上，測(cè)量?jī)纱判员碜g的相對(duì)位移即可獲得兩節(jié)理面的張開度變化。
巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)的具體步驟如下(1)在密封剪切盒內(nèi)安裝巖石節(jié)理試件；(2)試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量，采用法向試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置和切向試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置，分別對(duì)剪切盒進(jìn)行加載并測(cè)量法向位移和切向位移，并將結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到計(jì)算機(jī)。
(3)使用引伸計(jì)測(cè)量試驗(yàn)過程中上下節(jié)理面之間張開度的變化，引伸計(jì)安裝在剪切盒的四個(gè)角處，引伸計(jì)與計(jì)算機(jī)連接，可將結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
(4)用滲流檢測(cè)裝置控制水壓并測(cè)量水的流量。
使用本發(fā)明，可以在巖石節(jié)理剪切的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剪切-滲流耦合試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中可以任意改變豎向力、水平力、水壓值，并測(cè)量張開度、剪切位移和流量變化；試驗(yàn)過程中，水流可以模擬自然流動(dòng)狀態(tài)，因此，獲得的試驗(yàn)結(jié)果更能真實(shí)有效地用于指導(dǎo)實(shí)際工程。同時(shí)，使用本系統(tǒng)，一次獲得所需數(shù)據(jù)，無需多套設(shè)備，降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間和后期數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，提高了工作效率，操作更人性化。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明性而非限制性的描述，但應(yīng)理解，在不脫離由權(quán)利要求所限定的相關(guān)保護(hù)范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以做出變更和/或修改。
權(quán)利要求
1.一種巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一剪切盒，一試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置，一張開度測(cè)量裝置和一計(jì)算機(jī)，所述剪切盒有一進(jìn)水通道和一出水通道，其特征在于，還包括一滲流檢測(cè)裝置，該滲流檢測(cè)裝置包括一進(jìn)水裝置和一出水流量測(cè)量裝置，該進(jìn)水裝置聯(lián)通剪切盒的進(jìn)水通道的進(jìn)水口，出水流量測(cè)量裝置聯(lián)通剪切盒的出水通道的出水口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述出水流量測(cè)量裝置包括一集水箱、一第二流量計(jì)；第二流量計(jì)連接在剪切盒的出水口和集水箱之間，第二流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述出水流量測(cè)量裝置還包括一反壓加載裝置、一第二液壓傳感器和一控制器，第二液壓傳感器安裝在出水管上，與控制器電連接，控制器與反壓加載裝置電連接，控制出水管的出水壓力，保證進(jìn)水管與出水管的壓力差；反壓加載裝置安裝在第二流量計(jì)和第二液壓傳感器之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述出水流量測(cè)量裝置還包括一壓力感應(yīng)器，壓力感應(yīng)器安裝在第二流量計(jì)和集水箱之間，與計(jì)算機(jī)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)水裝置包括一儲(chǔ)水箱、一水壓加載裝置、一第一液壓傳感器；第一液壓傳感器安裝在進(jìn)水管上，與控制器電連接，水壓加載裝置安裝在第一液壓傳感器和儲(chǔ)水箱之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)水裝置包括一儲(chǔ)水箱、一水壓加載裝置、一第一液壓傳感器；第一液壓傳感器安裝在進(jìn)水管上，與控制器電連接，水壓加載裝置安裝在第一液壓傳感器和儲(chǔ)水箱之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)水裝置還包括一第一流量計(jì)，第一流量計(jì)安裝在儲(chǔ)水箱和水壓加載裝置之間，第一流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)水裝置還包括一第一流量計(jì)，第一流量計(jì)安裝在儲(chǔ)水箱和水壓加載裝置之間，第一流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述出水流量測(cè)量裝置的集水箱為一密閉容器，該集水箱有一個(gè)有開關(guān)控制的出口，通往進(jìn)水裝置的儲(chǔ)水箱。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述出水流量測(cè)量裝置的集水箱為一密閉容器，該集水箱有一個(gè)有開關(guān)控制的出口，通往進(jìn)水裝置的儲(chǔ)水箱。
全文摘要
一種巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一剪切盒、一試驗(yàn)力加載及位移測(cè)量裝置、一張開度測(cè)量裝置和一計(jì)算機(jī)，所述剪切盒有一進(jìn)水通道和一出水通道，其特征在于，還包括一滲流檢測(cè)裝置，該滲流檢測(cè)裝置包括一進(jìn)水裝置和一出水流量測(cè)量裝置，該進(jìn)水裝置聯(lián)通剪切盒的進(jìn)水通道的進(jìn)水口，出水流量測(cè)量裝置聯(lián)通剪切盒的出水通道的出水口。使用本發(fā)明進(jìn)行巖石節(jié)理剪切—滲流耦合試驗(yàn)，可以任意改變切向力、法向力和水壓的數(shù)值大小和變化方式，同時(shí)獲得張開度變化、切向位移和流量大小，所獲得的數(shù)據(jù)更能真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)，數(shù)據(jù)更真實(shí)。同時(shí)，無需多套設(shè)備，使試驗(yàn)設(shè)備的成本降低，大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間和后期數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，提高了工作效率。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101059495SQ20071004045
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日
發(fā)明者夏才初, 王偉, 蔡永昌, 趙旭, 李宏哲, 杜良平 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)