一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)及方法，屬于一種巖土、地質(zhì)的裂隙巖體或者孔隙介質(zhì)滲流的測試系統(tǒng)及方法。分為滲流實驗裝置、應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分；滲流實驗裝置可裝載方形裂隙巖體或預(yù)制混凝土裂隙試樣，并由水泵提供動力構(gòu)成測試循環(huán)滲流通路，滲流實驗裝置連接的進、出水管上設(shè)有控制閥門、蓄能器、過濾裝置、壓力和流量傳感器；應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)裝配有油泵驅(qū)動的液壓油缸和梯形絲桿，液壓油缸和梯形絲桿配以壓力及位移傳感器可實現(xiàn)壓力與位移的精確調(diào)節(jié)及控制，通過法蘭軸承、圓柱銷、小鋼珠構(gòu)成互不相關(guān)的三自由度滑動系統(tǒng)使加載不受摩擦等不利因素的干擾；實驗過程中得到的所有數(shù)據(jù)均被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集并記錄。
【專利說明】一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)及方法，特別適用于巖土、地質(zhì)的裂隙巖體或者孔隙介質(zhì)滲流的測試系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]地下裂隙或者孔隙巖體的滲流特性對地下工程的設(shè)計和安全運行具有重要的影響。在自然條件下，含裂隙或孔隙巖土體的滲透特性與地下應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)。有研究表明，裂隙寬度的微小改變將引起裂隙滲流量的巨大變化，裂隙開度受裂隙面上的應(yīng)力控制。滲透壓力也可以影響裂隙面的有效應(yīng)力，為準(zhǔn)確分析含裂隙或孔隙巖體的滲流問題，需要考慮應(yīng)力與滲流的耦合作用。目前，應(yīng)力對裂隙或孔隙巖土體滲透特性的影響尚需進行深入研究。現(xiàn)有儀器設(shè)備不具備長時間高滲透率、加載與滲流同時進行以及雙向加載互不影響的特點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有儀器設(shè)備不具備長時間高滲透率、加載與滲流同時進行以及雙向加載互不影響的問題。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，包括:滲流實驗裝置、應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)連接，滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)的電控數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到電控數(shù)據(jù)對滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)進行控制。
[0005]所述的滲流實驗裝置包括:過濾閥、電動試壓泵、溢流閥、換向閥、限流閥、蓄能器、流量傳感器、壓力傳感器、截止閥、貯水箱、水管、滲透儀裝置、濾液閥和拓展接口 ；過濾閥、電動試壓泵、換向閥、限流閥和流量傳感器順序連接，并連接有二個截止閥，一個截止閥連接到貯水箱內(nèi)，一個截止閥與水管連接，在電動試壓泵和換向閥之間通過溢流閥連接至水池內(nèi)，在流量傳感器兩端或者在限流閥和儲水箱之間的管道上連接有蓄能器和壓力傳感器，水管的另一端連接二個截止閥，一截止閥與貯水箱的底部連接，一個截止閥與滲透儀裝置的上入口連接，在該截止閥上還通截止閥并聯(lián)有拓展接口，滲透儀裝置的下出口通過濾液閥連接至水池內(nèi)。
[0006]所述的滲透儀裝置包括:滲透儀上壓頭、梯形墊塊、PVC密封帶、帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭和彈性墊塊；滲透儀裝置的下端到上端依次為帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭、梯形墊塊、彈性墊塊、裂隙試樣、彈性墊塊、梯形墊塊、滲透儀上壓頭，裂隙試樣兩端的梯形墊塊與彈性墊塊關(guān)于裂隙試樣反對稱放置；用PVC密封帶把滲透儀的所有裝置密封連接。
[0007]所述的裂隙試樣為橫截面為正方形的長方體多孔介質(zhì)或相似模擬試樣。
[0008]通過電動試壓泵和貯水箱設(shè)備提供滲流水源，利用限流閥、溢流閥、換向閥以及壓力與流量傳感器調(diào)節(jié)滲透壓力及流量。
[0009]所述的應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)包括:手動試壓泵、液壓油泵、液壓油管、側(cè)向液壓加載裝置、側(cè)壓反力架、軸壓反力架、帶壓頭和手輪的梯形螺桿、液壓加載裝置、位移傳感器、液壓油缸、球形壓頭支座、球形壓頭、平壓板、圓柱銷、小鋼球、法蘭軸承、直線光軸和側(cè)壓支架；在軸壓反力架下底板上還連接有側(cè)壓支架，在側(cè)壓支架上固定有直線光軸，側(cè)向液壓加載裝置通過法蘭軸承連接在直線光軸上；手動試壓泵和液壓油泵并聯(lián)，分別通過換向閥、液壓油管與應(yīng)力和位移加載裝置連接，在液壓油管上連接有蓄能器、壓力傳感器和液壓油缸；側(cè)向液壓油缸外殼固定在側(cè)壓反力架一端底板，受液壓油缸控制的球形壓頭支座順序連接有球形壓頭、圓柱銷和平壓板，在側(cè)壓反力架另一端底板順序連接圓柱銷和平壓板，在二平壓板間為滲透儀裝置；在球形壓頭支座和側(cè)壓反力架另一端底板之間連接有位移傳感器；滲透儀裝置的滲透儀下壓頭通過小鋼球與帶壓頭和手輪的梯形螺桿連接；側(cè)向液壓加載裝置包括:液壓油缸和球形壓頭支座，液壓油缸和球形壓頭支座順序連接；平壓板在圓柱銷上沿軸向加載方向滑動，小鋼球在淺凹槽內(nèi)自由滑動，法蘭軸承沿直線光軸滑動，共同組成互不相關(guān)三自由度滑動系統(tǒng)。
[0010]所述的側(cè)向液壓加載裝置通過法蘭軸承、直線光軸和側(cè)壓支架與軸向位移加載系統(tǒng)固定在一起形成共同的加載空間，側(cè)向液壓加載裝置隨法蘭軸承在直線光軸上滑動；滲透儀裝置放置在共同加載空間內(nèi)，滲透儀上壓頭固定在軸向反力架上底板；側(cè)向液壓加載裝置由液壓油泵和手動試壓泵提供液壓源，側(cè)向壓力從液壓油缸依次通過球形壓頭支座、球形壓頭、圓柱銷、平壓板傳遞到滲透儀裝置側(cè)面，軸向位移通過梯形螺桿上的壓頭和小鋼球施加在帶有圓形淺凹槽滲透儀下壓頭上。
[0011]所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:電源、電線、數(shù)據(jù)采集儀、RS485數(shù)據(jù)線和PC上位機；流量傳感器、壓力傳感器和位移傳感器通過電線與數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀通過RS485數(shù)據(jù)線與PC上位機連接；電源通過電線給傳感器和數(shù)據(jù)采集儀供電；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過接線板和快速接頭將電源、數(shù)據(jù)采集儀或模擬量采集卡集成于同一電箱，通過屏蔽線與傳感器及上位機相連，實現(xiàn)實驗過程中壓力、位移和流量等數(shù)據(jù)的實時關(guān)聯(lián)顯示、采集和記錄。
[0012]測試方法:
用PVC膠帶密封好滲透儀裝置并固定在側(cè)向與軸向加載系統(tǒng)共有的空間內(nèi)正確連接滲流實驗裝置管路，連接好傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源進行實時數(shù)據(jù)顯不、米集和記錄；
開啟滲流實驗裝置中的電動試壓泵，打開截止閥，首先檢查滲透儀裝置和整個滲流回路是否密封良好；如發(fā)現(xiàn)滲透儀裝置、閥門、水管或者傳感器接口有漏水現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)立即停止供水，重新密封漏水部位；
密封測試完成后即可進行裂隙試樣滲透性實驗，調(diào)節(jié)滲流回路中的溢流閥或限流閥，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄每次滲流穩(wěn)定時的流量和滲透壓力數(shù)據(jù)，得到裂隙試樣在一定側(cè)壓力情況下的流量和滲透壓力關(guān)系；
通過溢流閥或限流閥調(diào)定裂隙試樣的滲透壓力，調(diào)節(jié)位移加載系統(tǒng)對裂隙試樣施加不同軸向壓力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄對應(yīng)每種軸向壓力的流量和滲透壓力，得到軸向壓力對裂隙試樣滲透特性的影響規(guī)律；
通過溢流閥或限流閥調(diào)定裂隙試樣的滲透壓力，通過應(yīng)力加載系統(tǒng)的溢流閥調(diào)定裂隙試樣受到的側(cè)向壓力，利用帶壓頭和手輪的梯形螺桿對滲透儀裝置施加一定的軸向位移，在梯形墊塊和彈性墊塊的作用下，裂隙試樣兩個裂隙面之間發(fā)生剪切滑動，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄對應(yīng)每種剪切位移的流量和滲透壓力，得到剪切位移對裂隙試樣滲透特性的影響規(guī)律；
完成后，首先關(guān)閉水源及液壓源，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后將滲透儀裝置從應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)的測試空間中取出，打開滲透儀裝置并取出裂隙試樣，拍照記錄試樣滲流測試后的變形或破壞特征。
[0013]有益效果:由于采用了上述方案，本發(fā)明不僅能測量現(xiàn)有巖土體滲流實驗所需的各種數(shù)據(jù)，尤其能進行應(yīng)力、變形和滲流特性的耦合特性測試，為應(yīng)力對含裂隙或孔隙巖土體滲流特性的影響以及滲流與應(yīng)力耦合特性的深入研究提供了一種有效的測試手段。
[0014]其有益效果具體體現(xiàn)在:
1.本實驗系統(tǒng)不僅可進行排水和不排水條件下應(yīng)力與滲流耦合特性的測試，在滲透性測試進行的同時，改變裂隙試樣的應(yīng)力狀態(tài)，研究應(yīng)力動態(tài)變化對巖土體滲透特性的影響。
[0015]2.本實驗系統(tǒng)采用混凝土預(yù)制裂隙試樣或天然裂隙試樣，根據(jù)研究的問題的不同，制作相應(yīng)幾何尺寸或空間分布的裂隙，彌補現(xiàn)有含裂隙巖土體滲透性測試的不足。
[0016]3.在預(yù)制裂隙試樣的裂隙空間之中預(yù)先加入顆?；蚋鞣N多孔介質(zhì)材料，研究充填裂隙滲流與應(yīng)力的耦合特征。
[0017]4.應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)配備的球形側(cè)向壓頭與圓柱銷有利于消除由裂隙面法向壓力分布不均勻而造成的測試結(jié)果偏差，軸向壓頭與滲透儀之間的小剛球有利于消除帶壓頭和手輪的梯形螺桿轉(zhuǎn)動對滲透儀的影響。
[0018]5.當(dāng)需測試氣體滲透特性時，實驗系統(tǒng)滲流測試部分的管路和接頭更換為氣體軟管和氣動接頭，滿足氣體滲透性及應(yīng)力滲流耦合特性的測試。
[0019]6.本實驗系統(tǒng)將水源和氣源同時接入滲透測試管路，有效測試裂隙試樣氣、液兩相滲流與應(yīng)力的耦合特性。
[0020]7.本實驗系統(tǒng)在滲流實驗進行時，通過調(diào)節(jié)液壓油泵和手動試壓泵精確加載實現(xiàn)應(yīng)力加載與滲流同時進行；通過調(diào)節(jié)帶壓頭和手輪的梯形螺桿改變裂隙巖體沿裂隙方向的位移，實現(xiàn)邊剪邊滲。
[0021]8.本實驗系統(tǒng)相對于MTS系列電液伺服巖石試驗系統(tǒng)等，不受滲流介質(zhì)體積的限制，具有長時間實驗的能力，尤其適用于高滲透率實驗。
[0022]9.本實驗系統(tǒng)采用相對獨立的側(cè)向與軸向加載系統(tǒng)，試驗時改變加載相互之間不會產(chǎn)生影響，不受加載裝置的干擾。
[0023]10相對于現(xiàn)有的含裂隙或孔隙巖土體滲流測試系統(tǒng)，本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，規(guī)模小，經(jīng)濟，便于拆解、搬運、裝配和維修，尤其方便開展二次開發(fā)和利用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明的滲透儀裝置主視剖面圖。
[0026]圖3是本發(fā)明的應(yīng)力和位移加載裝置主視剖面圖。
[0027]圖中:1-1、過濾閥；1-2、電動試壓泵；1_3、溢流閥；1_4、換向閥；1_5、限流閥；1-6、蓄能器；1_7、流量傳感器；1_8、壓力傳感器；1_9、截止閥；1-10、貯水箱；1_11、水管；
1-12、滲透儀裝置；1_13、濾液閥；1_14、滲透儀上壓頭；1_15、梯形墊塊；1_16、PVC密封帶；1_17、帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭；1_18、彈性墊塊；1_19、裂隙試樣；1_20、拓展接口 ；2-1、手動試壓泵；2-2、液壓油泵；2-3、液壓油管；2-4、側(cè)向液壓加載裝置；2_5、側(cè)壓反力架；2-6、軸壓反力架；2-7、帶壓頭和手輪的梯形螺桿；2-8、液壓加載裝置；2-9、位移傳感器；2-10、液壓油缸；2-11、球形壓頭支座；2-12、球形壓頭；2-13、平壓板；2_14、圓柱銷；
2-15、小鋼球；2-16、法蘭軸承；2-17、直線光軸；2_18、側(cè)壓支架；2_19、軸壓反力架下頂板；3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3-1、電線；3-2、RS485數(shù)據(jù)線；3_3、PC上位機。

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實例作進一步的描述:
測試系統(tǒng)包括:滲流實驗裝置、應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)連接，滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)的電控數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到電控數(shù)據(jù)對滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)進行控制。
[0029]所述的滲流實驗裝置包括:過濾閥1-1、電動試壓泵1-2、溢流閥1-3、換向閥1_4、限流閥1-5、蓄能器1-6、流量傳感器1-7、壓力傳感器1-8、截止閥1-9、貯水箱1_10、水管1-11、滲透儀裝置1-12、濾液閥1-13和拓展接口 1-20 ;過濾閥1-1、電動試壓泵1-2、換向閥1-4、限流閥1-5和流量傳感器1-7順序連接，并連接有二個截止閥1-9，一個截止閥連接到貯水箱1-10內(nèi)，一個截止閥與水管1-11連接，在電動試壓泵1-2和換向閥1-4之間通過溢流閥1-3連接至水池內(nèi)，在流量傳感器1-7兩端或者在限流閥1-5和儲水箱1-10之間的管道上連接有蓄能器1-6和壓力傳感器1-8，水管1-11的另一端連接二個截止閥，一截止閥與貯水箱1-10的底部連接，一個截止閥與滲透儀裝置1-12的上入口連接，在該截止閥上還通截止閥并聯(lián)有拓展接口 1-20，滲透儀裝置1-12的下出口通過濾液閥1-13連接至水池內(nèi)；
所述的滲透儀裝置1-12包括:滲透儀上壓頭1-14、梯形墊塊1_15、PVC密封帶1_16、帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭1-17和彈性墊塊1-18 ;滲透儀裝置的下端到上端依次為帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭1-17、梯形墊塊1-15、彈性墊塊1-18、裂隙試樣1-19、彈性墊塊1-18、梯形墊塊1-15、滲透儀上壓頭1-14，裂隙試樣1-19兩端的梯形墊塊1_15與彈性墊塊1-18關(guān)于裂隙試樣1-19反對稱放置；用PVC密封帶1-16把滲透儀的所有裝置密封連接完成滲透儀裝置的裝配。
[0030]通過電動試壓泵1-2和貯水箱1-10設(shè)備提供滲流水源，利用限流閥1-5、溢流閥
1-3、換向閥1-4以及壓力與流量傳感器調(diào)節(jié)滲透壓力及流量。
[0031]所述的裂隙試樣為橫截面為正方形的長方體多孔介質(zhì)或相似模擬試樣。
[0032]所述的應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)包括:手動試壓泵2-1、液壓油泵2-2、液壓油管2-3、側(cè)向液壓加載裝置2-4、側(cè)壓反力架2-5、軸壓反力架2-6、帶壓頭和手輪的梯形螺桿2-7、液壓加載裝置2-8、位移傳感器2-9、液壓油缸2-10、球形壓頭支座2-11、球形壓頭2_12、平壓板2-13、圓柱銷2-14、小鋼球2-15、法蘭軸承2-16、直線光軸2-17和側(cè)壓支架2-18 ;在軸壓反力架下底板2-19上還連接有側(cè)壓支架2-18，在側(cè)壓支架2-18上固定有直線光軸2_17，側(cè)向液壓加載裝置2-4通過法蘭軸承2-16連接在直線光軸2-17上；手動試壓泵2_1和液壓油泵2-2并聯(lián)，分別通過換向閥1-4、液壓油管2-3與應(yīng)力和位移加載裝置連接，在液壓油管2-3上連接有蓄能器、壓力傳感器1-8和液壓油缸2-10 ;側(cè)向液壓油缸2-8外殼固定在側(cè)壓反力架2-5 —端底板，受液壓油缸2-8控制的球形壓頭支座2-11順序連接有球形壓頭
2-12、圓柱銷2-14和平壓板2-13，在側(cè)壓反力架2_5另一端底板順序連接圓柱銷2_14和平壓板2-13，在二平壓板2-13間為滲透儀裝置1-12 ;在球形壓頭支座2_11和側(cè)壓反力架2_5另一端底板之間連接有位移傳感器2-9 ;滲透儀裝置的滲透儀下壓頭1-17通過小鋼球2-15與帶壓頭和手輪的梯形螺桿2-7連接；液壓加載裝置2-8包括:液壓油缸2-10和球形壓頭支座2-11，液壓油缸2-10和球形壓頭支座2-11順序連接。平壓板2-13在圓柱銷2_14上沿軸向加載方向滑動，小鋼球2-15在淺凹槽內(nèi)自由滑動，法蘭軸承2-16沿直線光軸2-17滑動，共同組成互不相關(guān)三自由度滑動系統(tǒng)。
[0033]所述的側(cè)向液壓加載裝置通過法蘭軸承2-16與側(cè)向支架2-18和軸向位移加載系統(tǒng)固定在一起形成共同的加載空間，側(cè)向液壓加載裝置隨法蘭軸承2-16在直線光軸2-17上滑動；法蘭軸承2-16、圓柱銷2-14、小鋼球2-15構(gòu)成了加載系統(tǒng)互不相關(guān)三自由度滑動。滲透儀裝置1-12放置在共同加載空間內(nèi)，滲透儀上壓頭1-14固定在軸向反力架上底板；側(cè)向應(yīng)力加載裝置由液壓油泵2-2和手動試壓泵2-1提供液壓源，側(cè)向壓力從液壓油缸2-10依次通過球形壓頭支座2-11、球形壓頭2-12、圓柱銷2-14、平壓板2_13傳遞到滲透儀裝置1-12側(cè)面，使得側(cè)向應(yīng)力始終均勻加載到裂隙試樣1-19側(cè)面，不受側(cè)向加載裝置2-4的影響。軸向位移通過梯形螺桿上的壓頭和小鋼球2-15施加在帶有圓形淺凹槽滲透儀下壓頭1-17上，使得滲透儀裝置1-12位置形狀不受軸向位移加載的影響。
[0034]所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:電源、電線3-1、數(shù)據(jù)采集儀、RS485數(shù)據(jù)線3_2和PC上位機3-3 ;流量傳感器1-7、壓力傳感器1-8和位移傳感器2-9通過電線3_1與數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀通過RS485數(shù)據(jù)線3-2與PC上位機3-3連接；電源通過電線3_1給傳感器和數(shù)據(jù)采集儀供電；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過接線板和快速接頭將電源、數(shù)據(jù)采集儀或模擬量采集卡集成于同一電箱，通過屏蔽線與傳感器及上位機相連，實現(xiàn)實驗過程中壓力、位移和流量等數(shù)據(jù)的實時關(guān)聯(lián)顯示、采集和記錄。
[0035]測試方法:
用PVC膠帶1-16密封好滲透儀裝置1-12，將滲透儀裝置1-12接入軸壓反力架2_6和側(cè)壓反力架2-5加載空間之中，正確連接滲流實驗裝置管路，連接好傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3的電源進行實時數(shù)據(jù)顯示、采集和記錄；滲透儀上壓頭固定在軸向反力架上底板上，連接和裝配應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)管路，通過換向閥選定手動試壓泵2-1以調(diào)節(jié)側(cè)向球形壓頭位置2-12，使平壓板2-13與滲透儀1-12側(cè)面相接觸，調(diào)節(jié)帶壓頭和手輪的梯形螺桿2-7，使?jié)B透儀裝置下壓頭1-17抵住梯形螺桿所帶的軸向壓頭。
[0036]開啟滲流實驗裝置中的電動試壓泵1-2，打開截止閥，首先檢查滲透儀裝置和整個滲流回路是否密封良好；如發(fā)現(xiàn)滲透儀裝置1-12、閥門、水管1-11或者傳感器接口有漏水現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)立即停止供水，重新密封漏水部位；
密封測試完成后即可進行裂隙試樣1-19滲透性實驗，調(diào)節(jié)滲流回路中的溢流閥1-3或限流閥1-5，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3記錄每次滲流穩(wěn)定時的流量和滲透壓力數(shù)據(jù)，得到裂隙試樣1-19在一定側(cè)壓力情況下的流量和滲透壓力關(guān)系； 通過溢流閥1-3或限流閥1-5調(diào)定裂隙試樣1-19的滲透壓力，調(diào)節(jié)位移加載系統(tǒng)對裂隙試樣施加不同軸向壓力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3記錄對應(yīng)每種軸向壓力的流量和滲透壓力，得到軸向壓力對裂隙試樣1-19滲透特性的影響規(guī)律；
通過溢流閥1-3或限流閥1-5調(diào)定裂隙試樣1-19的滲透壓力，通過應(yīng)力加載系統(tǒng)的溢流閥調(diào)定裂隙試樣受到的側(cè)向壓力，利用帶壓頭和手輪的梯形螺桿2-7對滲透儀裝置1-12施加一定的軸向位移，在梯形墊塊1-15和彈性墊塊1-18的作用下，裂隙試樣1-19兩個裂隙面之間發(fā)生剪切滑動，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3記錄對應(yīng)每種剪切位移的流量和滲透壓力，得到剪切位移對裂隙試樣1-19滲透特性的影響規(guī)律；
完成后，首先關(guān)閉水源及液壓源，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3，然后將滲透儀裝置1-12從應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)的測試空間中取出，打開滲透儀裝置1-12并取出裂隙試樣1-19，拍照記錄試樣滲流測試后的變形或破壞特征。
【權(quán)利要求】
1.一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:測試系統(tǒng)包括:滲流實驗裝置、應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)連接，滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)的電控數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到電控數(shù)據(jù)對滲流實驗裝置與應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的滲流實驗裝置包括:過濾閥、電動試壓泵、溢流閥、換向閥、限流閥、蓄能器、流量傳感器、壓力傳感器、截止閥、貯水箱、水管、滲透儀裝置、濾液閥和拓展接口 ；過濾閥、電動試壓泵、換向閥、限流閥和流量傳感器順序連接，并連接有二個截止閥，一個截止閥連接到貯水箱內(nèi)，一個截止閥與水管連接，在電動試壓泵和換向閥之間通過溢流閥連接至水池內(nèi)，在流量傳感器兩端或者在限流閥和儲水箱之間的管道上連接有蓄能器和壓力傳感器，水管的另一端連接二個截止閥，一截止閥與貯水箱的底部連接，一個截止閥與滲透儀裝置的上入口連接，在該截止閥上還通截止閥并聯(lián)有拓展接口，滲透儀裝置的下出口通過濾液閥連接至水池內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的滲透儀裝置包括:滲透儀上壓頭、梯形墊塊、PVC密封帶、帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭和彈性墊塊；滲透儀裝置的下端到上端依次為帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭、梯形墊塊、彈性墊塊、裂隙試樣、彈性墊塊、梯形墊塊、滲透儀上壓頭，裂隙試樣兩端的梯形墊塊與彈性墊塊關(guān)于裂隙試樣反對稱放置；用PVC密封帶把滲透儀的所有裝置密封連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的裂隙試樣為橫截面為正方形的長方體多孔介質(zhì)或相似模擬試樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)包括:手動試壓泵、液壓油泵、液壓油管、側(cè)向液壓加載裝置、側(cè)壓反力架、軸壓反力架、帶壓頭和手輪的梯形螺桿、液壓加載裝置、位移傳感器、液壓油缸、球形壓頭支座、球形壓頭、平壓板、圓柱銷、小鋼球、法蘭軸承、直線光軸和側(cè)壓支架；在軸壓反力架下底板上還連接有側(cè)壓支架，在側(cè)壓支架上固定有直線光軸，側(cè)向液壓加載裝置通過法蘭軸承連接在直線光軸上；手動試壓泵和液壓油泵并聯(lián)，分別通過換向閥、液壓油管和應(yīng)力與位移加載裝置連接，在液壓油管上連接有蓄能器、壓力傳感器和液壓油缸；側(cè)向液壓油缸外殼固定在側(cè)壓反力架一端底板，受液壓油缸控制的球形壓頭支座順序連接有球形壓頭、圓柱銷和平壓板，在側(cè)壓反力架另一端底板順序連接圓柱銷和平壓板，在二平壓板間為滲透儀裝置；在球形壓頭支座和側(cè)壓反力架另一端底板之間連接有位移傳感器；滲透儀裝置的滲透儀下壓頭通過小鋼球與帶壓頭和手輪的梯形螺桿連接；液壓加載裝置包括:液壓油缸和球形壓頭支座順序連接；平壓板在圓柱銷上沿軸向加載方向滑動，小鋼球在淺凹槽內(nèi)自由滑動，法蘭軸承沿直線光軸滑動，共同組成互不相關(guān)三自由度滑動系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的側(cè)向液壓加載裝置通過法蘭軸承、直線光軸和側(cè)壓支架與軸向位移加載系統(tǒng)固定在一起形成共同的加載空間，側(cè)向液壓加載裝置隨法蘭軸承在直線光軸上滑動；滲透儀裝置放置在共同加載空間內(nèi)，滲透儀上壓頭固定在軸向反力架上底板；側(cè)向液壓加載裝置由液壓油泵和手動試壓泵提供液壓源，側(cè)向壓力從液壓油缸依次通過球形壓頭支座、球形壓頭、圓柱銷、平壓板傳遞到滲透儀裝置側(cè)面，軸向位移通過梯形螺桿上的壓頭和小鋼球施加在帶有圓形淺凹槽滲透儀下壓頭上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:電源、電線、數(shù)據(jù)采集儀、RS485數(shù)據(jù)線和PC上位機；流量傳感器、壓力傳感器和位移傳感器通過電線與數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀通過RS485數(shù)據(jù)線與PC上位機連接；電源通過電線給傳感器和數(shù)據(jù)采集儀供電；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過接線板和快速接頭將電源、數(shù)據(jù)采集儀或模擬量采集卡集成于同一電箱，通過屏蔽線與傳感器及上位機相連，實現(xiàn)實驗過程中壓力、位移和流量等數(shù)據(jù)的實時關(guān)聯(lián)顯示、采集和記錄。
8.一種利用權(quán)利要求1所述的裂隙巖體應(yīng)力與滲流耦合測試系統(tǒng)的方法，其特征是:測試方法包括: 用PVC膠帶密封好滲透儀裝置并固定在側(cè)向與軸向加載系統(tǒng)共有的空間內(nèi)，正確連接滲流實驗裝置管路，連接好傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源進行實時數(shù)據(jù)顯不、米集和記錄； 開啟滲流實驗裝置中的電動試壓泵，打開截止閥，首先檢查滲透儀裝置和整個滲流回路是否密封良好；如發(fā)現(xiàn)滲透儀裝置、閥門、水管或者傳感器接口有漏水現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)立即停止供水，重新密封漏水部位； 密封測試完成后即可進行裂隙試樣滲透性實驗，調(diào)節(jié)滲流回路中的溢流閥或限流閥，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄每次滲流穩(wěn)定時的流量和滲透壓力數(shù)據(jù)，得到裂隙試樣在一定側(cè)壓力情況下的流量和滲透壓力關(guān)系； 通過溢流閥或限流閥調(diào)定裂隙試樣的滲透壓力，調(diào)節(jié)位移加載系統(tǒng)對裂隙試樣施加不同軸向壓力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄對應(yīng)每種軸向壓力的流量和滲透壓力，得到軸向壓力對裂隙試樣滲透特性的影響規(guī)律； 通過溢流閥或限流閥調(diào)定裂隙試樣的滲透壓力，通過應(yīng)力加載系統(tǒng)的溢流閥調(diào)定裂隙試樣受到的側(cè)向壓力，利用帶壓頭和手輪的梯形螺桿對滲透儀裝置施加一定的軸向位移，在梯形墊塊和彈性墊塊的作用下，裂隙試樣兩個裂隙面之間發(fā)生剪切滑動，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄對應(yīng)每種剪切位移的流量和滲透壓力，得到剪切位移對裂隙試樣滲透特性的影響規(guī)律； 完成后，首先關(guān)閉水源及液壓源，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后將滲透儀裝置從應(yīng)力和位移加載系統(tǒng)的測試空間中取出，打開滲透儀裝置并取出裂隙試樣，拍照記錄試樣滲流測試后的變形或破壞特征。
【文檔編號】G01N15/08GK104316447SQ201410588213
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】劉衛(wèi)群, 宋良, 桑盛, 梁浩楠, 李玉壽, 馬天然, 移崢峰 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)