二維巖石試樣滲流試驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程測量儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種二維巖石試樣滲流試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著能源開采、核廢料處理、水利工程以及地下空間的利用等大型工程的大量興建，巖石滲流問題日益得到關(guān)注，在礦山開采、水利水電、隧道、邊坡加固等巖土工程中，裂隙滲流對巖體工程的穩(wěn)定性有著重要影響。一方面巖體裂隙是導(dǎo)致地下工程水害的重要原因之一，另一方面裂隙的存在也大大降低了巖體強度。眾所周知，因為水的可壓縮性很小，容易傳遞壓力，含水孔隙中的流體壓力會改變巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。但是，巖體的形變性質(zhì)與流體的形變性質(zhì)有明顯的差別，所以流體壓力所造成的應(yīng)力場的改變，以及流動的地下水動態(tài)性質(zhì)所造成的流體應(yīng)力的連續(xù)變化，都對地質(zhì)體的形變特性起不可忽視的影響。因此，研究裂隙巖體的破裂機理和強度特性將對水電工程地質(zhì)學(xué)學(xué)科及巖體工程穩(wěn)定學(xué)科有十分重要的理論意義和實際工程應(yīng)用價值。對于巖石材料來說，剪切破壞是其主要破壞形態(tài)，因此巖石體剪切-滲流耦合破壞機理的研究對解決上述問題有著重要的意義。
[0003]參考文獻1(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，王剛，巖土力學(xué)，30
(10)，2009)提出了一種數(shù)控巖石節(jié)理剪切滲流試驗臺，其主要功能為:在節(jié)理試件法向方向上，試驗臺有3類可控邊界條件:恒定法向應(yīng)力(CNL)、恒定法向位移(CNV)和恒定法向剛度(CNS)。平行節(jié)理剪切方向，可施加剪切力或位移、滲透壓力。在3種邊界和荷載條件下可進行節(jié)理剪切試驗、節(jié)理滲透試驗、閉合應(yīng)力-滲透耦合試驗、剪切應(yīng)力-滲透耦合試驗、巖石節(jié)理的剪切滲流流變試驗和巖石節(jié)理的輻射流試驗。
[0004]請參照圖1，該系統(tǒng)整體由軸向加載框架、橫向加載機構(gòu)、軸向和橫向蠕變控制裝置、滲流子系統(tǒng)、剪切盒及數(shù)控系統(tǒng)組成。各主要組成部分及其工作原理介紹詳細如下:
[0005]軸向加載框架包括加載油缸、主機框架、力傳感器、上下壓板等。主機采用框架結(jié)構(gòu)形式，加載油缸倒置固定在上橫梁上，力傳感器安裝在活塞上。
[0006]橫向加載機構(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)板均采用高標號球墨鑄鐵，使其框架剛度大(5000kN/mm)，工作平穩(wěn)可靠;剪切加載框架放置在導(dǎo)軌上，在進行剪切試驗時安裝好試樣后將其推到主機框架內(nèi)，設(shè)定其他邊界條件后，即可以進行相應(yīng)的剪切試驗。
[0007]橫向和軸向控制裝置采用德國D0LI公司原裝進口 EDC全數(shù)字伺服控制器，該控制器是國際領(lǐng)先的控制器，具有多個測量通道，每個測量通道可以分別進行荷載、位移、變形等的單獨控制或幾個測量通道的聯(lián)合控制，而且多種控制方式間可以實現(xiàn)無沖擊轉(zhuǎn)換。在EDC中可以設(shè)置一個剛度控制通道，將根據(jù)測量得到的法向應(yīng)力與法向變形計算的法向剛度值作為控制參數(shù)反饋給EDC控制輸出通道，這樣就可以實現(xiàn)常法向剛度控制。這種功能在其他的控制器中是無法實現(xiàn)的。EDC的測控精度高、操作簡便、保護功能全，可以實現(xiàn)自動標定、自動清0及故障自診斷。
[0008]滲流子系統(tǒng)包括滲透加壓系統(tǒng)、日本進口松下伺服電機和控制器、EDC測控器。采用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多級可控的恒滲透壓力和滲透流量控制。在剪切盒的出水口設(shè)置一套液壓傳感器、流量測量裝置和穩(wěn)壓裝置，并在EDC控制裝置軟件中設(shè)置一個壓差控制通道，來測量進口壓力和出口壓力的差值，實現(xiàn)剪切盒進、出口滲透壓力差的閉環(huán)控制。而且可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)滲透壓力控制。
[0009]剪切盒內(nèi)部尺寸為200mm(水滲透方向)X 100mm(滲透寬度)X 100mm(高度)。滲流剪切盒由上下剪切盒組成，上剪切盒由上剪切體、上密封圈、上刀體墊塊組成；下剪切盒由下剪切體、下密封圈、下刀體墊塊組成。密封圈是本方案的特點及關(guān)鍵部件，它是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。密封圈是中空的，當試樣裝好之后，空腔內(nèi)將注入一定壓力的液體塑料，上密封圈在壓力下緊緊貼到試樣上半部的四周，而下密封圈在壓力下緊緊貼到試樣下半部的四周實現(xiàn)了密封，同時上密封圈和下密封圈的接觸面也受到了壓力緊密接觸，實現(xiàn)了密封。當上下剪切盒產(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)下仍然保持壓縮密封，直到密封圈脫離接觸。上刀體中有一個進水孔用以向巖樣剪切面滲水，另一孔為排氣孔;下刀體中有一個出水孔，用以排出滲入巖樣剪切面中的水。
[0010]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，申請人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的剪切-滲流耦合試驗裝置中，采用步進電機或液壓加載方式造價高。
[0011 ]此外，對于圖1所示的數(shù)控巖石節(jié)理剪切滲流試驗臺，其主要是針對三維巖石試樣進行設(shè)計的，故此其自下而上進行法向加載，自右至左進行剪切加載。然而，三維巖體裂隙由于其復(fù)雜、隱蔽，其內(nèi)部破裂機理在現(xiàn)有技術(shù)下無法真正予以揭示。而且現(xiàn)有技術(shù)所提出的三維裂隙并非是真正的“三維”，而只是規(guī)則的平面，其本質(zhì)仍為二維。因此，對二維巖石試樣進行實驗更具有現(xiàn)實意義。而現(xiàn)有技術(shù)中并沒有針對二維巖石試樣的剪切-滲流耦合試驗裝置，而圖1所示的數(shù)控巖石節(jié)理剪切滲流試驗臺無法實現(xiàn)二維巖石試樣的加載以及擠壓力和剪切力的施加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012](一)要解決的技術(shù)問題
[0013]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種二維巖石試樣滲流試驗裝置，以實現(xiàn)簡單、有效的二維巖石試樣的加載。
[0014](二)技術(shù)方案
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種二維巖石試樣滲流試驗裝置。該二維巖石試樣滲流試驗裝置用于二維巖石試樣滲流耦合試驗，二維巖石試樣呈方形，其上具有貫穿裂隙。該二維巖石試樣滲流試驗裝置包括:底架10，其上方具有試驗區(qū)域;巖石試樣底座30，其位于底架上方，用于承載二維巖石試樣;水平力加載機構(gòu)，固定于底架10的試驗區(qū)域的上方，與縱向加載機構(gòu)錯開，包括:反力框架52，圍設(shè)于二維巖石試樣的外圍;擠壓力施力機構(gòu)53，安裝于反力框架52上垂直于貫穿裂隙的側(cè)面，其向二維巖石試樣施加水平方向的擠壓力，該擠壓力的反力由反力框架相對的另一側(cè)提供，從而對二維巖石試樣進行擠壓；以及剪切力施力機構(gòu)54，安裝于反力框架上平行于貫穿裂隙的側(cè)面，其通過頭部的第一壓板54a向二維巖石試樣位于貫穿裂隙一側(cè)部分的施加推力，對二維巖石試樣貫穿裂隙另一側(cè)部分由固定于反力框架相對另一面的第二壓板54b提供，從而對二維巖石試樣進行剪切；以及壓力源系統(tǒng)60，用于為水平力加載機構(gòu)中的擠壓力施力機構(gòu)53和剪切力施力機構(gòu)54提供壓力源。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明二維巖石試樣滲流試驗裝置具有以下有益效果:
[0018](1)水平力加載機構(gòu)由空壓機、增壓閥和電控比例閥等裝置組成，體積小巧、控制精度高，可取代傳統(tǒng)的伺服控制裝置，其最重要的優(yōu)勢即是成本低；
[0019](2)通過將上述巖石試樣平面放置保證其穩(wěn)定性;通過水平力加載機構(gòu)和側(cè)向反力框架的聯(lián)合使用實現(xiàn)了不同正壓力下沿裂隙的剪切;在裂隙一端及另一端分別設(shè)置入滲及滲出管路并在巖石試樣六個面均設(shè)置密封實現(xiàn)了剪切之后的滲流，實現(xiàn)了單條固定裂隙的剪切-滲流耦合試驗
[0020](3)專門針對二維巖石試樣進行設(shè)計，能夠穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)二維巖石試樣的加載以及擠壓力和剪切力的施加，填補了國內(nèi)外二維巖石試樣的剪切-滲流耦合試驗裝置的空白；
[0021]采用二維巖石試樣，剪切及滲流過程更為直觀、機理更為明確，改變了傳統(tǒng)三維試驗過程不夠直觀、機理不夠明確、結(jié)果難以精準測量的缺點。
【附圖說明】
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)數(shù)控巖石節(jié)理剪切滲流試驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例二維巖石試樣滲流試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3A為圖2所示二維巖石試樣滲流試驗裝置的雙向送樣組件中公共滑軌與第一滑軌對其的示意圖；
[0025]圖3B為圖2所示二維巖石試樣滲流試驗裝置的雙向送樣組件中公共滑軌與第二滑軌對其的示意圖；
[0026]圖4為圖2所示二維巖石試樣滲流試驗裝置中縱向加載機構(gòu)的示意圖；
[0027]圖5為圖2所示二維巖石試樣滲流試驗裝置中底架與水平力加載機構(gòu)的示意圖；
[0028]圖6為圖2所示二維巖石試樣滲流試驗裝置中二維巖石試樣的受力示意圖；
[0029]圖7為圖2所示二維巖石試樣滲流試驗裝置中水平力加載機構(gòu)的示意圖。
[0030]【主要元件】
[0031 ] A-二維巖石試樣；
[0032]A1-貫穿裂隙。
[0033]10-底架；
[0034]11-第一滑軌；12-第二滑軌；
[0035]13-送樣轉(zhuǎn)臺；14-公共滑軌
[0036]15-底架本體。
[0037]20-密封機構(gòu)；
[0038]21、22-縱向密封墊；23-側(cè)向密封環(huán)；
[0039]23a-進水口；23b_ 出水口。
[0040]30-巖石試樣底座；
[0041]40-縱向加載機構(gòu)；
[0042]41-立柱；42-電機安裝板；
[0043]43-第一縱向升降電機；44-雙層加載框架；
[0044]44a-上加載板；44b_下加載板。
[0045]45-鋼化玻璃板。
[0046]50-水平力加載機構(gòu)；
[0047]51-第二縱向升降電機；52-反力框架；
[0048]53-擠壓力施力機構(gòu)；54-剪切力施力機構(gòu)；
[0049]53e_第一傳力接頭；53f-第一氣液增壓缸；