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的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種復雜應力條件下的試驗系統，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。
背景技術：
在石油礦山開采、水利水電、煤礦生產、交通邊坡等工程中，地下水對巖體工程的穩定性有著重要影響。一方面地下水可改變巖體的應力和變形，另一方面巖體結構面的幾何特征及其物理力學性質對地下水滲流起決定性作用。巖體中節理裂隙的滲透和變形模量都遠大于巖石基層，因此，巖體中各類結構面與地下水的相互作用往往直接決定著工程結構的穩定和安全。因此，本領域非常需要對節理的剪切-滲流耦合特性進行研究，而進行巖石節理的室內剪切-滲流耦合試驗，是一種有效的研究手段。巖石節理剪切滲流耦合試驗中的關鍵技術是試驗邊界條件的實現，即位移、荷載邊界條件和滲流邊界條件。在巖石節理的剪切過程中，當上、下節理面在剪切力作用下產生相對位移時，通過在剪切盒進水口和出水口之間設定一定的水壓差，即滲透水壓力，來實現巖石節理內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，國內關于巖石節理剪切-滲流耦合試驗的試驗設備還比較缺乏。在現有技術中，“新型數控巖石節理剪切滲流試驗臺的設計與應用”公開了一種巖石剪切滲流試驗臺，使用軸向和切向加載機構對巖石試樣施力進行試驗，但其沒有圍壓加載機構，無法模擬圍壓作用下的巖石裂隙剪切滲流狀況，且其密封套結構簡單，密封性較差，試驗結果精度不高。
發明內容
為解決上述問題，本發明提出的一種新的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統，可以實現在復雜應力狀態下進行巖石裂隙滲透性試驗和分析。在節理試件法向方向上，試驗臺有三類可控邊界條件恒定法向應力、恒定法向位移、恒定法向剛度；平行節理剪切方向， 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行一系列耦合試驗復雜應力條件下裂隙剪切試驗，復雜應力條件下裂隙(可視化)滲透試驗，復雜應力條件下裂隙(可視化)閉合應力-滲透耦合試驗，復雜應力條件下裂隙(可視化)剪切-滲透耦合試驗， 復雜應力條件下裂隙(可視化)的剪切滲流流變試驗。本發明所述的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統的具體技術方案為
一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統，包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、伺服控制機構、可視化系統；
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，當上、下剪切盒產生相對移動時，上密封圈和下密封圈的接觸面在滑動狀態下可以保持壓縮密封，上密封盒上設置有進水孔和排氣孔；下密封盒上設置有出水孔；
所述軸向加載機構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；
所述切向加載機構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；
所述圍壓加載機構用于給試樣加載圍壓以模擬地層的圍壓作用，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、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，通過控制伺服電機的轉動控制上、下密封圈的中空腔的壓力，以此得到所需要的試樣圍壓；
所述水壓加載機構用于給試樣注水，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、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，通過控制伺服電機的轉動控制所述剪切滲流耦合試驗盒的水壓，產生試樣試驗所需的水壓和所需的流量；
所述伺服控制機構包括軸向控制系統、切向控制系統、圍壓控制系統、水壓控制系統和操作系統；軸向控制系統和切向壓力控制系統是由各自的EDC全數字伺服控制器及傳感器構成，EDC控制器把各傳感器的信號進行放大處理后進行顯示和控制，并與設定的參數進行比較，然后調整伺服閥的開口大小，以達到設定的目標值；并同時把這些數據送到計算機內，由計算機進行顯示和數據處理，畫出試驗曲線，打印試驗報告；水壓控制系統和圍壓控制系統分別包括EDC控制器各自直接控制一個交流伺服電機控制器，控制器各自控制一個交流伺服電機，使各自加壓水缸的活塞移動；水壓、圍壓和活塞的位移轉換為電信號送到 EDC控制器里，經放大處理后進行顯示和控制，同時將這些參數送到計算機內進行數據存儲、顯示、畫曲線和打印試驗報告；
所述可視化系統包括數碼攝像機和與之相連的計算機，所述剪切滲流耦合試驗盒上設置有方形觀測孔，所述數碼攝像機設置在觀測孔的上方。
附圖1為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統的主視圖； 附圖2為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統的側視附圖3為巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統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中可視化系統的工作簡圖。附圖標記如下
1 一剪切滲流耦合試驗盒；2 —軸向加載機構；3 —切向加載機構；4 一圍壓加載機構； 5 一水壓加載機構；6 —可視化系統；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明所述的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統做進一步詳細的說明。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，包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、伺服控制機構(未示出)、可視化系統。參見附圖3，剪切滲流耦合試驗盒內部尺寸為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構對稱；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，當試樣裝好之后，中空腔內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，實現了密封。當上下剪切盒產生相對移動時，上密封套和下密封套的接觸面在滑動狀態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。軸向加載機構包括軸向加載框架、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；這種結構形式最大限度的提高了試驗機的剛度，減小了試驗機的間隙，設在剪切盒的上部觀察孔可實現裂隙試件剪切過程的可視化，而且也使得試驗機的外型美觀。伺服油源提供動力油給電液伺服閥，通過伺服閥的控制進行軸向加載。切向加載機構包括加載油缸、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板均采用高標號球墨鑄鐵，使其框架剛度大(5000kN/mm)，工作平穩可靠。圍壓加載機構可采用螺旋加載的方式，并由伺服電機和控制器及測控器來控制， 可現實多級可控的恒定滲透圍壓控制。圍壓系統是由上下膠套組合，交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、傳動系統、加壓油水缸等；伺服電機按設置的控制參數進行轉動，通過減速機、滾珠絲杠、傳動系統移動水缸的活塞，使油水產生所需的油壓。參考橡膠套和剪切盒強度，最高油壓可達25MPa以上。水壓加載機構可采用螺旋加載的方式，并由伺服電機和控制器及測控器來控制， 可現實多級可控的恒滲透壓力和滲透量控制。水壓系統包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、傳動系統、加壓水缸等；伺服電機按設置的控制參數進行轉動，通過減速機、滾珠絲杠、傳動系統移動水缸的活塞，使水產生所需的水壓和所需的流量。 水壓最大可達5MPa。伺服控制機構是指試驗機的控制中心，它包括軸向控制系統、切向控制系統、圍壓控制系統、水壓控制系統和操作系統。軸向控制系統和切向壓力控制系統是由各自的EDC全數字伺服控制器及傳感器構成，在本系統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行放大處理后進行顯示和控制(與設定的參數進行比較)，然后調整伺服閥的開口大小， 以達到設定的目標值；并同時把這些數據送到計算機內，由計算機進行顯示和數據處理，畫出試驗曲線，打印試驗報告。水壓系統和圍壓控制系統分布有各自的EDC控制器直接控制一個交流伺服電機控制器，該控制器控制交流伺服電機，電機通過減速機、齒型同步帶帶動滾珠絲杠，使水壓缸的活塞移動，產生水壓；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，經放大處理后進行顯示和控制，同時將這些參數送到計算機內進行數據存儲、顯示、畫曲線和打印試驗報告。參見附圖6，其顯示了本發明中可視化系統的工作簡圖。在剪切盒上部留有試驗觀測孔，試驗中選用適當的透明類材料預制具有自然斷裂節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裂隙水流動路徑和流動狀態的可視化。借助材料的透明性， 水在裂隙內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攝像機來記錄其流動過程。如剪切滲流耦合試驗盒結構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碼攝像設備并聯接計算機，可實現水在裂隙試件內流動過程的可視化，為試驗研究提供詳實可貴的數據。本發明所述的巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統還可以包括計算機控制系統。計算機系統是試驗機的控制核心，它控制四個EDC控制器，使EDC按設置的程序參數進行工作， 并要實時存儲、處理EDC各通道的測量數據，實時畫出多種試驗曲線；計算機系統還要實時處理溫度、等測量參數。計算機系統的操作軟件是在WINDOWS環境下運行的，具有良好的人機界面和操作簡便的特點。計算機控制系統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；通過鼠標和鍵盤輸入數據、控制按鈕；同時，可在計算機屏幕上同步監測試驗結果數據。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、接收數據的對象連接起來創建流程圖，就能實現特定的功能，控制和執行相應的流程
基于控制器和傳感器的測控數據，采用LabVIEW圖形化編程語言構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進行統一監控，同時進行多路數據采集、存貯、數據處理和曲線顯示。LabVIEW采用強大的圖形化語言編程，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力等特點。數控系統使用了參數自調節的PID控制技術實現了非線性的前饋預測。系統采用位移型PID控制，以剪切速度恒定控制為基礎。垂直荷載的高精度液壓同步控制采用位移型PID控制實現；滲透壓力差值的高精度控制同樣采用位移型PID控制實現。剪切試驗裝置通過接受反饋信號值使負載側的動作能跟進指令值，從而實現高速實時數據采集與復雜控制。與彈簧式垂直剛度一定(CNS)直接剪切試驗相比較，新型數控直接剪切試驗機有如下特點提高了試驗結果的精度；垂直剛度值的設定和變更可簡易便利地通過微機輸入；可隨時中斷進行中的試驗，然后繼續執行。更可在執行途中變更控制條件，例如CNL、CNS、CNV控制之間的任意切換，亦可實現多階段垂直剛度非線性CNS控制。以上所述，僅為本發明專利較佳的具體實施方式
，但本發明專利的保護范圍并不
6局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明專利的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種圍壓作用下巖石裂隙剪切滲流耦合試驗系統，其特征在于包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、伺服控制機構、可視化系統；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下保持壓縮密封，上密封盒上設置有進水孔和排氣孔；下密封盒上設置有出水孔；所述軸向加載機構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；所述切向加載機構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；所述圍壓加載機構用于給試樣加載圍壓以模擬地層的圍壓作用，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、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，通過控制伺服電機的轉動控制上、下密封圈的中空腔中的壓力，以此得到所需要的試樣圍壓；所述水壓加載機構用于給試樣注水，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、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，通過控制伺服電機的轉動控制所述剪切滲流耦合試驗盒的水壓，產生試樣試驗所需的水壓和所需的流量；所述伺服控制機構包括軸向控制系統、切向控制系統、圍壓控制系統、水壓控制系統和操作系統；軸向控制系統和切向壓力控制系統是由各自的EDC全數字伺服控制器及傳感器構成，EDC控制器把各傳感器的信號進行放大處理后進行顯示和控制，并與設定的參數進行比較，然后調整伺服閥的開口大小，以達到設定的目標值；并同時把這些數據送到計算機內，由計算機進行顯示和數據處理，畫出試驗曲線，打印試驗報告；水壓控制系統和圍壓控制系統分別包括EDC控制器各自直接控制一個交流伺服電機控制器，控制器各自控制一個交流伺服電機，使各自加壓水缸的活塞移動；水壓、圍壓和活塞的位移轉換為電信號送到 EDC控制器里，經放大處理后進行顯示和控制，同時將這些參數送到計算機內進行數據存儲、顯示、畫曲線和打印試驗報告；所述可視化系統包括數碼攝像機和與之相連的計算機，所述剪切滲流耦合試驗盒上設置有方形觀測孔，所述數碼攝像機設置在觀測孔的上方。
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，包括剪切滲流耦合試驗盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、伺服控制機構、可視化系統。
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 優先權日2011年6月28日
發明者付厚利, 張慶喜, 李廷春, 王剛, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學