專利名稱：新型巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統的制作方法
技術領域：
本實用涉及一種巖石應力測量試驗系統，尤其涉及一種巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統。
背景技術：
由于工程巖體一般受三維應力作用，因而實驗室研究三維應力條件下巖體裂隙應力滲流耦合特性更能反映天然地質巖體的實際情況。但受試驗條件的限制，特別是滲透密封手段，已有設備的試驗盒在允許適當剪切位移條件下，所能承受的滲透壓力往往比較低。對于高水壓、高三軸壓力耦合作用下，巖體裂隙損傷擴展物理過程的實時跟蹤和深部巖體裂隙分布的定量描述的系統研究還比較鮮見。因此，為滿足對深部工程裂隙巖體滲流場與應力場的耦合問題的試驗研究要求，針對目前相關試驗設備中存在的問題，根據深部巖體所處環境的特殊性，急需一種高水壓巖石應力-滲流耦合真三軸試驗系統，為研究裂隙巖體的力學性質和受力特征對裂隙演化及滲透性質的影響，揭示斷裂節理網絡產生對深部采場巖體結構穩定性劣化及滲流災變的影響機理提供實驗條件。在現有技術中，CN2600810Y公開了一種真三軸滲流試驗測量裝置，但其僅是一種原理性的描述，而沒有公開具體的加載裝置結構、試驗盒結構、滲流加載系統結構，且其使用光纖測量的方法測量巖石滲流狀態，這就意味著必須要在試驗盒中預留光纖進口，試驗盒密封性差，無法做的精確的滲流控制。CN100573095C公開了一種真三軸儀，其主要是用于土樣應變的測量，無需考慮滲流情況盒裂隙裝置，因此其沒有滲流系統，也沒有如聲波測量系統等類似的測量試樣裂隙的裝置。CN102096107A公開了一種聲波測量巖土裂隙的方法，但其主要是針對大結構的巖石的測量，而不是針對小的試樣的測量，且其主要是針對數據處理方法的描述，沒有介紹具體的測量部件。
實用新型內容為解決上述問題，本實用提出一種新型巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統，試驗系統整體由三軸加載框架、三軸加載機構、高壓水滲流系統、試驗盒、數控系統及數據采集系統等組成，系統整體結構美觀緊湊、功能齊全、操作方便。加載試驗裝置有恒定三軸應力、恒定三軸位移和恒定三軸剛度三類可控條件。在試件平行裂隙剪切方向上施加滲透水壓力。試驗盒是開放式設計，更換相應壓頭及組件，在上述邊界和荷載條件下可進行巖石、水泥、巖土類等試樣的裂隙剪切滲透試驗，裂隙閉合應力-滲透耦合試驗，裂隙剪切應力-滲透耦合試驗，底板巖層結構組合的水壓裂隙擴展模擬試驗，破碎巖體高壓水滲流試驗，裂隙巖體高壓水致裂試驗，底板巖體的剪切滲流流變試驗，三軸卸荷條件下裂隙巖體的滲透性和力學特性試驗等。試驗系統具有以下特色和創新能實現獨立伺服控制的真三軸加載；開放式試驗盒設計可以對大尺寸試件進行上述相關試驗；最大密封水壓力(滲透壓力)能達5Mpa ;可以實現巖體裂隙損傷擴展物理過程的跟蹤和裂隙分布的定量描述。本實用的具體技術方案為一種巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統,包括加載組件、試驗盒、滲流組件、檢測組件和控制組件；[0007]所述加載組件包括機架、軸向加載裝置、側向加載裝置、橫向剪切加載裝置，所述試驗盒設置在機架中并分別與軸向加載裝置、側向加載裝置和橫向剪切加載裝置連接，軸向加載裝置、側向加載裝置、橫向剪切加載裝置可分別對試驗盒施加作用力，上述三加載裝置作用力的施加方向兩兩正交；所述試驗盒包括盒體，所述盒體由鋼板制成，包括前板、后板、左側板、右側板、上板和下板，其中后板、右側板和上板之間焊接連接，所述前板連接軸向加載裝置，所述左側板連接側向加載裝置，所述下板連接橫向剪切加載裝置，所述前板、左側板和下板相對于盒體的內側面設置由密封層，所述上板上設置有出水孔，所述下板上設置有進水孔； 所述滲流組件滲透加壓裝置、測量裝置和測控器，所述滲透加壓裝置包括伺服電機和泵裝置，所述泵裝置連接所述進水孔，通過伺服電機的驅動給試驗盒中的試樣提供水壓，所述測量裝置包括壓力傳感器、流量傳感器，所述壓力傳感器和流量傳感器測量所述出水孔和進水孔的壓力和流量，所述測控器根據出水孔和進水孔的壓力和流量得出進水孔壓力和出水孔壓力的差值，根據所述差值驅動測量所述伺服電機調節進水孔進水壓力和進水流量；所述檢測組件為聲波檢測組件，包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，所述探頭設置在試驗盒的內部，每個探頭分別通過所述聲波換能器連接所述聲波檢測分析儀；所述控制組件包括計算機，所述計算機連接檢測組件、滲流組件和加載組件，用于控制檢測組件、滲流組件和加載組件的動作并接收和記錄檢測組件中的所述聲波檢測分析儀檢測得到的試樣數據。本實用整套裝置的剛度高，高壓注水及密封安全可靠，能有效減少端部摩擦效應和邊角效應，盡可能實現均勻的三軸應力狀態；密封可靠性好，盒式試驗裝置預壓灌注密封的試件，試件與盒式試驗裝置的六面壓板構成的間隙足夠小，密封是可靠的；加載穩定性和保護強度高，加載試驗裝置與主軸加載機構是分體設計，試件的加載位置準確可靠，試驗裝置與上部固定裝置可靠連結，當試樣瞬時破壞時，系統按設定的保護程序自動停止加載；高壓注水安全，出水口裝安全閥和穩壓控制裝置，當出水口壓力突然變化時，控制裝置開始控制壓力、流量和水泵的運行在安全范圍注水；控制系統穩定，試驗過程中關閉控制軟件或計算機出現死機需重新啟動，試驗仍可按原操作命令運行，而僅僅丟失了控制軟件未打開期間數據，如突遇斷電已有測試數據待計算機通電后依然可以保存使用。
附圖I為本實用所述真三軸試驗系統的結構原理簡圖；附圖2為附圖I中所述真三軸試驗系統的正視圖(僅顯示加載組件)；附圖3為附圖I中所述真三軸試驗系統的側視圖(僅顯示加載組件)。附圖標記如下I-試驗盒；2_加載組件；3_滲流組件；4_檢測組件(聲波檢測組件)；5_控制組件；6-機架；7-軸向加載裝置；8-側向加載裝置；9-橫向剪切加載裝置。
具體實施方式
參見附圖，一種新型巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統，包括加載組件、試驗盒、滲流組件、檢測組件和控制組件；加載組件包括機架、軸向加載裝置、側向加載裝置、橫向剪切加載裝置，試驗盒設置在機架中并分別與軸向加載裝置、側向加載裝置和橫向剪切加載裝置連接，軸向加載裝置、側向加載裝置、橫向剪切加載裝置可分別對試驗盒施加作用力，上述三加載裝置作用力的施加方向兩兩正交；加載裝置各具有獨立的加載油缸、力傳感器、壓頭等。機架采用框架結構形式，兩個側向加載油缸橫向垂直固定在承壓柱上，力傳感器安裝在活塞上。軸向加載機構包括加載油缸、力傳感器、位移傳感器等。控制系統采用美國DSI公司全數字伺服控制器，該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合控制，而且多種控制方式間可以實現無沖擊轉換。 試驗盒包括盒體，盒體由鋼板制成，包括前板、后板、左側板、右側板、上板和下板，其中后板、右側板和上板之間焊接連接，前板連接軸向加載裝置，左側板連接側向加載裝置，下板連接橫向剪切加載裝置，前板、左側板和下板相對于盒體的內側面設置由密封層，且前板、左側板和下板可相對盒體進行移動，上板上設置有出水孔，下板上設置有進水孔，供滲流加壓之用；試驗盒還包含了墊塊、加載墊片等附屬結構，整體通過螺栓連接固定在框架上，可方便的實現試驗盒拆卸、轉換。密封層采用樹脂材料，其既有一定強度、又能承受一定的變形，而且摩擦力比較小，可以很好地隔離高壓滲透水，在試件左側和前側通過加載單元施加獨立側向載荷，底部施加垂向載荷和滲透水壓，試件通過密封層實現在滑動狀態下仍然保持壓縮密封。通過頂部預設不同材料墊塊受壓變形量的差異，實現巖塊裂隙左右兩部分的剪切位移，剪切盒內部尺寸為400mm(水滲透方向)X 200mm(滲透寬度)X 200mm(側向)。滲流組件包括滲透加壓裝置、測量裝置和測控器，滲透加壓裝置包括伺服電機和泵裝置，泵裝置連接所述進水孔，通過伺服電機的驅動給試驗盒中的試樣提供水壓，測量裝置包括壓力傳感器、流量傳感器，壓力傳感器和流量傳感器測量所述出水孔和進水孔的壓力和流量，測控器根據出水孔和進水孔的壓力和流量得出進水孔壓力和出水孔壓力的差值，并根據所述差值驅動伺服電機調節進水孔進水壓力和進水流量；該系統可以實現多級可控的恒滲透壓力和滲透流量控制。測控器為EDC測控器，可在測控器控制系統軟件中設置一個壓差控制通道，來測量進口壓力和出口壓力的差值，實現試驗盒進、出口滲透壓力差的閉環控制，而且可以實現穩態和瞬態滲透壓力控制。對于試塊在三軸壓力和高壓水作用下裂隙巖塊破壞過程的精細探測是關系實驗成敗的關鍵所在。一直以來，人們主要是通過研究應力應變關系來研究巖石力學特性，對破壞過程研究不夠。巖體為地質體，其裂隙分布錯綜復雜，由于試驗盒是密封的，再加上缺乏觀測內部裂隙擴展的有效手段，因此對于巖石破壞演化過程研究成為巖石力學研究領域的難題。為了獲得更加清晰的裂隙擴展演化過程，試驗擬采用實時聲發射定位技術的方式來探測巖石裂隙擴展演化過程。其檢測組件為聲波檢測組件，包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，探頭設置在試驗盒的內部，每個探頭分別通過聲波換能器連接聲波檢測分析儀，通過檢測組件檢測試驗盒中試樣的滲流情況和裂隙狀態；控制組件包括計算機，計算機連接檢測組件、滲流組件和加載組件，用于控制檢測組件、滲流組件和加載組件的動作，如加載組件中某加載裝置的加載壓力、滲流組件是否可是向試驗盒加壓等，并接收和記錄檢測組件中的所述聲波檢測分析儀檢測得到的試樣數據，通過屏幕顯示直觀的數據和圖像，并可以通過打印機將結構打印出來，供研究分析之
用。 以上所述，僅為本實用專利較佳的具體實施方式
，但本實用專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用專利揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用專利的保護范圍之內。
權利要求1.新型巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統，其特征在于包括加載組件、試驗盒、滲流組件、檢測組件和控制組件； 所述加載組件包括機架、軸向加載裝置、側向加載裝置、橫向剪切加載裝置，所述試驗盒設置在機架中并分別與軸向加載裝置、側向加載裝置和橫向剪切加載裝置連接，軸向加載裝置、側向加載裝置、橫向剪切加載裝置可分別對試驗盒施加作用力，上述三加載裝置作用力的施加方向兩兩正交； 所述試驗盒包括盒體，所述盒體由鋼板制成，包括前板、后板、左側板、右側板、上板和下板，其中后板、右側板和上板之間焊接連接，所述前板連接軸向加載裝置，所述左側板連接側向加載裝置，所述下板連接橫向剪切加載裝置，所述前板、左側板和下板相對于盒體的內側面設置有密封層，所述上板上設置有出水孔，所述下板上設置有進水孔； 所述滲流組件包括滲透加壓裝置、測量裝置和測控器，所述滲透加壓裝置包括伺服電機和泵裝置，所述泵裝置連接所述進水孔，通過伺服電機的驅動給試驗盒中的試樣提供水壓，所述測量裝置包括壓力傳感器、流量傳感器，所述壓力傳感器和流量傳感器測量所述出水孔和進水孔的壓力和流量，所述測控器根據出水孔和進水孔的壓力和流量得出進水孔壓力和出水孔壓力的差值，并根據所述差值驅動所述伺服電機調節進水孔進水壓力和進水流量; 所述檢測組件為聲波檢測組件，包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，所述探頭設置在試驗盒的內部，每個探頭分別通過所述聲波換能器連接所述聲波檢測分析儀；所述控制組件包括計算機，所述計算機連接檢測組件、滲流組件和加載組件，用于控制檢測組件、滲流組件和加載組件的動作并接收和記錄檢測組件中的所述聲波檢測分析儀檢測得到的試樣數據。
專利摘要一種新型巖石剪切滲流耦合真三軸試驗系統，包括加載組件、試驗盒、滲流組件、檢測組件和控制組件。整套裝置的剛度高，高壓注水及密封安全可靠，能有效減少端部摩擦效應和邊角效應，盡可能實現均勻的三軸應力狀態；密封可靠性好，加載穩定性和保護強度高，加載試驗裝置與主軸加載機構是分體設計，高壓注水安全，出水口裝安全閥和穩壓控制裝置，控制系統穩定。
文檔編號G01N3/02GK202522479SQ20122007860
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者劉彥民, 孫文斌, 尹立明, 張新國, 王勝清, 郭惟嘉, 陳紹杰 申請人:山東科技大學