[发明专利]可升降加载机构及应用其的剪切-渗流耦合测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程测量仪器领域，尤其涉及一种可升降加载机构及应用其的剪 切-渗流耦合测试装置。

背景技术

近年来，随着能源开采、核废料处理、水利工程以及地下空间的利用等大型工程的 大量兴建，岩石渗流问题日益得到关注，在矿山开采、水利水电、隧道、边坡加固等岩土工程 中，裂隙渗流对岩体工程的稳定性有着重要影响。一方面岩体裂隙是导致地下工程水害的 重要原因之一，另一方面裂隙的存在也大大降低了岩体强度。众所周知，因为水的可压缩性 很小，容易传递压力，含水孔隙中的流体压力会改变岩体中的应力状态。但是，岩体的形变 性质与流体的形变性质有明显的差别，所以流体压力所造成的应力场的改变，以及流动的 地下水动态性质所造成的流体应力的连续变化，都对地质体的形变特性起不可忽视的影 响。因此，研究裂隙岩体的破裂机理和强度特性将对水电工程地质学学科及岩体工程稳定 学科有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。对于岩石材料来说，剪切破坏是其主要 破坏形态，因此岩石体剪切-渗流耦合破坏机理的研究对解决上述问题有着重要的意义。

参考文献1(新型数控岩石节理剪切渗流试验台的设计与应用，王刚，岩土力学，30 (10)，2009)提出了一种数控岩石节理剪切渗流试验台，其主要功能为：在节理试件法向方 向上，试验台有3类可控边界条件：恒定法向应力(CNL)、恒定法向位移(CNV)和恒定法向刚 度(CNS)。平行节理剪切方向，可施加剪切力或位移、渗透压力。在3种边界和荷载条件下可 进行节理剪切试验、节理渗透试验、闭合应力-渗透耦合试验、剪切应力-渗透耦合试验、岩 石节理的剪切渗流流变试验和岩石节理的辐射流试验。

请参照图1，该系统整体由轴向加载框架、横向加载机构、轴向和横向蠕变控制系 统、渗流子系统、剪切盒及数控系统组成。各主要组成部分及其工作原理介绍详细如下：

轴向加载框架包括加载油缸、主机框架、力传感器、上下压板等。主机采用框架结 构形式，加载油缸倒置固定在上横梁上，力传感器安装在活塞上。

横向加载机构包括加载油缸、剪切加载框架、力传感器、位移传感器等。剪切加载 框架采用四框组合式，油缸座和承压梁及两面的侧板均采用高标号球墨铸铁，使其框架刚 度大(5000kN/mm)，工作平稳可靠；剪切加载框架放置在导轨上，在进行剪切试验时安装好 试样后将其推到主机框架内，设定其他边界条件后，即可以进行相应的剪切试验。

横向和轴向控制系统采用德国DOLI公司原装进口EDC全数字伺服控制器，该控制 器是国际领先的控制器，具有多个测量通道，每个测量通道可以分别进行荷载、位移、变形 等的单独控制或几个测量通道的联合控制，而且多种控制方式间可以实现无冲击转换。在 EDC中可以设置一个刚度控制通道，将根据测量得到的法向应力与法向变形计算的法向刚 度值作为控制参数反馈给EDC控制输出通道，这样就可以实现常法向刚度控制。这种功能在 其他的控制器中是无法实现的。EDC的测控精度高、操作简便、保护功能全，可以实现自动标 定、自动清0及故障自诊断。

渗流子系统包括渗透加压系统、日本进口松下伺服电机和控制器、EDC测控器。采 用该系统可以实现多级可控的恒渗透压力和渗透流量控制。在剪切盒的出水口设置一套液 压传感器、流量测量装置和稳压装置，并在EDC控制系统软件中设置一个压差控制通道，来 测量进口压力和出口压力的差值，实现剪切盒进、出口渗透压力差的闭环控制。而且可以实 现稳态和瞬态渗透压力控制。

剪切盒内部尺寸为200mm(水渗透方向)×100mm(渗透宽度)×100mm(高度)。渗流 剪切盒由上下剪切盒组成，上剪切盒由上剪切体、上密封圈、上刀体垫块组成；下剪切盒由 下剪切体、下密封圈、下刀体垫块组成。密封圈是本方案的特点及关键部件，它是由弹性及 硬度适中的聚氨脂制成液体橡胶，浇注模压成型。聚氨脂橡胶具有既软又硬，摩擦小等特 点。密封圈是中空的，当试样装好之后，空腔内将注入一定压力的液体塑料，上密封圈在压 力下紧紧贴到试样上半部的四周，而下密封圈在压力下紧紧贴到试样下半部的四周实现了 密封，同时上密封圈和下密封圈的接触面也受到了压力紧密接触，实现了密封。当上下剪切 盒产生相对移动时，上密封圈和下密封圈的接触面在滑动状态下仍然保持压缩密封，直到 密封圈脱离接触。上刀体中有一个进水孔用以向岩样剪切面渗水，另一孔为排气孔；下刀体 中有一个出水孔，用以排出渗入岩样剪切面中的水。