一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统

摘要

一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统，包括加载组件、试验盒、渗流组件、检测组件和控制组件。整套装置的刚度高，高压注水及密封安全可靠，能有效减少端部摩擦效应和边角效应，尽可能实现均匀的三轴应力状态；密封可靠性好，加载稳定性和保护强度高，加载试验装置与主轴加载机构是分体设计，高压注水安全，出水口装安全阀和稳压控制装置，控制系统稳定。

权利要求

1.一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统，其特征在于：包括加载组件、试验盒、渗流组件、检测组件和控制组件；

所述加载组件包括机架、轴向加载装置、侧向加载装置、横向剪切加载装置，所述试验盒设置在机架中并分别与轴向加载装置、侧向加载装置和横向剪切加载装置连接，轴向加载装置、侧向加载装置、横向剪切加载装置可分别对试验盒施加作用力，上述轴向加载装置、侧向加载装置和横向剪切加载装置作用力的施加方向两两正交；

所述试验盒包括盒体，所述盒体由钢板制成，包括前板、后板、左侧板、右侧板、上板和下板，其中后板、右侧板和上板之间焊接连接，所述前板连接轴向加载装置，所述左侧板连接侧向加载装置，所述下板连接横向剪切加载装置，所述前板、左侧板和下板相对于盒体的内侧面设置有密封层，所述密封层采用树脂材料制成，所述上板上设置有出水孔，所述下板上设置有进水孔；

所述渗流组件包括渗透加压装置、测量装置和测控器，所述渗透加压装置包括伺服电机和泵装置，所述泵装置连接所述进水孔，通过伺服电机的驱动给试验盒中的试样提供水压，所述测量装置包括压力传感器、流量传感器，所述压力传感器和流量传感器测量所述出水孔和进水孔的压力和流量，所述测控器根据出水孔和进水孔的压力和流量得出进水孔压力和出水孔压力的差值，并根据所述差值驱动所述伺服电机调节进水孔进水压力和进水流量；

所述检测组件为声波检测组件，包括多个探头、声波检测分析仪和声波换能器，所述探头设置在试验盒的内部，每个探头分别通过所述声波换能器连接所述声波检测分析仪；

所述控制组件包括计算机，所述计算机连接检测组件、渗流组件和加载组件，用于控制检测组件、渗流组件和加载组件的动作并接收和记录检测组件中的所述声波检测分析仪检测得到的试样数据。

说明书

一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种岩石应力测量试验系统，尤其涉及一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统。

背景技术

[0002] 由于工程岩体一般受三维应力作用，因而实验室研究三维应力条件下岩体裂隙应力渗流耦合特性更能反映天然地质岩体的实际情况。但受试验条件的限制，特别是渗透密封手段，已有设备的试验盒在允许适当剪切位移条件下，所能承受的渗透压力往往比较低。对于高水压、高三轴压力耦合作用下，岩体裂隙损伤扩展物理过程的实时跟踪和深部岩体裂隙分布的定量描述的系统研究还比较鲜见。因此，为满足对深部工程裂隙岩体渗流场与应力场的耦合问题的试验研究要求，针对目前相关试验设备中存在的问题，根据深部岩体所处环境的特殊性，急需一种高水压岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统，为研究裂隙岩体的力学性质和受力特征对裂隙演化及渗透性质的影响，揭示断裂节理网络产生对深部采场岩体结构稳定性劣化及渗流灾变的影响机理提供实验条件。

[0003] 在现有技术中，CN2600810Y公开了一种真三轴渗流试验测量装置，但其仅是一种原理性的描述，而没有公开具体的加载装置结构、试验盒结构、渗流加载系统结构，且其使用光纤测量的方法测量岩石渗流状态，这就意味着必须要在试验盒中预留光纤进口，试验盒密封性差，无法做的精确的渗流控制。CN100573095C公开了一种真三轴仪，其主要是用于土样应变的测量，无需考虑渗流情况盒裂隙装置，因此其没有渗流系统，也没有如声波测量系统等类似的测量试样裂隙的装置。CN102096107A公开了一种声波测量岩土裂隙的方法，但其主要是针对大结构的岩石的测量，而不是针对小的试样的测量，且其主要是针对数据处理方法的描述，没有介绍具体的测量部件。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明提出一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统，试验系统整体由三轴加载框架、三轴加载机构、高压水渗流系统、试验盒、数控系统及数据采集系统等组成，系统整体结构美观紧凑、功能齐全、操作方便。加载试验装置有恒定三轴应力、恒定三轴位移和恒定三轴刚度三类可控条件。在试件平行裂隙剪切方向上施加渗透水压力。试验盒是开放式设计，更换相应压头及组件，在上述边界和荷载条件下可进行岩石、水泥、岩土类等试样的裂隙剪切渗透试验，裂隙闭合应力-渗透耦合试验，裂隙剪切应力-渗透耦合试验，底板岩层结构组合的水压裂隙扩展模拟试验，破碎岩体高压水渗流试验，裂隙岩体高压水致裂试验，底板岩体的剪切渗流流变试验，三轴卸荷条件下裂隙岩体的渗透性和力学特性试验等。试验系统具有以下特色和创新：能实现独立伺服控制的真三轴加载；开放式试验盒设计可以对大尺寸试件进行上述相关试验；最大密封水压力(渗透压力)能达
5Mpa；可以实现岩体裂隙损伤扩展物理过程的跟踪和裂隙分布的定量描述。

[0005] 本发明的具体技术方案为：一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统，包括加载组件、试验盒、渗流组件、检测组件和控制组件；

[0006] 所述加载组件包括机架、轴向加载装置、侧向加载装置、横向剪切加载装置，所述试验盒设置在机架中并分别与轴向加载装置、侧向加载装置和横向剪切加载装置连接，轴向加载装置、侧向加载装置、横向剪切加载装置可分别对试验盒施加作用力，上述三加载装置作用力的施加方向两两正交；

[0007] 所述试验盒包括盒体，所述盒体由钢板制成，包括前板、后板、左侧板、右侧板、上板和下板，其中后板、右侧板和上板之间焊接连接，所述前板连接轴向加载装置，所述左侧板连接侧向加载装置，所述下板连接横向剪切加载装置，所述前板、左侧板和下板相对于盒体的内侧面设置由密封层，所述上板上设置有出水孔，所述下板上设置有进水孔；

[0008] 所述渗流组件渗透加压装置、测量装置和测控器，所述渗透加压装置包括伺服电机和泵装置，所述泵装置连接所述进水孔，通过伺服电机的驱动给试验盒中的试样提供水压，所述测量装置包括压力传感器、流量传感器，所述压力传感器和流量传感器测量所述出水孔和进水孔的压力和流量，所述测控器根据出水孔和进水孔的压力和流量得出进水孔压力和出水孔压力的差值，根据所述差值驱动测量所述伺服电机调节进水孔进水压力和进水流量；

[0009] 所述检测组件为声波检测组件，包括多个探头、声波检测分析仪和声波换能器，所述探头设置在试验盒的内部，每个探头分别通过所述声波换能器连接所述声波检测分析仪；

[0010] 所述控制组件包括计算机，所述计算机连接检测组件、渗流组件和加载组件，用于控制检测组件、渗流组件和加载组件的动作并接收和记录检测组件中的所述声波检测分析仪检测得到的试样数据。

[0011] 本发明整套装置的刚度高，高压注水及密封安全可靠，能有效减少端部摩擦效应和边角效应，尽可能实现均匀的三轴应力状态；

[0012] 密封可靠性好，盒式试验装置预压灌注密封的试件，试件与盒式试验装置的六面压板构成的间隙足够小，密封是可靠的；

[0013] 加载稳定性和保护强度高，加载试验装置与主轴加载机构是分体设计，试件的加载位置准确可靠，试验装置与上部固定装置可靠连结，当试样瞬时破坏时，系统按设定的保护程序自动停止加载；

[0014] 高压注水安全，出水口装安全阀和稳压控制装置，当出水口压力突然变化时，控制装置开始控制压力、流量和水泵的运行在安全范围注水；

[0015] 控制系统稳定，试验过程中关闭控制软件或计算机出现死机需重新启动，试验仍可按原操作命令运行，而仅仅丢失了控制软件未打开期间数据，如突遇断电已有测试数据待计算机通电后依然可以保存使用。

附图说明

[0016] 附图1为本发明所述真三轴试验系统的结构原理简图；

[0017] 附图2为附图1中所述真三轴试验系统的正视图(仅显示加载组件)；

[0018] 附图3为附图1中所述真三轴试验系统的侧视图(仅显示加载组件)。

[0019] 附图标记如下：

[0020] 1-试验盒；2-加载组件；3-渗流组件；4-检测组件(声波检测组件)；5-控制组件；6-机架；7-轴向加载装置；8-侧向加载装置；9-横向剪切加载装置。

具体实施方式

[0021] 参见附图，一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统，包括加载组件、试验盒、渗流组件、检测组件和控制组件；

[0022] 加载组件包括机架、轴向加载装置、侧向加载装置、横向剪切加载装置，试验盒设置在机架中并分别与轴向加载装置、侧向加载装置和横向剪切加载装置连接，轴向加载装置、侧向加载装置、横向剪切加载装置可分别对试验盒施加作用力，上述三加载装置作用力的施加方向两两正交；加载装置各具有独立的加载油缸、力传感器、压头等。机架采用框架结构形式，两个侧向加载油缸横向垂直固定在承压柱上，力传感器安装在活塞上。轴向加载机构包括加载油缸、力传感器、位移传感器等。控制系统采用美国DSI公司全数字伺服控制器，该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。

[0023] 试验盒包括盒体，盒体由钢板制成，包括前板、后板、左侧板、右侧板、上板和下板，其中后板、右侧板和上板之间焊接连接，前板连接轴向加载装置，左侧板连接侧向加载装置，下板连接横向剪切加载装置，前板、左侧板和下板相对于盒体的内侧面设置由密封层，且前板、左侧板和下板可相对盒体进行移动，上板上设置有出水孔，下板上设置有进水孔，供渗流加压之用；试验盒还包含了垫块、加载垫片等附属结构，整体通过螺栓连接固定在框架上，可方便的实现试验盒拆卸、转换。密封层采用树脂材料，其既有一定强度、又能承受一定的变形，而且摩擦力比较小，可以很好地隔离高压渗透水，在试件左侧和前侧通过加载单元施加独立侧向载荷，底部施加垂向载荷和渗透水压，试件通过密封层实现在滑动状态下仍然保持压缩密封。通过顶部预设不同材料垫块受压变形量的差异，实现岩块裂隙左右两部分的剪切位移，剪切盒内部尺寸为400mm(水渗透方向)×200mm(渗透宽度)×200mm(侧向)。

[0024] 渗流组件包括渗透加压装置、测量装置和测控器，渗透加压装置包括伺服电机和泵装置，泵装置连接所述进水孔，通过伺服电机的驱动给试验盒中的试样提供水压，测量装置包括压力传感器、流量传感器，压力传感器和流量传感器测量所述出水孔和进水孔的压力和流量，测控器根据出水孔和进水孔的压力和流量得出进水孔压力和出水孔压力的差值，并根据所述差值驱动伺服电机调节进水孔进水压力和进水流量；该系统可以实现多级可控的恒渗透压力和渗透流量控制。测控器为EDC测控器，可在测控器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，实现试验盒进、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。

[0025] 对于试块在三轴压力和高压水作用下裂隙岩块破坏过程的精细探测是关系实验成败的关键所在。一直以来，人们主要是通过研究应力应变关系来研究岩石力学特性，对破坏过程研究不够。岩体为地质体，其裂隙分布错综复杂，由于试验盒是密封的，再加上缺乏观测内部裂隙扩展的有效手段，因此对于岩石破坏演化过程研究成为岩石力学研究领域的难题。为了获得更加清晰的裂隙扩展演化过程，试验拟采用实时声发射定位技术的方式来探测岩石裂隙扩展演化过程。其检测组件为声波检测组件，包括多个探头、声波检测分析仪和声波换能器，探头设置在试验盒的内部，每个探头分别通过声波换能器连接声波检测分析仪，通过检测组件检测试验盒中试样的渗流情况和裂隙状态；

[0026] 控制组件包括计算机，计算机连接检测组件、渗流组件和加载组件，用于控制检测组件、渗流组件和加载组件的动作，如加载组件中某加载装置的加载压力、渗流组件是否可是向试验盒加压等，并接收和记录检测组件中的所述声波检测分析仪检测得到的试样数据，通过屏幕显示直观的数据和图象，并可以通过打印机将结构打印出来，供研究分析之用。

[0027] 以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。