CN104865177B - 一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于剪切渗流实验仪器，涉及一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，包括工作台、竖向应力加载系统、横向应力加载系统、竖向渗流加载系统、横向渗流加载系统和数据量测控制系统。本发明不仅可以进行裂隙岩体的单向加载单向渗流实验、单向加载多向渗流实验，还可进行双向加载单向渗流实验、双向加载多向渗流实验。大尺度裂隙岩体试样的裂隙通过计算机随机生成，可较真实地模拟自然地质岩体中的节理、裂隙等不连续面，且克服了小尺寸缺陷；同时采用微型摄像头可记录有色液体在裂隙岩体中的整个流动过程和状态；实验过程中应力加载和渗流加载控制方便、能保持长时恒定的有压渗流状态，实验精度高。

Description

一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪

技术领域

本发明涉及一种剪切渗流实验仪器，特别涉及一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪。

背景技术

岩体是由随机分布的节理、裂隙等不连续面和被其切割的岩石组成的不连续介质，裂隙大量存在于天然岩体中，严重影响岩体的渗流特性。裂隙岩体渗流的渗透系数的非均匀性和各向异性十分明显，裂隙网络的分布和应力环境对岩体渗流场的影响显著，因此，研究裂隙岩体剪切-渗流特性对工程设计、施工及安全运行具有重要意义。

目前裂隙岩体的剪切渗流实验装置，大多数采用简单裂隙(如单一裂隙和正交裂隙)的小尺寸岩石试样的室内实验，或采用多块岩石拼砌组合形成的大尺度岩体的模型实验，虽然这些实验能在一定程度上模拟裂隙岩体的渗流状态，但其也具有明显的缺点：1)小尺寸岩石试样受尺寸效应的影响较大；2)简单裂隙或多块岩石拼砌组合形成的裂隙与实际岩体的裂隙网络相差较大，难以模拟真实岩体裂隙网络的渗流状态；3)应力加载和渗流加载控制不灵活，难以模拟复杂裂隙网络岩体的单向加载多向渗流、多向加载单向渗流等渗流状态；4)实验过程中岩体试样为不可见状态，不能直观追踪流体在裂隙网络中的流动过程。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于含有节理、裂隙等不连续面大尺度二维裂隙岩体的剪切-渗流实验装置，该装置既能较真实地模拟岩体实际裂隙网络的剪切渗流状态，又能灵活控制应力加载和渗流加载的大尺度二维裂隙岩体剪切渗流装置，同时还能直观追踪流体在裂隙网络中的流动过程。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，包括工作台、应力加载系统、渗流加载系统和数据量测控制系统，所述应力加载系统包括竖向应力加载系统和横向应力加载系统，所述渗流加载系统包括竖向渗流加载系统和横向渗流加载系统；

所述工作台包括底座、设置于底座上的试件安装座、固定于试件安装座下部的竖向承压板、与竖向承压板对应的竖向加载板、固定于试件安装座右边的横向承压板和与横向承压板对应的横向加载板；

所述数据量测控制系统包括用于检测渗流水压的水压传感器、用于检测试件应力的应力传感器、信号转换处理器、信号控制器和计算机。

进一步，所述竖向应力加载系统包括竖向应力加载控制器、由竖向应力加载控制器控制的竖向加载伺服电机和由竖向加载伺服电机驱动的竖向伺服加载器，所述竖向伺服加载器与竖向加载板连接；

所述横向应力加载系统包括横向应力加载控制器、由横向应力加载控制器控制的横向加载伺服电机和由横向加载伺服电机驱动的横向伺服加载器，所述横向伺服加载器与横向加载板连接。

进一步，所述竖向渗流加载系统包括竖向渗流控制器、由竖向渗流控制器控制的竖向渗流伺服电机、由竖向渗流伺服电机驱动的竖向渗流伺服加载器、竖向进水钢盒和竖向出水钢盒，所述竖向进水钢盒与竖向渗流伺服加载器连接，竖向出水钢盒与竖向出水管连接；

所述横向渗流加载系统包括横向渗流控制器、由横向渗流控制器控制的横向渗流伺服电机、由横向渗流伺服电机驱动的横向渗流伺服加载器、横向进水钢盒和横向出水钢盒，所述横向进水钢盒与横向渗流伺服加载器连接，横向出水钢盒与横向出水管连接。

进一步，所述数据量测系统还包括用于记录流体流动过程的微型摄像头，所述微型摄像头安装于试件安装座的左上部和右上部。

进一步，所述数据量测系统还包括用于检测渗流流量的流量计，所述流量计安装于靠近竖向出水钢盒和横向出水钢盒一端的竖向出水管和横向出水管上。

进一步，所述竖向应力加载控制器、横向应力加载控制器、竖向渗流控制器和横向渗流控制器均与计算机连接，按照实验设计要求通过计算机控制应力加载和渗流加载。

本发明的有益效果在于：

1)本发明不仅可以进行单向加载单向渗流、单向加载多向渗流实验，还可以进行双向加载单向渗流、双向加载多向渗流实验，功能更全，实用性更强。

2)本发明采用伺服加载控制进行应力加载和渗流加载，加载控制灵活，实验精度高。

3)本发明克服了传统裂隙岩体剪切渗流实验的小尺寸缺陷，同时，实验过程中能直观追踪裂隙岩体试样中流体的流动过程，有助于通过数字影像技术对裂隙岩体渗流进行分析，更加形象具体。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中P1部分的放大三维示意图；

图3为本发明做双向加载多向渗流实验时图1中P2部分的安装示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪的结构示意图；图2为图1中P1部分的放大三维示意图；图3为本发明大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪做双向加载多向渗流实验时图1中P2部分的安装示意图。

如图1-3所示，在本实施例中，大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，包括工作台、应力加载系统、渗流加载系统和数据量测控制系统，所述应力加载系统包括竖向应力加载系统和横向应力加载系统，所述渗流加载系统包括竖向渗流加载系统和横向渗流加载系统。

所述工作台包括底座1、设置于底座1上的试件安装座2、固定于试件安装座2下部，通过竖向支撑杆3连接的竖向承压板4、安装于试件安装座2上部，通过竖向传力杆5连接的竖向加载板6、固定于试件安装座2右边，通过横向支撑杆7连接的横向承压板8、安装于试件安装座2左边，通过横向传力杆9连接的横向加载板10。

所述数据量测控制系统包括用于检测渗流水压的水压传感器11、用于检测试件应力的应力传感器12、信号转换处理器13、信号控制器14和计算机15。

所述竖向应力加载系统包括竖向应力加载控制器16、由竖向应力加载控制器16控制的竖向加载伺服电机17和由竖向加载伺服电机17驱动的竖向伺服加载器18，所述竖向伺服加载器18与竖向传力杆5连接，以驱动竖向加载板6实施竖向加载。

所述横向应力加载系统包括横向应力加载控制器19、由横向应力加载控制器19控制的横向加载伺服电机20和由横向加载伺服电机20驱动的横向伺服加载器21，所述横向伺服加载器21与横向传力杆9连接，以驱动横向加载板10实施横向加载。

所述竖向渗流加载系统包括竖向渗流控制器22、由竖向渗流控制器22控制的竖向渗流伺服电机23、由竖向渗流伺服电机23驱动的竖向渗流伺服加载器24、竖向进水钢盒25和竖向出水钢盒26，所述竖向进水钢盒25与竖向渗流伺服加载器24连接，竖向出水钢盒26与竖向出水管27连接。

所述横向渗流加载系统包括横向渗流控制器28、由横向渗流控制器28控制的横向渗流伺服电机29、由横向渗流伺服电机29驱动的横向渗流伺服加载器30、横向进水钢盒31和横向出水钢盒32，所述横向进水钢盒31与横向渗流伺服加载器30连接，横向出水钢盒32与横向出水管33连接。

所述竖向应力加载控制器16、横向应力加载控制器19、竖向渗流控制器22和横向渗流控制器28均与计算机15连接，按照实验设计要求通过计算机15控制应力加载和渗流加载。

作为对本实施方案的改进，所述竖向进水钢盒25、竖向出水钢盒26、横向进水钢盒31和横向出水钢盒32均为一侧开口的长方体钢盒，钢盒厚10mm，且一窄面有用于进水/出水的小孔；竖向进水钢盒25和横向进水钢盒31的小孔与压力管34连接。

作为对本实施方案的改进，所述数据量测系统还包括用于记录流体流动过程的微型摄像头35，所述微型摄像头35安装于试件安装座2的左上部和右上部。

作为对本实施方案的改进，所述数据量测系统还包括用于检测渗流流量的流量计36，所述流量计36安装于靠近竖向出水钢盒26和横向出水钢盒32一端的竖向出水管27和横向出水管33上。

下面以较为复杂的大尺度二维裂隙岩体双向加载多向渗流实验为例说明本大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪的工作过程：

第一步，试件安装：

对竖向应力加载控制器16和横向应力加载控制器19进行归零设置，使竖向加载板6和横向加载板10退回到零位移处。将竖向出水钢盒26和横向出水钢盒32分别粘接于竖向承压板4和横向承压板8上，并使竖向出水钢盒26和横向出水钢盒32的开口一侧朝向试件安装区域。将采用高强树脂对前后表面裂隙进行密封后的裂隙岩体试样37放置于竖向出水钢盒26上，并紧靠横向出水钢盒32，采用高强树脂将裂隙岩体试样37与竖向出水钢盒26和横向出水钢盒32密封粘接，同时将竖向进水钢盒25和横向进水钢盒31分别密封粘接于裂隙岩体试样37的上侧面和左侧面。

第二步，数据量测系统安装：

在裂隙岩体试样37的典型裂隙渗流控制点(如裂隙交叉点和裂隙边缘点)处，将水压传感器11的插头通过裂隙岩体试样37正表面上的高强树脂接缝插入控制点的裂隙内部。将应力传感器12贴于靠近竖向出水钢盒26和横向出水钢盒32的裂隙岩体试样37边缘处。将安装有流量计36的竖向出水管27和横向出水管33分别与竖向出水钢盒26和横向出水钢盒32连接。同时打开微型摄像头35。

第三步，应力加载和渗流加载：

按照实验设计的要求，通过竖向应力加载控制器16和横向应力加载控制器19的控制，对裂隙岩体试样37进行竖向应力加载和横向应力加载。通过竖向渗流控制器22和横向渗流控制器28，利用掺有色素的流体对裂隙岩体试样37进行竖向渗流加载和横向渗流加载。

第四步，实验结束后，渗流压力归零，竖向加载板6和横向加载板10归位，取出试样，提取实验数据。

进行单向渗流实验时只需要在渗流方向上对裂隙岩体试样37的两侧安装进水钢盒和出水钢盒，另一方向的两侧不需安装进水钢盒和出水钢盒，而应将裂隙表面密封。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，其特征在于：包括工作台、应力加载系统、渗流加载系统和数据量测控制系统，所述应力加载系统包括竖向应力加载系统和横向应力加载系统，所述渗流加载系统包括竖向渗流加载系统和横向渗流加载系统；

所述工作台包括底座、设置于底座上的试件安装座、固定于试件安装座下部的竖向承压板、与竖向承压板对应的竖向加载板、固定于试件安装座右边的横向承压板和与横向承压板对应的横向加载板；

所述数据量测控制系统包括用于检测渗流水压的水压传感器、用于检测试件应力的应力传感器、信号转换处理器、信号控制器和计算机；

所述竖向应力加载系统包括竖向应力加载控制器、由竖向应力加载控制器控制的竖向加载伺服电机和由竖向加载伺服电机驱动的竖向伺服加载器，所述竖向伺服加载器与竖向加载板连接；

所述横向应力加载系统包括横向应力加载控制器、由横向应力加载控制器控制的横向加载伺服电机和由横向加载伺服电机驱动的横向伺服加载器，所述横向伺服加载器与横向加载板连接。

2.根据权利要求1所述的大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，其特征在于：所述竖向渗流加载系统包括竖向渗流控制器、由竖向渗流控制器控制的竖向渗流伺服电机、由竖向渗流伺服电机驱动的竖向渗流伺服加载器、竖向进水钢盒和竖向出水钢盒，所述竖向进水钢盒与竖向渗流伺服加载器连接，竖向出水钢盒与竖向出水管连接；

所述横向渗流加载系统包括横向渗流控制器、由横向渗流控制器控制的横向渗流伺服电机、由横向渗流伺服电机驱动的横向渗流伺服加载器、横向进水钢盒和横向出水钢盒，所述横向进水钢盒与横向渗流伺服加载器连接，横向出水钢盒与横向出水管连接。

3.根据权利要求1所述的大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，其特征在于：所述数据量测控制系统还包括用于记录流体流动过程的微型摄像头，所述微型摄像头安装于试件安装座的左上部和右上部。

4.根据权利要求1所述的大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，其特征在于：所述数据量测控制系统还包括用于检测渗流流量的流量计，所述流量计安装于靠近竖向出水钢盒和横向出水钢盒一端的竖向出水管和横向出水管上。

5.根据权利要求1所述的大尺度二维裂隙岩体剪切渗流仪，其特征在于：所述竖向应力加载控制器、横向应力加载控制器、竖向渗流控制器和横向渗流控制器均与计算机连接，按照实验设计要求通过计算机控制应力加载和渗流加载。