CN106153442A - 用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，包括上压块、下压块和用于在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形的密封橡胶片，岩石试件置于刚性剪切盒内，所述岩石试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，所述上压块和下压块之间留有用于放置所述密封橡胶片的空隙，所述密封橡胶片的上端与上压块连接，所述密封橡胶片的下端与下压块连接；所述密封橡胶片与所述岩石试件的裂隙渗流面之间形成中空储水室，一侧的中空储水室与入水口连通，另一侧的中空储水室与出水口连通。本发明提供一种有效避免漏水、稳定性良好的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学领域，涉及一种岩石裂隙剪切渗流试验中的密封装置，尤其涉及一种考虑岩石裂隙热力学、水力学、力学、化学(Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical:THMC)多场耦合作用下的试件密封装置。
背景技术
核废料处理、天然气及二氧化碳地下储存、压气储能、深部水利和采矿工程等大型深部地下岩体工程通常修建在裂隙岩体中，而高渗透压力作用下地下深部裂隙岩体的多场耦合特性是关系该类地下工程安全与否的关键因素，也一直是岩石力学界研究的热点，而考虑THMC耦合作用的岩石裂隙剪切试验系统是揭示这一科学基本问题的重要手段。
目前开展的岩石剪切渗流试验，为避免密封问题，其渗流入水口大多为直接流入圆形裂隙面中间的一个小孔，形成放射状的渗流，该方法无法研究裂隙渗流方向带来的影响；另一方面，目前开展的试验成果大多集中于较低渗流压力下的试验，但较高渗流压力下在裂隙剪切达到其峰值后的过程中进行的渗流试验和研究还是空白，因此在进行裂隙剪切渗流耦合试验时要重点攻克高渗透压力下的渗流剪切盒剪切过程中的密封问题；此外，目前试验中水压差的测量都取在剪切盒外部的入水口和出水口处，但事实上水流进入到岩石裂隙处还有一定的距离，之间水压会有一定的损失，该水压测量方法不准确，需要寻找更为精确的测量方法。
发明内容
为了克服已有岩石剪切渗流试验中容易出现漏水、密封装置稳定性较差的不足，本发明提供一种有效避免漏水、稳定性良好的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，包括上压块、下压块和用于在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形的密封橡胶片，岩石试件置于刚性剪切盒内，所述岩石试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，所述上压块和下压块之间留有用于放置所述密封橡胶片的空隙，所述密封橡胶片的上端与上压块连接，所述密封橡胶片的下端与下压块连接；所述密封橡胶片与所述岩石试件的裂隙渗流面之间形成中空储水室，一侧的中空储水室与入水口连通，另一侧的中空储水室与出水口连通。
进一步，一侧的下压块的下压块管道与入水口相接，另一侧下压块的下压块管道与出水口相接。
再进一步，所述上压块设有上压块管道，所述上压块管道与中空储水室连通，两侧的上压块管道与差压计连接。
所述上压块管道和下压块管道上均设有止水阀。
所述上压块、下压块开有凹槽，所述密封橡胶片直接插入上压块和下压块的凹槽内。
更进一步，所述岩石试件的裂隙的侧面设有用于防止水从侧向流出的侧向密封组件。
所述侧向密封组件包括刚性密封条和硅胶密封层，所述刚性密封条上下对称布置，所述刚性密封条一边抵触在所述岩石试件上，所述刚性密封条的内部布置所述硅胶密封层，所述刚性密封条的另一边与活动压头顶触，所述活动压头与框架螺纹连接。
所述活动压头、刚性密封条和硅胶密封层形成密闭中空腔，所述活动压头上设有注油管道。
本发明的技术构思为：岩石试件置于刚性剪切盒内，试件在剪切方向两侧各放置有上下压块，上下压块之间留有一定空隙，用于放置密封橡胶片，且在法向加载时可有效避免法向应力作用于压块；所述密封橡胶片可在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形，从而实现连续的水封效果；密封橡胶片直接插入上下压块内，中间形成中空储水室，入水口直接连入储水室，将水压均匀作用在裂隙渗流面上；水流入岩石裂隙后从对立面的出水口流出；左右两侧的储水室直接连接差压计，测量裂隙左右出入口间的水压差。
裂隙侧面设置有侧向密封组件，防止水从侧向流出；所述侧向密封组件包括带开口的刚性密封条，内部加硅胶密封层，活动压头直接卡入刚性密封条和硅胶垫层内，形成密闭中空腔，中空腔内注油，利用油压使硅胶密封层紧密贴合在裂隙处，从而实现侧向密封。
本发明的有益效果主要表现在：
1)本发明的入水处可实现将水压均匀作用在裂隙渗流面上，避免将水压集中于一点，更接近于自然界和工程中裂隙内渗流的真实形态。
2)本发明的上下压块中间留有一定空隙，保障法向加载以及剪切过程中，法向应力直接作用于试件上，而不作用于上下压块。
3)本发明的密封橡胶片，在试件发生剪切位移时，可随之变形，不被破坏，在整个剪切过程中实现连续的密封。
4)本发明可精确的测量裂隙实际入水口和出水口之间的水压差，而非外部导管之间的水压差。
5)本发明的侧向密封组件内的油压采用伺服控制，可根据渗流水压的大小调节油压大小，保证密封性。
附图说明
图1为本发明的正视剖面示意图；
图2为入水口处大样图；
图3为发生剪切位移后的正视剖面示意图；
图4为本发明的侧视图；
图5为侧向密封组件大样图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，包括上压块、下压块和用于在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形的密封橡胶片，岩石试件置于刚性剪切盒内，所述岩石试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，所述上压块和下压块之间留有用于放置所述密封橡胶片的空隙，所述密封橡胶片的上端与上压块连接，所述密封橡胶片的下端与下压块连接；所述密封橡胶片与所述岩石试件的裂隙渗流面之间形成中空储水室，一侧的中空储水室与入水口连通，另一侧的中空储水室与出水口连通。
所述岩石试件的裂隙的侧面设有用于防止水从侧向流出的侧向密封组件。
所述侧向密封组件包括刚性密封条和硅胶密封层，所述刚性密封条上下对称布置，所述刚性密封条一边抵触在所述岩石试件上，所述刚性密封条的内部布置所述硅胶密封层，所述刚性密封条的另一边与活动压头顶触，所述活动压头与框架螺纹连接。
参见附图1-2，含有单裂隙的岩石试件放置在上部剪切盒1、下部剪切盒8内，上部剪切盒1在两侧滚轮限制下仅可上下移动将法向应力均匀往下传递，下部剪切盒8在下部滚轮支撑下仅可水平移动，实现剪切位移。
试件剪切方向两侧放置有上压块与下压块，所述上压块有左侧上压块2a、右侧上压块2b，所述下压块有左侧下压块2c、右侧下压块2d；上述压块形状结构相同且对称放置，上下压块之间留有一定空隙，用于放置密封橡胶片，且在法向加载和剪切过程中能保证法向应力通过剪切盒直接作用于岩石试件，来避免法向应力作用于压块而影响试验效果。
上下压块各开有左侧上凹槽5a、右侧上凹槽5b、左侧下凹槽5c、右侧下凹槽5d和左侧上压块管道3a、右侧上压块管道3b，以及入水口3c、出水口3d；所述凹槽，用于固定左密封橡胶片6a、右密封橡胶片6b，具体方法是先往凹槽内注入高强胶水，然后插入密封橡胶片，从而起到固定密封橡胶片的作用，保证其密封性。
密封橡胶片形成左中空储水室7a、右中空储水室7b，入水口直接连入储水室，水流通过入水管道进入储水室，将水压均匀作用在裂隙渗流面上；水流入岩石裂隙，从对立面出水口流出，出水处同样有密封橡胶片和储水室，来保证其密封性。
所述左侧上压块管道3a、右侧上压块管道3b分别连接到外部的差压计，可精确得到左中空储水室7a、右中空储水室7b之间的压力差，而中空储水室的水压等于裂隙实际出入水口的压力，从而得到裂隙出入水口真实的压力差；不测水压时，管道外分别有左侧上止水阀4a、右侧上止水阀4b可关闭管道，入水口与出水口处同样设置有左侧下止水阀4c、右侧下止水阀4d，可随时控制水流的开合。
参见附图3，附图3为施加剪切应力后，试件发生剪切位移后的正视剖面示意图，剪切应力作用于下半部分试件，下剪切盒可随底部滚轮左右滑动，密封橡胶片随试件的剪切位移可自由变形而不被破坏，从而保证剪切过程中的密封性。
参见附图4-5，试样侧面分别有前固定板14a、后固定板14b，上下压块之间的空隙处以及岩石侧向裂隙处设置有前侧向密封组件10A、后侧向密封组件10B，完全覆盖裂隙，防止水从侧向流出；所述侧向密封组件包括刚性密封条10a、硅胶密封层10b和中空腔10c，所述刚性密封条上下结构对称，一边抵住岩石试件，并用硅胶等防水材料作密封层，堵住开口并延伸至整个刚性密封条内部；侧向密封组件另一边与前活动压头9a、后活动压头9b连接，所述活动压头一端用前螺栓13a、后螺栓13b固定在前框架14a、后框架14b上，拧紧螺栓则另一端刚好卡入侧向密封组件内部，从而形成中空腔，中空腔内注油，利用油压使硅胶密封层紧密贴合在裂隙处和左中空储水室7a、右中空储水室7b处；活动压头位置可根据具体岩石试件进行微调，保证其紧紧抵住侧向密封组件；另有一前注油管12a、后注油管12b置于活动压头内，注油管上设置有前阀门11a、后阀门11b，所述注油管连接到外部伺服油泵，利用油泵向中空腔内注油，油压可伺服控制，产生大于裂隙内部水压的油压而达到密封效果。
Claims (8)
1.一种用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述密封装置包括上压块、下压块和用于在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形的密封橡胶片，岩石试件置于刚性剪切盒内，所述岩石试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，所述上压块和下压块之间留有用于放置所述密封橡胶片的空隙，所述密封橡胶片的上端与上压块连接，所述密封橡胶片的下端与下压块连接；所述密封橡胶片与所述岩石试件的裂隙渗流面之间形成中空储水室，一侧的中空储水室与入水口连通，另一侧的中空储水室与出水口连通。
2.如权利要求1所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：一侧的下压块的下压块管道与入水口相接，另一侧下压块的下压块管道与出水口相接。
3.如权利要求2所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述上压块设有上压块管道，所述上压块管道与中空储水室连通，两侧的上压块管道与差压计连接。
4.如权利要求2所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述上压块管道和下压块管道上均设有止水阀。
5.如要求1～4之一所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述上压块、下压块开有凹槽，所述密封橡胶片直接插入上压块和下压块的凹槽内。
6.如要求1～4之一所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述岩石试件的裂隙的侧面设有用于防止水从侧向流出的侧向密封组件。
7.如权利要求6所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述侧向密封组件包括刚性密封条和硅胶密封层，所述刚性密封条上下对称布置，所述刚性密封条一边抵触在所述岩石试件上，所述刚性密封条的内部布置所述硅胶密封层，所述刚性密封条的另一边与活动压头顶触，所述活动压头与框架螺纹连接。
8.如权利要求7所述的用于岩石裂隙多场耦合作用下剪切试验的密封装置，其特征在于：所述活动压头、刚性密封条和硅胶密封层形成密闭中空腔，所述活动压头上设有注油管道。
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