CN106969987A - 一种岩石剪切盒密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩石剪切盒密封装置，包括：剪切盒，其包括内部构成用以容纳岩石试件的盒体容纳部，所述盒体容纳部的两侧为盒体连接部，所述盒体连接部的内壁尺寸大于所述盒体容纳部的内壁尺寸，在所述盒体容纳部上设有用以施加围压的围压孔；密封胶套，其包括用以沿横向套装所述岩石试件外表面的胶套容纳部，所述胶套容纳部的两侧为胶套连接部，所述胶套连接部的外周尺寸与所述盒体连接部的内壁尺寸相匹配；压盖，其在所述剪切盒的两侧与所述盒体连接部固定连接，用以将所述密封胶套压紧在所述剪切盒的内壁，并使所述密封胶套与所述剪切盒的内壁之间保持密封，所述压盖的盖体上设有剪切开口，以供剪切加载压头穿过并对所述岩石试件施加剪力。

Description

一种岩石剪切盒密封装置
技术领域
本发明涉及实验测量仪器技术领域，具体涉及一种岩石剪切盒密封装置。
背景技术
在矿山开采、核废料处置、水利水电、隧道、边坡等地下工程中，裂隙岩体是经常遇到的一类复杂岩体，它的强度、变形和渗透性等特征，直接关系工程设计、施工和运营稳定性，而且这些特性具有显著的时间相关性。裂隙岩体剪切流变常常是造成岩体滑坡、围岩塌落、地下工程失稳等岩石工程事故的主要因素。因此开展对岩石裂隙剪切流变特性的试验研究，对于整个岩体工程的长期稳定性具有重要的指导价值。
岩石节理面应力渗流耦合剪切流变试验系统的关键参数主要包括：最大法向加载力、最大剪切加载力、最大剪切位移范围、最大渗透压力、剪切盒尺寸、持续工作时间。国内外类似系统技术中，很难达到上述各参数同时具有较高水平。
1、最大剪切位移与最大剪切加载力及最大法向加载力很难同时兼顾。最大剪切位移与剪切盒的密封性密切相关，大位移剪切将对密封性造成影响，进而影响最大剪切加载力和最大法向加载力的参数。而为了保证剪切盒的密封性，大多数设备研制都采用较小的剪切位移。例如，Yeo L.W.等研制的剪切渗流设备最大剪切位移仅为2mm。同济大学夏才初、长崎大学蒋宇静等研制的设备最大剪切位移虽然达到20mm，但是其最大剪切加载力和最大法向加载力只有600kN。
2、最大渗透压力与与最大剪切加载力及最大法向加载力很难同时兼顾。渗透压力将对密封性造成影响，进而影响最大剪切加载力和最大法向加载力的参数。
较低的渗透压力可以保证剪切盒较好的密封，因此为了保证剪切盒良好的密封，一些设备选用的渗透压力较低，如表1所示，K.Iwai、Y.E.Detournay等学者研制的剪切渗流试验系统最大渗透压力均不超过1MPa，同济大学夏才初等研制的设备渗透压力也仅有0.5MPa，只能进行低渗透压下的试验。这类低渗透压无法体现裂隙岩体在地下深部的高压地下水作用。
但是高渗透压力下的剪切盒将出现漏水等密封问题，因而具有高渗透压力的剪切盒其最大剪切加载力及最大法向加载力均较小。日本长崎大学蒋宇静等研制的剪切渗流设备的剪切盒采用新型密封方法，其渗透压力可达到3MPa，但是其最大剪切加载力和最大法向加载力只有600kN。最近，重庆大学许江等研制的试验机渗透压力达到了5MPa，在剪切渗流设备方面较为领先，但是其最大剪切加载力和最大法向加载力只有300kN。
表1一些渗流试验设备的最大渗透压力
3、由于存在剪切盒密封等问题，导致了剪切试验的持续工作时间有限，已报道的一些研究，大多是对岩石试样进行伺服加载直至岩石破裂或者是进行应力渗流耦合研究，并没有考虑时间效应对岩体渗流的影响，现有的持续工作时间也仅为100天左右。
通过以上分析可知，限制岩石节理面应力渗流耦合剪切流变试验技术发展的主要因素是剪切盒的密封问题。
原有的渗流耦合剪切流变试验技术中，采取的密封方式有以下两种：
a.夏才初等先用水泥对试样进行处理，形成水泥包裹层，再用聚酯材料进行密封，这种密封方式程序繁琐，且只在低渗透压下才能保证密封，在高渗透压下无法密封，且大位移剪切下无法密封。
b.荣冠等采用了侧面密封囊、前端注水、后端集水的方式，侧向封水囊中油压由伺服控制，使其对试件产生一定的围压，依靠侧向封水囊达到密封效果。其缺点是不能进行三轴剪切试验，只能进行直剪，侧向封水囊还需要有单独的油压泵，操作比较繁琐，并且最高渗透压3MPa，比较低。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种岩石剪切盒密封装置。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种岩石剪切盒密封装置，包括：
剪切盒，其包括内部构成用以容纳岩石试件的盒体容纳部，所述盒体容纳部的两侧为盒体连接部，所述盒体连接部的内壁尺寸大于所述盒体容纳部的内壁尺寸，在所述盒体容纳部上设有贯穿剪切盒壳体的围压孔；
密封胶套，其包括用以沿横向套装所述岩石试件外表面的胶套容纳部，所述胶套容纳部的两侧为胶套连接部，所述胶套连接部的外周尺寸与所述盒体连接部的内壁尺寸相匹配；
压盖，其在所述剪切盒的两侧与所述盒体连接部固定连接，用以将所述密封胶套压紧在所述剪切盒的内壁，并使所述密封胶套与所述剪切盒的内壁之间保持密封，所述压盖的盖体上设有剪切开口，以供剪切加载压头穿过并对所述岩石试件施加剪力。
剪切盒上开有施加围压的孔，通过围压加载泵向密封胶套和剪切盒内壁之间的间隙施加围压，围压介质为液压油或者液态水均可，并通过密封胶套的胶套容纳部作用在岩石试件上，胶套容纳部保证了液压油与岩石试样之间的隔绝。剪切盒连接部的结构设计，与密封胶套和压盖相配合，可以保证密封胶套与剪切盒内壁的有效密封，大大提高了剪切盒的密封效果；由于剪切盒为整体式结构，两侧的剪切加载压头穿过压盖直接作用在岩石试件上，可以保证最大剪切加载力的施加。
所述压盖具有压紧所述胶套连接部的轴向突出部，所述轴向突出部的端部压紧所述密封胶套的垂直段，使得密封胶套的所有表面均与刚形体接触，避免围压压力超过密封胶套本身的承载力而导致密封胶套破坏，可以有效提高围压的最大加载值。
密封胶套采用含氟橡胶。本系统所用的胶套由于几何形状、工作环境特殊，所以需要特别定制。相比其他橡胶，氟胶有独特的优良性能，例如耐高温、耐压力、耐腐蚀，以及良好的机械性能、耐候性，被称为“橡胶王”。
所述密封胶套的胶套容纳部的壁厚为4-6mm，当胶套容纳部的壁厚在这个数值范围时，一方面可以起到更好的密封效果，另一方面可以耐受足够的围压。
所述胶套容纳部的截面形状为正方形。
所述正方形的边长为100-200mm。
所述胶套连接部的截面形状为圆形，其直径尺寸为150-300mm。
所述密封胶套的胶套连接部的壁厚为4-6mm，当胶套连接部的壁厚在这个数值范围时，可以在节约材料的同时，保证很好的密封效果。
所述剪切盒容纳部的顶端和底端设有供法向压头穿过的压头开口，以便同时实现轴压、围压和剪切试验。
所述剪切盒内的压头开口处，设有向所述岩石试件传递法向压力的平面滚针轴承或滑块结构，以减小岩块剪切错动过程中活塞面与岩石试件的表面摩擦力。
所述平面滚针轴承的平面保持架的两端具有朝向所述法向压头的保持架突出部，所述保持架突出部上设有用以压紧法向压头的调节件。
所述剪切盒的上盖和下盖通过螺栓固定在剪切盒的盒体上。
具体的有益效果如下：
岩石剪切盒密封装置可以保证围压的密封：剪切盒上开有施加围压的孔，通过围压加载泵向密封胶套和剪切盒内壁之间的间隙施加围压，围压介质为液压油或液态水均可，并通过密封胶套的胶套容纳部作用在岩石试件上，胶套容纳部保证了液压油与岩石试样之间的隔绝。剪切盒连接部的结构设计，与密封胶套和压盖相配合，可以保证密封胶套与剪切盒内壁的有效密封，大大提高了剪切盒的密封效果；由于剪切盒为整体式结构，两侧的剪切加载压头穿过压盖直接作用在岩石试件上，可以保证最大剪切加载力的施加。
附图说明
图1为本发明实施例一剪切盒密封装置的纵向剖面图；
图2为密封胶套的外观示意图。
图中：1、盒体容纳部，2、盒体连接部，3、密封胶套，4、胶套容纳部，5、胶套连接部，6、压盖，7、剪切开口，8、轴向突出部，9、胶套垂直段，10、压头开口，11、平面滚针轴承，12、保持架突出部，13、调节螺丝，14、法向压头。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
一种岩石剪切盒密封装置，如图1所示，包括：剪切盒，其包括内部构成用以容纳岩石试件的盒体容纳部1，盒体容纳部1的两侧为盒体连接部2，盒体连接部2的内壁尺寸大于盒体容纳部1的内壁尺寸，在盒体容纳部1上设有贯穿剪切盒壳体的围压孔；
密封胶套3，如图2所示，其包括用以沿横向套装岩石试件外表面的胶套容纳部4，胶套容纳部4的两侧为胶套连接部5，胶套连接部5的外周尺寸与盒体连接部2的内壁尺寸相匹配；
压盖6，其在剪切盒的两侧与盒体连接部2固定连接，用以将密封胶套3压紧在剪切盒的内壁，并使密封胶套3与剪切盒的内壁之间保持密封，压盖6的盖体上设有剪切开口7，以供剪切加载压头穿过并对岩石试件施加剪力。
剪切盒上开有施加围压的孔，通过围压加载泵向密封胶套3和剪切盒内壁之间的间隙施加围压，围压介质为液压油或者液态水均可，并通过密封胶套3的胶套容纳部4作用在岩石试件上，胶套容纳部4保证了液压油与岩石试样之间的隔绝。剪切盒连接部的结构设计，与密封胶套3和压盖6相配合，可以保证密封胶套3与剪切盒内壁的有效密封，大大提高了剪切盒的密封效果；由于剪切盒为整体式结构，两侧的剪切加载压头穿过压盖6直接作用在岩石试件上，可以保证最大剪切加载力的施加。
压盖6具有压紧胶套连接部5的轴向突出部8，轴向突出部8的端部压紧密封胶套3的胶套垂直段9，使得密封胶套3的所有表面均与刚形体接触，避免围压压力超过密封胶套3本身的承载力而导致密封胶套3破坏，可以有效提高围压的最大加载值。
密封胶套3采用含氟橡胶。含氟橡胶市场上有成品，为了满足抗高压、抗腐蚀、抗渗、耐油、不易产生永久变形的要求，胶套采用氟胶制作，采用美国杜邦公司生产的牌号为Viton A的高性能氟胶，含氟量66％，是偏氟乙烯(VF2)和六氟丙烯(HFP)共聚物，为二元胶。
如果对于耐腐蚀要求更高，可采用Viton B或Viton F，为偏氟乙烯(VF2)、四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚物，为三元胶，含氟量更高。一般情况下，选用Viton A。
本系统所用的胶套由于几何形状、工作环境特殊，所以需要特别定制。相比其他橡胶，氟胶有独特的优良性能，例如耐高温、耐压力、耐腐蚀，以及良好的机械性能、耐候性，被称为“橡胶王”。
密封胶套3的胶套容纳部4的壁厚为4-6mm，当胶套容纳部4的壁厚在这个数值范围时，一方面可以起到更好的密封效果，另一方面可以耐受足够的围压。
胶套容纳部4的截面形状为正方形，正方形的边长为100-200mm，胶套连接部5的截面形状为圆形，其直径尺寸为150-300mm。
密封胶套3的胶套连接部5的壁厚为4-6mm，当胶套连接部5的壁厚在这个数值范围时，可以在节约材料的同时，保证很好的密封效果。
剪切盒容纳部的顶端和底端设有供法向压头14穿过的压头开口10，以便同时实现轴压、围压和剪切试验。
剪切盒内的压头开口10处，设有向岩石试件传递法向压力的平面滚针轴承11或滑块结构，以减小岩块剪切错动过程中活塞面与岩石试件的表面摩擦力。
平面滚针轴承11的平面保持架的两端具有朝向法向压头14的保持架突出部12，保持架突出部12上设有用以压紧法向压头14的调节螺丝13。
剪切盒的上盖和下盖通过螺栓固定在剪切盒的盒体上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于，包括：
剪切盒，其包括内部构成用以容纳岩石试件的盒体容纳部，所述盒体容纳部的两侧为盒体连接部，所述盒体连接部的内壁尺寸大于所述盒体容纳部的内壁尺寸，在所述盒体容纳部上设有用以施加围压的围压孔；
密封胶套，其包括用以沿横向套装所述岩石试件外表面的胶套容纳部，所述胶套容纳部的两侧为胶套连接部，所述胶套连接部的外周尺寸与所述盒体连接部的内壁尺寸相匹配；
压盖，其在所述剪切盒的两侧与所述盒体连接部固定连接，用以将所述密封胶套压紧在所述剪切盒的内壁，并使所述密封胶套与所述剪切盒的内壁之间保持密封，所述压盖的盖体上设有剪切开口，以供剪切加载压头穿过并对所述岩石试件施加剪力。
2.根据权利要求1所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述压盖具有压紧所述胶套连接部的轴向突出部，所述轴向突出部的端部压紧所述密封胶套的垂直段。
3.根据权利要求1所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述密封胶套采用含氟橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述密封胶套的胶套容纳部的壁厚为4-6mm。
5.根据权利要求4所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述胶套容纳部的截面形状为正方形，所述正方形的边长为100-200mm，所述胶套连接部的截面形状为圆形，其直径尺寸为150-300mm。
6.根据权利要求4所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述密封胶套的胶套连接部的壁厚为4-6mm。
7.根据权利要求1所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述剪切盒容纳部的顶端和底端设有供法向压头穿过的压头开口。
8.根据权利要求7所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述剪切盒内的压头开口处，设有向所述岩石试件传递法向压力的平面滚针轴承或滑块结构。
9.根据权利要求8所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述平面滚针轴承的平面保持架的两端具有朝向所述法向压头的保持架突出部，所述保持架突出部上设有用以压紧法向压头的调节件。
10.根据权利要求1所述的一种岩石剪切盒密封装置，其特征在于：所述剪切盒的上盖和下盖通过螺栓固定在剪切盒的盒体上。
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