CN107255703B - 一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，测量主机分别连接有渗透水增压缸、油源系统、渗透称量系统和电液伺服控制系统；电液伺服控制系统还分别与渗透水增压缸、渗透称量系统连接；油源系统还与渗透水增压缸连接；电液伺服控制系统用于发送控制信息至测量主机、渗透称量系统和渗透水增压缸，并采集测量主机、渗透称量系统和渗透水增压缸发出的测量信息，并生成最终测量结果；通过三向加载系统模拟真实岩石受力情况，并通过渗透水增压缸提供高达30MPa的高压水，最后通过高精度电子天平称量渗透水量，能够精确地测量出渗透水的量和试样形变量，并通过电液伺服控制系统计算出最终结果。

Description

一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统

【技术领域】

本发明属于实验设备技术领域，尤其涉及一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统。

【背景技术】

岩体裂隙是影响高坝基础稳定性的重要岩体结构，裂隙在应力场和水压力耦合作用下的渗流特性是坝基稳定评价的重要指标。限于试验方法和试验设备的条件，当前裂隙渗流特性通过裂隙分布密度、开度等指标通过统计方法折算成综合渗透系数，传统的垂直渗透仪可承受的最大上覆荷载小，仅可达到10MPa，不能承受高强度的荷载，其非真三轴受力、水头压力小，导致测量的精确度低，而且目前也没有合适的装置设备来进行测量。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，以解决现有试验系统荷载小、水头压力低、非真三轴受力的问题。

本发明采用以下技术方案：一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，包括用于为试样施压以及测量其形变量的测量主机，测量主机分别连接有渗透水增压缸、油源系统、渗透称量系统和电液伺服控制系统；

电液伺服控制系统还分别与渗透水增压缸、渗透称量系统连接；油源系统还与渗透水增压缸连接；

渗透水增压缸用于为测量主机提供高压渗流水，并将其状态信息发送至电液伺服控制系统；

油源系统用于为测量主机和渗透水增压缸提供高压油；

渗透称量系统用于称量通过测量主机流出的渗流水的重量，并将其信息发送至电液伺服控制系统；

电液伺服控制系统用于发送控制信息至测量主机、渗透称量系统和渗透水增压缸，并采集测量主机、渗透称量系统和渗透水增压缸发出的测量信息，并生成最终测量结果。

进一步地，测量主机包括底座，底座上分别安装有用于为试样进行三轴施压的X向加载系统、Y向加载系统和Z向加载系统；

X向加载系统和Y向加载系统均包括水平设置并呈方形排布的四根拉杆，每根拉杆的两端分别固定连接在竖直设置的支撑板和反向支撑板，支撑板外侧安装有用于提供动力的电液伺服作动器，电液伺服作动器的输出端穿过支撑板设置有钢球结构压头；反向支撑板内侧通过支撑杆连接有钢球结构压头；两个钢球结构压头的位置对应，大小相同，且两个钢球结构压头均用于对试样施加载荷。

进一步地，每个支撑板和反向支撑板的底部两侧均通过滑块连接在直线导轨上，滑块用于带动支撑板和反向支撑板沿直线导轨滑动，以调节X向加载系统或 Y向加载系统与试样的相对位置。

进一步地，钢球结构压头包括依次连接的过渡板、夹板、压头体，压头体和夹板之间通过连接板连接，过渡板和夹板之间通过螺钉固定连接；

夹板上还开设有多个通孔，每个通孔靠近压头体的一端均带有锥度，每个通孔内均安装有钢球，每个钢球均用于在通孔中转动，以使压头体和连接板随受压试样同步移动；

每个连接板与夹板连接处均设置有顶丝螺钉和用于为压头体导向和限位的轴承；压头体与试样接触的端面上设置有缓冲垫；缓冲垫设置在压头体与试样接触端面的边缘处。

进一步地，Z向加载系统包括施力部和反向施力部，施力部竖直设置的四根立柱，每根立柱的上端部均固定连接在水平设置的支撑板上，支撑板顶部安装有用于提供动力的电液伺服作动器，电液伺服作动器的输出端穿过支撑板设置有上钢球压头；

反向施力部包括安装在底座上的四根支撑杆，且每根支撑杆的顶部均连接至同一下压头；上钢球压头和下压头的位置对应，大小相同，且均用于对试样施加载荷。

进一步地，X向加载系统、Y向加载系统和Z向加载系统均安装有负荷传感器、变形传感器、高精度位移传感器、电液伺服阀。

进一步地，还包括用于包裹试样的密封系统，密封系统包括用于包裹试样外表面的乳胶膜，试样的上下方与乳胶膜之间均安装有透水板，每个透水板与乳胶膜之间还设置有圆型密封圈，乳胶膜为一次性注塑成型。

进一步地，渗透水增压缸包括电液伺服阀，渗透水增压缸通过耐高压油管与油源系统连接，渗透水增压缸上部为不锈钢水缸，不锈钢水缸通过耐高压水管连接至上钢球结构压头，不锈钢水缸上还安装有压力传感器。

进一步地，渗透称量系统包括高精度电子天平，高精度电子天平上放置有渗透水收集装置。

本发明的有益效果是：本发明提出了研究应力变化条件下裂隙渗透特性响应的试验装置，能够模拟坝基岩体裂隙在水库蓄水运行过程中的各种环境应力场条件，开展渗流特性试验研究，通过三向加载系统模拟真实岩石受力情况，并通过渗透水增压缸提供高达30MPa的高压水，最后通过高精度电子天平称量渗透水量，能够精确地测量出渗透水的量和试样形变量，并通过电液伺服控制系统计算出最终结果。

【附图说明】

图1为本发明一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统的结构示意图；

图2为本发明中测量主机的结构示意图；

图3为本发明中密封系统的结构示意图；

图4为本发明中钢球结构压头的结构示意图。

其中：1.测量主机；2.油源系统；3.渗透称量系统；4.渗透水增压缸；5.电液伺服控制系统；101.底座；102.X向加载系统；103.Y向加载系统，104.Z向加载系统；105.拉杆；106.支撑板；107.反向支撑板；108.直线导轨；109.电液伺服作动器；110.负荷传感器；111.钢球结构压头；112.变形传感器；113.高精度位移传感器；114.电液伺服阀；117.立柱；119.上钢球压头；120.乳胶膜；121. 透水板；122.圆型密封圈；123.橡胶缓冲垫；301.高精度电子天平；302.渗透水收集装置；402.压力传感器；501.电脑；502.显示器；503.打印机；504.控制器；602. 连接板；603.钢球；604.夹板；605.缓冲垫；606.压头体；607.过渡板；608.顶丝螺钉；609.轴承。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，如图1、图2、图3、图4所示，包括用于为试样施压以及测量其形变量的测量主机1，测量主机1分别连接有渗透水增压缸4、油源系统2、渗透称量系统3和电液伺服控制系统5；

电液伺服控制系统5还分别与渗透水增压缸4、渗透称量系统3连接。

渗透水增压缸4包括电液伺服阀114，渗透水增压缸4通过耐高压油管与油源系统连接，渗透水增压缸4上部为不锈钢水缸，不锈钢水缸通过耐高压水管连接至上钢球结构压头119，不锈钢水缸上还安装有压力传感器402，压力传感器 402可测出水头压力，压力达30MPa，不锈钢水缸可容纳20L的渗透水，通过伺服加压，压力水通过阀门进入钢球结构压头119，通过裂隙面渗流经过试样，最终汇入管路收集装置。

渗透水增压缸4用于为测量主机1提供高压渗流水，并将其状态信息发送至电液伺服控制系统5；

油源系统2用于为测量主机1和渗透水增压缸4提供高压油，油源系统2为测量主机1和渗透水增压缸4供油时，流量设为10L/min。

油源系统2主要由油箱、滤油器、电机、油泵等组成，高压油通过单向阀进入各级油路，回油通过电磁溢流阀经回油滤油器、冷却器回到油箱。油源压力 21Mpa可调，在油路中安装有蓄能器和压力表。

压力油分为四路：

一路经精密过滤器，进入电液伺服阀，再进入X向主油缸，使X向活塞产生X方向荷载，最大可达到100MPa。

第二路经精密过滤器，进入电液伺服阀，再进入Y向主油缸，使Y向活塞产生Y方向荷载，最大可达到100MPa。

第三路经精密过滤器，进入电液伺服阀，再进入Z向主油缸，使Z向活塞产生Z向荷载，最大可达到100MPa。

第四路经精密过滤器，进入电液伺服阀，再进入渗透增压缸，推动渗透水缸，产生压力水，渗透水最大压力30MPa。

渗透称量系统3包括高精度电子天平301，高精度电子天平301上放置有渗透水收集装置302，渗透水收集装置302与下钢球结构压头之间通过水管相连。渗透称量系统3用于称量通过测量主机1流出的渗流水的重量，并将其信息发送至电液伺服控制系统5。

电液伺服控制系统5包括电脑501、显示器502、打印机503、和控制器504，用于采集信号，输出数据，高度自动化控制。电液伺服控制系统5用于发送控制信息至测量主机1、渗透称量系统3和渗透水增压缸4，并采集测量主机1、渗透称量系统3和渗透水增压缸4发出的测量信息，并生成最终测量结果。

测量主机1包括底座101，底座101上分别安装有用于为试样进行三轴施压的X向加载系统102、Y向加载系统103和Z向加载系统104，X向加载系统102 和Y向加载系统103均水平设置，Z向加载系统104竖直设置，且X向加载系统 102、Y向加载系统103、Z向加载系统104两两垂直相交于同一交点，交点处用于放置待测试样，三套加载系统均采用电液伺服控制，独立加载，载荷控制精准，可实现应力与渗流耦合的实验条件。

X向加载系统102和Y向加载系统103均包括水平设置并呈方形排布的四根拉杆105，四根拉杆105均互相平行，每根拉杆105的两端分别固定连接在竖直设置的支撑板106和反向支撑板107，支撑板106远离反向支撑板107的端面上安装有用于提供动力的电液伺服作动器109，即支撑板106的外侧安装有用于提供动力的电液伺服作动器109。在本发明中所提到的内侧和外侧指的是：靠近试样的位置为内侧，远离试样的位置为外侧。电液伺服作动器109的输出端穿过支撑板106设置有钢球结构压头111，还安装有负荷传感器110。

反向支撑板107内侧通过支撑杆连接有钢球结构压头111，两个钢球结构压头111的位置对应，大小相同，且两个钢球结构压头111均用于对试样施加载荷。

钢球结构压头111包括过渡板607，为了适应试样的形状，过渡板一般设置为方形板。

钢球结构压头111包括从外侧至内侧依次连接过渡板607、夹板604、压头体606，压头体606和夹板604之间通过连接板602连接，过渡板607和夹板604 之间通过螺钉固定连接。

过渡板607，为了适应试样的形状，过渡板607一般设置为方形板。

过渡板607在竖直方向上相对的两个侧面分别连接至电液伺服作动器的输出端和夹板604，即过渡板607的外侧连接电液伺服作动器，内侧连接夹板604。夹板604的相对两个侧面均通过连接板602连接有用于对试样施加载荷的压头体 606，即夹板604竖直方向上的两个相对侧面上通过连接板602与压头体连接，过渡板607起到了力的传递作用。

通过压头体606可以直接施力到试样上，对试样进行施压。夹板604形状和过渡板607类似，可以实现保持受力均匀、美观等作用。夹板604上开设有多个通孔，每个通孔靠近压头体606的一端均带有锥度，可以卡住钢球603，保证钢球603不会滑脱。

每个通孔内均安装有钢球603，每个钢球603均用于在通孔中转动并承压，以使压头体606和连接板602随受压试样同步移动。每个钢球603的两端分别接触过渡板607、压头体606，当试样受压时，有可能造成试样中心上下移动，则为了避免试样受到侧向力而影响试验效果，设置钢球603可以使压头体606和连接板602随试样同步上下移动，而不会带动后方的夹板604、过渡板607、电液伺服作动器等，这样就可以保持试样不会受到侧向力，提升试验效果。

钢球603的数量是根据整机最大承受力计算的，本发明中按照最大承受力为1000kN计算，可以得出在夹板604上共设置有81个钢球。

每个连接板602与夹板604的连接处均设置有用于固定连接板602的顶丝螺钉608，顶丝螺钉608起到放置压头体606掉落的作用，但并不影响压头体606 和连接板602相对于夹板604上下运动。

每个连接板602与夹板604连接处均设置有用于为压头体606导向和限位的轴承609，通过轴承609使压头体606和连接板602在移动的过程中不会偏离纵向中心线，以保证试验过程中的压力准确度，不会出现侧向力。

压头体606与试样接触的端面上设置有缓冲垫605，缓冲垫605设置在压头体606与试样接触端面的边缘处。缓冲垫605可以有效减缓压头体606对试样的冲击力。由于在测量时，试样外表面包裹有乳胶膜，乳胶膜的边角处承受压力较大，容易形成破损，导致渗透水漏出，达不到预期的试验效果。所以说，如果采用硬材质的压头体606，容易对乳胶膜造成损伤，因此，采用缓冲垫605可以减轻对乳胶膜的损伤，避免出现露出渗透水的情况发生，提升试验效果。

支撑板106和反向支撑板107的底部两侧均通过滑块连接在直线导轨108上，滑块用于带动支撑板106和反向支撑板107沿直线导轨108滑动，以调节X向加载系统102与试样的相对位置，实现两个方向自动对中。由于X向加载系统和Y 向加载系统的钢球结构压头111均与试样接触，所以，在每个钢球结构压头111 的端部安装有丁晴橡胶材料的缓冲垫，可以起到密封作用，还可以保护乳胶膜的角部不受破坏，避免渗流水漏出。

每个钢球结构压头111与电液伺服作动器109的连接处、每个钢球结构压头 111与支撑杆的连接处均在竖直方向上设置有多个钢球，这样，水平的钢球结构压头111呈自由状态，可以在上下压头对试样加压时，水平方向的钢球结构压头 111跟随试样的上下移动而移动，确保在受力后压头下移，加载系统不会受到侧向力。

Z向加载系统104包括施力部和反向施力部。施力部包括竖直设置的四根立柱117，每根立柱117的上端部均固定连接在水平设置的支撑板106上，支撑板106顶部安装有用于提供动力的电液伺服作动器109，电液伺服作动器109的输出端穿过支撑板106设置有上钢球压头119；

反向施力部包括安装在底座101上的四根支撑杆，每根支撑杆的顶部均连接至同一下压头。上钢球压头119和下压头均为现有技术中的常用压头，且位置对应，大小相同，且均用于对试样施加载荷，且上钢球结构压头119均与渗透水增压缸连接，以便渗透水增压缸为其提供高压渗透水，且出水口的压力可调，可实现压力无级变速加压。

X向加载系统102、Y向加载系统103和Z向加载系统104均安装有负荷传感器110、变形传感器112、高精度位移传感器113、电液伺服阀114。

通过上述可以看出，测量主机1采用了框架结构，整体结构紧凑、刚度满足整机要求，并通过四套独立的伺服作动器对试样进行加载，实现应力与渗流双向耦合。

渗流过程中的密封问题是关键，为解决试样密封问题，本系统还包括用于包裹试样的密封系统，密封系统包括用于包裹试样外表面的乳胶膜120，该乳胶膜 120可承受较大压力，由于试样为立方体，所以，我们采用的一次性注塑成型乳胶膜120也为立方体结构，试样的上下方与乳胶膜120之间均安装有透水板121，每个透水板121与乳胶膜120之间还设置有圆型密封圈122，乳胶膜120为一次性注塑成型。通过三道密封结构密封渗流水，达到了密封效果。

本系统能进行岩石和混凝土材料的测量，特别适用于高混凝土坝体与坝基材料的渗透特性试验。主要进行有上覆压力以及长期有渗流作用下的岩体裂隙渗透试验，并可满足较深入的渗透变形，渗透破坏试验研究及其它重大工程含裂隙材料渗透试验要求。本系统通过特有的三轴加载设计最大上覆荷载可达100MPa(试样三个方向最大可承受1000kN荷载)，试样尺寸一般设计为100×100×100mm (长×宽×高)，水头压力最大30MPa，因此，可适应开展三百米级高坝工程相应的实验研究工作。

模拟岩石在真实受力情况下，从上向下，在不同压力的渗透水流作用下，发生渗透变形，测量在变形过程中通过裂隙渗流的水量变化过程。

本发明与普通垂直渗透仪不同的显著特点是：最大上覆荷载0～100MPa，可调节的水头压力最大30MPa，渗流水量通过高精度电子天平称量，数据采集准确，控制模式自动化程度高。

Claims (8)

1.一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，包括用于为试样施压以及测量其形变量的测量主机(1)，所述测量主机(1)分别连接有渗透水增压缸(4)、油源系统(2)、渗透称量系统(3)和电液伺服控制系统(5)；

所述电液伺服控制系统(5)还分别与渗透水增压缸(4)、渗透称量系统(3)连接；所述油源系统(2)还与所述渗透水增压缸(4)连接；

所述渗透水增压缸(4)用于为所述测量主机(1)提供高压渗流水，并将其状态信息发送至所述电液伺服控制系统(5)；

所述油源系统(2)用于为所述测量主机(1)和所述渗透水增压缸(4)提供高压油；

所述渗透称量系统(3)用于称量通过所述测量主机(1)流出的渗流水的重量，并将其信息发送至所述电液伺服控制系统(5)；

所述电液伺服控制系统(5)用于发送控制信息至所述测量主机(1)、渗透称量系统(3)和渗透水增压缸(4)，并采集所述测量主机(1)、渗透称量系统(3)和渗透水增压缸(4)发出的测量信息，并生成最终测量结果；

所述测量主机(1)包括底座(101)，所述底座(101)上分别安装有用于为试样进行三轴施压的X向加载系统(102)、Y向加载系统(103)和Z向加载系统(104)；

所述X向加载系统(102)和Y向加载系统(103)均包括水平设置并呈方形排布的四根拉杆(105)，每根所述拉杆(105)的两端分别固定连接在竖直设置的支撑板(106)和反向支撑板(107)，所述支撑板(106)外侧安装有用于提供动力的电液伺服作动器(109)，所述电液伺服作动器(109)的输出端穿过所述支撑板(106)设置有钢球结构压头(111)；所述反向支撑板(107)内侧通过支撑杆连接有钢球结构压头(111)；两个所述钢球结构压头(111)的位置对应，大小相同，且两个所述钢球结构压头(111)均用于对试样施加载荷。

2.如权利要求1所述的一种电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，每个所述支撑板(106)和反向支撑板(107)的底部两侧均通过滑块连接在直线导轨(108)上，所述滑块用于带动所述支撑板(106)和反向支撑板(107)沿直线导轨(108)滑动，以调节所述X向加载系统(102)或Y向加载系统(103)与试样的相对位置。

3.如权利要求2所述的电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，所述钢球结构压头(111)包括依次连接的过渡板(607)、夹板(604)、压头体(606)，所述压头体(606)和夹板(604)之间通过连接板(602)连接，所述过渡板(607)和所述夹板(604)之间通过螺钉固定连接；

所述夹板(604)上还开设有多个通孔，每个所述通孔靠近压头体(606)的一端均带有锥度，每个所述通孔内均安装有钢球(603)，每个所述钢球(603)均用于在所述通孔中转动，以使所述压头体(606)和连接板(602)随受压试样同步移动；

每个所述连接板(602)与所述夹板(604)连接处均设置有顶丝螺钉(608)和用于为所述压头体(606)导向和限位的轴承(609)；所述压头体(606)与试样接触的端面上设置有缓冲垫(605)；所述缓冲垫(605)设置在所述压头体(606)与试样接触端面的边缘处。

4.如权利要求1-3任一所述的电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，所述Z向加载系统(104)包括施力部和反向施力部，所述施力部竖直设置的四根立柱(117)，每根所述立柱(117)的上端部均固定连接在水平设置的支撑板(106)上，所述支撑板(106)顶部安装有用于提供动力的电液伺服作动器(109)，所述电液伺服作动器(109)的输出端穿过所述支撑板(106)设置有上钢球压头(119)；

所述反向施力部包括安装在所述底座(101)上的四根支撑杆，且每根所述支撑杆的顶部均连接至同一下压头；所述上钢球压头(119)和所述下压头的位置对应，大小相同，且均用于对试样施加载荷。

5.如权利要求1-3任一所述的电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，所述X向加载系统(102)、Y向加载系统(103)和Z向加载系统(104)均安装有负荷传感器(110)、变形传感器(112)、高精度位移传感器(113)、电液伺服阀(114)。

6.如权利要求1-3任一所述的电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，还包括用于包裹试样的密封系统，所述密封系统包括用于包裹试样外表面的乳胶膜(120)，试样的上下方与所述乳胶膜(120)之间均安装有透水板(121)，每个所述透水板(121)与所述乳胶膜(120)之间还设置有圆型密封圈(122)，所述乳胶膜(120)为一次性注塑成型。

7.如权利要求4所述的电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，所述渗透水增压缸(4)包括电液伺服阀(114)，所述渗透水增压缸(4)通过耐高压油管与所述油源系统(2)连接，所述渗透水增压缸(4)上部为不锈钢水缸，所述不锈钢水缸通过耐高压水管连接至所述上钢球压头(119)，所述不锈钢水缸上还安装有压力传感器(402)。

8.如权利要求6所述的电液伺服岩体裂隙渗流应力耦合试验系统，其特征在于，所述渗透称量系统(3)包括高精度电子天平(301)，所述高精度电子天平(301)上放置有渗透水收集装置(302)。