CN107389525A - 一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置 - Google Patents
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Abstract
一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，包括用于剪切岩石裂隙试件的剪切装置和用于控制流体流动的渗流装置，剪切装置包括法向加压板、上剪切盒、下剪切盒、底座、上压块和下压块，岩石裂隙试件固定于上剪切盒和下剪切盒之间的试验工位，上剪切盒上部连接法向加压板，下剪切盒连接底座，上压块分别位于上剪切盒的下部两侧，下压块分别位于下剪切盒的上部两侧，上压块位于下压块的正上方；密封装置还包括用于密封与剪切方向垂直的裂隙端的竖向密封装置、用于密封与剪切方向平行的裂隙端的横向密封装置以及用于控制油压的伺服控制系统。本发明提供一种密封稳定、剪切过程连续的伺服控制的用于岩石裂隙剪切渗流试验的密封装置。
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，尤其涉及一种在伺服控制下、可连续剪切、考虑岩石剪胀等岩石真实特性的渗流密封装置。
背景技术
岩石裂隙的剪切-渗流特性无论是在一些重大地质灾害中，如滑坡、地震等，还是在一些大型地下岩体工程中，如核废料处置、石油矿山开采等，都具有重要的研究意义。在实验室开展关于岩石裂隙剪切-渗流特性的试验研究能够帮助我们深入地理解裂隙在水力耦合作用下的各种行为，并为实际工程应用提供基础数据的支撑。
目前关于岩石裂隙的剪切-渗流特性已开展了大量试验研究，其中渗流测试时的密封问题一直是困扰学术界的一个技术难点，尤其是在进行高压渗流试验时密封的问题显得尤为突出。这主要是因为裂隙剪切时不仅在切向，在法向也会由于剪胀的作用发生大的变形，从而使传统的不随剪切过程进行跟踪调整的密封机构失效。同时，大多数试验装置无法在连续剪切情况下测试岩石裂隙的渗流特性。
发明内容
为了克服已有岩石剪切-渗流试验中密封不稳定、剪切过程不连续的问题，本发明提供一种密封稳定、剪切过程连续的伺服控制的用于岩石裂隙剪切渗流试验的密封装置，通过伺服控制系统来提高测试和控制的精度，致力于开发一种具有更高密封性能，可以随着裂隙变形自行修正密封压力，并能够在连续剪切下测试渗流的密封装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，包括用于剪切岩石裂隙试件的剪切装置和用于控制流体流动的渗流装置，所述剪切装置包括法向加压板、上剪切盒、下剪切盒、底座、上压块和下压块，岩石裂隙试件固定于所述上剪切盒和下剪切盒之间的试验工位，所述上剪切盒上部连接法向加压板，所述下剪切盒连接底座，上压块分别位于上剪切盒的下部两侧，下压块分别位于下剪切盒的上部两侧，所述上压块位于下压块的正上方；所述密封装置还包括用于密封与剪切方向垂直的裂隙端的竖向密封装置、用于密封与剪切方向平行的裂隙端的横向密封装置以及用于控制油压的伺服控制系统；
所述竖向密封装置包括下压块中的竖向油压装置和竖向橡胶头，所述竖向油压装置的活塞端部连接竖向橡胶头，所述竖向橡胶头与所述上压块配合实现密封；
所述横向密封装置包括位于底座两侧的横向油压装置和横向橡胶头；所述横向油压装置的活塞端部连接横向橡胶头，所述横向橡胶头与试件两侧裂隙面配合实现密封。
进一步，所述竖向密封装置还包括上压块下的特氟龙涂层以及竖向橡胶头，所述竖向橡胶头与所述特氟龙涂层配合实现密封；
所述的横向密封装置还包括附加于试件两侧裂隙面上的特氟龙片和横向橡胶头，所述横向橡胶头与特氟龙片配合实现密封。
再进一步，所述竖向油压装置由竖向油缸、竖向活塞、竖向进油管以及竖向出油管构成，油通过竖向油管进入或流出竖向油缸控制活塞进程，所述竖向活塞的活塞端部连接竖向橡胶头；
所述横向油压装置由横向油缸、横向活塞、横向进油管以及横向出油管构成，油通过横向油管进入或流出横向油缸控制活塞进程；所述横向活塞的活塞端部连接横向橡胶头。
更进一步，所述密封装置还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括数据处理器和伺服泵；所述数据处理器接收并处理所述数据测量系统传来的数据，并将指令传达给所述伺服泵来控制所述密封装置中油缸内的油压。
所述密封装置还包括用于测量位移、荷载、油压、水压的数据测量系统，所述数据测量系统包括位移传感器、荷载传感器、油压传感器、水压传感器；所述测量系统测得的数据传输给伺服控制系统实现密封控制。
所述渗流装置包括出水管、进水管、左侧上压块管道、右侧上压块管道以及水阀；所述出水管、进水管、左侧上压块管道以及右侧上压块管道设置在压块中，并都配有水阀来调控水流。
本发明的有益效果主要表现在：
1)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；同时，该空隙形成的水腔可以为渗流试验提供均匀的水压。
2)本发明的密封装置可以根据裂隙内水压的大小自动调整密封装置的油压，保证油压大于水压，达到良好的密封效果。
3)本发明中的纵向密封装置通过伺服控制，可以在裂隙发生剪胀时自动跟踪裂隙上部试件的法向(竖向)位移，并根据设定的算法推动活塞保障足够的密封压力。
4)本发明的密封装置通过伺服控制，可以在试验过程中的任意时刻调整密封压力，在不需要密封时密封橡胶头可完全脱离，不影响剪切过程。
5)本发明中用于密封的橡胶头与特氟龙材料直接接触，密封时对剪切的影响较小，可实现连续的剪切-渗流试验。
附图说明
图1是未密封时的正视剖面图。
图2是未密封时发生剪切位移后的正视剖面图。
图3是在一定剪切位移下进行渗流试验时的正视剖面图。
图4是未密封时的侧视剖面图。
图5是施加密封时的侧视剖面图。
图6是本发明的伺服控制系统示意图。
图1-6中，1-法向加压板；2-上剪切盒；3a-左上压块；3b-右上压块；3c-左下压块；3d-右下压块；4a-左侧上压块管道；4b-右侧上压块管道；4c-入水管；4d-出水管；5a-左侧上水阀；5b-右侧上水阀；5c-左侧下水阀；5d-右侧下水阀；6a-竖向橡胶头；6b-横向橡胶头；7a-特氟龙涂层；7b-特氟龙片；8a-左水腔；8b-右水腔；9a-竖向油缸；9b-竖向活塞；9c-竖向出油管；9d-竖向进油管；10a-横向油缸；10b-横向活塞；10c-横向出油管；10d-横向进油管；11a-竖向伺服泵；11b-横向伺服泵；12-下剪切盒；13-底座；14-位移传感器；15-油源；16-数据处理器；17a-竖向油压装置；17b-横向油压装置。
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6，一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，包括用于剪切岩石裂隙试件的剪切装置和用于控制流体流动的渗流装置，所述剪切装置包括法向加压板、上剪切盒、下剪切盒、底座、上压块和下压块，岩石裂隙试件固定于所述上剪切盒和下剪切盒之间的试验工位，所述上剪切盒上部连接法向加压板，所述下剪切盒连接底座，上压块分别位于上剪切盒的下部两侧，下压块分别位于下剪切盒的上部两侧，所述上压块位于下压块的正上方；所述密封装置还包括用于密封与剪切方向垂直的裂隙端的竖向密封装置、用于密封与剪切方向平行的裂隙端的横向密封装置以及用于控制油压的伺服控制系统；
所述竖向密封装置包括下压块中的竖向油压装置和竖向橡胶头，所述竖向油压装置的活塞端部连接竖向橡胶头，所述竖向橡胶头与所述上压块配合实现密封；
所述横向密封装置包括位于底座两侧的横向油压装置和横向橡胶头；所述横向油压装置的活塞端部连接横向橡胶头，所述横向橡胶头与试件两侧裂隙面配合实现密封。
进一步，所述竖向密封装置还包括上压块下的特氟龙涂层以及竖向橡胶头，所述竖向橡胶头与所述特氟龙涂层配合实现密封；
所述的横向密封装置还包括附加于试件两侧裂隙面上的特氟龙片和横向橡胶头，所述横向橡胶头与特氟龙片配合实现密封。
再进一步，所述竖向油压装置由竖向油缸、竖向活塞、竖向进油管以及竖向出油管构成，油通过竖向油管进入或流出竖向油缸控制活塞进程，所述竖向活塞的活塞端部连接竖向橡胶头；
所述横向油压装置由横向油缸、横向活塞、横向进油管以及横向出油管构成，油通过横向油管进入或流出横向油缸控制活塞进程；所述横向活塞的活塞端部连接横向橡胶头。
更进一步，所述密封装置还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括数据处理器和伺服泵；所述数据处理器接收并处理所述数据测量系统传来的数据，并将指令传达给所述伺服泵来控制所述密封装置中油缸内的油压。
所述密封装置还包括用于测量位移、荷载、油压、水压的数据测量系统，所述数据测量系统包括位移传感器、荷载传感器、油压传感器、水压传感器；所述测量系统测得的数据传输给伺服控制系统实现密封控制。
所述渗流装置包括出水管、进水管、左侧上压块管道、右侧上压块管道以及水阀；所述出水管、进水管、左侧上压块管道以及右侧上压块管道设置在压块中，并都配有水阀来调控水流。
如图1-3所示，所述剪切装置包括法向加压板1、上剪切盒2、下剪切盒12、底座13以及压块。通过法向千斤顶向法向加压板1施加法向荷载，法向加压板1底部连接装载试件的上剪切盒2，法向加压板1和上剪切盒2可以共同沿法向移动，但不能沿切向横向移动；下剪切盒12底部连接底座13；两个剪切盒之间不闭合，中间留有一定空间用于渗流试验时向裂隙出入口施加均匀的水压；在剪切盒两侧放有4个压块，包括左上压块3a、右上压块3b、左下压块3c和右下压块3d，剪切过程中向左下压块3c施加横向剪切力使下剪切盒12、底座13带着试件的下半部产生剪切位移。
所述渗流装置包括在左上压块3a中的左侧上压块管道4a和左侧上水阀5a、右上压块3b中的右侧上压块管道4b和右侧上水阀5b、左下压块3c中的入水管4c和左侧下水阀5c以及右下压块3d中的出水管4d和右侧下水阀5d；水通过入水管4c进入左水腔8a，通过岩石裂隙流入右水腔8b，最终从出水管4d流出装置；左侧上压块管道4a和右侧上压块管道4b之间连接差压计，用于测量出入水口之间的水压，并将测量数据传输给数据处理器16。
所述竖向密封装置包括竖向油压装置17a、特氟龙涂层7a以及竖向橡胶头6a。所述竖向油压装置包括竖向油缸9a、竖向活塞9b、竖向进油管9c和竖向出油管9d；竖向伺服泵11a通过进、出油管调节竖向油缸9a中的油压来控制竖向活塞9b的进程，竖向活塞9b在油压作用下挤压竖向橡胶头6a实现对裂隙的密封；压块下的特氟龙涂层7a能降低压块与竖向橡胶头6a之间的摩阻力。
如图4-6所示，所述横向密封装置包括横向油压装置17b、特氟龙片7b以及横向橡胶头6b。所述横向油压装置17b包括横向油缸10a、横向活塞10b、横向进油管10c和横向出油管10d；横向伺服泵11b通过进、出油管调节横向油缸10a中的油压来控制横向活塞10b的进程，所述横向活塞10b在油压作用下挤压横向橡胶头6b与岩石裂隙两侧紧密相贴达到密封效果；横向橡胶头6b与岩石裂隙之间的特氟龙片7b起降低摩阻力的作用。
所述伺服控制系统，包括数据处理器16和伺服泵11a、11b。所述数据处理器16能够接受并处理数据处理系统传送的数据，并将指令传达给伺服泵，通过伺服泵来控制密封装置中油缸内的油压。
所述数据测量系统，包括位移传感器、荷载传感器、油压传感器以及水压传感器。所述位移传感器包括法向位移传感器14和切向位移传感器，能够监测试件的法向和切向位移；所述荷载传感器包括法向荷载传感器和切向位移传感器，能监测作用于试件上的法向和切向应力；所述油压传感器能够监测竖向密封装置和横向密封装置中的油压；所述水压传感器能够监测裂隙出水口和入水口的水压。
本实施例的具体应用：
实例1.对法向应力的精确控制。法向千斤顶上装有压力传感器，在试验过程中可以通过伺服控制千斤顶所施加的荷载的大小。设σ1为试件承受的法向应力，A1为试件受法向力的面积；σ2为法向千斤顶施加的应力，A2为法向千斤顶活塞的断面积；σ3为竖向密封装置活塞上作用的应力，A3为竖向密封装置活塞的断面积。那么有σ1A1＝σ2A2-σ3A3。法向千斤顶和竖向密封装置中活塞所作用的力的大小可以通过伺服控制器进行精确控制，保证作用在试样上的法向应力稳定保持在设定值。
实例2.对剪胀的处理。裂隙在剪切过程中会发生剪胀，从而使上下部分逐渐张开。如果采用机械式、固定式的密封装置，则随着裂隙张开，密封性能会逐渐变差甚至出现漏水的情况。本发明中的伺服控制系统可以根据位移传感器的数据和竖向密封装置中的油压数据综合判断，对剪胀造成的油压的降低自动进行补偿，保证密封的稳定。
实例3.变水压试验。在进行渗流试验时，一般需要变换水压，进行一系列水压下的试验。本发明中的伺服控制系统能够监测水压的变化，并自动调节密封系统中的油压，让油压始终大于水压，达到良好的密封效果。
实例4.连续剪切试验和非连续剪切试验。本发明可以进行两种形式的剪切-渗流试验。在进行非连续剪切试验时，先不施加密封压力，此时橡胶头完全脱离试件，在将试件剪切到一定位移后，暂停剪切，通过伺服系统施加需要的密封压力进行渗流试验，在渗流试验结束后卸载密封压力进行下一个阶段的剪切；在进行连续剪切试验时，一开始就施加密封压力，并在剪切过程中同时进行渗流试验，密封压力通过伺服系统随时自动调整以保证密封效果。
Claims (6)
1.一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，包括用于剪切岩石裂隙试件的剪切装置和用于控制流体流动的渗流装置，所述剪切装置包括法向加压板、上剪切盒、下剪切盒、底座、上压块和下压块，岩石裂隙试件固定于所述上剪切盒和下剪切盒之间的试验工位，所述上剪切盒上部连接法向加压板，所述下剪切盒连接底座，上压块分别位于上剪切盒的下部两侧，下压块分别位于下剪切盒的上部两侧，所述上压块位于下压块的正上方；其特征在于：所述密封装置还包括用于密封与剪切方向垂直的裂隙端的竖向密封装置、用于密封与剪切方向平行的裂隙端的横向密封装置以及用于控制油压的伺服控制系统；
所述竖向密封装置包括下压块中的竖向油压装置和竖向橡胶头，所述竖向油压装置的活塞端部连接竖向橡胶头，所述竖向橡胶头与所述上压块配合实现密封；
所述横向密封装置包括位于底座两侧的横向油压装置和横向橡胶头；所述横向油压装置的活塞端部连接横向橡胶头，所述横向橡胶头与试件两侧裂隙面配合实现密封。
2.如权利要求1所述的一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，其特征在于：所述竖向密封装置还包括上压块下的特氟龙涂层以及竖向橡胶头，所述竖向橡胶头与所述特氟龙涂层配合实现密封；
所述的横向密封装置还包括附加于试件两侧裂隙面上的特氟龙片和横向橡胶头，所述横向橡胶头与特氟龙片配合实现密封。
3.如权利要求1或2所述的一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，其特征在于：所述竖向油压装置由竖向油缸、竖向活塞、竖向进油管以及竖向出油管构成，油通过竖向油管进入或流出竖向油缸控制活塞进程，所述竖向活塞的活塞端部连接竖向橡胶头；
所述横向油压装置由横向油缸、横向活塞、横向进油管以及横向出油管构成，油通过横向油管进入或流出横向油缸控制活塞进程；所述横向活塞的活塞端部连接横向橡胶头。
4.如权利要求1或2所述的一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，其特征在于：所述密封装置还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括数据处理器和伺服泵；所述数据处理器接收并处理所述数据测量系统传来的数据，并将指令传达给所述伺服泵来控制所述密封装置中油缸内的油压。
5.如权利要求4所述的一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，其特征在于：所述密封装置还包括用于测量位移、荷载、油压、水压的数据测量系统，所述数据测量系统包括位移传感器、荷载传感器、油压传感器、水压传感器；所述测量系统测得的数据传输给伺服控制系统实现密封控制。
6.如权利要求1或2所述的一种伺服控制的岩石裂隙剪切渗流试验密封装置，其特征在于：所述渗流装置包括出水管、进水管、左侧上压块管道、右侧上压块管道以及水阀；所述出水管、进水管、左侧上压块管道以及右侧上压块管道设置在压块中，并都配有水阀来调控水流。
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