CN113790950B - 用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置及密封方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，包括承压块、套管和密封环，两块承压块分别设置于待试验岩体的两端；套管能够套装于待试验岩体和承压块的外部并与待试验岩体以及承压块相贴合；密封环套装于承压块和套管的外部紧固元件能够令密封环压紧在套管以及承压块上。本发明还公开一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，利用上述的承压装置，将两块承压块对称置于待试验岩体的两端，将套管套装于待试验岩体和承压块的外部，将密封环套装于承压块以及套管的外部，利用紧固元件令密封环压紧在套管以及承压块上，达到密封目的；且密封环与承压块以及套管的抵接面为斜面，避免由于应力集中而导致的套管破坏。

Description

用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置及密封方法
技术领域
本发明涉及岩体力学室内试验技术领域，特别是涉及一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置及密封方法。
背景技术
工程尺度的高储能岩体开挖卸荷工况可通过实验室尺度的岩体常规三轴试验的加卸荷路径实现。在实验室模拟高储能岩体开挖前的受力状态时，需要对岩体施加高围压，围压值达到几十甚至上百兆帕；模拟开挖过程的受力状态时，需要对岩体的高围压进行快速卸除。为了确保试验值真实有效，在实验室加卸载试验过程中，需要避免液压油在试验过程中进入岩体试样，尤其是含结构面岩体的加卸载试验更容易出现液压油渗入岩体试样的情况。为了防止液压油与岩体试样的接触，做好岩体与试验系统压头之间的密封格外重要。
当前采用密封热缩套管及附属封口配件对常规三轴试验的岩体与压头之间进行密封，主要采用电工胶带缠紧或金属圈箍紧两种方式。但上述两种方式对于几十甚至上百兆帕高围压加卸载条件下的岩体试验效果不佳。公开号为CN211347653U的专利，公开了一种适用于真三轴实验的密封装置及方法，增强了岩体与压头之间的密封可靠性。虽然该专利对岩体与压头之间具有良好的密封效果，但是，对于大尺寸岩体，其环向凸台的重量较大，不利于试验人员特别是力气较小的试验人员的密封操作；并且，在高围压加卸载试验后，压头与油缸接触的位置由于液压油膜儿的存在而导致其难以瞬时脱离，或可对试验后岩体产生扰动从而破坏试验后岩体的原始状态。
因此，如何改变现有技术中，高围压加卸载试验过程中岩体与压头密封效果不佳以及密封操作困难的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置及密封方法，以解决上述现有技术存在的问题，增强常规三轴试验中岩体与压头的密封效果，同时提高密封操作便捷度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，包括：
承压块，所述承压块的数量为两块，两块所述承压块分别设置于待试验岩体的两端；
套管，所述套管能够套装于所述待试验岩体和所述承压块的外部，所述套管能够与所述待试验岩体以及所述承压块相贴合，所述套管由防水材质制成；
密封环，所述密封环套装于所述承压块和所述套管的外部，所述密封环与所述承压块一一对应，所述密封环与所述套管以及所述承压块的抵接面为斜面，所述密封环与所述承压块之间还设置有紧固元件，所述紧固元件能够令所述密封环压紧在所述套管以及所述承压块上；所述密封环由刚性材质制成。
优选地，所述承压块具有第一倾斜面，所述第一倾斜面自所述承压块远离所述待试验岩体的第一端起向所述承压块靠近所述待试验岩体的第二端延伸，并朝向所述承压块的轴线方向倾斜设置；所述密封环具有第二倾斜面，所述第二倾斜面能够与所述第一倾斜面、所述套管相抵接；所述紧固元件能够对所述密封环施加朝向远离所述待试验岩体方向的作用力。
优选地，所述承压块具有密封槽，所述密封槽的开口位于所述第一倾斜面上，所述密封槽内设置有密封圈，所述密封圈与所述第二倾斜面相抵。
优选地，所述承压块具有凸台，所述凸台设置于所述密封环远离所述待试验岩体的一侧且二者之间具有间隙，所述凸台利用所述紧固元件与所述密封环相连。
优选地，所述紧固元件为螺栓，所述凸台具有与所述紧固元件相适配的通孔，所述密封环具有与所述紧固元件相适配的螺栓孔，所述紧固元件穿过所述凸台后与所述密封环螺纹连接。
优选地，所述紧固元件的数量为四个，四个所述紧固元件绕所述承压块的轴线周向均布。
优选地，所述承压块远离所述待试验岩体的一端径向端面上具有凹槽，所述凹槽为顶部开口结构，所述凹槽延伸至所述承压块的侧壁处。
优选地，所述凹槽为十字形，四个所述紧固元件的十字形连线与所述凹槽的投影重合。
本发明还提供了一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，利用上述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置：
将两块所述承压块对称置于所述待试验岩体的两端，将所述套管套装于所述待试验岩体和所述承压块的外部，令所述套管与所述待试验岩体和所述承压块紧密贴合，将所述密封环套装于所述承压块以及所述套管的外部，利用所述紧固元件令所述密封环压紧在所述套管以及所述承压块上。
优选地，令所述承压块以及所述待试验岩体同轴设置。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，包括承压块、套管和密封环，承压块的数量为两块，两块承压块分别设置于待试验岩体的两端；套管能够套装于待试验岩体和承压块的外部，套管能够与待试验岩体以及承压块相贴合，套管由防水材质制成；密封环套装于承压块和套管的外部，密封环与承压块一一对应，密封环与套管以及承压块的抵接面为斜面，密封环与承压块之间还设置有紧固元件，紧固元件能够令密封环压紧在套管以及承压块上；密封环由刚性材质制成。
本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，套管套装于待试验岩体和承压块外部，起到固定待试验岩体和承压块的作用，然后利用密封环套装于承压块和套管的外部，套管与待试验岩体以及承压块紧密贴合，即密封环套装于承压块和待试验岩体的外部，密封环能够压紧承压块，从而封堵套管的端部，达到密封目的；还需要强调的是，本发明利用紧固元件使密封环压紧在承压块上，且密封环与承压块以及套管的抵接面为斜面，承压块与密封环斜面抵接避免了密封环与承压块接触位置由于应力集中而导致的套管破坏，确保了密封环与套管紧密贴合，增强了密封效果。另外，本发明利用紧固元件促使密封环压紧在套管以及承压块上，提高了操作便捷性。
本发明还公开一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，利用上述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，将两块承压块对称置于待试验岩体的两端，将套管套装于待试验岩体和承压块的外部，令套管与待试验岩体和承压块紧密贴合，将密封环套装于承压块以及套管的外部，利用紧固元件令密封环压紧在套管以及承压块上。本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，操作便捷，省时省力，提高了常规三轴试验的适应性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置的轴测示意图；
图2为本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置的主视示意图；
图3为图2中沿D-D方向的剖切示意图；
图4为本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置的部分结构放大示意图。
其中，1为承压块，101为第一倾斜面，102为凸台，103为密封槽，104为凹槽，2为密封环，201为第二倾斜面，3为待试验岩体，4为紧固元件，5为密封圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置及密封方法，以解决上述现有技术存在的问题，增强常规三轴试验中岩体与压头的密封效果，同时提高密封操作便捷度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-4，其中，图1为本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置的轴测示意图，图2为本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置的主视示意图，图3为图2中沿D-D方向的剖切示意图，图4为本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置的部分结构放大示意图。
本发明提供一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，包括承压块1、套管和密封环2，承压块1的数量为两块，两块承压块1分别设置于待试验岩体3的两端；套管能够套装于待试验岩体3和承压块1的外部，套管能够与待试验岩体3以及承压块1相贴合，套管由防水材质制成；密封环2套装于承压块1和套管的外部，密封环2与承压块1一一对应，密封环2与套管以及承压块1的抵接面为斜面，密封环2与承压块1之间还设置有紧固元件4，紧固元件4能够令密封环2压紧在套管以及承压块1上；密封环2由刚性材质制成。
本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，套管套装于待试验岩体3和承压块1外部，起到固定待试验岩体3和承压块1的作用，然后利用密封环2套装于承压块1和套管的外部，套管与待试验岩体3以及承压块1紧密贴合，即密封环2套装于承压块1和待试验岩体3的外部，密封环2能够压紧承压块1，从而封堵套管的端部，达到密封目的；还需要强调的是，本发明利用紧固元件4使密封环2压紧在承压块1上，且密封环2与承压块1以及套管的抵接面为斜面，承压块1与密封环2斜面抵接避免了密封环2与承压块1接触位置由于应力集中而导致的套管破坏，确保了密封环2与套管紧密贴合，增强了密封效果。另外，本发明利用紧固元件4促使密封环2压紧在套管以及承压块1上，提高了操作便捷性。
此处需要解释说明的是，套管套装于待试验岩体3和承压块1的外部并与二者紧密贴合，此处“紧密贴合”是指套管能够包覆于待试验岩体3和承压块1的外部，与二者完全贴合且套管不存在褶皱，套管在连接承压块1和待试验岩体3的同时，相当于在待试验岩体3和承压块1外部镀了一层封层，密封环2套装于套管的外部，相当于密封环2套装在承压块1和待试验岩体3的“封层”的外部，对待试验岩体3和承压块1外形的影响几乎可以忽略，因此，本发明中提及的密封环2套装于承压块1、待试验岩体3、套管或三者任意组合的外部，以及密封环2压紧在套管以及承压块1上或密封环2压紧在承压块1上等描述，均不矛盾。在本具体实施方式中，套管可以采用热缩管，在套管套装在待试验岩体3以及承压块1外部后，对热缩管进行加热，使其变形与待试验岩体3以及承压块1紧密贴合，在本发明的其他具体实施方式中，套管还可以采用弹性材质制成，弹性材质制成的套管套装在待试验岩体3以及承压块1外部，密封环2利用紧固元件4压紧在承压块1上，封堵套管的端部，起到密封作用。另外，套管的长度需满足能够令密封环2压紧密封为准，套管的端部可以选择位于密封环2与承压块1的抵接面上，或长度稍长，由密封环2处伸出，套管的长度可以根据试验具体需求设定。另外，由于本具体实施方式中的套管能够发生形变，附图中套管未示出。
具体地，承压块1具有第一倾斜面101，第一倾斜面101自承压块1远离待试验岩体3的第一端起向承压块1靠近待试验岩体3的第二端延伸，并朝向承压块1的轴线方向倾斜设置；密封环2具有第二倾斜面201，第二倾斜面201能够与第一倾斜面101、套管相抵接；紧固元件4能够对密封环2施加朝向远离待试验岩体3方向的作用力。紧固元件4对密封环2施加作用力，令密封环2压紧在承压块1上，斜面相抵避免应力集中。第一倾斜面101和第二倾斜面201的斜率可以选择相同或相近，保证密封效果。在本具体实施方式中，第一倾斜面101和第二倾斜面201自两端朝向待试验岩体3中部倾斜，在本发明的其他具体实施方式中，可以调整第一倾斜面101和第二倾斜面201的倾斜方向，相应地调整紧固元件4向密封环2施加作用力的方向，以及套管与紧固元件4以及承压块1等作适应性调整。
其中，承压块1具有密封槽103，密封槽103的开口位于第一倾斜面101上，密封槽103内设置有密封圈5，密封圈5与第二倾斜面201相抵。密封圈5和密封环2相抵，两者接触更加柔性自然，进一步避免了密封环2与承压块1接触位置由于应力集中导致套管加速破坏，确保了承压块1与套管以及密封环2的紧密贴合，增强装置密封效果。密封圈5可以采用O形圈或其它结构的密封圈5，密封槽103形状与密封圈5形状相适配。
更具体地，承压块1具有凸台102，凸台102设置于密封环2远离待试验岩体3的一侧且二者之间具有间隙，凸台102利用紧固元件4与密封环2相连，凸台102为紧固元件4提供了安装基础，凸台102的轴线与待试验岩体3的轴线重合，紧固元件4与凸台102相连能够令紧固元件4的轴线平行于待试验岩体3的轴线，保证紧固元件4只对密封环2施加与待试验岩体3的轴线相平行的作用力，避免紧固元件4对试验造成干扰，提高试验结果的可靠性。
在本具体实施方式中，紧固元件4为螺栓，凸台102具有与紧固元件4相适配的通孔，密封环2具有与紧固元件4相适配的螺栓孔，紧固元件4穿过凸台102后与密封环2螺纹连接。调整紧固元件4与密封环2的连接位置即可调整紧固元件4对密封环2施加的作用力大小，采用螺纹连接的方式，提高操作便捷性，即使力气较小的试验人员也能够方便地进行操作。
另外，紧固元件4的数量为四个，四个紧固元件4绕承压块1的轴线周向均布，提高密封环2受力均匀性，提高装置整体的结构稳定性。
进一步地，承压块1远离待试验岩体3的一端径向端面上具有凹槽104，凹槽104为顶部开口结构，凹槽104延伸至承压块1的侧壁处，在承压块1上设置凹槽104，能够防止待试验岩体3高围压加卸载常规三轴试验条件下由于液压油膜的存在而导致装置与试验加载系统之间产生难以瞬时脱离的情况，从而有效避免了对试验后岩体的扰动。
在本具体实施方式中，凹槽104为十字形，进一步避免液压油膜的“吸附”现象，四个紧固元件4的十字形连线与凹槽104的投影重合，提高结构的对称性，进而保证装置的受力均匀性。
更进一步地，本发明还提供了一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，具体操作包括：
将其中一块承压块1倒置在试验加载系统上；
待试验岩体3放置在承压块1上，待试验岩体3的轴线与承压块1的轴线重合；
将热缩管套在待试验岩体3和承压块1外部；
将两个密封环2相对套在热缩管和承压块1外部；
在待试验岩体3上放置另一块承压块1，并令承压块1伸入热缩管内，两个承压块1均与待试验岩体3同轴设置；
对热缩管进行加热，可选用加热枪或其它加热设备，加热后的热缩管迅速收缩并与两块承压块1紧密贴合；
将两个密封环2利用紧固元件4与承压块1相连，令密封环2压紧承压块1和承压块1上的密封圈5，防止待试验岩体3高围压加卸载常规三轴试验过程中从岩体上部和下部渗油的情况。
本发明的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，采用密封环2和紧固元件4的组合对待试验岩体3和承压块1进行密封，相较于现有技术，减轻了装置密封附属配件的重量，方便试验人员操作，尤其为力气较小的试验人员在进行大尺寸岩体高围压加卸载常规三轴试验的密封操作时提供了极大的便利。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于，包括：
承压块，所述承压块的数量为两块，两块所述承压块分别设置于待试验岩体的两端；所述承压块远离所述待试验岩体的一端径向端面上具有凹槽，所述凹槽为顶部开口结构，所述凹槽延伸至所述承压块的侧壁处；
套管，所述套管能够套装于所述待试验岩体和所述承压块的外部，所述套管能够与所述待试验岩体以及所述承压块相贴合，所述套管由防水材质制成；
密封环，所述密封环套装于所述承压块和所述套管的外部，所述密封环与所述承压块一一对应，所述密封环与所述套管以及所述承压块的抵接面为斜面，所述密封环与所述承压块之间还设置有紧固元件，所述紧固元件能够令所述密封环压紧在所述套管以及所述承压块上；所述密封环由刚性材质制成。
2.根据权利要求1所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：所述承压块具有第一倾斜面，所述第一倾斜面自所述承压块远离所述待试验岩体的第一端起向所述承压块靠近所述待试验岩体的第二端延伸，并朝向所述承压块的轴线方向倾斜设置；所述密封环具有第二倾斜面，所述第二倾斜面能够与所述第一倾斜面、所述套管相抵接；所述紧固元件能够对所述密封环施加朝向远离所述待试验岩体方向的作用力。
3.根据权利要求2所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：所述承压块具有密封槽，所述密封槽的开口位于所述第一倾斜面上，所述密封槽内设置有密封圈，所述密封圈与所述第二倾斜面相抵。
4.根据权利要求2所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：所述承压块具有凸台，所述凸台设置于所述密封环远离所述待试验岩体的一侧且二者之间具有间隙，所述凸台利用所述紧固元件与所述密封环相连。
5.根据权利要求4所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：所述紧固元件为螺栓，所述凸台具有与所述紧固元件相适配的通孔，所述密封环具有与所述紧固元件相适配的螺栓孔，所述紧固元件穿过所述凸台后与所述密封环螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：所述紧固元件的数量为四个，四个所述紧固元件绕所述承压块的轴线周向均布。
7.根据权利要求6所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：所述凹槽为十字形，四个所述紧固元件的十字形连线与所述凹槽的投影重合。
8.一种用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，利用权利要求1-7任一项所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的承压装置，其特征在于：
将两块所述承压块对称置于所述待试验岩体的两端，将所述套管套装于所述待试验岩体和所述承压块的外部，令所述套管与所述待试验岩体和所述承压块紧密贴合，将所述密封环套装于所述承压块以及所述套管的外部，利用所述紧固元件令所述密封环压紧在所述套管以及所述承压块上。
9.根据权利要求8所述的用于模拟高储能岩体开挖卸荷试验的密封方法，其特征在于：令所述承压块以及所述待试验岩体同轴设置。
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