CN114689445A - 一种渗流循环剪切装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渗流循环剪切装置，其中，分别连接拉杆的上试体(1)、下试体(2)上下对齐放置，且被座体(4)包住；上试体(1)包括具有槽体的上剪切盒；下试体(2)包括下剪切盒(21)；在上剪切盒中，楔块(17)能沿上剪切盒内壁的一平端面向上移动，并挤压滑块(16)使其挤压上试块(15)贴合上剪切盒内壁的另一平端面，压紧上试块(15)两端的密封圈(18)；在下剪切盒中，楔块(17)通过螺杆旋转能沿下剪切盒(21)的一端面向下移动，楔块(17)挤压滑块(16)使其移动挤压下试块(23)贴合下剪切盒(21)的另一端面，压紧下试块(23)两端的密封圈(18)。本发明结构简单且具有很好的密封效果。

Description

一种渗流循环剪切装置

技术领域

本发明涉及岩石节理试验设备领域，尤其涉及一种渗流循环剪切装置。

背景技术

水库边坡的安全性问题对于水电站长期安全运行具有重要的意义，而水库边坡结构的稳定主要有岩石节理面控制的，降雨以及水库蓄水调节导致库水涨落会对节理面的安全性产生很大的安全隐患。另外，水的存在会导致结构面的强度弱化，而库水涨落会对结构面产生循环水荷载，造成疲劳损伤，尤其对水库的长期安全性产生很大的影响。因此需要对岩石节理裂隙进行渗流循环剪切试验。

目前对岩石节理进行室内剪切-渗流耦合试验是研究节理全剪切-渗流耦合特性研究的直接有效的手段。而研制岩石节理全剪切-渗流耦合试验系统最核心的技术难点在于剪切渗流盒的设计与制作。目前国内仅有几台关于岩石节理剪切-渗流耦合特性的试验设备，在实际的试验过程中岩石节理的剪切渗流存在着密封效果差的问题，或者是由于要求极高的密封性，会对试验带来无法消除的摩擦，降低试验的精度。同时，由于渗流剪切盒的构造复杂性，在试样周围布设声发射测量仪器也十分困难。

发明内容

为了克服现有技术存在的剪切-渗流耦合试验设备存在构造复杂性和严密性较差的技术问题，本发明提供全新的一种渗流循环剪切装置，该渗流循环剪切装置不仅结构简单，且具有很好的密封效果，从而能够保证岩石试块的试验精度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供一种渗流循环剪切装置，其包括：

上试体、下试体、底部滑轮、座体、上压头、剪切块限位插销；

上试体、下试体上下对齐放置，且能够被座体包住；

上试体包括具有槽体的上剪切盒和与上剪切盒连接的第一拉杆，上剪切盒的上顶板被上压头顶压；

下试体通过底部滑轮置于座体的底板上，能左右滑动；下试体包括下剪切盒和与下剪切盒连接的第二拉杆；第二拉杆和第一拉杆相对设置；

在上剪切盒中设置有上试块、滑块和楔块；楔块通过螺杆旋转能沿上剪切盒内壁的一平端面向上移动，并挤压滑块的楔形端面，使得滑块挤压上试块贴合上剪切盒内壁的另一平端面，并压紧上试块两端的密封圈；

在下剪切盒中设置有下试块、滑块和楔块；楔块通过螺杆旋转能沿下剪切盒的一端面向下移动，楔块移动会挤压滑块的楔形端面，使得滑块移动挤压下试块贴合下剪切盒的另一端面，压紧下试块两端的密封圈；

所述剪切块限位插销置于下试体的下剪切盒的凹槽里，对上剪切盒和下剪切盒进行限位。

更优选地，所述渗流循环剪切装置还包括：

侧装配体；

所述侧装配体为两个，分别贴合在座体的侧板内侧；

侧装配体包括橡胶皮、封囊和密封架体；

封囊与座体的侧板紧固，其凸台部分卡入密封架体的中间镂空部位，并用双面胶与在密封架体另一侧的橡胶皮粘合，橡胶皮的另一边分别与上试体和下试体的侧面贴合。

更优选地，所述侧板上开有围压孔，用于从外部往密封囊中施加油压，顶紧橡胶皮。

更优选地，所述渗流循环剪切装置还包括：上声发射部件；所述上声发射部件设置在所述上试块的上方，并置于上剪切盒的槽体中。

更优选地，所述上声发射部件包括：

上声发射探头、第一导线和上声发射盖板；

上声发射盖板上开有第一线槽，上声发射探头置于内含弹簧的第一线槽中；第一导线置于第一线槽中，并引线至第一线槽出口外；

上声发射盖板通过紧固件与上压头连接。

更优选地，所述渗流循环剪切装置还包括：下声发射部件；所述下声发射部件放在下试块下方，并置于下剪切盒中。

更优选地，所述下声发射部件包括：

下声发射探头、第二导线、下声发射盖板；

所述下声发射盖板上开有第二线槽，下声发射探头置于内含弹簧的第二线槽中；

第二导线通过第二线槽引线至第二线槽出口处；

下声发射盖板通过紧固件和下剪切盒连接。

更优选地，所述上剪切盒包括第一剪切块、第二剪切块、上顶板；所述第一剪切块和第二剪切块平行设置，且分别与位于上方的上顶板连接，组成具有槽体的上剪切盒。

更优选地，所述座体包括：

底板、侧板、旋转扳手、上紧固螺母、下紧固螺母；

两个侧板的下端通过下紧固螺母与底板固定，两个侧板的上端通过旋转扳手和上紧固螺母固定，形成一个上下左右都有约束的容纳腔体。

更优选地，所述旋转扳手上设置有轴承；转动旋转扳手的方向使所述轴承压紧上试体直至与下试体贴合，压紧滑块水平方向的密封圈。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下优点：

本发明通过在剪切盒中设置试块、滑块和楔块，并通过螺杆旋转带动楔块移动挤压滑块，滑块滑动挤压试块贴合剪切盒，进而压紧试块两端的密封圈，因此本发明不仅结构简单，且具有很好的密封效果，从而能够保证岩石试块的试验精度。

通过两个侧装配体分别贴合在座体的侧板内侧，进一步能够提高密封效果。

附图说明

图1为本发明结构的立体图；

图2为本发明结构的纵向剖视图；

图3-1为本发明中的上试体的立体图；

图3-2为本发明中的上试体的主视图；

图4-1为本发明中的下试体的立体图；

图4-2为本发明中的下试体的主视图；

图5为本发明中的底部滑轮的结构示意图；

图6-1为本发明中的座体的结构示意图；

图6-2为本发明中的旋转扳手、轴承、侧板限位插销的装配示意图；

图7为本发明中的侧装配体结构的爆炸图；

图8为本发明中的上声发射部件的结构示意图；

图9为本发明中的下声发射部件的结构示意图；

图10为本发明中的上压头的结构。

附图中：

上试体1、下试体2、底部滑轮3、座体4、侧装配体5、上声发射部件6、下声发射部件7、上压头8、剪切块限位插销9；

第一剪切块11、第二剪切块12、上顶板13、第一拉杆14、上试块15、滑块16、楔块17、密封圈18；

下剪切盒21、第二拉杆22、下试块23；

底板41、侧板42、旋转扳手44、轴承45、上紧固螺母46、下紧固螺母47、侧板限位插销48；

橡胶皮51、密封囊52、密封架体53、侧板42，围压孔421；

上声发射探头61、第一导线62、上声发射盖板63；第二线槽631、螺孔632；

下声发射探头71、第二导线72、下声发射盖板73、第二线槽731、通孔732；

穿线通孔81、连通孔82。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种渗流循环剪切装置，其结构如图1和图2所示，包括：上试体1、下试体2、底部滑轮3、座体4、侧装配体5、上声发射部件6、下声发射部件7、上压头8、剪切块限位插销9；

上试体1、下试体2上下对齐放置，且能够被座体4包住；

上试体1包括具有槽体的上剪切盒和与上剪切盒连接的第一拉杆14，上试块和放上试块上的上声发射部件6置于上剪切盒的槽体中，上剪切盒的上顶板被上压头8顶压；

下试体2通过底部滑轮3置于座体4的底板上，能左右滑动；下试体2包括下剪切盒21和与下剪切盒21连接的第二拉杆22，第二拉杆22和第一拉杆14相对设置。下试块和放在下试块底部的下声发射部件7置于下剪切盒21中。

为了保证密封效果，在上剪切盒的槽体中还设置有滑块16和楔块17；楔块17通过螺杆旋转能够沿着上剪切盒内壁的一平端面向上移动，并挤压滑块16的楔形端面，使得滑块16向右移动挤压上试块15使其贴合上剪切盒内壁的另一平端面，进而使得上试块15左右两端的密封圈18被压紧；

为了保证密封效果，在下剪切盒的凹槽中还设置有滑块16和楔块17；楔块17通过螺杆旋转能沿着下剪切盒21的右端面向下移动，楔块17移动会挤压滑块16的楔形端面，使得滑块16向左移动挤压下试块23使其贴合下剪切盒21的左端面并压紧下试块23左右两端的密封圈18。

为了保证密封效果，设置两个侧装配体，分别贴合在座体4的侧板42内侧。

剪切块限位插销9置于下试体2的下剪切盒21的凹槽里，能够起着对上剪切盒和下剪切盒21进行限位和方便安装的作用。

各个部件的功能及其结构具体如下：

上试体1：

上试体1的结构如图3-1和图3-2所示，其包括第一剪切块11、第二剪切块12、上顶板13、第一拉杆14、上试块15、滑块16、楔块17、密封圈18。

第一剪切块11和第二剪切块12平行设置，且分别通过螺栓与位于上方的上顶板13连接，组成具有槽体的上剪切盒。楔块17、滑块16、上试块15依次放置在上剪切盒的槽体中。

第一剪切块11的横断面为凸型，第一剪切块11设置有滑槽，供滑块16和楔块17滑动；滑块16的右端的平面与上试块15的左侧边相接触，滑块16的楔形端面与楔块17相接；楔块17左侧为卡槽状，与第一剪切块11的平端面相接触；楔块17有螺孔并通过螺杆连接上顶板13。

第二剪切块12上开有注水管道121通向槽体中的上试块15；

为保证密封效果，滑块16右端的平面和下端面，以及第二剪切块12的左端面都设置有密封槽，用于放置密封圈18。

第一拉杆14通过丝扣拧入第一剪切块11中。

楔块17通过螺杆的旋转能够沿着第一剪切块11的平端面向上移动，楔块17移动会通过挤压滑块16的楔形端面，进而使得滑块16向右移动挤压上试块15使其贴合第二剪切块12的内壁，进而使得上试块15左右两端的密封圈18被压紧，从而达到在竖直方向上紧固和密封的作用。

下试体2：

下试体2通过底部滑轮3置于座体4上，能够自由左右滑动。

下试体2的结构如图4-1和图4-2所示，包括下剪切盒21、第二拉杆22、下试块23、滑块16、楔块17、密封圈18。

下剪切盒21为“凹”型铁块，下剪切盒21开有出水管道211通向其凹槽；下试块23置于下声发射部件7上、与滑块16和楔块17一起依次放置于下剪切盒21的凹槽中。

滑块16和楔块17的连接方式与作用和上试体1相同。下试块23右侧边与滑块16的平端面相接触，滑块16的楔形端面与楔块17相接，楔块17右侧为卡槽状，与下剪切盒21的右端面相接触；楔块17有螺孔，并通过螺杆连接下剪切盒21的底板。滑块16的左端面和上端面、下剪切盒21凹槽的左端面都设置有密封槽用于放置密封圈18。

楔块17通过螺杆旋转能够沿着下剪切盒21的右端面向下移动，楔块17移动会挤压滑块16的楔形端面，进而使得滑块16向左移动挤压下试块23使其贴合下剪切盒21的左端面，进而使得下试块23左右两端的密封圈18被压紧，从而达到在竖直方向上紧固和密封的作用。

下剪切盒21右端通过丝扣与第二拉杆22连接，第二拉杆22可与水平作动活塞通过螺纹转接环连接，可实现循环往复动作。

底部滑轮3：

底部滑轮3的结构图5所示，其包括滑轨、连杆以及端板，滑轨通过连杆与两端的端板固定连接，两个端板固定在座体4的两端。滑轨上承载下试体2。

座体4：

座体4的结构图6-1和图6-2所示，其包括底板41、侧板42、旋转扳手44、轴承45、上紧固螺母46、下紧固螺母47、侧板限位插销48。

两个侧板42的下端通过下紧固螺母47与底板41固定，两个侧板42的上端通过旋转扳手44和上紧固螺母46固定，形成一个上下左右都有约束的容纳腔体。

旋转扳手44上设置有两个刚性轴承45，转动旋转扳手44的方向至垂直90度，使轴承45压紧上试体1，使之与下试体2贴合，从而压紧滑块16水平方向的密封圈，实现水平方向密封的效果。侧板限位插销48可以穿过侧板42上方的通孔，插入旋转扳手44的限位孔441内，以防止在实验过程中旋转扳手44发生偏转失去压紧的作用。

侧装配体5

侧装配体5为两个，分别贴合在座体4的侧板42内侧，每个侧装配体的结构如图7所示，其包括橡胶皮51、密封囊52和密封架体53。

密封囊52通过螺丝与座体4的侧板42紧固，其凸台部分卡入密封架体53的中间镂空部位，并用双面胶与在密封架体53另一侧的橡胶皮51粘在一起，橡胶皮51的另外一边与上试体1和下试体2的侧面贴合。

侧板42上开有围压孔421，用于从外部油泵往密封囊52中注入润滑油施加油压，顶紧橡胶皮51从而实现密封上、下试块之间缝隙的效果。

上声发射部件6：

上声发射部件6放置在上试块的上方，并置于上剪切盒中。

上声发射部件6的结构如图8所示，其包括上声发射探头61、第一导线62、上声发射盖板63。

上声发射盖板63上开有适合走线的第一线槽631，上声发射探头61置于内含弹簧的第一线槽631中。上声发射探头61的高度小于第一线槽631的深度，声发射探头61和弹簧的自然高度之和略大于第一线槽631的深度，这样既可保证声发射探头61能压紧上试块表面，也可保证不损坏声发射探头。

第一导线62置于第一线槽631中，并引线至第一线槽631出口外，便于外接连线。上声发射盖板63上设置有螺孔632，可通过紧固件与上压头8连接。

下声发射部件7：

下声发射部件7放在下试块下方，并置于下剪切盒中。下声发射部件7可起到传递竖向压力、方便安装并保护声发射探头的作用。

下声发射部件7的结构如图9所示，其包括下声发射探头71、第二导线72、下声发射盖板73。

下声发射盖板73上开有适合走线的第二线槽731，下声发射探头71置于内含弹簧的第二线槽731中，下声发射探头71的高度小于导槽731的深度，下声发射探头71和弹簧的自然高度之和略大于第二线槽731的高度，这样既可保证下声发射探头71能压紧下试块表面，也可保证不损坏声发射探头。

第二导线72通过第二线槽731引线至第二线槽731出口处。下声发射盖板73上设置有通孔732，通过紧固件和下剪切盒21连接。

上压头8：

上压头8的结构如图10所示，其上设置有穿线通孔81，从上声发射部件6的第一线槽631出口处引出的导线可从该穿线通孔81引出。另设置有连通孔82，可通过螺丝与上声发射盖板63连接。

本发明的工作原理如下：

将楔块17、滑块16、上试块15依次放入上第一剪切块11、第二剪切块12和上顶板13组成的上剪切盒的槽体中，并保证上试块15的下表面与第一剪切块11、第二剪切块12的下表面平齐。

通过上顶板13上的紧固螺母，调节楔块17的位置，使得滑块16顶紧上试块15。楔块17的高度要小于第一剪切块11内空腔的高度，便于更大范围的调节。

在下剪切盒21中放入下声发射盖板73，并将声发射探头置入，将导线平整放好并通过第二线槽731引出下声发射部件7，从下剪切盒21的预留孔中引出。将下试块23放于下声发射盖板73上，与滑块16和楔块17一起依次放置于下剪切盒21的凹槽中；并通过拧紧紧固螺母，使楔块17顶紧滑块16，从而压紧下试块23。

插入剪切块限位插销9，并将上试体1和下试体2上下对齐放置，顶住剪切块限位插销9，从而保证上试块与下试块对准；上试块与下试块接触面左右两端可预留有一定长度和深度的扁平槽口，这样可以允许岩石试块具有一定的加工误差，即使高度稍微偏差一些也不会在剪切过程中与剪切盒发生碰撞和摩擦，另外这部分可以为水压的注入起到一个缓冲的作用，使水流更加均匀。

按顺序将底部滑轮3、下试体1、上试体2置于座体4的底板41上，并分别通过下紧固螺母47和旋转扳手44、上紧固螺母46从上下两端通过侧板42将侧装配体与试块的侧面压紧，起到侧面密封的效果。

转动旋转扳手44至90度，使轴承45压紧上顶板13，使水平方向的密封圈18压紧，从而起到水平方向密封水的作用，同时插紧侧板限位插销48，避免剪切过程中旋转扳手44发生偏转，影响密封效果。

将上声发射探头61置入上声发射盖板63，将导线平整放好，通过线槽引出上声发射盖板63，将上声发射盖板63和上压头8通过螺丝连接，并将第一导线62从上压头的通孔81引出。

将上压头8和上声发射部件6组成的整体置于上试块15正上方；

将第一拉杆14拧入上试体1的丝扣中，同时将第二拉杆22拧入下试体2的丝扣中。

将组装好的整个渗流循环剪切装置放入试验台上，将座体4的底板41放入试验台上的限位孔内；然后通过滑轨微调渗流循环剪切装置的位置，使第二拉杆22通过丝扣与加载活塞连接；再手动调节试验台另一侧的限位活塞，将其与第一拉杆14顶紧，再用丝扣拧紧。

用导管将注水管道121和围压孔4211连通；拔掉剪切块限位插销9。启动试验，法向活塞通过上压头8向中间的试块施加压力，向注水通道121注水，同时水也会通过围压孔充满侧板密封囊52，从而产生侧向相等的水压力，起到封堵橡胶皮51的作用。最后水平活塞通过第二拉杆15施加压力，开始试验。

上下试块之间的结构面实际剪应力的计算方法如下：

假设底部滑轮有n个独立的滚轮，每一个单独滚轮产生的摩擦力为f₀，则底部摩擦力为：

F_底＝n×f₀

假设旋转扳手转到垂直位置时，由于附加法向应力产生的摩擦力为F1；假设由于上压头7的自重产生的摩擦力为F2。当第二拉杆15的推力为P，则由平衡力系，得到岩石试样中间表面的受力为：

F＝P-F_底-F1-F2。

由此可以看出，底部滑轮3的滚动阻力可以计算出，从而可以消除系统滑轮阻力对试验精度的影响。

由上述本发明的具体实施方式可以看出，本发明通过在剪切盒中设置试块、滑块和楔块，并通过螺杆旋转带动楔块移动挤压滑块，滑块滑动挤压试块贴合剪切盒，进而压紧试块两端的密封圈，因此本发明不仅结构简单，且具有很好的密封效果，从而能够保证岩石试块的试验精度。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述渗流循环剪切装置包括：

上试体(1)、下试体(2)、底部滑轮(3)、座体(4)、上压头(8)、剪切块限位插销(9)；

上试体(1)、下试体(2)上下对齐放置，且能够被座体(4)包住；

上试体(1)包括具有槽体的上剪切盒和与上剪切盒连接的第一拉杆(14)，上剪切盒的上顶板被上压头(8)顶压；

下试体(2)通过底部滑轮(3)置于座体(4)的底板上，能左右滑动；下试体(2)包括下剪切盒(21)和与下剪切盒(21)连接的第二拉杆(22)；第二拉杆(22)和第一拉杆(14)相对设置；

在上剪切盒中设置有上试块(15)、滑块(16)和楔块(17)；楔块(17)通过螺杆旋转能沿上剪切盒内壁的一平端面向上移动，并挤压滑块(16)的楔形端面，使得滑块(16)挤压上试块(15)贴合上剪切盒内壁的另一平端面，并压紧上试块(15)两端的密封圈(18)；

在下剪切盒中设置有下试块(23)、滑块(16)和楔块(17)；楔块(17)通过螺杆旋转能沿下剪切盒(21)的一端面向下移动，楔块(17)移动会挤压滑块(16)的楔形端面，使得滑块(16)移动挤压下试块(23)贴合下剪切盒(21)的另一端面，压紧下试块(23)两端的密封圈(18)；

所述剪切块限位插销(9)置于下试体(2)的下剪切盒(21)的凹槽里，对上剪切盒和下剪切盒(21)进行限位。

2.根据权利要求1所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述渗流循环剪切装置还包括：

侧装配体(5)；

所述侧装配体为两个，分别贴合在座体(4)的侧板(42)内侧；

侧装配体包括橡胶皮(51)、封囊(52)和密封架体(53)；

封囊(52)与座体(4)的侧板(42)紧固，其凸台部分卡入密封架体(53)的中间镂空部位，并用双面胶与在密封架体(53)另一侧的橡胶皮(51)粘合，橡胶皮(51)的另一边分别与上试体(1)和下试体(2)的侧面贴合。

3.根据权利要求2所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述渗流循环剪切装置还包括：

所述侧板(42)上开有围压孔(421)，用于从外部往密封囊(52)中施加油压，顶紧橡胶皮(51)。

4.根据权利要求2所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述渗流循环剪切装置还包括：

上声发射部件(6)；

所述上声发射部件(6)设置在所述上试块的上方，并置于上剪切盒的槽体中。

5.根据权利要求4所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述上声发射部件(6)包括：

上声发射探头(61)、第一导线(62)和上声发射盖板(63)；

上声发射盖板(63)上开有第一线槽(631)，上声发射探头(61)置于内含弹簧的第一线槽(631)中；第一导线(62)置于第一线槽(631)中，并引线至第一线槽(631)出口外；

上声发射盖板(63)通过紧固件与上压头(8)连接。

6.根据权利要求2所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述渗流循环剪切装置还包括：

下声发射部件(7)；

所述下声发射部件(7)放在下试块下方，并置于下剪切盒中。

7.根据权利要求6所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述下声发射部件(7)包括：

下声发射探头(71)、第二导线(72)、下声发射盖板(73)；

所述下声发射盖板(73)上开有第二线槽(731)，下声发射探头(71)置于内含弹簧的第二线槽(731)中；

第二导线(72)通过第二线槽(731)引线至第二线槽(731)出口处；

下声发射盖板(73)通过紧固件和下剪切盒(21)连接。

8.根据权利要求1所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述上剪切盒包括第一剪切块(11)、第二剪切块(12)、上顶板(13)；所述第一剪切块(11)和第二剪切块(12)平行设置，且分别与位于上方的上顶板(13)连接，组成具有槽体的上剪切盒。

9.根据权利要求1所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述座体(1)包括：

底板(41)、侧板(42)、旋转扳手(44)、上紧固螺母(46)、下紧固螺母(47)；

两个侧板(42)的下端通过下紧固螺母(47)与底板(41)固定，两个侧板(42)的上端通过旋转扳手(44)和上紧固螺母(46)固定，形成一个上下左右都有约束的容纳腔体。

10.根据权利要求1所述的一种渗流循环剪切装置，其特征在于，所述旋转扳手(44)上设置有轴承(45)；转动旋转扳手(44)的方向使所述轴承(45)压紧上试体(1)直至与下试体(2)贴合，压紧滑块(16)水平方向的密封圈。

Images