專利名稱：巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種進(jìn)行巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自然界中的巖體受到外力作用時，會產(chǎn)生節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)面，某個區(qū)域的完 整巖石受到外力作用破裂時，會形成一對節(jié)理面。國內(nèi)外進(jìn)行巖石節(jié)理的剪切一滲 流耦合試驗(yàn)，多存在兩個方面的問題滲透水壓值過小和輻射狀的水流方式。滲透
水壓值過小，水頭高度只有2m多，低滲透壓力下，剪切盒的密封較容易實(shí)現(xiàn)，而 實(shí)際工程中的最大水頭高度甚至超過1000m，很難對剪切盒做密封；而輻射流的滲 流方式，即從節(jié)理面中心鉆孔注水向四周流動，這種滲流方式，只要能滿足連續(xù)的 水流方式，對剪切盒可以不做密封，但這與實(shí)際情況也是不相符的，自然界水在節(jié) 理中的流動方式應(yīng)該為單面流，即從節(jié)理面的一端流向另一端。
由于前述難題的存在，可進(jìn)行巖石節(jié)理的剪切一滲流耦合試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)發(fā)展緩 慢，目前，國內(nèi)外進(jìn)行巖石節(jié)理的剪切滲流耦合試驗(yàn)，大多是將巖石節(jié)理裝入經(jīng)獨(dú) 特設(shè)計(jì)的密封剪切盒內(nèi)，并安裝到直剪試驗(yàn)機(jī)上，通過直剪試驗(yàn)機(jī)在巖石上分別施 加不同的切向力和法向力，通過位移傳感器測量巖石節(jié)理的開度變化和切向位移。 要測量水在巖石節(jié)理中滲流的流量，必須使用另外的專用試驗(yàn)設(shè)備來進(jìn)行。無法形 成一體化的集合試驗(yàn)力加載裝置、水壓加載流量測量裝置、密封剪切盒和張開度測 量裝置的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)水壓或瞬態(tài)水壓滲流 狀態(tài)下的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)，并對豎向力和水平力、張開度和水平位移以及流量同 時做出精確測量。
因此，如何解決現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多缺點(diǎn)實(shí)已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù) 課題
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，能進(jìn)行巖 石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)，在進(jìn)行加載的同時可獲得節(jié)理張開度、水平位移、流 量的變化值。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種巖石節(jié)理剪切—滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包 括一剪切盒、 一試驗(yàn)力加載及位移測量裝置， 一張開度測量裝置和一計(jì)算機(jī)，所述 剪切盒有一進(jìn)水通道和一出水通道，其特征在于，還包括一滲流檢測裝置，該滲流 檢測裝置包括一進(jìn)水裝置和一出水流量測量裝置，該進(jìn)水裝置聯(lián)通剪切盒的進(jìn)水通 道的進(jìn)水口，出水流量測量裝置聯(lián)通剪切盒的出水通道的出水口。
其中，所述出水流量測量裝置包括一集水箱、 一第二流量計(jì)；第二流量計(jì)連接 在剪切盒的出水口和集水箱之間，第二流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
其中，所述出水流量測量裝置還包括一反壓加載裝置、 一第二液壓傳感器和一 控制器，第二液壓傳感器安裝在出水管上，與控制器電連接，控制器與反壓加載裝 置電連接，控制出水管的出水壓力，保證進(jìn)水管與出水管的壓力差；反壓加載裝置 安裝在第二流量計(jì)和第二液壓傳感器之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
其中，所述出水流量測量裝置還包括一壓力感應(yīng)器，壓力感應(yīng)器安裝在第二流 量計(jì)和集水箱之間，與計(jì)算機(jī)相連。
優(yōu)選地是，所述進(jìn)水裝置包括一儲水箱、 一水壓加載裝置、 一第一液壓傳感器； 第一液壓傳感器安裝在進(jìn)水管上，與控制器電連接，水壓加載裝置安裝在第一液壓 傳感器和儲水箱之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
更優(yōu)選地是，所述進(jìn)水裝置還包括一第一流量計(jì)，第一流量計(jì)安裝在儲水箱和 水壓加載裝置之間，第一流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
更優(yōu)選地是，所述出水流量測量裝置的集水箱為一密封容器，該密閉容器有一個 有開關(guān)控制的出口，通往進(jìn)水裝置的儲水箱。
使用本實(shí)用新型，可以在巖石節(jié)理剪切的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剪切一滲流耦合試驗(yàn)， 在試驗(yàn)過程中可以任意改變豎向力、水平力、水壓值，并可同時獲得張開度、剪切 位移和流量變化值；試驗(yàn)過程中，水流可以模擬自然流動狀態(tài)，因此，獲得的試驗(yàn) 結(jié)果更能真實(shí)有效地用于指導(dǎo)實(shí)際工程。同時，使用本系統(tǒng)， 一次獲得所需數(shù)據(jù)，無需多套設(shè)備，降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約了試驗(yàn)時間和后期數(shù)據(jù)的處理時間，提高了 工作效率，操作更人性化。


圖1為本實(shí)用新型的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖
圖2a為本實(shí)用新型中的剪切盒的縱剖視圖2b為圖2a沿B — B線的剖視圖2c為圖2a沿A—A線的剖視圖3是本實(shí)用新型中的滲流檢測裝置的工作原理圖4為是本實(shí)用新型中的試驗(yàn)力加載及位移測量裝置的工作原理圖5為本實(shí)用新型中的引伸計(jì)安裝示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系 統(tǒng)作進(jìn)一步的說明。
如圖l所示，本實(shí)用新型的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)裝系統(tǒng)包括一剪切盒， 一試驗(yàn)力加載及位移測量裝置， 一張開度測量裝置， 一滲流檢測裝置和一計(jì)算機(jī)。
剪切盒
如圖2a 2c所示，剪切盒1由下盒3、上盒4、進(jìn)水管5、出水管6組成，構(gòu)成 剪切盒1的壁板均由鋼板制成。
下盒3由前壁板31、后壁板32、左壁板33、 34、右壁板35、 36和下壁板37 組成前壁板31與后壁板32為大小、厚度均相同的兩塊鋼板，對稱布置；左壁板 33、 34和右壁板35、 36分別對稱，左壁板33和右壁板35、左壁板34和右壁板36 為大小相同、厚度不同的鋼板，通過螺栓連接而成；
上盒4由前壁板41、后壁板42、左壁板43、 44、右壁板45、 46和上壁板47 組成前41壁板與后壁板42為大小、厚度均相同的兩塊鋼板，對稱布置；左壁板43、 44和右壁板45、 46分別對稱，左壁板43和右壁板45、左壁板44和右壁板46 為大小相同、厚度不同的鋼板，通過螺栓連接而成；
上盒的前壁板41與下盒的前壁板31厚度相同，上盒的后壁板42與下盒的后壁 板32厚度相同，上盒的左壁板43、 44與下盒的左壁板33、 34厚度相同，上盒的右 壁板45、 46與下盒的右壁板35、 36厚度相同，上盒的上壁板47與下盒的下壁板 37大小、厚度均相同。
在前壁板31和前壁板41接觸面之間、后壁板32和后壁板42接觸面之間安裝 減摩板51，在左壁板33、左壁板43、右壁板35和右壁板45預(yù)留的槽內(nèi)壓入隔水 密封圈52。
上盒4與下盒3可沿水流的左右方向相對水平滑動，沿垂直方向相對上下滑動。
進(jìn)水管5和出水管6呈梳狀對稱嵌平安裝在左壁板34和右壁板36的上端面內(nèi) 側(cè)，進(jìn)水管5的梳狀出水口伸入兩節(jié)理面組成的空腔內(nèi)，出水管14的梳狀進(jìn)水口亦 伸入空腔內(nèi)，進(jìn)水管5的進(jìn)水口和出水管6的出水口穿出后壁板32。
試驗(yàn)之前，用密封材料53封住剪縫，僅留出進(jìn)水口和出水口的通道，并在試件 外部包裹隔水層54。
滲流檢測裝置
滲流檢測裝置主要用于控制水壓加載并測量水的流量，為一套閉環(huán)控制系統(tǒng)。
如圖3所示，滲流檢測裝置包括一進(jìn)水裝置、 一出水流量測量裝置。進(jìn)水裝置 包括一儲水箱、 一第一流量計(jì)、 一水壓加載裝置、 一第一液壓傳感器和一控制器。 第一液壓傳感器安裝剪切盒的進(jìn)水管路上，與控制器電連接，控制器由計(jì)算機(jī)伺服 控制。第一流量計(jì)安裝在水壓加載裝置和儲水箱之間。出水流量測量裝置包括一集 水箱、 一壓力感應(yīng)器、 一第二流量計(jì)、 一反壓加載裝置、 一第二液壓傳感器和一控 制器。第二液壓傳感器安裝在剪切盒1的出水管路上，與控制器電連接，反壓加載 裝置安裝在第二液壓傳感器和第二流量計(jì)之間，控制器與反壓加載裝置電連接，壓 力感應(yīng)器安裝在第二流量計(jì)和集水箱之間。集水箱為一密閉的容器，該集水箱有一個 出口，通往儲水箱，在試驗(yàn)中，出口關(guān)閉。當(dāng)流量較小、第二流量計(jì)無法識別流量時， 可以通過壓力感應(yīng)器獲得出水口處的流量數(shù)據(jù)；測流量的第一流量計(jì)、第二流量計(jì)、壓力傳感器與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)時采集，可隨時獲取數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)時，首先由計(jì)算機(jī)輸出指令到控制器，控制器分別輸出一路信號到水壓加 載裝置的壓力傳動器，輸出一路信號到反壓加載裝置的反壓傳動器，壓力傳動器推 動水壓加載裝置的水壓加載器，儲水箱里的水在一定的壓力作用下流入剪切盒進(jìn)水 口，通過巖石節(jié)理面從出水口流出，經(jīng)反壓加載裝置，流向集水箱，同時，反壓加 載裝置的反壓傳動器，推動反壓加載器，產(chǎn)生一定的反壓，使得進(jìn)水口和出水口的 壓差保持一定數(shù)值；根據(jù)試驗(yàn)要求，可分別實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法加載；當(dāng)不需使用 反壓加載裝置時，可將反壓數(shù)值設(shè)為0將其屏蔽；在水壓加載裝置和剪切盒進(jìn)水口 之間安裝第一液壓傳感器，在剪切盒出水口和反壓加載器之間也安裝第二液壓傳感 器，用于測量試驗(yàn)過程中的加載的水壓和反壓，并與控制器連接，控制器與計(jì)算機(jī) 相連接，隨時獲取數(shù)據(jù)，及時調(diào)整，控制水壓，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；出水口處的集水箱 為一密閉容器，該集水箱有一個有開關(guān)控制的出口，通往儲水箱，可以根據(jù)試驗(yàn)情 況和試驗(yàn)要求控制。
可以通過進(jìn)水流量和出水流量的對比來檢查本裝置是否有滲漏。 試驗(yàn)力加載及位移測量測量裝置
試驗(yàn)力加載及位移測量裝置為現(xiàn)有技術(shù)，如圖4所示，包括一法向試驗(yàn)力加載 及位移測量裝置和一切向試驗(yàn)力加載及位移測量裝置。
法向試驗(yàn)力加載及位移測量裝置包括法向控制器、法向油缸、法向加載頭、法 向負(fù)荷傳感器、兩個法向變形傳感器和法向位移傳感器。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到法向控 制器，法向控制器控制油缸的移動進(jìn)行加載和卸載，荷載通過加載頭作用在剪切盒 上；在加載或卸載的同時，附著在加載頭上的法向變形傳感器和法向負(fù)荷傳感器測 出法向變形和負(fù)荷的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到法向控制器，以檢驗(yàn)和校核加載的數(shù)值； 在加載或卸載的同時，將法向位移傳感器固定在剪切盒上，測量法向位移；試驗(yàn)過 程中測得的數(shù)據(jù)通過控制器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
切向試驗(yàn)力及位移測量裝置包括切向控制器、切向油缸、切向加載頭、切向負(fù) 荷傳感器、兩個切向變形傳感器和切向位移傳感器。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到切向控制器， 切向控制器控制油缸的移動進(jìn)行加載和卸載，荷載通過加載頭作用在剪切盒上；在 加載或卸載的同時，附著在加載頭上的切向變形傳感器和切向負(fù)荷傳感器測出切向變形和負(fù)荷的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到切向控制器，以檢驗(yàn)和校核加載的謬誤；在加載 或卸載的同時，將切向位移傳感器固定在剪切盒上，測量切向位移；試驗(yàn)過程中測 得的數(shù)據(jù)通過控制器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
所述的試驗(yàn)力加載及位移測量裝置，由計(jì)算機(jī)伺服控制；所述的水平位移測量 裝置測量出的位移由計(jì)算機(jī)自動采集。
張開度測量裝置
張開度的變化，反應(yīng)在試驗(yàn)中，指的是上下兩節(jié)理面相對距離的變化，由于剪切盒 是完全密封的，試驗(yàn)過程中的張開度無法直接測得，要用引伸計(jì)將位移引出。將引伸計(jì) 安裝在上下剪切盒壁上，測量引伸計(jì)沿節(jié)理面法向的相對位移，由于剪切盒為剛性，故 引伸計(jì)即為節(jié)理面平均張開度的變化值。考慮節(jié)理面的不規(guī)則性，試件在剪切過程中， 不同位置會出現(xiàn)不同程度的位移，如滑移、爬坡、翻轉(zhuǎn)等，故可以在剪切盒的四個角分 別設(shè)置引伸計(jì)7，張開度變化取四角的平均值。見圖4。
將引伸計(jì)用磁性表座8固定在上、下剪切盒壁板上，測量兩磁性表座之間的相對位 移即可獲得兩節(jié)理面的張開度變化。
巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)的具體步驟如下
(1) 在密封剪切盒內(nèi)安裝巖石節(jié)理試件；
(2) 試驗(yàn)力加載及位移測量，采用法向試驗(yàn)力加載及位移測量裝置和切向試驗(yàn)力 加載及位移測量裝置，分別對剪切盒進(jìn)行加載并測量法向位移和切向位移，并將結(jié) 果實(shí)時反饋到計(jì)算機(jī)。
(3) 使用引伸計(jì)測量試驗(yàn)過程中上下節(jié)理面之間張開度的變化，引伸計(jì)安裝在剪 切盒的四個角處，引伸計(jì)與計(jì)算機(jī)連接，可將結(jié)果實(shí)時傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
(4) 用滲流檢測裝置控制水壓并測量水的流量。
使用本實(shí)用新型，可以在巖石節(jié)理剪切的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剪切一滲流耦合試驗(yàn)， 在試驗(yàn)過程中可以任意改變豎向力、水平力、水壓值，并測量張開度、剪切位移和 流量變化；試驗(yàn)過程中，水流可以模擬自然流動狀態(tài)，因此，獲得的試驗(yàn)結(jié)果更能 真實(shí)有效地用于指導(dǎo)實(shí)際工程。同時，使用本系統(tǒng)， 一次獲得所需數(shù)據(jù)，無需多套 設(shè)備，降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約了試驗(yàn)時間和后期數(shù)據(jù)的處理時間，提高了工作效率， 操作更人性化。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例已對本實(shí)用新型進(jìn)行了說明性而非限制性的描述，但應(yīng) 理解，在不脫離由權(quán)利要求所限定的相關(guān)保護(hù)范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以
做出變更和/或修改。
權(quán)利要求1、一種巖石節(jié)理剪切—滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一剪切盒，一試驗(yàn)力加載及位移測量裝置，一張開度測量裝置和一計(jì)算機(jī)，所述剪切盒有一進(jìn)水通道和一出水通道，其特征在于，還包括一滲流檢測裝置，該滲流檢測裝置包括一進(jìn)水裝置和一出水流量測量裝置，該進(jìn)水裝置聯(lián)通剪切盒的進(jìn)水通道的進(jìn)水口，出水流量測量裝置聯(lián)通剪切盒的出水通道的出水口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述出水流量測量裝置包括一集水箱、 一第二流量計(jì)；第二流量計(jì)連接在剪切 盒的出水口和集水箱之間，第二流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述出水流量測量裝置還包括一反壓加載裝置、 一第二液壓傳感器和一控制 器，第二液壓傳感器安裝在出水管上，與控制器電連接，控制器與反壓加載裝 置電連接，控制出水管的出水壓力，保證進(jìn)水管與出水管的壓力差；反壓加載 裝置安裝在第二流量計(jì)和第二液壓傳感器之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特 征在于，所述出水流量測量裝置還包括一壓力感應(yīng)器，壓力感應(yīng)器安裝在第二 流量計(jì)和集水箱之間，與計(jì)算機(jī)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其 特征在于，所述進(jìn)水裝置包括一儲水箱、 一水壓加載裝置、 一第一液壓傳感器； 第一液壓傳感器安裝在進(jìn)水管上，與控制器電連接，水壓加載裝置安裝在第一 液壓傳感器和儲水箱之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述進(jìn)水裝置包括一儲水箱、 一水壓加載裝置、 一第一液壓傳感器；第一液壓 傳感器安裝在進(jìn)水管上，與控制器電連接，水壓加載裝置安裝在第一液壓傳感 器和儲水箱之間，控制器由計(jì)算機(jī)伺服控制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述進(jìn)水裝置還包括一第一流量計(jì)，第一流量計(jì)安裝在儲水箱和水壓加載裝置 之間，第一流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述進(jìn)水裝置還包括一第一流量計(jì)，第一流量計(jì)安裝在儲水箱和水壓加載裝置 之間，第一流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述出水流量測量裝置的集水箱為一密閉容器，該集水箱有一個有開關(guān)控制的出 口，通往進(jìn)水裝置的儲水箱。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖石節(jié)理剪切一滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在 于，所述出水流量測量裝置的集水箱為一密閉容器，該集水箱有一個有開關(guān)控制 的出口，通往進(jìn)水裝置的儲水箱。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種巖石節(jié)理剪切—滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一剪切盒、一試驗(yàn)力加載及位移測量裝置、一張開度測量裝置和一計(jì)算機(jī)，所述剪切盒有一進(jìn)水通道和一出水通道，其特征在于，還包括一滲流檢測裝置，該滲流檢測裝置包括一進(jìn)水裝置和一出水流量測量裝置，該進(jìn)水裝置聯(lián)通剪切盒的進(jìn)水通道的進(jìn)水口，出水流量測量裝置聯(lián)通剪切盒的出水通道的出水口。使用本實(shí)用新型進(jìn)行巖石節(jié)理剪切—滲流耦合試驗(yàn)，可以任意改變切向力、法向力和水壓的數(shù)值大小和變化方式，同時獲得張開度變化、切向位移和流量大小，所獲得的數(shù)據(jù)更能真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)，數(shù)據(jù)更真實(shí)。同時，無需多套設(shè)備，使試驗(yàn)設(shè)備的成本降低，大大節(jié)省了試驗(yàn)時間和后期數(shù)據(jù)的處理時間，提高了工作效率。
文檔編號G01N33/24GK201237591SQ20072007289
公開日2009年5月13日 申請日期2007年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月25日
發(fā)明者夏才初, 李宏哲, 杜良平, 偉 王, 蔡永昌, 旭 趙 申請人:同濟(jì)大學(xué)