【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電液伺服巖體裂隙滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

巖體裂隙是影響高壩基礎(chǔ)穩(wěn)定性的重要巖體結(jié)構(gòu)，裂隙在應(yīng)力場(chǎng)和水壓力耦合作用下的滲流特性是壩基穩(wěn)定評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。限于試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備的條件，當(dāng)前裂隙滲流特性通過裂隙分布密度、開度等指標(biāo)通過統(tǒng)計(jì)方法折算成綜合滲透系數(shù)，傳統(tǒng)的垂直滲透儀可承受的最大上覆荷載小，僅可達(dá)到10mpa，不能承受高強(qiáng)度的荷載，其非真三軸受力、水頭壓力小，導(dǎo)致測(cè)量的精確度低，而且目前也沒有合適的裝置設(shè)備來進(jìn)行測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種電液伺服巖體裂隙滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)荷載小、水頭壓力低、非真三軸受力的問題。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種電液伺服巖體裂隙滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于為試樣施壓以及測(cè)量其形變量的測(cè)量主機(jī)，測(cè)量主機(jī)分別連接有滲透水增壓缸、油源系統(tǒng)、滲透稱量系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)；

電液伺服控制系統(tǒng)還分別與滲透水增壓缸、滲透稱量系統(tǒng)連接；油源系統(tǒng)還與滲透水增壓缸連接；

滲透水增壓缸用于為測(cè)量主機(jī)提供高壓滲流水，并將其狀態(tài)信息發(fā)送至電液伺服控制系統(tǒng)；

油源系統(tǒng)用于為測(cè)量主機(jī)和滲透水增壓缸提供高壓油；

滲透稱量系統(tǒng)用于稱量通過測(cè)量主機(jī)流出的滲流水的重量，并將其信息發(fā)送至電液伺服控制系統(tǒng)；

電液伺服控制系統(tǒng)用于發(fā)送控制信息至測(cè)量主機(jī)、滲透稱量系統(tǒng)和滲透水增壓缸，并采集測(cè)量主機(jī)、滲透稱量系統(tǒng)和滲透水增壓缸發(fā)出的測(cè)量信息，并生成最終測(cè)量結(jié)果。

進(jìn)一步地，測(cè)量主機(jī)包括底座，底座上分別安裝有用于為試樣進(jìn)行三軸施壓的x向加載系統(tǒng)、y向加載系統(tǒng)和z向加載系統(tǒng)；

x向加載系統(tǒng)和y向加載系統(tǒng)均包括水平設(shè)置并呈方形排布的四根拉桿，每根拉桿的兩端分別固定連接在豎直設(shè)置的支撐板和反向支撐板，支撐板外側(cè)安裝有用于提供動(dòng)力的電液伺服作動(dòng)器，電液伺服作動(dòng)器的輸出端穿過支撐板設(shè)置有鋼球結(jié)構(gòu)壓頭；反向支撐板內(nèi)側(cè)通過支撐桿連接有鋼球結(jié)構(gòu)壓頭；兩個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭的位置對(duì)應(yīng)，大小相同，且兩個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭均用于對(duì)試樣施加載荷。

進(jìn)一步地，每個(gè)支撐板和反向支撐板的底部?jī)蓚?cè)均通過滑塊連接在直線導(dǎo)軌上，滑塊用于帶動(dòng)支撐板和反向支撐板沿直線導(dǎo)軌滑動(dòng)，以調(diào)節(jié)x向加載系統(tǒng)或y向加載系統(tǒng)與試樣的相對(duì)位置。

進(jìn)一步地，鋼球結(jié)構(gòu)壓頭包括依次連接的過渡板、夾板、壓頭體，壓頭體和夾板之間通過連接板連接，過渡板和夾板之間通過螺釘固定連接；

夾板上還開設(shè)有多個(gè)通孔，每個(gè)通孔靠近壓頭體的一端均帶有錐度，每個(gè)通孔內(nèi)均安裝有鋼球，每個(gè)鋼球均用于在通孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，以使壓頭體和連接板隨受壓試樣同步移動(dòng)；

每個(gè)連接板與夾板連接處均設(shè)置有頂絲螺釘和用于為壓頭體導(dǎo)向和限位的軸承；壓頭體與試樣接觸的端面上設(shè)置有緩沖墊；緩沖墊設(shè)置在壓頭體與試樣接觸端面的邊緣處。

進(jìn)一步地，z向加載系統(tǒng)包括施力部和反向施力部，施力部豎直設(shè)置的四根立柱，每根立柱的上端部均固定連接在水平設(shè)置的支撐板上，支撐板頂部安裝有用于提供動(dòng)力的電液伺服作動(dòng)器，電液伺服作動(dòng)器的輸出端穿過支撐板設(shè)置有上鋼球壓頭；

反向施力部包括安裝在底座上的四根支撐桿，且每根支撐桿的頂部均連接至同一下壓頭；上鋼球壓頭和下壓頭的位置對(duì)應(yīng)，大小相同，且均用于對(duì)試樣施加載荷。

進(jìn)一步地，x向加載系統(tǒng)、y向加載系統(tǒng)和z向加載系統(tǒng)均安裝有負(fù)荷傳感器、變形傳感器、高精度位移傳感器、電液伺服閥。

進(jìn)一步地，還包括用于包裹試樣的密封系統(tǒng)，密封系統(tǒng)包括用于包裹試樣外表面的乳膠膜，試樣的上下方與乳膠膜之間均安裝有透水板，每個(gè)透水板與乳膠膜之間還設(shè)置有圓型密封圈，乳膠膜為一次性注塑成型。

進(jìn)一步地，滲透水增壓缸包括電液伺服閥，滲透水增壓缸通過耐高壓油管與油源系統(tǒng)連接，滲透水增壓缸上部為不銹鋼水缸，不銹鋼水缸通過耐高壓水管連接至上鋼球結(jié)構(gòu)壓頭，不銹鋼水缸上還安裝有壓力傳感器。

進(jìn)一步地，滲透稱量系統(tǒng)包括高精度電子天平，高精度電子天平上放置有滲透水收集裝置。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了研究應(yīng)力變化條件下裂隙滲透特性響應(yīng)的試驗(yàn)裝置，能夠模擬壩基巖體裂隙在水庫(kù)蓄水運(yùn)行過程中的各種環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)條件，開展?jié)B流特性試驗(yàn)研究，通過三向加載系統(tǒng)模擬真實(shí)巖石受力情況，并通過滲透水增壓缸提供高達(dá)30mpa的高壓水，最后通過高精度電子天平稱量滲透水量，能夠精確地測(cè)量出滲透水的量和試樣形變量，并通過電液伺服控制系統(tǒng)計(jì)算出最終結(jié)果。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明一種電液伺服巖體裂隙滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中測(cè)量主機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中鋼球結(jié)構(gòu)壓頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1.測(cè)量主機(jī)；2.油源系統(tǒng)；3.滲透稱量系統(tǒng)；4.滲透水增壓缸；5.電液伺服控制系統(tǒng)；101.底座；102.x向加載系統(tǒng)；103.y向加載系統(tǒng)，104.z向加載系統(tǒng)；105.拉桿；106.支撐板；107.反向支撐板；108.直線導(dǎo)軌；109.電液伺服作動(dòng)器；110.負(fù)荷傳感器；111.鋼球結(jié)構(gòu)壓頭；112.變形傳感器；113.高精度位移傳感器；114.電液伺服閥；117.立柱；119.上鋼球壓頭；120.乳膠膜；121.透水板；122.圓型密封圈；123.橡膠緩沖墊；301.高精度電子天平；302.滲透水收集裝置；402.壓力傳感器；501.電腦；502.顯示器；503.打印機(jī)；504.控制器；602.連接板；603.鋼球；604.夾板；605.緩沖墊；606.壓頭體；607.過渡板；608.頂絲螺釘；609.軸承。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明公開了一種電液伺服巖體裂隙滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1、圖2、圖3、圖4所示，包括用于為試樣施壓以及測(cè)量其形變量的測(cè)量主機(jī)1，測(cè)量主機(jī)1分別連接有滲透水增壓缸4、油源系統(tǒng)2、滲透稱量系統(tǒng)3和電液伺服控制系統(tǒng)5；

電液伺服控制系統(tǒng)5還分別與滲透水增壓缸4、滲透稱量系統(tǒng)3連接。

滲透水增壓缸4包括電液伺服閥114，滲透水增壓缸4通過耐高壓油管與油源系統(tǒng)連接，滲透水增壓缸4上部為不銹鋼水缸，不銹鋼水缸通過耐高壓水管連接至上鋼球結(jié)構(gòu)壓頭119，不銹鋼水缸上還安裝有壓力傳感器402，壓力傳感器402可測(cè)出水頭壓力，壓力達(dá)30mpa，不銹鋼水缸可容納20l的滲透水，通過伺服加壓，壓力水通過閥門進(jìn)入鋼球結(jié)構(gòu)壓頭119，通過裂隙面滲流經(jīng)過試樣，最終匯入管路收集裝置。

滲透水增壓缸4用于為測(cè)量主機(jī)1提供高壓滲流水，并將其狀態(tài)信息發(fā)送至電液伺服控制系統(tǒng)5；

油源系統(tǒng)2用于為測(cè)量主機(jī)1和滲透水增壓缸4提供高壓油，油源系統(tǒng)2為測(cè)量主機(jī)1和滲透水增壓缸4供油時(shí)，流量設(shè)為10l/min。

油源系統(tǒng)2主要由油箱、濾油器、電機(jī)、油泵等組成，高壓油通過單向閥進(jìn)入各級(jí)油路，回油通過電磁溢流閥經(jīng)回油濾油器、冷卻器回到油箱。油源壓力21mpa可調(diào)，在油路中安裝有蓄能器和壓力表。

壓力油分為四路：

一路經(jīng)精密過濾器，進(jìn)入電液伺服閥，再進(jìn)入x向主油缸，使x向活塞產(chǎn)生x方向荷載，最大可達(dá)到100mpa。

第二路經(jīng)精密過濾器，進(jìn)入電液伺服閥，再進(jìn)入y向主油缸，使y向活塞產(chǎn)生y方向荷載，最大可達(dá)到100mpa。

第三路經(jīng)精密過濾器，進(jìn)入電液伺服閥，再進(jìn)入z向主油缸，使z向活塞產(chǎn)生z向荷載，最大可達(dá)到100mpa。

第四路經(jīng)精密過濾器，進(jìn)入電液伺服閥，再進(jìn)入滲透增壓缸，推動(dòng)滲透水缸，產(chǎn)生壓力水，滲透水最大壓力30mpa。

滲透稱量系統(tǒng)3包括高精度電子天平301，高精度電子天平301上放置有滲透水收集裝置302，滲透水收集裝置302與下鋼球結(jié)構(gòu)壓頭之間通過水管相連。滲透稱量系統(tǒng)3用于稱量通過測(cè)量主機(jī)1流出的滲流水的重量，并將其信息發(fā)送至電液伺服控制系統(tǒng)5。

電液伺服控制系統(tǒng)5包括電腦501、顯示器502、打印機(jī)503、和控制器504，用于采集信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)，高度自動(dòng)化控制。電液伺服控制系統(tǒng)5用于發(fā)送控制信息至測(cè)量主機(jī)1、滲透稱量系統(tǒng)3和滲透水增壓缸4，并采集測(cè)量主機(jī)1、滲透稱量系統(tǒng)3和滲透水增壓缸4發(fā)出的測(cè)量信息，并生成最終測(cè)量結(jié)果。

測(cè)量主機(jī)1包括底座101，底座101上分別安裝有用于為試樣進(jìn)行三軸施壓的x向加載系統(tǒng)102、y向加載系統(tǒng)103和z向加載系統(tǒng)104，x向加載系統(tǒng)102和y向加載系統(tǒng)103均水平設(shè)置，z向加載系統(tǒng)104豎直設(shè)置，且x向加載系統(tǒng)102、y向加載系統(tǒng)103、z向加載系統(tǒng)104兩兩垂直相交于同一交點(diǎn)，交點(diǎn)處用于放置待測(cè)試樣，三套加載系統(tǒng)均采用電液伺服控制，獨(dú)立加載，載荷控制精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與滲流耦合的實(shí)驗(yàn)條件。

x向加載系統(tǒng)102和y向加載系統(tǒng)103均包括水平設(shè)置并呈方形排布的四根拉桿105，四根拉桿105均互相平行，每根拉桿105的兩端分別固定連接在豎直設(shè)置的支撐板106和反向支撐板107，支撐板106遠(yuǎn)離反向支撐板107的端面上安裝有用于提供動(dòng)力的電液伺服作動(dòng)器109，即支撐板106的外側(cè)安裝有用于提供動(dòng)力的電液伺服作動(dòng)器109。在本發(fā)明中所提到的內(nèi)側(cè)和外側(cè)指的是：靠近試樣的位置為內(nèi)側(cè)，遠(yuǎn)離試樣的位置為外側(cè)。電液伺服作動(dòng)器109的輸出端穿過支撐板106設(shè)置有鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111，還安裝有負(fù)荷傳感器110。

反向支撐板107內(nèi)側(cè)通過支撐桿連接有鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111，兩個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111的位置對(duì)應(yīng)，大小相同，且兩個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111均用于對(duì)試樣施加載荷。

鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111包括過渡板607，為了適應(yīng)試樣的形狀，過渡板一般設(shè)置為方形板。

鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111包括從外側(cè)至內(nèi)側(cè)依次連接過渡板607、夾板604、壓頭體606，壓頭體606和夾板604之間通過連接板602連接，過渡板607和夾板604之間通過螺釘固定連接。

過渡板607，為了適應(yīng)試樣的形狀，過渡板607一般設(shè)置為方形板。

過渡板607在豎直方向上相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面分別連接至電液伺服作動(dòng)器的輸出端和夾板604，即過渡板607的外側(cè)連接電液伺服作動(dòng)器，內(nèi)側(cè)連接夾板604。夾板604的相對(duì)兩個(gè)側(cè)面均通過連接板602連接有用于對(duì)試樣施加載荷的壓頭體606，即夾板604豎直方向上的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面上通過連接板602與壓頭體連接，過渡板607起到了力的傳遞作用。

通過壓頭體606可以直接施力到試樣上，對(duì)試樣進(jìn)行施壓。夾板604形狀和過渡板607類似，可以實(shí)現(xiàn)保持受力均勻、美觀等作用。夾板604上開設(shè)有多個(gè)通孔，每個(gè)通孔靠近壓頭體606的一端均帶有錐度，可以卡住鋼球603，保證鋼球603不會(huì)滑脫。

每個(gè)通孔內(nèi)均安裝有鋼球603，每個(gè)鋼球603均用于在通孔中轉(zhuǎn)動(dòng)并承壓，以使壓頭體606和連接板602隨受壓試樣同步移動(dòng)。每個(gè)鋼球603的兩端分別接觸過渡板607、壓頭體606，當(dāng)試樣受壓時(shí)，有可能造成試樣中心上下移動(dòng)，則為了避免試樣受到側(cè)向力而影響試驗(yàn)效果，設(shè)置鋼球603可以使壓頭體606和連接板602隨試樣同步上下移動(dòng)，而不會(huì)帶動(dòng)后方的夾板604、過渡板607、電液伺服作動(dòng)器等，這樣就可以保持試樣不會(huì)受到側(cè)向力，提升試驗(yàn)效果。

鋼球603的數(shù)量是根據(jù)整機(jī)最大承受力計(jì)算的，本發(fā)明中按照最大承受力為1000kn計(jì)算，可以得出在夾板604上共設(shè)置有81個(gè)鋼球。

每個(gè)連接板602與夾板604的連接處均設(shè)置有用于固定連接板602的頂絲螺釘608，頂絲螺釘608起到放置壓頭體606掉落的作用，但并不影響壓頭體606和連接板602相對(duì)于夾板604上下運(yùn)動(dòng)。

每個(gè)連接板602與夾板604連接處均設(shè)置有用于為壓頭體606導(dǎo)向和限位的軸承609，通過軸承609使壓頭體606和連接板602在移動(dòng)的過程中不會(huì)偏離縱向中心線，以保證試驗(yàn)過程中的壓力準(zhǔn)確度，不會(huì)出現(xiàn)側(cè)向力。

壓頭體606與試樣接觸的端面上設(shè)置有緩沖墊605，緩沖墊605設(shè)置在壓頭體606與試樣接觸端面的邊緣處。緩沖墊605可以有效減緩壓頭體606對(duì)試樣的沖擊力。由于在測(cè)量時(shí)，試樣外表面包裹有乳膠膜，乳膠膜的邊角處承受壓力較大，容易形成破損，導(dǎo)致滲透水漏出，達(dá)不到預(yù)期的試驗(yàn)效果。所以說，如果采用硬材質(zhì)的壓頭體606，容易對(duì)乳膠膜造成損傷，因此，采用緩沖墊605可以減輕對(duì)乳膠膜的損傷，避免出現(xiàn)露出滲透水的情況發(fā)生，提升試驗(yàn)效果。

支撐板106和反向支撐板107的底部?jī)蓚?cè)均通過滑塊連接在直線導(dǎo)軌108上，滑塊用于帶動(dòng)支撐板106和反向支撐板107沿直線導(dǎo)軌108滑動(dòng)，以調(diào)節(jié)x向加載系統(tǒng)102與試樣的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向自動(dòng)對(duì)中。由于x向加載系統(tǒng)和y向加載系統(tǒng)的鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111均與試樣接觸，所以，在每個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111的端部安裝有丁晴橡膠材料的緩沖墊，可以起到密封作用，還可以保護(hù)乳膠膜的角部不受破壞，避免滲流水漏出。

每個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111與電液伺服作動(dòng)器109的連接處、每個(gè)鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111與支撐桿的連接處均在豎直方向上設(shè)置有多個(gè)鋼球，這樣，水平的鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111呈自由狀態(tài)，可以在上下壓頭對(duì)試樣加壓時(shí)，水平方向的鋼球結(jié)構(gòu)壓頭111跟隨試樣的上下移動(dòng)而移動(dòng)，確保在受力后壓頭下移，加載系統(tǒng)不會(huì)受到側(cè)向力。

z向加載系統(tǒng)104包括施力部和反向施力部。施力部包括豎直設(shè)置的四根立柱117，每根立柱117的上端部均固定連接在水平設(shè)置的支撐板106上，支撐板106頂部安裝有用于提供動(dòng)力的電液伺服作動(dòng)器109，電液伺服作動(dòng)器109的輸出端穿過支撐板106設(shè)置有上鋼球壓頭119；

反向施力部包括安裝在底座101上的四根支撐桿，每根支撐桿的頂部均連接至同一下壓頭。上鋼球壓頭119和下壓頭均為現(xiàn)有技術(shù)中的常用壓頭，且位置對(duì)應(yīng)，大小相同，且均用于對(duì)試樣施加載荷，且上鋼球結(jié)構(gòu)壓頭119均與滲透水增壓缸連接，以便滲透水增壓缸為其提供高壓滲透水，且出水口的壓力可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)壓力無級(jí)變速加壓。

x向加載系統(tǒng)102、y向加載系統(tǒng)103和z向加載系統(tǒng)104均安裝有負(fù)荷傳感器110、變形傳感器112、高精度位移傳感器113、電液伺服閥114。

通過上述可以看出，測(cè)量主機(jī)1采用了框架結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)緊湊、剛度滿足整機(jī)要求，并通過四套獨(dú)立的伺服作動(dòng)器對(duì)試樣進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與滲流雙向耦合。

滲流過程中的密封問題是關(guān)鍵，為解決試樣密封問題，本系統(tǒng)還包括用于包裹試樣的密封系統(tǒng)，密封系統(tǒng)包括用于包裹試樣外表面的乳膠膜120，該乳膠膜120可承受較大壓力，由于試樣為立方體，所以，我們采用的一次性注塑成型乳膠膜120也為立方體結(jié)構(gòu)，試樣的上下方與乳膠膜120之間均安裝有透水板121，每個(gè)透水板121與乳膠膜120之間還設(shè)置有圓型密封圈122，乳膠膜120為一次性注塑成型。通過三道密封結(jié)構(gòu)密封滲流水，達(dá)到了密封效果。

本系統(tǒng)能進(jìn)行巖石和混凝土材料的測(cè)量，特別適用于高混凝土壩體與壩基材料的滲透特性試驗(yàn)。主要進(jìn)行有上覆壓力以及長(zhǎng)期有滲流作用下的巖體裂隙滲透試驗(yàn)，并可滿足較深入的滲透變形，滲透破壞試驗(yàn)研究及其它重大工程含裂隙材料滲透試驗(yàn)要求。本系統(tǒng)通過特有的三軸加載設(shè)計(jì)最大上覆荷載可達(dá)100mpa(試樣三個(gè)方向最大可承受1000kn荷載)，試樣尺寸一般設(shè)計(jì)為100×100×100mm(長(zhǎng)×寬×高)，水頭壓力最大30mpa，因此，可適應(yīng)開展三百米級(jí)高壩工程相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究工作。

模擬巖石在真實(shí)受力情況下，從上向下，在不同壓力的滲透水流作用下，發(fā)生滲透變形，測(cè)量在變形過程中通過裂隙滲流的水量變化過程。

本發(fā)明與普通垂直滲透儀不同的顯著特點(diǎn)是：最大上覆荷載0～100mpa，可調(diào)節(jié)的水頭壓力最大30mpa，滲流水量通過高精度電子天平稱量，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，控制模式自動(dòng)化程度高。