考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统的制作方法

本实用新型属于岩土工程领域，涉及一种复杂条件下的试验系统，尤其涉及一种在剪切过程中考虑热力学、水力学、力学、化学(Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical:THMC)多场耦合作用的岩石节理试验系统。

背景技术：

核废料处理、天然气及CO₂地下储存、地热利用、深部水利和采矿工程等大型岩体工程通常修建在节理岩体中，高渗透压力作用下地下节理岩体的多场耦合特性是关系该类地下工程安全与否的关键因素，也一直是岩石力学界研究的基本问题和前沿热点，而考虑THMC耦合作用的岩石节理剪切试验系统是揭示这一科学基本问题的重要手段。

因此，科学深入的理解和认识节理在高低温、渗流条件下的剪切强度特性和变形性质、剪切过程中的渗流规律和化学反应，建立节理在渗流条件下的强度准则、本构关系和全剪切-渗流耦合本构关系，开发研制“考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统”是十分必要的。

纵观前人的相关研究，(1)目前开展的研究还未考虑温度和化学反应对剪切渗流特性的相互影响；(2)目前开展的试验成果大多集中于较低渗流压力下，而较高渗流压力下在节理剪切达到其峰值后的过程中进行的渗流试验和研究还是空白；(3)常刚度条件下的剪切渗流耦合试验成果较少，难以真实地反应出自然界中岩石节理真实的剪切力学特性；(4)在长期荷载作用下，岩石节理的耦合特性研究尚处于空白。科学仪器是进行科学研究的基本手段，试验技术与科研试验仪器的发展，将直接推动科学研究的创新与发展，这是本实用新型的出发点。

由于试验条件的限制，特别是渗流密封手段存在的局限性，国内关于岩石节理耦合试验的试验设备还比较缺乏，仅武汉岩土力学研究所，武汉大学，山东科技大学和北京职业技术学院等高校相继进行了研制，但已有设备的剪切盒所能承受的渗透压力往往比较低，也未能在设备中考虑温度和化学反应的作用。岩石矿物在渗流场中会产生溶解和沉淀等化学反应，直接影响岩石节理的表面形态和力学性质，其反应速率又受温度的巨大影响，所以考虑这些因素的耦合作用是今后研究的主要方向。

技术实现要素：

为了克服已有试验设备的承受渗透压力较低、未能考虑温度和化学反应的作用、无法实现THMC耦合作用下的试验和分析的不足，本实用新型提供一种承受渗透压力较高、有效实现THMC耦合作用下的试验和分析的考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，包括主机及加载结构、加载伺服控制系统、渗流剪切盒及密封装置、高低温环境试验箱和渗流伺服控制系统，所述主机及加载结构包括相互垂直的具有独立加载能力的法向加载框架和水平加载框架，所述法向加载框架为用于给试件加载法向力的机构，所述水平加载框架为用于给试件加载剪切力的机构；所述加载伺服控制系统用于普通试验的液压加载伺服控制系统和用于流变试验的电机伺服加载系统；

所述渗流剪切盒及密封装置包括刚性剪切盒、上压块、下压块和用于在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形的密封橡胶片，岩石试件置于刚性剪切盒内，所述岩石试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，所述上压块和下压块之间留有用于放置所述密封橡胶片的空隙，所述密封橡胶片的上端与上压块连接，所述密封橡胶片的下端与下压块连接；所述密封橡胶片与所述岩石试件的裂隙渗流面之间形成中空储水室，一侧的中空储水室与入水口连通，另一侧的中空储水室与出水口连通；

所述渗流伺服控制系统包括用于控制出水口和入水口的水压的渗透水压控制系统和用于控制出水口和入水口的流速的渗透流速控制系统；

所述渗流剪切盒及密封装置位于所述高低温环境试验箱内，所述法向加载框架和水平加载框架的动作端穿过所述高低温环境试验箱与所述渗流剪切盒及密封装置抵触；所述加载伺服控制系统分别与所述法向加载框架和水平加载框架连接。

进一步，所述岩石试件的裂隙的侧面设有用于防止水从侧向流出的侧向密封组件。

再进一步，所述侧向密封组件包括刚性密封条和硅胶密封层，所述刚性密封条上下对称布置，所述刚性密封条一边抵触在所述岩石试件上，所述刚性密封条的内部布置所述硅胶密封层，所述刚性密封条的另一边与活动压头顶触，所述活动压头与框架螺纹连接。

更进一步，所述试验系统还包括用于对节理剪切渗流过程中产生的溶液以及随渗流流出的岩石颗粒进行定时定量的收集的溶液自动收集系统，所述出水口与所述溶液自动收集系统的入口连通。

所述溶液自动收集系统包括电子控制的阀门和转动式溶液收集装置，所述转动时溶液收集装置包括试管、转台、转轴和溶液收集箱；三通进水管的第一端与所述出水口连通，所述三通进水管的三个方向均安装所述阀门，所述三通进水管的第二端、第三端均位于所述溶液收集箱内，所述溶液收集箱内可转动地安装转轴，所述转轴上安装转台，所述转台上一圈等间隔设置试管孔，试管放置在所述试管孔内，所述三通进水管的第三端位于所述试管的正上方。

所述法向加载框架包括法向加载油缸、主机框架、法向力传感器、法向磁致位移传感器、球形万向压头和法向加载垫板，所述主机框架有四个框架柱对称固定在试验台上，框架柱之间由横梁连接，所述法向加载油缸固定在横梁上；在法向加载油缸的活塞杆上安装用于对法向加载油缸活塞杆位移进行测量进而对其进行伺服控制的法向磁致位移传感器，法向力传感器连接在活塞杆外露端头，球形万向压头与法向力传感器直接连接，球形万向压头与法向加载垫板连接，所述法向加载垫板抵触在所述渗流剪切盒及密封装置的顶面；

所述水平加载框架包括水平支架、水平加载油缸、水平力传感器、水平磁致位移传感器、剪切压头和切向加载垫板，水平加载油缸安装在水平加载框架端部横梁内，用于对加载油缸活塞杆位移进行测量进而对其进行控制的水平磁致位移传感器安装在水平加载油缸的活塞杆上，水平力传感器一端连接在活塞杆外露端头，所述水平力传感器另一端连接切向加载垫板连接，所述切向加载垫板抵触在在所述渗流剪切盒及密封装置的侧面。

所述高低温环境试验箱包括环境箱体和辅助设备箱，所述环境箱体内置刚性剪切盒，上刚性剪切盒左右两侧分别有抵块且装有竖向滚珠；下刚性剪切盒与箱体内侧底部通过水平滚珠连接；所述辅助设备箱置于试验台下，所述辅助设备箱包括水箱、压缩机、储液器、冷凝器和排水口。

所述渗透水压控制系统包括伺服电机、减速箱、滚珠丝杆、储水压力室、液压传感器和水箱，整个渗流伺服控制系统按入水口的液压传感器的信号控制或按入水口、出水口间的压力差来进行控制；所述伺服电机的输出轴连接减速箱的输入轴，所述减速箱的输出轴与滚珠丝杆连接，所述滚珠丝杠与调压活塞联动，储水压力室上连接所述调压活塞，所述储水压力室的入水口与水箱连通，出水口与中空储水室连通；在左、右上压块管道安装液压传感器测得，在入水口、出水口安装流速传感器；

所述渗透流速控制系统包括柱塞泵，所述柱塞泵的入水口与水箱连通，出水口与中空储水室连通。

本实用新型的有益效果主要表现在：

1)试件置于高低温环境试验箱内，可在-100℃～+200℃的环境下进行试验，真实的反映实际工程中岩石的温度场；

2)水平加载框架可移动，便于安装岩石试件，安装完成后可推入主机框架中；

3)剪切盒在剪切方向由可随剪切位移变形的密封橡胶片密封，侧向由伺服控制的油压密封，保证了在多场耦合作用下的良好密封性，最高渗透水压可以达到3MPa。

4)溶液采集装置可自动收集各时段流出节理的溶液，由电脑控制，无需人工操作，便于后续对溶液的化学成分进行精确分析。

5)采用液压伺服与电机伺服双加载控制系统，可以实现多种边界条件下的加载，使用电机伺服控制系统可实现长期加载试验。

附图说明

图1为考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统的主视图；

图2为考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统的侧视图；

图3为高低温环境箱体剖面示意图；

图4为溶液采集装置剖面图；

图5为溶液采集装置转台俯视图；

其中，附图标记如下：1-主机框架；2-法向加载框架；3-水平加载框架；4-环境箱体；5-环境箱辅助设备箱；6-试验台；7-剪切盒；8a-法向活塞杆；8b-水平活塞杆；9a-法向加载垫板；9b-切向加载垫板；10-密封圈；11-隔热保温层；12a-左侧抵块；12b-右侧抵块；13a-左侧滚珠；13b-右侧滚珠；14-底部滚珠；15-滑轮；16-溶液采集装置；16a-试管；16b-转台；16c-转轴；16d-溶液收集箱；16e-阀门；17-竖向LVDT；18-横向LVDT；19a-左上压块；19b-右上压块；19c-左下压块；19d-右下压块；20a-左上压块管道；20b-右上压块管道；21a-左密封橡胶片；21b-右密封橡胶片；22a-左中空储水室；22b-右中空储水室。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图5，一种考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，包括主机及加载结构、加载伺服控制系统、渗流剪切盒及密封装置、高低温环境试验箱和渗流伺服控制系统，所述主机及加载结构包括相互垂直的具有独立加载能力的法向加载框架2和水平加载框架3，所述法向加载框架为用于给试件加载法向力的机构，所述水平加载框架为用于给试件加载剪切力的机构；所述加载伺服控制系统用于普通试验的液压加载伺服控制系统和用于流变试验的电机伺服加载系统；

所述渗流剪切盒及密封装置包括刚性剪切盒7、上压块19a、19b、下压块19c、19d和用于在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形的密封橡胶片21a、21b，岩石试件置于刚性剪切盒7内，所述岩石试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，所述上压块和下压块之间留有用于放置所述密封橡胶片的空隙，所述密封橡胶片的上端与上压块连接，所述密封橡胶片的下端与下压块连接；所述密封橡胶片与所述岩石试件的裂隙渗流面之间形成中空储水室22a、22b，一侧的中空储水室与入水口连通，另一侧的中空储水室与出水口连通；

所述渗流伺服控制系统包括用于控制出水口和入水口的水压的渗透水压控制系统和用于控制出水口和入水口的流速的渗透流速控制系统；

所述渗流剪切盒及密封装置位于所述高低温环境试验箱内，所述法向加载框架和水平加载框架的动作端穿过所述高低温环境试验箱与所述渗流剪切盒及密封装置抵触；所述加载伺服控制系统分别与所述法向加载框架和水平加载框架连接。

进一步，所述岩石试件的裂隙的侧面设有用于防止水从侧向流出的侧向密封组件。

再进一步，所述侧向密封组件包括刚性密封条和硅胶密封层，所述刚性密封条上下对称布置，所述刚性密封条一边抵触在所述岩石试件上，所述刚性密封条的内部布置所述硅胶密封层，所述刚性密封条的另一边与活动压头顶触，所述活动压头与框架螺纹连接。

更进一步，所述试验系统还包括用于对节理剪切渗流过程中产生的溶液以及随渗流流出的岩石颗粒进行定时定量的收集的溶液自动收集系统，所述出水口与所述溶液自动收集系统的入口连通。

所述溶液自动收集系统包括电子控制的阀门16e和转动式溶液收集装置，所述转动时溶液收集装置包括试管16a、转台16b、转轴16c和溶液收集箱16d；三通进水管的第一端与所述出水口连通，所述三通进水管的三个方向均安装所述阀门，所述三通进水管的第二端、第三端均位于所述溶液收集箱内，所述溶液收集箱内可转动地安装转轴，所述转轴上安装转台，所述转台上一圈等间隔设置试管孔，试管放置在所述试管孔内，所述三通进水管的第三端位于所述试管的正上方。

所述法向加载框架包括法向加载油缸、主机框架1、法向力传感器、法向磁致位移传感器、球形万向压头和法向加载垫板9a，所述主机框架1有四个框架柱对称固定在试验台6上，框架柱之间由横梁连接，所述法向加载油缸固定在横梁上；在法向加载油缸的活塞杆上安装用于对法向加载油缸活塞杆位移进行测量进而对其进行伺服控制的法向磁致位移传感器，法向力传感器连接在法向活塞杆8a外露端头，球形万向压头与法向力传感器直接连接，球形万向压头与法向加载垫板9a连接，所述法向加载垫板抵触在所述渗流剪切盒及密封装置的顶面；

所述水平加载框架包括水平支架、水平加载油缸、水平力传感器、水平磁致位移传感器、剪切压头和切向加载垫板9b，水平加载油缸安装在水平加载框架端部横梁内，用于对加载油缸活塞杆位移进行测量进而对其进行控制的水平磁致位移传感器安装在水平加载油缸的活塞杆上，水平力传感器一端连接在水平活塞杆8b外露端头，所述水平力传感器另一端连接剪切向加载垫板9b连接，所述切向加载垫板9b抵触在在所述渗流剪切盒及密封装置的侧面。

所述高低温环境试验箱包括环境箱体和辅助设备箱，所述环境箱体内置刚性剪切盒，上刚性剪切盒左右两侧分别有抵块且装有竖向滚珠；下刚性剪切盒与箱体内侧底部通过水平滚珠连接；所述辅助设备箱置于试验台下，所述辅助设备箱包括水箱、压缩机、储液器、冷凝器和排水口。

所述渗透水压控制系统包括伺服电机、减速箱、滚珠丝杆、储水压力室、液压传感器和水箱，整个渗流伺服控制系统按入水口的液压传感器的信号控制或按入水口、出水口间的压力差来进行控制；所述伺服电机的输出轴连接减速箱的输入轴，所述减速箱的输出轴与滚珠丝杆连接，所述滚珠丝杠与调压活塞联动，储水压力室上连接所述调压活塞，所述储水压力室的入水口与水箱连通，出水口与中空储水室连通；在左、右上压块管道安装液压传感器测得，在入水口、出水口安装流速传感器；

所述渗透流速控制系统包括柱塞泵，所述柱塞泵的入水口与水箱连通，出水口与中空储水室连通。

下面为具体实施时的配置和连接例。

参见附图1和图2，一种考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统包括：主机及加载结构、加载伺服控制系统、渗流剪切盒及密封装置、高低温环境试验箱、渗流伺服控制系统、数据采集测量系统以及溶液自动收集系统。

所述主机加载系统主要由相互垂直的具有独立加载能力的法向加载框架2和水平向加载框架3组成，框架采用高标号球墨铸铁整体浇筑而成，框架刚度为6GN/m。所述法向加载框架主要包括法向加载油缸、主机框架、力传感器、磁致位移传感器、球形万向压头、法向加载垫板等。所述主机框架1有四个框架柱对称固定在试验台6上，框架柱之间由横梁连接，所述法向加载油缸为双作用单杆活塞液压缸，固定在法向加载框架横梁上。在法向加载油缸的活塞杆上安装磁致位移传感器，用于对法向加载油缸活塞杆位移进行测量进而对其进行伺服控制。力传感器连接在活塞杆8a外露端头，球形万向压头与力传感器直接连接球形万向压头通过法向加载垫板9a向试件传递法向荷载，法向加载垫板是为了使法向荷载能够比较均匀地传递到试件上，防止偏压的发生。所述水平加载框架采用浮动式加载框架，可左右移动，在安装试件时水平加载框架处于图1左侧，便于安装，安装完毕后推入右侧主机框架内；所述水平加载框架主要包括水平支架、水平加载油缸、力传感器、磁致位移传感器、剪切压头、剪切向加载垫板、减摩直线导轨等；水平加载油缸安装在水平加载框架端部横梁内，磁致位移传感器安装在水平加载油缸的活塞杆8b上，用于对加载油缸活塞杆位移进行测量进而对其进行控制。力传感器一端连接在活塞杆外露端头，另一端连接剪切压头9b。

所述加载伺服控制系统包括用于普通试验的液压加载伺服控制系统和用于流变试验的电机伺服加载控制系统。所述用于普通试验的液压加载伺服控制系统，主要由液压油源、液压泵、伺服阀、伺服控制器和传感器等组成；在普通试验过程中，伺服加载主要由液压油源提供动力，再由伺服控制器接收传感器信号与控制信号对比进而向伺服阀发出相应控制信号来调节油缸进油量以实现伺服控制，进而实现在试验过程中人可以在电脑前控制试验过程。所述用于流变(长期加载)试验的电机伺服加载控制系统，主要由伺服电机、减速机、同步齿形带、滚珠丝杆、储油缸、伺服控制器、传感器等组成；在流变试验过程中，由伺服电机带动减速器通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动储油缸内活塞往复运动，活塞在正向运动时对储油缸内的液压油施加压力，油压通过高压管路进而传递到加载油缸，为流变试验提供动力，例如，可在剪切位移为5mm时在100h内保持剪切应力不变，然后再重新开始剪切；所述伺服控制系统通过在Windows平台下采用C++语言编写的控制软件来控制，软件界面友好、功能强大、便于扩展，可实现常法向荷载、常法向位移、常法向刚度三种边界条件下岩石节理全过程耦合试验。

所述渗流剪切盒及密封装置，包括刚性剪切盒7、左上压块19a、右上压块19b、左下压块19c、右下压块19d、左密封橡胶片21a、右密封橡胶片21b和侧向密封组件等。尺寸为20cm×10cm×10cm的立方体岩石节理试件置于刚性剪切盒7内，试件在剪切方向两侧各放置有上压块和下压块，上压块和下压块之间留有一定空隙，用于放置密封橡胶片；所述密封橡胶片可在剪切过程中随剪切位移的增大而卷曲变形，从而实现连续的水封效果；所述密封橡胶片和上下压块形成左中空储水室22a、右中空储水室22b，通过中空储水室将水压均匀作用在节理渗流面上，避免将水压集中于一点，更接近于自然界和工程中节理内渗流的真实形态，最高渗透水压可达到3MPa；所述上压块设有左上压块管道20a、右上压块管道20b，所述上压块管道与中空储水室连通，两侧的上压块管道与液压传感器连接，可精确的测量节理实际入水口和出水口之间的水压差，而非外部导管之间的水压差；节理侧面设置有侧向密封组件，利用伺服控制的油压使密封层紧密贴合在节理处，并控制油压大于渗透水压，从而实现侧向密封。

参见附图3，高低温环境试验箱可用于金属、非金属、复合材料等试件及构件在-100℃～+200℃温度环境内的力学性能检测试验，技术执行标准为GB 10592-2008《高低温试验箱技术条件》。所述高低温环境试验箱主要由环境箱体4及其辅助设备箱5组成。环境箱体内置剪切盒7，上剪切盒左右两侧分别有左抵块12a、右抵块12b，且装有左竖向滚珠13a、右竖向滚珠13b，保证法向加载时试件仅可上下移动；下剪切盒与箱体内侧底部通过滚珠14连接，保证剪切加载时下剪切盒仅可左右滑动，箱体外侧底部装有滑轮15，可推出水平加载框架；箱体内腔及外壁均采用优质不锈钢材料，内腔、外壁间填充多层复合保温材料，形成隔热保温层11，箱壁上入水口、出水口、左右管道以及加载压头处开孔，孔周围有密封圈10密封，保证开孔处的密封性；加热元件采用螺旋状铁铬铝电阻丝；测温元件为PT100热电阻；制冷系统采用压缩机制冷；温度控制系统由测温元件(热电偶)、中央运算单元，温度检测仪表，及计算机操作人机交互界面等组成；另外还设置有漏电保护、过电流保护、快速熔断器；所述环境箱体连接有辅助设备箱5置于试验台下，所述辅助设备包括水箱、压缩机、储液器、冷凝器、排水口等。

所述渗流伺服控制系统包括渗透水压控制系统和渗透流速控制系统，出、入水口的水压和流速通过系统分别控制。渗透水压控制系统主要由伺服电机、减速箱、滚珠丝杆、储水压力室、液压传感器、行程开关和水箱组成，整个渗流伺服控制系统可以按进水口的液压传感器的信号(常水压)控制或按进、出水口间的压力差(常渗透压差)来进行控制；在增压过程中，滚珠丝杠推进调压活塞向正向运动对储水压力室施加压力，储水压力室的水通过上下压块形成的中空储水室22a进入岩石节理面，之后从另一侧的中空储水室22b流出，经过岩石节理前后的渗流水压力用连接在左右上压块管道20a、20b上的液压传感器测得，流速通过出入口的流速传感器测得；根据所采集的信号由伺服控制器控制伺服电机，从而调节储水压力室中的水压力保持恒定。渗透流速控制系统主要由柱塞泵实现，并共享上述渗透水压控制系统的水箱、液压传感器等组件，用于控制加在进水口上的流速；两套系统配合使用以实现在微小流量时用测量渗透压差的瞬态法，在流量处于可测范围时用测流量的稳态法进行渗流控制。

所述数据采集测量系统包括用于监测位移、荷载、油压、水压、流速、温度、湿度的传感器，各传感器的数据连入电脑进行实时监控。其中，2个磁致位移传感器分别用于监测法向加载油缸和剪切加载油缸内活塞杆的位移，5个直线位移传感器(LVDT)分别用于监测试件的法向和剪切位移，2个力传感器分别用于监测法向力和剪切力；4个油压传感器分别用于监测法向和剪切加载油缸以及侧向密封组件内的油压；2个液压传感器分别用于监测出、入水口的水压；2个流速传感器分别用于监测出、入水口的流速；6个温度传感器分别用于监测试件四周的温度；1个湿度传感器用于监测高低温环境试验箱内的湿度。其中用于伺服控制的位移和荷载的采集监测主要由控制器、加载油缸的活塞杆内部磁致位移传感器、直线位移传感器、活塞杆外的力传感器、微型计算机及支持软件来实现；节理面的法向和剪切位移用安装于剪切盒上的直线位移传感器(LVDT)来测量，法向17(4支)和剪切18(1支)位移传感器均采用精度高、抗干扰能力强和稳定性好的差动变压器式位移传感器(无温漂、时漂)。剪切盒出、入口处接有0～10L/min ALICAT L-Series质量流量计，其具有精度高、重复性好、响应速度快等优点，可对剪切过程中渗流量进行精确测量。

参见附图4-5，在出水口处设置有溶液自动收集系统16，所述溶液自动收集系统包括试管16a、转台16b、转轴16c、溶液收集箱16d、阀门16e、电子控制器。所述阀门由电子控制开闭，根据设定的时间将设定量的溶液注入试管；所述试管共12支置于转台中，可通过中间转轴16c转动，由电子控制一定时间内转动一定角度，例如12小时内每小时转动30度，从而根据需要对节理剪切渗流过程中产生的溶液以及随渗流流出的岩石颗粒进行定时定量的收集，以便对收集的溶液进行化学成分分析。