微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置的制作方法

本发明微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，属于岩石力学与工程技术领域范畴，尤其涉及一种微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，可用于不同温度作用及不同流体注入下的完整或单裂隙岩石的动态剪切渗流耦合特性的试验研究。

背景技术：

在地下岩土工程中，岩体与地下水的相互作用往往决定着岩体工程的稳定性，而岩体在水力耦合作用下的剪切滑移失稳通常会导致重大地质灾害的产生，因此，深入研究岩体的剪切-渗流耦合特性及由此所导致的失稳规律对于解决地下岩体工程的稳定性有着至关重要的作用。

目前，国内外各专家对于岩体剪切-渗流耦合特性的研究并不多，其中最难以解决的问题便是剪切-渗流过程中存在的动密封问题，即难以保证水在岩石试件剪切错动过程中只沿裂隙上下面组成的不规则通道流动而不发生侧漏。因此，研制密封性较好的剪切渗流耦合设备是探究岩体水力耦合剪切渗流耦合失稳机理的基础。

目前，涉及剪切渗流耦合的装置及方法的中国发明专利主要有：山东科技大学的“一种岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统”（cn102607950a）。山东科技大学的“一种围压作用下岩石裂隙剪切渗流耦合试验系统”（cn102253185a）。山东科技大学的“岩石裂隙剪切渗流耦合试验盒”（cn202133661u）。同济大学的“岩石节理剪切-渗流耦合试验系统”（cn201237591y）。武汉大学的“适用于岩石节理剪切渗流耦合试验的剪切盒”（cn202903786u）。太原理工大学的“一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置”（cn104596857a）。然而，这些已有的节理剪切试验设备存在以下几点问题：1.试验设备的密封操作比较繁琐且密封效果难以达到试验的要求；2.这些试验技术多是基于岩石直剪试验机所改造的，即采用直剪盒进行剪切渗流试验，但由于直剪盒的上下盒体在剪切滑移过程中难以保证剪切方向的恒定，进而使得侧向的密封难以实现，尤其是难以实现较高的渗透压力的密封；3.传统的直剪盒都只考虑岩体的法向受力，而忽略了侧向受力压力，这使得岩体所处的应力状态和实际赋存状态严重不符；4.传统的直剪盒还未见有气体作为渗透介质的，使得试验功能单一。5.岩石的剪切位移都不是很大，这主要是因为剪切位移越大，裂隙岩石的密封性越差；6、没有可靠的监测设备对岩石剪切渗流过程进行监测，只单纯的依靠变形和流量的变化量来推测剪切-渗流特性，既不科学又不准确。

技术实现要素：

本发明微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置的目的在于：解决上述各试验方法存在的诸多缺陷及不足，为深入研究岩体的剪切-渗流特性提供强有力的监测手段，进而提供一种微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置及方法的技术方案。

本发明微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，其特征在于该装置是一种主要用于不同温度作用及不同流体注入下的完整或单裂隙岩石的动态剪切渗流耦合特性的试验研究的装置，该装置拆卸简单、密封效果好、多数步骤可实现自动化，该试验装置由加载系统、密封系统、多相流体注入系统、声发射监测系统、温度控制系统、变形监测系统和数据采集系统等组成，所述的加载系统由三轴压力室42、三轴压力室顶盖67、压力室顶盖螺丝28、三轴压力室底座16、微机控制电液伺服加载系统1和围压加载系统组成，三轴压力室42可分为上腔体29和下腔体30，两个腔体通过管线43连接，腔体内安装有轴向加载杆，其由外加载杆8和内加载杆7组成，而内、外加载杆的端部都内制有螺纹孔，可按需分别安装外接杆2和27，其中外接杆2与轴向lvdt3相接触，用于试验过程中试件12的轴向变形的测量，而外接杆27则用于安装试件12时手工旋转，从而压紧外加载杆8和橡胶套36，外加载杆8的底部通过挤压承压板66来实现对橡皮胶的挤压密封，而承压板66上安装有o型圈，可防止围压油从外加载杆8中渗出，三轴压力室42中放置尺寸为φ50×100mm的圆柱形岩石试件12，试件12的上下端面按反方位分别放置两个由45^#钢34和硅橡胶10所组成的直径为50mm的圆柱体剪切压头，其中45^#钢34下部加工有多孔板33，整体为半圆柱形，而硅橡胶为相同尺寸的另一个半圆柱体，由于硅橡胶10在轴压加载时几乎没有承载作用，因此两端面位置相反的半圆柱体45^#钢在轴压加载下可对试件12施加剪应力，使得试件发生剪切破坏，此外，为了防止硅橡胶10在加载作用时由于体积收缩而产生较大的承载作用，进而导致剪切力失效，因此，在圆柱形剪切压头上还各置有内凹压头11，其主要用于为加载作用下的硅橡胶10留有挤入空间，进而保证试件12两端面持续受到恒定的剪应力，内凹压头11的外侧装有可拆卸的转换压块15，其与三轴压力室底座16用定位销37固定，装上转换垫块15可用于φ50×50~100mm的试件的剪切渗流试验，而去除转换垫块15并添加其他规格垫块可用于φ100×100~200mm的试件的试验；所述的密封系统主要是指对试件12的密封，由特氟龙胶带31、热缩套管61、橡胶套36和铝环31与35按一定的操作方法组成，支撑架由上下两块圆环板9、14和支撑杆64组成，其主要对橡胶套的上下外延部分进行挤压密封，支撑架与支撑架定位环62之间用u型卡环63连接，此外，下腔体30通过凹形环状卡套38与三轴压力室底座16相连接，并配套o型圈实现密封；所述的微机控制电液伺服加载系统1由加载框架、伺服加载油缸及伺服控制阀组成，可实现力、位移及变形的伺服控制，另外，三轴压力室42通过定位销39与加载框架的底座44相连接；所述的围压加载系统包括储油罐59、充油油缸控制系统24、伺服油缸控制系统23、增压室22和油浴升温系统58，其中储油罐59中的油体经充液控制系统24控制进入油浴升温系统58，当油体温度达到设定的温度后被注入三轴压力室42，当注入的油体依次流经压力管线45和增压室22，并最后从溢流口20流出时，关闭充液油缸控制系统24，溢流阀46及相应的针阀18等，随后开启伺服控制系统23，其配合增压室22可按恒定速率将围压加至试验所需值，三轴压力室42内部围压可通过压力传感器17监测获得；所述的流体注入系统包含液体储存罐60、气体储存罐55、气体增压增温系统56、背压阀69、液体注入系统40和气体注入系统41，两者可独立注入，也可混合注入，其中气体增压增温系统41的作用是可实现气体的超临界态，如超临界co2和n2等，扩展了注入气体的类别，液体由液体注入系统60控制从储液管60注入三轴压力室42，而气体由气体注入系统41控制从气体储气罐55先注入气体增压增温系统56，后进入三轴压力室42，流体通过管线由三轴压力室底座16注入，在剪切压头与内凹压头11间，内凹压头11与三轴压力室底座16间都安装有小口径橡胶套13，进而防止气体和液体提前混合，液体和气体在多孔板33处实现混合并由试件12的底部注入，其由下至上流经试件12，并最后从试件12的上端流出，随后，混合的气液两相流体依次通过上部多孔板、上部剪切压头和内凹压头，最后从内加载杆中流出三轴压力室42，混合流体通过开启背压阀后69后依次经过液体收采集瓶25和气体流量计26，实现气体和液体的分离和称量；所述的变形监测系统包括试验过程中轴向变形、径向变形及体积变形的监测，其中试件12的轴向变形可通过轴向lvdt3所测得的内加载杆7的伸缩量来间接求得，而试件12的不同部位的径向变形可通过调节支撑杆上的径向lvdt65的位置来测得，试件12的体积变形可通过增压室外侧lvdt5的变化量求得，轴向和体积变形测量lvdt各采用两个，而径向变形可根据试验需要来添加；所述的温度控制系统包括气体增压增温系统56、三轴室温度控制外壳57，油浴升温系统58、热电偶54和温度传感器68组成，其中气体增压增温系统56用于调节气体的压力和温度进而实现气体的超临界态，油浴升温系统58和三轴室温度控制外壳用于调节及保持油体温度进而实现三轴压力室42内试件或气体的温度达到并保持试验所需值，热电偶54用于实时测量气体和三轴压力室42内的温度变形，温度传感器68接在支撑杆64上用于测量试件12的不同部位的温度变化；所述的数据采集系统包括声发射信号、轴压及轴向变形，围压及体积变形，径向变形、气体和釜体温度、试件不同部位温度、入口端气体和液体的压力，出口端气液的混合压力以及分离的气体和液体的流量值等数据的采集。

上述的微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，其特征在于，所述的特制半圆柱体硅橡胶10由南大硅橡胶705浇注而成，具有一定的弹性和密封性，其在每个试验前都得重新浇注，并置于通风处凝固24h方可达到最佳的试验效果。

上述的微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，其特征在于，本装置除可进行尺寸为φ50×50~100mm的圆柱形试件的剪切渗流试验外，还可通过更换压头、支撑架尺寸等试件外围部件进行φ100×100~200mm的大尺寸圆柱形试件的剪切渗流。此外，通过更换上下压头的形状和尺寸，还可进行尺寸为φ50×100mm岩石试件的一系列常规力学强度试验。

上述的微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，其特征在于，所述的声发射探头47置于三轴压力室42内，并紧贴橡胶套的外壁面，主要可对试件12在剪切破坏和滑移过程中产生的声发射信号进行采集。为防止声发射探头47置于高压油内而使探头内部的压电陶瓷受到破坏，这里的声发射探头47须进行密封保护。以美国声学公司声发射传感器pac为例，首先将探头用两块薄壁上下圆环板52和53压紧，并配以声发射密封螺丝48和声发射密封o型圈49进行密封，随后用螺钉将上下两圆环板拧紧。上述的下圆环板53外侧焊接有长臂50，长臂处开有凹槽，随后将所有探头外贴与橡胶套外壁，并用强力橡皮筋51箍紧长臂凹槽，使得探头紧紧贴于胶套外侧。最后将探头导线引出三轴压力室42，与监测设备相连接。

上述的微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，其特征在于，所述的轴向加载杆外加载杆8和内加载杆7组成，两者相互独立控制。内加载杆上端连接微机控制电液伺服加载试验系统1，用于给试件施加轴向加载，而外加载杆主要用于压紧橡胶套36；上述的外加载杆8中部连接有上腔体活塞板4，由于上下腔体由管线4）相连通，因此隔板4会随着下腔体内油压的增加而不断向下移动，从而可一直保持挤压橡皮套36，使得胶套的密封效果达到最佳；上述的内、外加载杆和腔体之间都采用o型圈6实现动密封。

上述的微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置，其特征在于，所述的体积变形的测试原理为：试验过程中，试件的剪切滑移会造成试件的膨胀变形，进而会导致三轴压力室42内液压油的压力突增，由于压力的上升会导致增压室上腔体的体积增大，而为保持上下腔体的压力平衡，围压伺服控制系统会吸回下腔体内的余油，从而导致增压室活塞21及增压室活塞杆19的下移，进而带动上部lvdt侧杆的下移，下移量乘以增压室活塞的底面积即为试件的体积变形。

本发明一种微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验方法的优点在于：与现有技术相比，仪器拆卸简单，试验过程的控制步骤简便且可实现半自动化。另外，剪切破断后的试件在铝环、热缩套管及特氟龙胶带的约束下可与胶套贴合紧密，进而使得侧向密封效果良好，可进行高渗透水压、大剪切位移下的剪切渗流耦合试验，还可考虑温度及不同注入流体对岩石剪切渗流耦合的影响；其次，本发明可模拟岩石三轴应力状态的方法，能够有效的克服目前技术只考虑岩石在单纯法向作用力下的直剪-渗流；此外，本发明所公开的装置中还添加有声发射监测装置，可用来监测剪切渗流耦合过程中的裂隙面破损演化情况，进而对岩石的剪切渗流耦合过程提供更多可靠的监测手段。

附图说明

附图1为本发明一种微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验装置的示意图

附图2为本发明中声发射探头密封的侧视图、俯视图及装配示意图

附图3为试件的密封装配图

附图4为图3中a-a剖视示意图

附图5为图3中b-b剖视示意图

附图6为胶套的示意图

附图7为支撑架结构

图中的标号：1——微机控制电液伺服加载系统；2——外接杆；3——轴向lvdt；4——上腔体活塞板；5——外侧的lvdt；6——o型圈；7——内加载杆；8——外加载杆；9——支撑架上板；10——硅橡胶；11——内凹压头；12——岩体试件；13——小口径橡胶套；14——支撑架下板；15——转换压块；16——三轴压力室底座；17——压力传感器；18——针阀；19——增压室活塞杆；20——溢流口；21——增压室活塞；22——增压室；23——伺服油缸控制系统；24——充液控制系统；25——液体采集瓶；26——气体流量计；27——外接杆；28——压力室顶盖螺丝；29——上腔体；30——下腔体；31——特氟龙胶带；32——上部铝环；33——多孔板；34——45#钢；35——下部铝环；36——橡胶套；37——定位销；38——凹形环状卡套；39——定位销；40——液体注入系统；41——气体注入系统：42——三轴压力室；43——管线；44——加载框架底座；45——压力管线；46——溢流阀；47——声发射探头；48——声发射密封螺丝；49——声发射密封o型圈；50——长臂；51——强力橡皮筋；52——上圆环板；53——下圆环板；54-热电偶；55-气体储存罐；56-气体增压增温系统；57-三轴室温度控制外壳；58-油浴升温系统；59-储油罐；60-液体储存罐；61-热缩套管；62-定位环；63-u型卡环；64-支撑杆；65-径向lvdt；66-承压板；67-三轴压力室顶盖；68-温度传感器；69-背压阀。

具体实施方式

为体现本发明的技术方案及优点，下面通过实例，并参照附图，对一种微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验方法的实施进行详细论述。这里以尺寸为φ50×100mm的圆柱形完整岩石细砂岩试件为例，并选取纯净水做为渗透介质，然后采用本装置来对比研究细砂岩试件的动态剪切渗流耦合特性和常规剪切渗流特性的差异。

首先进行动态剪切渗流耦合特性试验研究，其具体的实施步骤如下：

步骤一,取样：在大块原岩上钻取尺寸为φ50×100mm的圆柱形大尺寸完整细砂岩岩石，并打磨岩石两端面，使其不平整度误差不超过0.01mm。

步骤二，硅橡胶半圆柱型压头10制作：将高度为20mm的45^#钢半圆柱形压头34置于直径为50mm，高度同样为20mm的圆柱形有机玻璃磨具内，接着用南大705硅橡胶填充另一半，待膏体液面与45^#钢半圆柱形压头34上端面相平时停止浇注，之后将磨具置于通风处凝固24h，最后将浇注好的硅橡胶半圆柱形压头10取出以留做试验用。这里的45^#钢半圆柱压头34的高度即为岩石最大的剪切错动量。

步骤三，装配试件：将45^#钢半圆柱形压头34和硅橡胶半圆柱形压头10配合在一起形成拼合压头，之后将两个拼合压头按相反的方向置于试件12的上下端面，然后分别在两端的拼合压头外装上内凹压头11和圆柱形压头9和15，之后用特氟龙胶带31自上而下螺旋式缠绕一圈，使试件和各个压头形成一个整体。然后将该整体装入橡胶套36内，之后将两个形状和尺寸均相同的、外径为50mm的铝环36放入试件外壁和胶套内壁的空腔内，使试件和胶套没有空隙，其中上铝环32从试件12上压头9顶部开始，超过试件12上端面10mm，而下铝环36从试件下压头15底部开始，超过试件12下端面10mm，而试件12中部剩余的80mm则完全由橡胶套36贴紧。然后在胶套36周围安装支撑架，使支撑架的上下两块圆环板9和14贴紧橡胶套36，然后在上下圆环板间接上支撑杆64，之后将试件连通支撑架整体放入转换压块15间，再将定位环62放入三轴室内，并在支撑架与支撑架定位环62之间用u型卡环63连接。之后，在试件表面接上声发射探头47，在支撑杆上接上径向lvdt65和温度传感器68等监测设备。

步骤四，装配三轴压力室42：将三轴压力室腔体30通过凹形环状卡套38与三轴压力室底座16相连接，并配套o型圈实现密封，然后在三轴压力室外部套上三轴室温度控制外壳57，之后在外加载杆8上接上外接杆27，然后手动移动外加载杆8，使外加载杆8的下端与橡胶套36的上部相接触，进而实现胶套的全段密封；然后将外接杆27卸下并接在内加载杆7上，并调节lvdt3的位置，使lvdt3的指针与外接杆27相接触，此时，三轴压力室42装配完毕。

步骤五,三轴压力室充液：开启储油罐59，油浴升温系统58，充液控制系统24，并打开充液相应阀门18和46等，给三轴压力室42内充油，待液压油从承压室的溢流阀46流出时，说明液压油已充满整个腔体，此时关闭充液控制系统24、充液阀门18和溢流阀46等。

步骤六,施加三轴围压并保持：开启所有的数据监测设备，调“0”开始监测。开启围压伺服控制系统23将三轴压力室内的压力加至试验所需值并保持，待室内压力稳定后调整承压室上部的lvdt5指针，使其与承压室22上端接触。在试验全过程中都保持恒定的围压值不变。

步骤七，施加孔隙压力p0：开启背压阀，将其调至试验所需孔隙压力值p0。随后开启液体储存罐60及液体注入系统41。设置注入系统以恒定注入压力p0值向试件底部注入流体，待注入系统提示不再有流体注入时，说明试件内部整体已达到恒定的孔隙压力p0。

步骤八，施加渗透压差并保持：当试件内部达到恒定孔隙压力p0时，增加入口端的注入压力至p1，使液体注入系统41以△p=p1-p0的渗透压差向试件12底部注入流体，开启液体采集瓶25，进行液体渗透率的测定。在试验全过程中保持恒定的渗透压差△p不变。

步骤九，施加剪切应力：开启微机控制电液伺服轴压控制系统1，通过加载内加载杆7来将剪切力施加到试件端面；本试验采用0.0001mm/s的恒位移控制来施加剪应力，并进行20mm的剪切压缩。在试件12剪切的全过程，维持试件两端的渗透压差△p不变。

步骤十，记录试验数据：在试件剪切的全过程，实时记录并分析各项数据的变化，包括：出口液体流量变化、法向和剪切力、法向和剪切变形、声发射信号等。

步骤十一，拆卸试件：通过各控制系统依次卸除轴向压力、围压以及排油，用外接杆27将外加载杆8拉出，并拆除三轴室温度控制外壳57，采用升降机将三轴室的上腔体30抬起，依次拆除胶套36，铝环32和36，特氟龙胶带31及各压头，最后拍照记录破裂的试件，至此试验完毕。

步骤十二，分析数据：处理试验数据，绘制试件剪切位移-渗透率曲线，剪切位移-剪切力曲线，剪切位移-法向变形曲线，剪切位移-声发射曲线等。

接下来，进行φ50×100mm圆柱形细砂岩的常规剪切渗流试验，其具体步骤如下：

步骤一，在与上述试验所采用的相同的大块原岩上钻取尺寸为φ50×100mm的圆柱形大尺寸完整细砂岩岩石，并打磨岩石两端面，使其不平整度误差不超过0.01mm。

步骤二~步骤七与上述试验相同。

步骤八，施加渗透压差并保持：开启液体注入系统41，以△p=p1-p0的渗透压差向试件12底部注入流体，开启液体采集瓶25，进行液体渗透率的测定。然后，关闭流体注入系统。

步骤九，施加剪切应力：开启微机控制电液伺服轴压控制系统1，通过加载内加载杆7来将剪切力施加到试件端面；本试验采用0.0001mm/s的恒位移控制来施加剪应力，进行0.5mm的剪切量。

步骤十，进行常规剪切渗流试验：步骤八~九若干次，每次的剪切量都保持0.5mm不变，直至试件剪切压缩量达到20mm。

步骤十一，拆除试件，与上述试验的步骤十一相同。

步骤十二，分析试验全过程中的各项数据，并绘制试件剪切位移-渗透率曲线，剪切位移-剪切力曲线，剪切位移-法向变形曲线，剪切位移-声发射曲线等。

还需指明，以上所述仅用以说明本发明的技术方案而非限制，任何本领域的科研技术人员参照本发明的实施方式改变岩石的种类、岩石的尺寸及规格，以及其他形式及细节上的各式各样的改变，都应涵盖在本发明专利的保护范围之中。