考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统技术方案

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，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，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；渗流剪切盒及密封装置位于高低温环境试验箱内，法向加载框架和水平加载框架的动作端穿过高低温环境试验箱与渗流剪切盒及密封装置抵触；加载伺服控制系统分别与法向加载框架和水平加载框架连接。本实用新型专利技术承受渗透压力较高、有效实现THMC耦合作用下的试验和分析。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于岩土工程领域，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。
技术介绍
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，这是本技术的出发点。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。
技术实现思路
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，本技术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。本技术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。本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，其特征在于：所述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。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，其特征在于：所述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。2.如权利要求1所述的考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，其特征在于：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。3.如权利要求2所述的考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，其特征在于：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。4.如权利要求1～3之一所述的考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，其特征在于：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。5.如权利要求4所述的考虑岩石节理剪切过程中THMC耦合作用的试验系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博，夏才初，杜时贵，陈咭仟，刘日成，陈忠清，钟振，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：新型
国别省市：浙江;33