自平衡液压系统、岩石试件表面法向位移监测装置及方法与流程

1.本发明涉及岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种自平衡液压系统、岩石试件形变监测装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.岩体由岩块和裂隙组成，裂隙是导水的主要通道，岩体在水力耦合作用下的剪切滑移失稳常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保证地下岩体工程的安全与稳定有着至关重要的作用，而岩石裂隙剪切渗流耦合试验是研究岩石裂隙水力特性最直接有效的手段；同时岩块的相关力学参数也是岩体工程关注的重点，为了准确获得岩石力学参数(应力-应变曲线，强度，弹性模量、泊松比等)，需要进行一些常规的岩石力学试验，如单轴压缩试验、常规三轴试验。
4.目前，基于常规三轴压力室进行常规三轴和剪切渗流等试验存在主要的缺点：
5.1)受限于常规三轴压力室的尺寸，难以安装表面法向位移传感器；
6.2)在一般常规三轴压缩试验中，采用环向引伸计测量岩石试样的径向尺寸变化，但直接剪切的试验会在轴线上出现较大剪切位移，导致环向引伸计不适用测量直接剪切试验过程中试样的法向位移。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种自平衡液压系统、岩石试件形变监测装置及方法，准确测量岩石试样变形或岩石裂隙在剪切渗流耦合过程中岩石裂隙面法向变形，有利于更准确的研究剪切渗流耦合作用对裂隙力学开度的影响，为裂隙岩体的剪切渗流研究提供科学指导。
8.根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种自平衡液压系统，采用如下技术方案：
9.一种自平衡液压系统，包括测量杆、第一柱体以及第二柱体，所述第一柱体嵌套在第二柱体内构成自平衡油室；所述测量杆自第二柱体贯穿自平衡油室，并伸出第一柱体；
10.所述测量杆伸出第一柱体的端部侧壁设有进油口，所述测量杆内部还设置有导流通道，所述导流通道分别与所述进油口以及所述自平衡油室连通。
11.进一步地，所述测量杆位于自平衡油室内的部分套接有弹簧，所述弹簧作用在测量杆上的力用于指向待测件；所述测量杆与第二柱体连接处设置有第二密封圈；所述测量杆与第一柱体连接处设置有第一密封圈；所述第一柱体和所述第二柱体连接处设置有第三密封圈和第四密封圈。
12.进一步地，所述第一柱体内腔为阶梯型内腔，所述阶梯型内腔包括第一内腔、第二内腔以及第三内腔；
13.所述第一内腔与第二柱体内腔套接构成自平衡油室；所述第二内腔与测量杆部分
结构之间形成通道，用于连通自平衡油室和导流通道；所述第三内腔与测量杆端部套接，且所述第三内腔的内径与测量杆端部的外径相匹配。
14.进一步地，所述第一内腔的直径大于第二内腔，所述第二内腔的直径大于第三内腔。
15.进一步地，所述第一柱体侧壁设有排气通道，用于将测量杆来回移动带入的空气排出自平衡液压系统。
16.根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种岩石试件表面法向位移监测装置，采用如下技术方案：
17.一种岩石试件表面法向位移监测装置，包括位移计固定板，所述位移计固定板的两端分别固定有第一位移计和第二位移计；所述第一位移计的头部与第一挡板接触，所述第二位移计的头部与第二挡板接触；所述第一挡板上固定有第一自平衡液压系统，所述第二挡板上固定有第二自平衡液压系统。
18.进一步地，所述位移计固定板固定在三轴压力室上，所述三轴压力室与岩石试件之间构成围压室。
19.进一步地，所述第一自平衡液压系统自所述三轴压力室贯穿并伸入到所述围压室内；所述第一自平衡液压系统的测量杆端部在所述围压室内；
20.所述第二自平衡液压系统自所述三轴压力室贯穿并伸入到所述围压室内；所述第二自平衡液压系统的测量杆端部在所述围压室内。
21.进一步地，所述测量杆与密封套管接触，所述密封套管内套接有岩石试件。
22.根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种岩石试件表面法向位移监测方法，采用如下技术方案：
23.一种岩石试件表面法向位移监测方法，包括：
24.将岩石试件套接在密封套管内进行试验，通过第一自平衡液压系统和所述第二自平衡液压系统相对接触岩石试件，所述第一自平衡液压系统和所述第二自平衡液压系统的测量杆直接浸润在围压室内的液压油中，与密封套管接触；围压室内的液压油经过测量杆进油口后，通过导流通道到达自平衡油室，使得测量杆处于受力平衡状态；
25.当岩石试件法向位移发生变化时，带动所述第一自平衡液压系统的测量杆和所述第二自平衡液压系统的测量杆移动，从而分别带动第一挡板和第二挡板的移动，通过所述第一挡板和第二挡板将第一自平衡液压系统和第二自平衡液压系统的位移分别传递给第一位移计和所述第二位移计，所述第一位移计和所述第二位移计的测量值就是岩石试件法向位置的变化值。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.1、本发明通过自平衡液压系统的测量杆直接浸润在围压室内的液压油中，与密封套管直接接触，围压室内的液压油经过测量杆进油口后，通过导流通道到达自平衡油室，使得测量杆处于受力平衡状态，测量杆可以随着岩石裂隙的变形而自由移动，准确测量岩石试样变形或岩石裂隙在剪切渗流耦合过程中岩石裂隙面法向变形，解决传统常规三轴压力室在开展岩石力学及岩石裂隙剪切渗流试验时岩石试样的法向位移测量不精确等难题。
28.2、本发明利用岩石试件表面法向位移监测装置，基于常规三轴压力室进行常规三轴和剪切渗流等试验时，岩石裂隙试样法向方向上发生位移变化，带动测量杆移动，测量杆
的移动带动挡板的移动，由于位移计与挡板直接接触，且处于压缩状态，当挡板位移发生变化时，位移计能直接测出变化值，解决传统常规三轴压力室在开展岩石力学及岩石裂隙剪切渗流试验时岩石试样的法向位移测量不精确等难题。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明实施例提供的一种岩石试件表面法向位移监测装置的整体结构图；
31.图2为本发明实施例提供的一种岩石试件表面法向位移监测装置的内部结构图；
32.图3为本发明实施例提供的自平衡液压系统结构剖视示意图；
33.图4为采用本发明进行的花岗岩节理剪切渗流试验时节理裂隙试样的法向位移测量结果图；
34.图中：1-第一挡板，2-第一位移计的头部，3-位移计固定板，4-第一位移计，5-岩石试件，6-密封套管，7-第二位移计，8-第二位移计的头部，9-第二挡板，10-第一自平衡液压系统，11-测量杆进油口，12-第二自平衡液压系统，13-测量杆，14-第二柱体，15-第一柱体，16-围压室，17-三轴压力室，18-导流通道，19-排气通道，20-第一密封圈，21-自平衡油室，22-第三密封圈，23-第四密封圈，24-第二密封圈，25-弹簧，26-调整螺母，27-圆柱钢管。
具体实施方式
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
38.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
39.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.实施例一
41.如图3所示，本实施例提供了一种自平衡液压系统，包括测量杆13、第一柱体15以及第二柱体14，所述第一柱体15嵌套在第二柱体14内构成自平衡油室21；所述测量杆13自第二柱体14贯穿自平衡油室21，并伸出第一柱体15；
42.所述测量杆13伸出第一柱体15的端部侧壁设有进油口11，所述测量杆13内部还设置有导流通道18，所述导流通道18分别与所述进油口以及所述自平衡油室21连通。
43.具体地，自平衡油室21由测量杆13、弹簧25、第一柱体15和第二柱体14共同组成，围压室6内的液压油经测量杆13进油口11并通过测量杆13杆内导流通道18进入到自平衡油室21中，实现测量杆13自平衡状态，确保测量杆13的移动不受围压室6内液压油的影响。
44.具体地，所述测量杆13位于自平衡油室21内的部分套接有弹簧25，所述弹簧25作用在测量杆13上的力用于指向待测件；所述弹簧25存在一定压缩量，弹簧25作用在测量杆13上的力始终是指向岩石试样的，确保测量杆13一直与密封套包裹的试样接触，自平衡的设计确保了剪切过程中测量杆13能在岩石节理面法向方向上自由的移动。
45.具体地，所述测量杆13与第二柱体14连接处设置有第二密封圈24；第二密封圈24用于密封自平衡油室21，防止自平衡油室21内的液压油沿测量杆13和第二柱体14接触部分流出。
46.所述测量杆13与第一柱体15连接处设置有第一密封圈20；第一密封圈20用于分隔围压室6和自平衡油室21，防止围压室6内的液压油沿着测量杆13外壁进入自平衡油室21。
47.所述第一柱体15和所述第二柱体14连接处设置有第三密封圈22和第四密封圈23，第三密封圈22和第四密封圈23用于密封自平衡油室21，防止自平衡油室21内的液压油沿第一柱体15和第二柱体14接触部分流出。
48.其中，第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈以及第四密封圈采用o型橡胶圈。
49.具体地实施例中，所述第一柱体15内腔为阶梯型内腔，所述阶梯型内腔包括第一内腔、第二内腔以及第三内腔；
50.所述第一内腔与第二柱体14内腔套接构成自平衡油室21；所述第二内腔与测量杆13部分结构之间形成通道，用于连通自平衡油室21和导流通道18；所述第三内腔与测量杆13端部套接，且第三内腔的内径与测量杆13端部的外径相匹配。
51.具体地，如图1、图2和图3所示，测量杆13为纺锤型测量杆，以实现测量杆与第一柱体以及第二柱体的相互配合构成自平衡液压系统；从左到右，测量杆的第一部分杆体的外径小于第二部分杆体的外径，第二部分杆体的外径大于第三部分杆体的外径；
52.其中，测量杆13的第一部分杆体是测量杆13与挡板和第二柱体14连接且贯穿自平衡油压室21的第一部分杆体，且该第一部分杆体的外径与挡板上的通孔内径相匹配一致，所述通孔用于挡板与测量杆13的第一部分杆体套接；
53.测量杆13的第二部分杆体是测量杆13与第一柱体15连接且贯穿第一柱体15的第二内腔的第二部分杆体；
54.测量杆13的第三部分杆体是测量杆13与第一柱体15连接且贯穿第一柱体15的第三内腔的第三部分杆体，第三部分杆体的外径与第一柱体15的第三内腔的内径保持一致相匹配；且第三部分杆体伸出第一柱体15的端部侧壁设有进油口11，第三部分杆体内部还设置有导流通道18，所述导流通道18分别与所述进油口11以及所述自平衡油室21连通。
55.所述第一内腔的直径大于第二内腔，所述第二内腔的直径大于第三内腔。
56.所述第一柱体15侧壁外设有排气通道19，用于将测量杆13来回移动带入的空气排出自平衡液压系统。
57.如图3所示，第二柱体14与测量杆13连接处外侧还固定有圆柱钢管27，所述测量杆
13穿过圆柱钢管27再贯穿第二柱体14伸入到自平衡油压室21中；
58.测量杆13的第一部分杆体上螺纹连接有调整螺母26；所述调整螺母26与圆柱钢管27接触，通过改变调整螺母26的位置，改变测量杆的伸入围压室的长度。
59.实施例二
60.如图1所示，本实施例提供了一种岩石试件5表面法向位移监测装置，包括位移计固定板3，所述位移计固定板3的两端分别固定有第一位移计4和第二位移计7；所述第一位移计的头部2与第一挡板1接触，所述第二位移计的头部8与第二挡板9接触；所述第一挡板1上固定有第一自平衡液压系统10，所述第二挡板9上固定有第二自平衡液压系统12。
61.第一挡板1和第二挡板9通过螺丝和测量杆13尾部的螺纹实现与自平衡液压系统连接；第一位移计4和第二位移计7用于测量剪切试样的法向位移；通过第一挡板1和第二挡板9将第一自平衡液压系统10和第二自平衡液压系统12中的测量杆13的位移分别传递给第一位移计4和第二位移计7。
62.如图2所示，具体地，所述位移计固定板3通过螺丝固定在常规三轴压力室17上，用于固定所需的位移计，所述三轴压力室17与岩石试件5之间构成围压室6。
63.所述第一自平衡液压系统10自所述三轴压力室17贯穿并伸入到所述围压室6内；所述第一自平衡液压系统10的测量杆13端部在所述围压室6内；
64.所述第二自平衡液压系统12自所述三轴压力室17贯穿并伸入到所述围压室6内；所述第二自平衡液压系统12的测量杆13端部在所述围压室6内。
65.如图3所示，具体地，如图3所示，第二柱体14与测量杆13连接处外侧还固定有圆柱钢管27，所述测量杆13穿过圆柱钢管27再贯穿第二柱体14伸入到自平衡油压室21中；
66.如图2、图3所示，测量杆13的第一部分杆体上螺纹连接有调整螺母26；所述调整螺母26与圆柱钢管27接触，通过改变调整螺母26的位置，改变测量杆13的伸入围压室6的长度。
67.所述测量杆13与密封套管6接触，所述密封套管6内套接有岩石试件5。
68.在安装岩石试件5时，为了使岩石试件5平稳放置到位，需对测量杆13进行限位，可以旋转调整螺母26，使得测量杆13向远离岩石试件5的方向移动，以防止在放置岩石试件5时对岩石试件造成一定伤害，当放置完岩石试件时，将调整螺母26旋转到远离圆柱钢管的位置即可。
69.实施例三
70.本实施例提供了一种岩石试件表面法向位移监测方法，包括：
71.将岩石试件5套接在密封套管6内进行试验，通过第一自平衡液压系统10和所述第二自平衡液压系统12相对接触岩石试件5，所述第一自平衡液压系统10和所述第二自平衡液压系统12的测量杆13直接浸润在围压室6内的液压油中，与密封套管6接触；围压室6内的液压油经过测量杆13进油口11后，通过导流通道18到达自平衡油室21，使得测量杆13处于受力平衡状态；
72.当岩石试件5法向位移发生变化时，带动所述第一自平衡液压系统10的测量杆13和所述第二自平衡液压系统12的测量杆13移动，从而分别带动第一挡板1和第二挡板9的移动，通过所述第一挡板1和第二挡板9将第一自平衡液压系统10和第二自平衡液压系统12的位移分别传递给第一位移计4和所述第二位移计7，所述第一位移计4和所述第二位移计7的
测量值就是岩石试件5法向位置的变化值。
73.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，对一种岩石裂隙试样的剪切渗流耦合试验过程中法向位移的监测进行详细论述。这里以尺寸为φ50
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100mm的两个半圆柱形花岗岩试件为例，选取纯净水作为渗流流体，然后采用本发明来研究花岗岩试件在剪切渗流耦合过程中的法向位移变化。试验测量结果如图4所示。
74.从图4可知，在初始剪切阶段，随着剪切位移的增加，剪应力出现近似直线增长，随后减速增加，在剪切位移达到0.3mm左右时，试样达到峰值强度，随后试样发生破坏；之后随着剪切位移的继续增加，剪应力保持在一定水平；而法向位移出现先减小后增大的趋势，在达到峰值之前节理面处于压密状态，当剪切位移达到0.46mm左右时，节理开始出现剪切膨胀，法向位移增加。该试验的剪切应力与法向位移的演化趋势与前人的试验结果是一致的。
75.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。