本實(shí)用新型屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種復(fù)雜條件下的試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其涉及一種在剪切過程中考慮熱力學(xué)、水力學(xué)、力學(xué)、化學(xué)(Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical:THMC)多場耦合作用的巖石節(jié)理試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

核廢料處理、天然氣及CO₂地下儲存、地?zé)崂?、深部水利和采礦工程等大型巖體工程通常修建在節(jié)理巖體中，高滲透壓力作用下地下節(jié)理巖體的多場耦合特性是關(guān)系該類地下工程安全與否的關(guān)鍵因素，也一直是巖石力學(xué)界研究的基本問題和前沿?zé)狳c(diǎn)，而考慮THMC耦合作用的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)系統(tǒng)是揭示這一科學(xué)基本問題的重要手段。

因此，科學(xué)深入的理解和認(rèn)識節(jié)理在高低溫、滲流條件下的剪切強(qiáng)度特性和變形性質(zhì)、剪切過程中的滲流規(guī)律和化學(xué)反應(yīng)，建立節(jié)理在滲流條件下的強(qiáng)度準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系和全剪切-滲流耦合本構(gòu)關(guān)系，開發(fā)研制“考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)”是十分必要的。

縱觀前人的相關(guān)研究，(1)目前開展的研究還未考慮溫度和化學(xué)反應(yīng)對剪切滲流特性的相互影響；(2)目前開展的試驗(yàn)成果大多集中于較低滲流壓力下，而較高滲流壓力下在節(jié)理剪切達(dá)到其峰值后的過程中進(jìn)行的滲流試驗(yàn)和研究還是空白；(3)常剛度條件下的剪切滲流耦合試驗(yàn)成果較少，難以真實(shí)地反應(yīng)出自然界中巖石節(jié)理真實(shí)的剪切力學(xué)特性；(4)在長期荷載作用下，巖石節(jié)理的耦合特性研究尚處于空白?？茖W(xué)儀器是進(jìn)行科學(xué)研究的基本手段，試驗(yàn)技術(shù)與科研試驗(yàn)儀器的發(fā)展，將直接推動科學(xué)研究的創(chuàng)新與發(fā)展，這是本實(shí)用新型的出發(fā)點(diǎn)。

由于試驗(yàn)條件的限制，特別是滲流密封手段存在的局限性，國內(nèi)關(guān)于巖石節(jié)理耦合試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備還比較缺乏，僅武漢巖土力學(xué)研究所，武漢大學(xué)，山東科技大學(xué)和北京職業(yè)技術(shù)學(xué)院等高校相繼進(jìn)行了研制，但已有設(shè)備的剪切盒所能承受的滲透壓力往往比較低，也未能在設(shè)備中考慮溫度和化學(xué)反應(yīng)的作用。巖石礦物在滲流場中會產(chǎn)生溶解和沉淀等化學(xué)反應(yīng)，直接影響巖石節(jié)理的表面形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)，其反應(yīng)速率又受溫度的巨大影響，所以考慮這些因素的耦合作用是今后研究的主要方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有試驗(yàn)設(shè)備的承受滲透壓力較低、未能考慮溫度和化學(xué)反應(yīng)的作用、無法實(shí)現(xiàn)THMC耦合作用下的試驗(yàn)和分析的不足，本實(shí)用新型提供一種承受滲透壓力較高、有效實(shí)現(xiàn)THMC耦合作用下的試驗(yàn)和分析的考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括主機(jī)及加載結(jié)構(gòu)、加載伺服控制系統(tǒng)、滲流剪切盒及密封裝置、高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱和滲流伺服控制系統(tǒng)，所述主機(jī)及加載結(jié)構(gòu)包括相互垂直的具有獨(dú)立加載能力的法向加載框架和水平加載框架，所述法向加載框架為用于給試件加載法向力的機(jī)構(gòu)，所述水平加載框架為用于給試件加載剪切力的機(jī)構(gòu)；所述加載伺服控制系統(tǒng)用于普通試驗(yàn)的液壓加載伺服控制系統(tǒng)和用于流變試驗(yàn)的電機(jī)伺服加載系統(tǒng)；

所述滲流剪切盒及密封裝置包括剛性剪切盒、上壓塊、下壓塊和用于在剪切過程中隨剪切位移的增大而卷曲變形的密封橡膠片，巖石試件置于剛性剪切盒內(nèi)，所述巖石試件在剪切方向兩側(cè)各放置有上壓塊和下壓塊，所述上壓塊和下壓塊之間留有用于放置所述密封橡膠片的空隙，所述密封橡膠片的上端與上壓塊連接，所述密封橡膠片的下端與下壓塊連接；所述密封橡膠片與所述巖石試件的裂隙滲流面之間形成中空儲水室，一側(cè)的中空儲水室與入水口連通，另一側(cè)的中空儲水室與出水口連通；

所述滲流伺服控制系統(tǒng)包括用于控制出水口和入水口的水壓的滲透水壓控制系統(tǒng)和用于控制出水口和入水口的流速的滲透流速控制系統(tǒng)；

所述滲流剪切盒及密封裝置位于所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，所述法向加載框架和水平加載框架的動作端穿過所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱與所述滲流剪切盒及密封裝置抵觸；所述加載伺服控制系統(tǒng)分別與所述法向加載框架和水平加載框架連接。

進(jìn)一步，所述巖石試件的裂隙的側(cè)面設(shè)有用于防止水從側(cè)向流出的側(cè)向密封組件。

再進(jìn)一步，所述側(cè)向密封組件包括剛性密封條和硅膠密封層，所述剛性密封條上下對稱布置，所述剛性密封條一邊抵觸在所述巖石試件上，所述剛性密封條的內(nèi)部布置所述硅膠密封層，所述剛性密封條的另一邊與活動壓頭頂觸，所述活動壓頭與框架螺紋連接。

更進(jìn)一步，所述試驗(yàn)系統(tǒng)還包括用于對節(jié)理剪切滲流過程中產(chǎn)生的溶液以及隨滲流流出的巖石顆粒進(jìn)行定時(shí)定量的收集的溶液自動收集系統(tǒng)，所述出水口與所述溶液自動收集系統(tǒng)的入口連通。

所述溶液自動收集系統(tǒng)包括電子控制的閥門和轉(zhuǎn)動式溶液收集裝置，所述轉(zhuǎn)動時(shí)溶液收集裝置包括試管、轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)軸和溶液收集箱；三通進(jìn)水管的第一端與所述出水口連通，所述三通進(jìn)水管的三個(gè)方向均安裝所述閥門，所述三通進(jìn)水管的第二端、第三端均位于所述溶液收集箱內(nèi)，所述溶液收集箱內(nèi)可轉(zhuǎn)動地安裝轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)臺，所述轉(zhuǎn)臺上一圈等間隔設(shè)置試管孔，試管放置在所述試管孔內(nèi)，所述三通進(jìn)水管的第三端位于所述試管的正上方。

所述法向加載框架包括法向加載油缸、主機(jī)框架、法向力傳感器、法向磁致位移傳感器、球形萬向壓頭和法向加載墊板，所述主機(jī)框架有四個(gè)框架柱對稱固定在試驗(yàn)臺上，框架柱之間由橫梁連接，所述法向加載油缸固定在橫梁上；在法向加載油缸的活塞桿上安裝用于對法向加載油缸活塞桿位移進(jìn)行測量進(jìn)而對其進(jìn)行伺服控制的法向磁致位移傳感器，法向力傳感器連接在活塞桿外露端頭，球形萬向壓頭與法向力傳感器直接連接，球形萬向壓頭與法向加載墊板連接，所述法向加載墊板抵觸在所述滲流剪切盒及密封裝置的頂面；

所述水平加載框架包括水平支架、水平加載油缸、水平力傳感器、水平磁致位移傳感器、剪切壓頭和切向加載墊板，水平加載油缸安裝在水平加載框架端部橫梁內(nèi)，用于對加載油缸活塞桿位移進(jìn)行測量進(jìn)而對其進(jìn)行控制的水平磁致位移傳感器安裝在水平加載油缸的活塞桿上，水平力傳感器一端連接在活塞桿外露端頭，所述水平力傳感器另一端連接切向加載墊板連接，所述切向加載墊板抵觸在在所述滲流剪切盒及密封裝置的側(cè)面。

所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱包括環(huán)境箱體和輔助設(shè)備箱，所述環(huán)境箱體內(nèi)置剛性剪切盒，上剛性剪切盒左右兩側(cè)分別有抵塊且裝有豎向滾珠；下剛性剪切盒與箱體內(nèi)側(cè)底部通過水平滾珠連接；所述輔助設(shè)備箱置于試驗(yàn)臺下，所述輔助設(shè)備箱包括水箱、壓縮機(jī)、儲液器、冷凝器和排水口。

所述滲透水壓控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、減速箱、滾珠絲桿、儲水壓力室、液壓傳感器和水箱，整個(gè)滲流伺服控制系統(tǒng)按入水口的液壓傳感器的信號控制或按入水口、出水口間的壓力差來進(jìn)行控制；所述伺服電機(jī)的輸出軸連接減速箱的輸入軸，所述減速箱的輸出軸與滾珠絲桿連接，所述滾珠絲杠與調(diào)壓活塞聯(lián)動，儲水壓力室上連接所述調(diào)壓活塞，所述儲水壓力室的入水口與水箱連通，出水口與中空儲水室連通；在左、右上壓塊管道安裝液壓傳感器測得，在入水口、出水口安裝流速傳感器；

所述滲透流速控制系統(tǒng)包括柱塞泵，所述柱塞泵的入水口與水箱連通，出水口與中空儲水室連通。

本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)試件置于高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，可在-100℃～+200℃的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，真實(shí)的反映實(shí)際工程中巖石的溫度場；

2)水平加載框架可移動，便于安裝巖石試件，安裝完成后可推入主機(jī)框架中；

3)剪切盒在剪切方向由可隨剪切位移變形的密封橡膠片密封，側(cè)向由伺服控制的油壓密封，保證了在多場耦合作用下的良好密封性，最高滲透水壓可以達(dá)到3MPa。

4)溶液采集裝置可自動收集各時(shí)段流出節(jié)理的溶液，由電腦控制，無需人工操作，便于后續(xù)對溶液的化學(xué)成分進(jìn)行精確分析。

5)采用液壓伺服與電機(jī)伺服雙加載控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種邊界條件下的加載，使用電機(jī)伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長期加載試驗(yàn)。

附圖說明

圖1為考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)的主視圖；

圖2為考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖3為高低溫環(huán)境箱體剖面示意圖；

圖4為溶液采集裝置剖面圖；

圖5為溶液采集裝置轉(zhuǎn)臺俯視圖；

其中，附圖標(biāo)記如下：1-主機(jī)框架；2-法向加載框架；3-水平加載框架；4-環(huán)境箱體；5-環(huán)境箱輔助設(shè)備箱；6-試驗(yàn)臺；7-剪切盒；8a-法向活塞桿；8b-水平活塞桿；9a-法向加載墊板；9b-切向加載墊板；10-密封圈；11-隔熱保溫層；12a-左側(cè)抵塊；12b-右側(cè)抵塊；13a-左側(cè)滾珠；13b-右側(cè)滾珠；14-底部滾珠；15-滑輪；16-溶液采集裝置；16a-試管；16b-轉(zhuǎn)臺；16c-轉(zhuǎn)軸；16d-溶液收集箱；16e-閥門；17-豎向LVDT；18-橫向LVDT；19a-左上壓塊；19b-右上壓塊；19c-左下壓塊；19d-右下壓塊；20a-左上壓塊管道；20b-右上壓塊管道；21a-左密封橡膠片；21b-右密封橡膠片；22a-左中空儲水室；22b-右中空儲水室。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖5，一種考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括主機(jī)及加載結(jié)構(gòu)、加載伺服控制系統(tǒng)、滲流剪切盒及密封裝置、高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱和滲流伺服控制系統(tǒng)，所述主機(jī)及加載結(jié)構(gòu)包括相互垂直的具有獨(dú)立加載能力的法向加載框架2和水平加載框架3，所述法向加載框架為用于給試件加載法向力的機(jī)構(gòu)，所述水平加載框架為用于給試件加載剪切力的機(jī)構(gòu)；所述加載伺服控制系統(tǒng)用于普通試驗(yàn)的液壓加載伺服控制系統(tǒng)和用于流變試驗(yàn)的電機(jī)伺服加載系統(tǒng)；

所述滲流剪切盒及密封裝置包括剛性剪切盒7、上壓塊19a、19b、下壓塊19c、19d和用于在剪切過程中隨剪切位移的增大而卷曲變形的密封橡膠片21a、21b，巖石試件置于剛性剪切盒7內(nèi)，所述巖石試件在剪切方向兩側(cè)各放置有上壓塊和下壓塊，所述上壓塊和下壓塊之間留有用于放置所述密封橡膠片的空隙，所述密封橡膠片的上端與上壓塊連接，所述密封橡膠片的下端與下壓塊連接；所述密封橡膠片與所述巖石試件的裂隙滲流面之間形成中空儲水室22a、22b，一側(cè)的中空儲水室與入水口連通，另一側(cè)的中空儲水室與出水口連通；

所述滲流伺服控制系統(tǒng)包括用于控制出水口和入水口的水壓的滲透水壓控制系統(tǒng)和用于控制出水口和入水口的流速的滲透流速控制系統(tǒng)；

所述滲流剪切盒及密封裝置位于所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，所述法向加載框架和水平加載框架的動作端穿過所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱與所述滲流剪切盒及密封裝置抵觸；所述加載伺服控制系統(tǒng)分別與所述法向加載框架和水平加載框架連接。

進(jìn)一步，所述巖石試件的裂隙的側(cè)面設(shè)有用于防止水從側(cè)向流出的側(cè)向密封組件。

再進(jìn)一步，所述側(cè)向密封組件包括剛性密封條和硅膠密封層，所述剛性密封條上下對稱布置，所述剛性密封條一邊抵觸在所述巖石試件上，所述剛性密封條的內(nèi)部布置所述硅膠密封層，所述剛性密封條的另一邊與活動壓頭頂觸，所述活動壓頭與框架螺紋連接。

更進(jìn)一步，所述試驗(yàn)系統(tǒng)還包括用于對節(jié)理剪切滲流過程中產(chǎn)生的溶液以及隨滲流流出的巖石顆粒進(jìn)行定時(shí)定量的收集的溶液自動收集系統(tǒng)，所述出水口與所述溶液自動收集系統(tǒng)的入口連通。

所述溶液自動收集系統(tǒng)包括電子控制的閥門16e和轉(zhuǎn)動式溶液收集裝置，所述轉(zhuǎn)動時(shí)溶液收集裝置包括試管16a、轉(zhuǎn)臺16b、轉(zhuǎn)軸16c和溶液收集箱16d；三通進(jìn)水管的第一端與所述出水口連通，所述三通進(jìn)水管的三個(gè)方向均安裝所述閥門，所述三通進(jìn)水管的第二端、第三端均位于所述溶液收集箱內(nèi)，所述溶液收集箱內(nèi)可轉(zhuǎn)動地安裝轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)臺，所述轉(zhuǎn)臺上一圈等間隔設(shè)置試管孔，試管放置在所述試管孔內(nèi)，所述三通進(jìn)水管的第三端位于所述試管的正上方。

所述法向加載框架包括法向加載油缸、主機(jī)框架1、法向力傳感器、法向磁致位移傳感器、球形萬向壓頭和法向加載墊板9a，所述主機(jī)框架1有四個(gè)框架柱對稱固定在試驗(yàn)臺6上，框架柱之間由橫梁連接，所述法向加載油缸固定在橫梁上；在法向加載油缸的活塞桿上安裝用于對法向加載油缸活塞桿位移進(jìn)行測量進(jìn)而對其進(jìn)行伺服控制的法向磁致位移傳感器，法向力傳感器連接在法向活塞桿8a外露端頭，球形萬向壓頭與法向力傳感器直接連接，球形萬向壓頭與法向加載墊板9a連接，所述法向加載墊板抵觸在所述滲流剪切盒及密封裝置的頂面；

所述水平加載框架包括水平支架、水平加載油缸、水平力傳感器、水平磁致位移傳感器、剪切壓頭和切向加載墊板9b，水平加載油缸安裝在水平加載框架端部橫梁內(nèi)，用于對加載油缸活塞桿位移進(jìn)行測量進(jìn)而對其進(jìn)行控制的水平磁致位移傳感器安裝在水平加載油缸的活塞桿上，水平力傳感器一端連接在水平活塞桿8b外露端頭，所述水平力傳感器另一端連接剪切向加載墊板9b連接，所述切向加載墊板9b抵觸在在所述滲流剪切盒及密封裝置的側(cè)面。

所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱包括環(huán)境箱體和輔助設(shè)備箱，所述環(huán)境箱體內(nèi)置剛性剪切盒，上剛性剪切盒左右兩側(cè)分別有抵塊且裝有豎向滾珠；下剛性剪切盒與箱體內(nèi)側(cè)底部通過水平滾珠連接；所述輔助設(shè)備箱置于試驗(yàn)臺下，所述輔助設(shè)備箱包括水箱、壓縮機(jī)、儲液器、冷凝器和排水口。

所述滲透水壓控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、減速箱、滾珠絲桿、儲水壓力室、液壓傳感器和水箱，整個(gè)滲流伺服控制系統(tǒng)按入水口的液壓傳感器的信號控制或按入水口、出水口間的壓力差來進(jìn)行控制；所述伺服電機(jī)的輸出軸連接減速箱的輸入軸，所述減速箱的輸出軸與滾珠絲桿連接，所述滾珠絲杠與調(diào)壓活塞聯(lián)動，儲水壓力室上連接所述調(diào)壓活塞，所述儲水壓力室的入水口與水箱連通，出水口與中空儲水室連通；在左、右上壓塊管道安裝液壓傳感器測得，在入水口、出水口安裝流速傳感器；

所述滲透流速控制系統(tǒng)包括柱塞泵，所述柱塞泵的入水口與水箱連通，出水口與中空儲水室連通。

下面為具體實(shí)施時(shí)的配置和連接例。

參見附圖1和圖2，一種考慮巖石節(jié)理剪切過程中THMC耦合作用的試驗(yàn)系統(tǒng)包括：主機(jī)及加載結(jié)構(gòu)、加載伺服控制系統(tǒng)、滲流剪切盒及密封裝置、高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱、滲流伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)以及溶液自動收集系統(tǒng)。

所述主機(jī)加載系統(tǒng)主要由相互垂直的具有獨(dú)立加載能力的法向加載框架2和水平向加載框架3組成，框架采用高標(biāo)號球墨鑄鐵整體澆筑而成，框架剛度為6GN/m。所述法向加載框架主要包括法向加載油缸、主機(jī)框架、力傳感器、磁致位移傳感器、球形萬向壓頭、法向加載墊板等。所述主機(jī)框架1有四個(gè)框架柱對稱固定在試驗(yàn)臺6上，框架柱之間由橫梁連接，所述法向加載油缸為雙作用單桿活塞液壓缸，固定在法向加載框架橫梁上。在法向加載油缸的活塞桿上安裝磁致位移傳感器，用于對法向加載油缸活塞桿位移進(jìn)行測量進(jìn)而對其進(jìn)行伺服控制。力傳感器連接在活塞桿8a外露端頭，球形萬向壓頭與力傳感器直接連接球形萬向壓頭通過法向加載墊板9a向試件傳遞法向荷載，法向加載墊板是為了使法向荷載能夠比較均勻地傳遞到試件上，防止偏壓的發(fā)生。所述水平加載框架采用浮動式加載框架，可左右移動，在安裝試件時(shí)水平加載框架處于圖1左側(cè)，便于安裝，安裝完畢后推入右側(cè)主機(jī)框架內(nèi)；所述水平加載框架主要包括水平支架、水平加載油缸、力傳感器、磁致位移傳感器、剪切壓頭、剪切向加載墊板、減摩直線導(dǎo)軌等；水平加載油缸安裝在水平加載框架端部橫梁內(nèi)，磁致位移傳感器安裝在水平加載油缸的活塞桿8b上，用于對加載油缸活塞桿位移進(jìn)行測量進(jìn)而對其進(jìn)行控制。力傳感器一端連接在活塞桿外露端頭，另一端連接剪切壓頭9b。

所述加載伺服控制系統(tǒng)包括用于普通試驗(yàn)的液壓加載伺服控制系統(tǒng)和用于流變試驗(yàn)的電機(jī)伺服加載控制系統(tǒng)。所述用于普通試驗(yàn)的液壓加載伺服控制系統(tǒng)，主要由液壓油源、液壓泵、伺服閥、伺服控制器和傳感器等組成；在普通試驗(yàn)過程中，伺服加載主要由液壓油源提供動力，再由伺服控制器接收傳感器信號與控制信號對比進(jìn)而向伺服閥發(fā)出相應(yīng)控制信號來調(diào)節(jié)油缸進(jìn)油量以實(shí)現(xiàn)伺服控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)過程中人可以在電腦前控制試驗(yàn)過程。所述用于流變(長期加載)試驗(yàn)的電機(jī)伺服加載控制系統(tǒng)，主要由伺服電機(jī)、減速機(jī)、同步齒形帶、滾珠絲桿、儲油缸、伺服控制器、傳感器等組成；在流變試驗(yàn)過程中，由伺服電機(jī)帶動減速器通過同步齒形帶驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動儲油缸內(nèi)活塞往復(fù)運(yùn)動，活塞在正向運(yùn)動時(shí)對儲油缸內(nèi)的液壓油施加壓力，油壓通過高壓管路進(jìn)而傳遞到加載油缸，為流變試驗(yàn)提供動力，例如，可在剪切位移為5mm時(shí)在100h內(nèi)保持剪切應(yīng)力不變，然后再重新開始剪切；所述伺服控制系統(tǒng)通過在Windows平臺下采用C++語言編寫的控制軟件來控制，軟件界面友好、功能強(qiáng)大、便于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)常法向荷載、常法向位移、常法向剛度三種邊界條件下巖石節(jié)理全過程耦合試驗(yàn)。

所述滲流剪切盒及密封裝置，包括剛性剪切盒7、左上壓塊19a、右上壓塊19b、左下壓塊19c、右下壓塊19d、左密封橡膠片21a、右密封橡膠片21b和側(cè)向密封組件等。尺寸為20cm×10cm×10cm的立方體巖石節(jié)理試件置于剛性剪切盒7內(nèi)，試件在剪切方向兩側(cè)各放置有上壓塊和下壓塊，上壓塊和下壓塊之間留有一定空隙，用于放置密封橡膠片；所述密封橡膠片可在剪切過程中隨剪切位移的增大而卷曲變形，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的水封效果；所述密封橡膠片和上下壓塊形成左中空儲水室22a、右中空儲水室22b，通過中空儲水室將水壓均勻作用在節(jié)理滲流面上，避免將水壓集中于一點(diǎn)，更接近于自然界和工程中節(jié)理內(nèi)滲流的真實(shí)形態(tài)，最高滲透水壓可達(dá)到3MPa；所述上壓塊設(shè)有左上壓塊管道20a、右上壓塊管道20b，所述上壓塊管道與中空儲水室連通，兩側(cè)的上壓塊管道與液壓傳感器連接，可精確的測量節(jié)理實(shí)際入水口和出水口之間的水壓差，而非外部導(dǎo)管之間的水壓差；節(jié)理側(cè)面設(shè)置有側(cè)向密封組件，利用伺服控制的油壓使密封層緊密貼合在節(jié)理處，并控制油壓大于滲透水壓，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向密封。

參見附圖3，高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱可用于金屬、非金屬、復(fù)合材料等試件及構(gòu)件在-100℃～+200℃溫度環(huán)境內(nèi)的力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 10592-2008《高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件》。所述高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱主要由環(huán)境箱體4及其輔助設(shè)備箱5組成。環(huán)境箱體內(nèi)置剪切盒7，上剪切盒左右兩側(cè)分別有左抵塊12a、右抵塊12b，且裝有左豎向滾珠13a、右豎向滾珠13b，保證法向加載時(shí)試件僅可上下移動；下剪切盒與箱體內(nèi)側(cè)底部通過滾珠14連接，保證剪切加載時(shí)下剪切盒僅可左右滑動，箱體外側(cè)底部裝有滑輪15，可推出水平加載框架；箱體內(nèi)腔及外壁均采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，內(nèi)腔、外壁間填充多層復(fù)合保溫材料，形成隔熱保溫層11，箱壁上入水口、出水口、左右管道以及加載壓頭處開孔，孔周圍有密封圈10密封，保證開孔處的密封性；加熱元件采用螺旋狀鐵鉻鋁電阻絲；測溫元件為PT100熱電阻；制冷系統(tǒng)采用壓縮機(jī)制冷；溫度控制系統(tǒng)由測溫元件(熱電偶)、中央運(yùn)算單元，溫度檢測儀表，及計(jì)算機(jī)操作人機(jī)交互界面等組成；另外還設(shè)置有漏電保護(hù)、過電流保護(hù)、快速熔斷器；所述環(huán)境箱體連接有輔助設(shè)備箱5置于試驗(yàn)臺下，所述輔助設(shè)備包括水箱、壓縮機(jī)、儲液器、冷凝器、排水口等。

所述滲流伺服控制系統(tǒng)包括滲透水壓控制系統(tǒng)和滲透流速控制系統(tǒng)，出、入水口的水壓和流速通過系統(tǒng)分別控制。滲透水壓控制系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、減速箱、滾珠絲桿、儲水壓力室、液壓傳感器、行程開關(guān)和水箱組成，整個(gè)滲流伺服控制系統(tǒng)可以按進(jìn)水口的液壓傳感器的信號(常水壓)控制或按進(jìn)、出水口間的壓力差(常滲透壓差)來進(jìn)行控制；在增壓過程中，滾珠絲杠推進(jìn)調(diào)壓活塞向正向運(yùn)動對儲水壓力室施加壓力，儲水壓力室的水通過上下壓塊形成的中空儲水室22a進(jìn)入巖石節(jié)理面，之后從另一側(cè)的中空儲水室22b流出，經(jīng)過巖石節(jié)理前后的滲流水壓力用連接在左右上壓塊管道20a、20b上的液壓傳感器測得，流速通過出入口的流速傳感器測得；根據(jù)所采集的信號由伺服控制器控制伺服電機(jī)，從而調(diào)節(jié)儲水壓力室中的水壓力保持恒定。滲透流速控制系統(tǒng)主要由柱塞泵實(shí)現(xiàn)，并共享上述滲透水壓控制系統(tǒng)的水箱、液壓傳感器等組件，用于控制加在進(jìn)水口上的流速；兩套系統(tǒng)配合使用以實(shí)現(xiàn)在微小流量時(shí)用測量滲透壓差的瞬態(tài)法，在流量處于可測范圍時(shí)用測流量的穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行滲流控制。

所述數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)包括用于監(jiān)測位移、荷載、油壓、水壓、流速、溫度、濕度的傳感器，各傳感器的數(shù)據(jù)連入電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，2個(gè)磁致位移傳感器分別用于監(jiān)測法向加載油缸和剪切加載油缸內(nèi)活塞桿的位移，5個(gè)直線位移傳感器(LVDT)分別用于監(jiān)測試件的法向和剪切位移，2個(gè)力傳感器分別用于監(jiān)測法向力和剪切力；4個(gè)油壓傳感器分別用于監(jiān)測法向和剪切加載油缸以及側(cè)向密封組件內(nèi)的油壓；2個(gè)液壓傳感器分別用于監(jiān)測出、入水口的水壓；2個(gè)流速傳感器分別用于監(jiān)測出、入水口的流速；6個(gè)溫度傳感器分別用于監(jiān)測試件四周的溫度；1個(gè)濕度傳感器用于監(jiān)測高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)的濕度。其中用于伺服控制的位移和荷載的采集監(jiān)測主要由控制器、加載油缸的活塞桿內(nèi)部磁致位移傳感器、直線位移傳感器、活塞桿外的力傳感器、微型計(jì)算機(jī)及支持軟件來實(shí)現(xiàn)；節(jié)理面的法向和剪切位移用安裝于剪切盒上的直線位移傳感器(LVDT)來測量，法向17(4支)和剪切18(1支)位移傳感器均采用精度高、抗干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好的差動變壓器式位移傳感器(無溫漂、時(shí)漂)。剪切盒出、入口處接有0～10L/min ALICAT L-Series質(zhì)量流量計(jì)，其具有精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可對剪切過程中滲流量進(jìn)行精確測量。

參見附圖4-5，在出水口處設(shè)置有溶液自動收集系統(tǒng)16，所述溶液自動收集系統(tǒng)包括試管16a、轉(zhuǎn)臺16b、轉(zhuǎn)軸16c、溶液收集箱16d、閥門16e、電子控制器。所述閥門由電子控制開閉，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間將設(shè)定量的溶液注入試管；所述試管共12支置于轉(zhuǎn)臺中，可通過中間轉(zhuǎn)軸16c轉(zhuǎn)動，由電子控制一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動一定角度，例如12小時(shí)內(nèi)每小時(shí)轉(zhuǎn)動30度，從而根據(jù)需要對節(jié)理剪切滲流過程中產(chǎn)生的溶液以及隨滲流流出的巖石顆粒進(jìn)行定時(shí)定量的收集，以便對收集的溶液進(jìn)行化學(xué)成分分析。