完整巖塊輻射流剪切盒中含壓流體密封方法研究*

馬利遙 胡 斌 李 京 魏二劍 丁 靜 劉 霽

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 湖北武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室 湖北武漢 430081)

巖質(zhì)露天礦山邊坡內(nèi)部的軟弱夾層在壓剪荷載與流體入滲共同作用下，其力學(xué)強(qiáng)度和抗變形性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生明顯的弱化，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生[1-2]。室內(nèi)剪切滲流試驗(yàn)結(jié)果可為探索軟弱夾層力學(xué)強(qiáng)度與變形性質(zhì)弱化規(guī)律提供重要的參考，而試驗(yàn)結(jié)果的可靠性與試驗(yàn)設(shè)備的性能密不可分。巖樣剪切過(guò)程中流體密封性能的提升是試驗(yàn)設(shè)備研制與應(yīng)用中最為核心的問(wèn)題之一。

目前，用于剪切滲流試驗(yàn)的巖塊從形貌特征上主要可分類兩類：(1)節(jié)理面試樣；(2)完整巖塊試樣。在節(jié)理面試樣剪切滲流試驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)巖樣沿剪切方向兩側(cè)進(jìn)行密封，或者在上、下剪切盒之間采用密封構(gòu)件將巖樣節(jié)理面四周全部密封。采用這種方式進(jìn)行流體密封的主要設(shè)備有夏才初等[3]研發(fā)的“多功能巖石節(jié)理全剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)”，其密封方式是在剪切盒內(nèi)部沿節(jié)理面剪切方向兩側(cè)由內(nèi)而外分別設(shè)置橡膠塊和密封膠囊，試驗(yàn)時(shí)向密封膠囊內(nèi)部加壓使其擠壓橡膠塊，并與巖樣側(cè)面充分接觸進(jìn)而達(dá)到高壓水的密封效果。王剛等人[4]在上、下剪切盒之間分別設(shè)置了上、下中空的聚氨酯橡膠密封圈，試驗(yàn)時(shí)將液體塑料注入密封圈內(nèi)，密封圈膨脹后會(huì)與巖樣、剪切盒充分緊密接觸從而達(dá)到流體密封的效果。RONG等[5]在巖樣前后兩端設(shè)置了封水條，并在兩側(cè)設(shè)置了內(nèi)部充注有液壓油的聚氨酯封水囊，試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)囊內(nèi)油壓促使封水囊與巖樣節(jié)理兩側(cè)緊密貼合密封。LEE和CHO[6]自主設(shè)計(jì)了一種滲流剪切盒，試驗(yàn)時(shí)將試樣放入剪切盒內(nèi)部后灌入砂漿進(jìn)行密實(shí)、固定；試驗(yàn)過(guò)程中，水流從剪切盒一側(cè)進(jìn)水孔注入，沿節(jié)理面剪切方向從另一側(cè)設(shè)置的出水孔流出；剪切盒兩側(cè)安裝有特殊的彈性橡膠，防止剪切過(guò)程中產(chǎn)生流體泄漏，可實(shí)現(xiàn)最高0.49 MPa水壓的注入。JIANG等[7]研發(fā)了巖石節(jié)理單一剪切-滲流試驗(yàn)機(jī)，滲流過(guò)程中通過(guò)在試樣兩側(cè)沿剪切方向設(shè)置柔性凝膠片來(lái)進(jìn)行水的密封。由于這種密封方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，對(duì)于注入水壓力要求不高的工況可采用該密封方式。YEO等[8]對(duì)剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的滲流剪切盒進(jìn)行了改造，剪切盒四周設(shè)置有4個(gè)排水口，上、下剪切盒之間設(shè)有橡膠箍帶和橡膠墊圈進(jìn)行滲出水的密封，同時(shí)采取涂抹油脂的方式減小橡膠材料在剪切過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力。陳衛(wèi)忠等[9]研制的巖石節(jié)理面應(yīng)力-滲流耦合剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)，采用含氟橡膠套完全包裹試樣的方式進(jìn)行高壓水的密封，膠套兩端與加載壓頭的表面緊密貼合，流體密封壓力最大可達(dá)5 MPa。上述流體密封方式的設(shè)計(jì)是針對(duì)節(jié)理面單向流而言的，即高壓流體沿剪切方向從節(jié)理面一端流入，從另一端流出?？梢钥闯?，目前剪切盒內(nèi)部單向流的密封方式已經(jīng)趨于成熟，并且密封性能可以通過(guò)調(diào)節(jié)中空密封部件內(nèi)部液體的壓力進(jìn)行控制。采用單向流的滲流方式是因?yàn)檫吰卢F(xiàn)場(chǎng)巖體裂隙的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于完整巖塊，邊坡巖體的剪切滲流特性主要由內(nèi)部裂隙發(fā)育條件確定。

對(duì)于露天礦山巖質(zhì)邊坡內(nèi)部的軟弱夾層而言，一般將其整體視為控制邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面而采用完整巖塊試樣研究剪切滲流特性。剪切滲流試驗(yàn)過(guò)程中完整巖塊試樣流體注入方式與節(jié)理面單向流不同，主要是從巖樣上端面開設(shè)的注水孔中注入流體，流體從注入點(diǎn)向空間鄰域輻射滲流。這種流體滲流方式主要是針對(duì)諸如軟弱夾層這類滲流特性較好且力學(xué)強(qiáng)度較低的軟巖而開展的，試驗(yàn)過(guò)程中主要的密封部位是流體注入部件與巖樣接觸的區(qū)域。許江等人[10]為了探究煤巖完整巖塊的剪切滲流特性而研制出的剪切滲流試驗(yàn)裝置即采用的是輻射流的滲流方式，流體密封方式是在剛性流體注入部件與巖樣注水孔內(nèi)部接觸部分設(shè)置密封圈以及涂抹膠水進(jìn)行黏合密封，最高可實(shí)現(xiàn)5 MPa水壓力的密封?；谶@種密封部件和密封方式的流體密封效果與膠水性能、涂抹技巧以及接觸面的平整度等密切相關(guān)，提升密封效果的可靠性與降低人為操作的差異性是改進(jìn)輻射滲流密封方式的關(guān)鍵問(wèn)題。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)完整軟巖巖塊在剪切過(guò)程中輻射滲流的密封方法研究成果還較少，相應(yīng)密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其密封性能的研究較為缺乏，這嚴(yán)重制約了基于輻射流方式的完整軟巖巖塊剪切滲流特性的研究與探索。

因此，為了提升巖塊試樣剪切過(guò)程中輻射滲流的密封效果，降低人為操作差異性對(duì)密封效果的影響，本文作者基于自主研發(fā)的新型巖石剪切滲流試驗(yàn)裝置進(jìn)行了輻射滲流密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、數(shù)值試驗(yàn)及物理試驗(yàn)效果對(duì)比分析。文中首先創(chuàng)新性地提出3種可行的密封裝置設(shè)計(jì)方案，然后采用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)不同密封裝置的工作狀態(tài)和密封性能進(jìn)行對(duì)比分析，最后參照分析結(jié)果對(duì)加工成型的密封裝置進(jìn)行流體密封效果的驗(yàn)證。軟巖輻射滲流密封方法的研究可為突破目前剪切滲流試驗(yàn)設(shè)備僅能實(shí)現(xiàn)5 MPa水壓力密封的極限以及優(yōu)化剪切盒密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考和研發(fā)借鑒。

1 輻射流剪切盒密封裝置設(shè)計(jì)方案

1.1 密封裝置原理

目前，完整巖塊剪切-輻射滲流試驗(yàn)設(shè)備的密封原理示意如圖1所示，密封方法主要是采用液體密封膠將注水接頭與巖樣注水孔內(nèi)壁黏合，在注水接頭上安裝密封件并與法向加載墊塊之間進(jìn)行隼接?；谶@種密封方式下的流體泄漏通常產(chǎn)生于未涂抹密封膠或密封膠涂抹失效的部位。節(jié)理面剪切滲流試驗(yàn)設(shè)備的密封原理示意如圖2所示，其密封方法主要是對(duì)巖樣兩側(cè)的密封件施加擠壓力或膨脹力使其與節(jié)理面緊密接觸，這種密封方式下的流體泄漏主要源于密封件與節(jié)理面之間的接觸空隙。

圖1 完整巖塊輻射流密封示意Fig.1 Schematic of radiation flow sealing of complete rock block

圖2 節(jié)理面單向流密封示意Fig.2 Schematic of one-way flow seal on joint surface

基于巖石節(jié)理面和完整巖塊滲流剪切盒密封裝置的設(shè)計(jì)原理和密封方法，針對(duì)完全自主研發(fā)的軟巖剪切滲流試驗(yàn)系統(tǒng)剪切盒進(jìn)行輻射流密封裝置的方案設(shè)計(jì)，輻射滲流剪切盒結(jié)構(gòu)如圖3所示[11-12]。剪切盒內(nèi)部流體通道與完整巖塊接觸部分的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其他剪切盒流體注入結(jié)構(gòu)與該結(jié)構(gòu)的主要不同點(diǎn)僅在于流體通道大小、數(shù)量等的不同，基于輻射滲流的流體注入方式基本相似，均是在巖樣上開設(shè)注水孔，然后通過(guò)流體通道和試件接頭將流體注入巖樣內(nèi)部。因此，需要進(jìn)行流體密封的主要部分即是可活動(dòng)安裝的試件接頭與流體通道的接觸面以及試件接頭與注水孔內(nèi)壁的接觸面。良好的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備以下3個(gè)主要的約束條件：(1)能夠保證一定壓力的流體僅從注水孔內(nèi)通過(guò)巖樣向外滲出，而不會(huì)從其他區(qū)域產(chǎn)生質(zhì)量不可忽略的流體泄漏；(2)密封件的使用不會(huì)在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中、干擾剪切面發(fā)育行為等不利影響；(3)密封件的安裝操作應(yīng)當(dāng)便捷且效果可靠，不同操作人員獲得的密封效果差異性不明顯。

圖3 輻射滲流剪切盒結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of the structure of radiation seepage shear box

圖4 剪切盒內(nèi)部流體通道示意Fig.4 Schematic of the fluid channel inside the shear box

考慮到以上剪切盒密封件設(shè)計(jì)的3個(gè)主要約束條件并結(jié)合自主研發(fā)的巖石剪切滲流裝置，基于流體密封原理提出以下3個(gè)可行的密封裝置設(shè)計(jì)方案：(1)密封圈橫向預(yù)壓縮密封；(2)硅膠墊法向壓縮密封；(3)密封圈法向預(yù)壓縮密封。

1.2 密封裝置設(shè)計(jì)方案一

方案一為密封圈橫向預(yù)壓縮密封，密封裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用Q235鋼材制作的剛性試件接頭和丁腈橡膠密封圈裝配組合為剛性密封件，然后將密封件含密封圈的一端插入流體通道內(nèi)，另一端插入巖樣的注水孔內(nèi)部。剛性試件接頭粗端部開設(shè)有一道環(huán)型凹槽用于密封圈的安裝，密封圈的直徑大于凹槽的深度。試驗(yàn)之前，首先清理巖樣注水孔內(nèi)壁，然后在剛性試件接頭下部外側(cè)和注水孔內(nèi)壁分別均勻涂抹高強(qiáng)度密封膠，最后將試件接頭插入注水孔內(nèi)部并靜置6～12 h直至兩者充分黏合。密封膠的黏合作用可防止流體從巖樣與試件接頭之間外滲泄漏。試驗(yàn)時(shí)，將與巖樣黏合為一體的剛性密封件粗端部插入法向加載壓頭內(nèi)部的流體通道中，密封圈在剛性試件接頭凹槽和法向加載墊塊內(nèi)部的流體通道內(nèi)壁共同擠壓作用下產(chǎn)生橫向彈性壓縮變形，進(jìn)而封堵流體通道與試件接頭之間的空隙，防止流體經(jīng)流體通道注入巖樣時(shí)產(chǎn)生泄漏。許江等人[10]研制的煤巖剪切滲流試驗(yàn)系統(tǒng)的輻射流密封裝置結(jié)構(gòu)與此類似。

圖5 密封圈橫向預(yù)壓縮密封裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of the structure of the transverse pre-compression sealing device of the sealing ring

這種密封裝置的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)的流體密封壓力較為穩(wěn)定。同時(shí)，密封件加工成本較低，密封件為一次性使用。密封圈不與巖樣接觸，密封性能不會(huì)因試驗(yàn)過(guò)程中加載力的大小而變化。然而，這種密封方式也具有明顯的缺陷，主要是因?yàn)樵嚰宇^為剛性材料制作，安裝時(shí)需要確保密封件粗端部需能夠恰好完全插入流體通道內(nèi)部。

此外，由于試驗(yàn)中法向加載墊塊與巖樣上表面為固體表面的直接接觸，因此需對(duì)巖樣上表面的平行度和平整度進(jìn)行控制。經(jīng)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，巖樣上接觸面加工誤差應(yīng)控制在0.02 mm以內(nèi)，否則會(huì)造成法向加載應(yīng)力分布不均而在巖樣上表面產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的情況，導(dǎo)致巖樣產(chǎn)生豎向裂隙和局部破壞。如圖6所示，當(dāng)制作的混凝土試樣上表面不平整時(shí)，在1 MPa法向壓力作用下，由于局部應(yīng)力集中巖樣側(cè)壁產(chǎn)生了豎向裂隙，這些裂隙可為注入巖樣的流體提供泄漏通道。

圖6 1 MPa法向力時(shí)上表面不平整混凝土巖樣裂隙發(fā)育狀態(tài)Fig.6 Development state of cracks in concrete rock samples with uneven upper surface under 1 MPa normal pressure

1.3 密封裝置設(shè)計(jì)方案二

硅膠墊法向壓縮密封是采用在模具內(nèi)一體澆注成型的硅酸凝膠密封墊作為試件接頭和密封件進(jìn)行流體密封，密封方式如圖7所示。試驗(yàn)之前，需充分清理巖樣注水孔內(nèi)壁和上表面，然后在注水孔內(nèi)壁和巖樣上表面均勻涂抹高強(qiáng)度密封膠并將硅膠密封墊下部插入巖樣注水孔，最后壓實(shí)密封墊與巖樣上表面并擠壓排出密封墊與巖樣上表面之間的空氣團(tuán)，靜置6～12 h待兩者充分黏合后方可用于剪切滲流試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將硅膠密封墊上端部插入法向加載墊塊流體通道內(nèi)部，通過(guò)法向加載墊塊傳遞法向荷載至硅膠密封墊，硅膠密封墊在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形進(jìn)而封堵法向加載墊塊與巖樣之間的空隙，從而防止流體泄漏。巖樣注水孔內(nèi)部由于與硅膠密封墊下部充分黏合而具有一定的流體密封效果。該密封方案的優(yōu)點(diǎn)是硅膠密封墊為柔性材料，克服了剛性密封材料對(duì)巖樣上表面較高的平行度和平整度要求。同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中硅膠密封墊與巖樣上表面和法向加載墊塊下表面全面且充分地接觸，密封面積大，即使少部分區(qū)域密封膠涂抹效果不佳也不會(huì)導(dǎo)致整體密封功能失效，具有很好的魯棒性。不足之處在于，硅膠墊的密封效果與施加的法向荷載大小相關(guān)，在密封墊許用壓力范圍內(nèi)法向荷載越大則接觸應(yīng)力越大，密封效果越好。但是試驗(yàn)時(shí)根據(jù)剪切滲流試驗(yàn)方案的要求，法向荷載通常為一固定值，這意味著硅膠墊的密封性能難以充分發(fā)揮。

圖7 硅膠墊法向壓縮密封裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic of the structure of the normal compression sealing device of the silicone pad

1.4 密封裝置設(shè)計(jì)方案三

密封圈法向預(yù)壓縮密封是在方案二的基礎(chǔ)上，將丁腈橡膠密封圈安裝在硅膠密封墊的上端部形成組合密封件，如圖8所示。同時(shí)，還需要在法向加載墊塊流體通道出口處設(shè)置一凹槽。試驗(yàn)時(shí)，將組合密封件上端部插入流體通道。該密封方案既具備法向壓縮硅膠墊密封的優(yōu)點(diǎn)，還克服了硅膠墊密封性能完全依賴法向荷載大小的缺陷。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)時(shí)，凹槽在法向荷載作用下擠壓丁腈橡膠密封圈使其產(chǎn)生形變進(jìn)而密封流體通道內(nèi)壁和硅膠密封墊上端部之間的空隙達(dá)到密封流體的效果。

圖8 密封圈法向預(yù)壓縮密封裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Schematic of the structure of the normal pre-compression sealing device of the sealing ring

由圖8可以看出，在固定法向荷載作用下，密封圈接觸壓力必然與凹槽深度大小相關(guān)，即與密封圈可壓縮變形量范圍相關(guān)。當(dāng)無(wú)凹槽時(shí)，該方案即退化為近似于方案一的密封方式，密封圈處的密封性能僅與密封件插入流體通道時(shí)密封圈橫向預(yù)壓縮變形的大小相關(guān)。當(dāng)凹槽深度為0時(shí)，密封圈完全擠壓在法向加載墊塊下部，法向荷載完全施加于密封圈表面而導(dǎo)致密封圈部位產(chǎn)生局部應(yīng)力集中情況，這既會(huì)對(duì)密封圈下部的巖樣產(chǎn)生局部損傷破壞，而且極大地影響了密封圈的使用壽命。數(shù)值模擬試驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)中將凹槽深度設(shè)置為密封圈直徑的1/2，即試驗(yàn)中密封圈最大法向應(yīng)變?yōu)?.5。

2 密封裝置密封效果的數(shù)值模擬分析

2.1 橡膠密封圈有限元彈性大變形分析理論

丁腈橡膠密封圈屬于超彈性材料，在外力的作用下可產(chǎn)生彈性大變形、體積近似不可壓縮且卸載后可恢復(fù)原形，在密封領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[13]。采用數(shù)值模擬的方法分析密封圈在外荷載作用下的變形規(guī)律時(shí)，必須采用合適的本構(gòu)模型[14]。目前，用于描述橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型主要分為基于連續(xù)介質(zhì)的唯象理論本構(gòu)模型和基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)方法的本構(gòu)模型。其中，在大變形有限元分析中應(yīng)用最為普遍的是基于連續(xù)介質(zhì)唯象理論的Neo-Hooke模型，該模型采用應(yīng)變能函數(shù)W(E)進(jìn)行材料性質(zhì)的表征，具體形式如下：

W(E)=W(I1，I2，I3)

式中：I1，I2，I3為3個(gè)應(yīng)變不變量。

由于Neo-Hooke模型適用于不超過(guò)50%的壓縮應(yīng)變[15]，故以下進(jìn)行密封裝置密封效果的數(shù)值模擬分析時(shí)均采用Neo-Hooke模型。采用有限元分析軟件ANSYS Workbench針對(duì)簡(jiǎn)化后的密封裝置模型進(jìn)行密封效果的數(shù)值模擬試驗(yàn)。密封方案一、三采用2D軸對(duì)稱分析類型，接觸體均設(shè)置為密封圈的外圈線。密封圈與其他部件之間為摩擦接觸，接觸因數(shù)設(shè)為0.3。采用增廣Lagrange方法進(jìn)行每一步的迭代求解，直至計(jì)算結(jié)果收斂為止。

2.2 方案一數(shù)值模擬試驗(yàn)

數(shù)值試驗(yàn)中丁腈橡膠密封圈在自然非壓縮狀態(tài)下的直徑設(shè)置為2 mm，密封圈、剛性試件接頭及法向加載墊塊網(wǎng)格單元?jiǎng)澐殖叽绶謩e設(shè)為0.1、1.0、0.5 mm，如圖9(a)所示。丁腈橡膠材料的初始剪切模量G0和不可壓縮參數(shù)D1是描述密封圈的形變的2個(gè)主要參數(shù)，文中的初始剪切模量G0取為1 MPa，不可壓縮參數(shù)D1取為1.5 MPa-1[16]。材料的泊松比ν可以反映密封圈應(yīng)變大小，一般丁腈橡膠材料的泊松比ν可達(dá)到0.49，因此計(jì)算過(guò)程中采用了大變形方法描述密封圈的變形狀態(tài)[17-18]。

圖9 方案一密封性能數(shù)值模擬及結(jié)果Fig.9 Numerical simulation and the results of sealing performance of scheme 1：(a)mesh division of sealing device model：(b)cloud chart of compression stress distribution of sealing ring

圖9(b)所示為方案一數(shù)值仿真結(jié)果，可以看出丁腈橡膠密封圈在試件接頭安裝后與法向加載墊塊內(nèi)壁緊密接觸并產(chǎn)生了較大的變形；密封圈應(yīng)力分布沿豎直方向向外逐漸遞減，沿水平方向由中心向外遞增；密封圈與法向加載墊塊以及剛性試件接頭水平接觸部位的連線上應(yīng)力最為集中，接觸點(diǎn)附近應(yīng)力最大為0.80 MPa。而流體主要是沿法向加載墊塊與剛性試件接頭中間的間隙發(fā)生泄漏，這意味著采用該密封方式可達(dá)到的流體密封預(yù)壓緊力最大為0.80 MPa，一旦流體壓力大于0.80 MPa可能導(dǎo)致密封圈水平方向產(chǎn)生變形進(jìn)而引起流體的連續(xù)泄漏。法向加載墊塊與剛性試件接頭均為不銹鋼材料制作，其彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠密封圈，故其在密封過(guò)程中的變形值可忽略不計(jì)。

2.3 方案二數(shù)值模擬試驗(yàn)

方案二采用3D軸對(duì)稱分析類型，密封墊網(wǎng)格單元?jiǎng)澐殖叽缭O(shè)為5 mm。試驗(yàn)過(guò)程中硅膠墊豎向通水管道部分無(wú)荷載施加，法向荷載均布施加在硅膠墊上部的其余部分，硅膠墊下部進(jìn)行固定約束。圖10所示為硅膠密封墊在3 MPa法向壓力作用下的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖10 方案二密封性能數(shù)值模擬及結(jié)果Fig.10 Numerical simulation and the results of sealing performance of scheme 2：(a)mesh division of sealing pad model：(b)cloud chart of compression stress distribution of sealing pad

由圖10可以看出，硅膠墊在法向壓力作用下產(chǎn)生了延性變形，硅膠墊邊緣部分受力后向外拓展且4個(gè)端角部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。密封墊通水管道的上端由原來(lái)的圓環(huán)形扭曲為不規(guī)則的喇叭口形，而密封墊下部的通水管道部位未發(fā)生明顯的變形。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況是相吻合的，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中通水管道下端插入巖樣注水孔內(nèi)部而無(wú)應(yīng)力的作用；注水通道上端因距離密封墊水平部位較近，密封墊在法向力的作用下向通水管道中心部位產(chǎn)生擠壓變形，故注水通道上端形成了不規(guī)則的喇叭口形狀。由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，硅膠密封墊通水管道上端雖然產(chǎn)生了一定的不規(guī)則變形，但并不會(huì)阻礙流體的流通。在3 MPa均布法向壓力作用下，密封墊非邊緣部位的接觸壓力小于所施加的法向荷載大小，而邊緣部位則大于施加荷載的大小。因此，這種密封方式的密封壓力小于所施加的法向荷載，即試驗(yàn)過(guò)程中施加的法向壓力大于流體壓力時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)密封效果。而一般巖石剪切滲流試驗(yàn)方案中法向荷載與滲流壓力為2個(gè)相互獨(dú)立的參數(shù)[19-22]，因此僅采用這種密封方式難以滿足高流體壓力、低法向荷載情況下的流體密封。

2.4 方案三數(shù)值模擬試驗(yàn)

如圖11(a)所示，密封圈、法向加載墊塊和硅膠墊網(wǎng)格單元?jiǎng)澐殖叽绶謩e設(shè)為0.1、0.3、0.5 mm。試驗(yàn)時(shí)首先將密封圈的直徑設(shè)置為2 mm，法向加載墊塊位移為1 mm，也即密封圈法向變形量為密封圈直徑的50%。圖11(b)所示為方案三密封效果數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出密封圈在法向加載墊塊壓力作用下的最大接觸應(yīng)力可達(dá)到2.44 MPa，且密封圈截面壓力分布沿豎向中心線向外逐漸遞減，其上、下接觸面部位變形和壓力均為最大值。與方案一中密封圈差別在于，方案三中的密封圈壓應(yīng)力與試驗(yàn)過(guò)程中法向加載墊塊位移大小密切相關(guān)。為了進(jìn)一步分析密封圈直徑與密封壓應(yīng)力大小是否有關(guān)，再將密封圈直徑設(shè)置為3 mm進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，法向壓縮量仍設(shè)置為直徑的50%，即法向加載墊塊位移為1.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖11(c)所示，可以看出其接觸壓應(yīng)力最大為2.53 MPa，應(yīng)力分布形式與2 mm直徑密封圈相似。將圖11(b)和圖11(c)進(jìn)行對(duì)比可知，2種不同直徑的密封圈在壓縮比例相同的情況下，其接觸應(yīng)力差別并不明顯。

圖11 方案三密封性能數(shù)值模擬及結(jié)果Fig.11 Numerical simulation and results of sealing performance of scheme 3：(a)mesh division of sealing device model；(b)cloud chart of compression stress distribution of 2 mm diameter sealing ring；(c)cloud chart of compression stress distribution of 3 mm diameter sealing ring；(d)cloud chart of compression stress distribution of 2 mm diameter sealing ring after changing material parameters

為了進(jìn)一步提升接觸應(yīng)力的大小，分別將材料初始剪切模量G0取為2 MPa，不可壓縮參數(shù)D1取為2.5 MPa-1，即從改變材料特性的角度進(jìn)行了密封圈密封效果的數(shù)值模擬，結(jié)果如圖11(d)所示?？梢钥闯?，當(dāng)密封圈材料參數(shù)改變后，直徑2 mm的密封圈在法向壓縮變形為1 mm時(shí)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力最大值為6.50 MPa，即為圖11(b)所示接觸壓力的2.67倍，超過(guò)了目前最大5 MPa的密封壓力極限。因此，提升剪切盒內(nèi)部密封圈密封效果較好的方式是在需求合理范圍內(nèi)采用更大初始剪切模量G0和不可壓縮參數(shù)D1材料的密封圈。

3 新型密封裝置的密封性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的3種新型軟巖輻射滲流剪切盒密封裝置的密封性能，基于自主研發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)采用紅砂巖試樣進(jìn)行密封裝置的物理試驗(yàn)性能驗(yàn)證。密封裝置及其與巖樣的裝配如圖12所示。試驗(yàn)時(shí)為了便于觀測(cè)密封情況，拆除了上剪切盒部分，僅通過(guò)法向加載壓頭施加法向荷載而不施加剪切荷載。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)3種密封方案各進(jìn)行5次最大密封水壓力的測(cè)試，每次測(cè)試采用分級(jí)水力加壓，即施加初始水壓力后觀測(cè)是否有泄漏情況發(fā)生。若無(wú)水泄漏發(fā)生，則以0.15 MPa(±0.05 MPa)的注水壓力梯度增加注水壓力，記錄水泄漏產(chǎn)生的前一級(jí)注水壓力為該密封方案的最大密封水壓力。水泄漏采用直接觀測(cè)的方法進(jìn)行判斷，由于含壓水是通過(guò)密封件注入巖樣內(nèi)部，因此不發(fā)生泄漏時(shí)含壓水應(yīng)當(dāng)從巖樣注水孔底以輻射流形式向外擴(kuò)散，密封完好情況下巖樣側(cè)壁中心部位應(yīng)當(dāng)首先浸濕進(jìn)而向外擴(kuò)散。當(dāng)密封裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封時(shí)，含壓水僅能通過(guò)巖樣上端面與法向加載壓頭之間的部位外泄，巖樣側(cè)壁浸濕順序?yàn)樽陨隙隆?/p>

圖12 3種密封裝置及安裝圖Fig.12 Three kinds of sealing devices and installation diagram

各密封方案在不同法向荷載作用下的水壓力密封結(jié)果如圖13所示，各密封方案測(cè)試過(guò)程如圖14所示。圖13表明法向荷載大小的改變對(duì)方案一密封性能無(wú)明顯的影響作用，方案一可實(shí)現(xiàn)的密封水壓力在0.72 MPa上下波動(dòng)，波動(dòng)的原因主要與密封圈的安裝精度和膠水涂抹效果等因素相關(guān)。而采用方案二的密封裝置進(jìn)行密封時(shí)，其密封性能與法向荷載的大小呈正相關(guān)，但隨著法向荷載的逐漸增加，可實(shí)現(xiàn)的密封水壓力增加趨緩。這意味著硅膠密封墊的水密封性能客觀上具有一定的閾值，其在3.3 MPa法向荷載作用下密封水壓力最大值可達(dá)到1.62 MPa。硅膠墊的密封閾值可能與巖樣上表面的平整度、膠水黏合強(qiáng)度、硅膠墊與巖樣黏合面部位未排出的空氣團(tuán)大小及其分布形式等有關(guān)。方案三密封裝置的密封效果相對(duì)于方案一、二具有明顯的提升，其密封水壓力最大值達(dá)到2.45 MPa。

圖13 最大密封水壓力隨法向荷載變化Fig.13 Variation of maximum sealing water pressure with normal load

圖14 流體泄漏和密封完好的試驗(yàn)現(xiàn)象差異Fig.14 Differences in test phenomena for fluid leakage and seal integrity

由圖13可以看出，方案三的最大密封水壓力值較為穩(wěn)定，這主要是由于不同法向壓力下密封圈法向應(yīng)變值均為0.5，密封接觸壓力亦為固定值。由圖14可以看出，當(dāng)注入水壓力超過(guò)密封裝置密封壓力后，含壓水將沿巖樣上端面滲出從而導(dǎo)致巖樣側(cè)面大面積浸濕；當(dāng)密封件的密封性能完好時(shí)，水流首先由巖樣側(cè)壁中心滲出進(jìn)而逐漸向外輻射擴(kuò)散。

4 結(jié)論

基于自主成功研發(fā)的新型巖石剪切滲流試驗(yàn)裝置，對(duì)設(shè)計(jì)的3種輻射滲流剪切盒密封裝置進(jìn)行大變形數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)密封圈橫向預(yù)壓縮密封主要是通過(guò)密封裝置安裝時(shí)法向加載墊塊的流體通道與密封圈之間的接觸進(jìn)行流體密封。這種密封方式與試驗(yàn)過(guò)程中施加法向荷載的大小無(wú)關(guān)，而與巖樣上端面平整度和平行度密切相關(guān)，流體密封壓力較為穩(wěn)定，密封件加工成本較低?；跀?shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)采用該密封方案時(shí)可實(shí)現(xiàn)密封水壓力的均值為0.72 MPa。

(2)硅膠墊法向壓縮密封效果與試驗(yàn)中施加的法向荷載大小呈正相關(guān)，在法向荷載允許范圍內(nèi)密封墊客觀上具有密封壓力閾值。硅膠墊的密封閾值與膠水黏合強(qiáng)度、硅膠墊與巖樣的黏合面部位未排出的空氣團(tuán)大小及其分布形式等有關(guān)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅膠墊法向壓縮密封在3.3 MPa法向荷載作用下密封水壓力最大值可達(dá)到1.62 MPa。

(3)密封圈法向預(yù)壓縮密封可在較低的法向荷載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)相對(duì)較好的密封效果。通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該密封方式可實(shí)現(xiàn)最大密封壓力約為2.45 MPa。擴(kuò)大密封圈直徑并不能明顯改善密封性能，而改變密封圈材料對(duì)密封性能影響較大。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)需要改變密封圈的材料以滿足不同的流體密封壓力需求。數(shù)值模擬表明，采用適當(dāng)?shù)拿芊馊Σ牧项A(yù)計(jì)可突破目前最大5 MPa水壓力的密封極限。