一种动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试方法及设备

摘要

本发明公开了一种动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试方法及设备，属于岩石力学、土木工程、地质灾害领域；目前的试验方法和设备对岩石施加瞬间荷载，模拟的工况中爆炸对岩石施加瞬间荷载造成的影响而无法模拟爆炸后冲击波对岩石的影响。本发明采用将岩石试样置于三轴流变试验装置的试样室中，通过两次液压传动将电动机输出的机械能转换为持续施加在岩石试样上的动荷载，模拟炸药爆炸冲击波对岩石的影响；设备上在试样室上方的荷载加载机构将电动机的旋转运动转换为直线往复运动，通过缸体、动力转换器和连接它们的液压软管利用液压传动对岩石试样施加持续动荷载；本发明提供的测试方法及设备方便灵活，适用于多种试验场地。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试方法及设备，属于岩石力学、土木工程、地质灾害领域。

背景技术

岩石的多场耦合问题是目前岩石力学一个重要的研究课题，具有非常重要的工程背景和意义。在我国中南、西南地区，如云南、四川、贵州、广西等省大范围存在二叠系石灰岩地层，该地层拥有丰富的优质石灰石矿产资源，是我国大量基础设施建设的重要建材来源。二叠系石灰岩地层分布区域是我国降雨频发地段，在石灰石矿露天开采过程中，微差爆破会产生动荷载，并在爆破后对岩石产生持续的冲击波扰动影响，在爆破冲击波、冻融循环和降雨渗流共同作用下，该区域经常发生滑坡和崩塌等地质灾害。确定岩石长期稳定性是从机理上解决滑坡和崩塌等灾害的重要前提。

岩石的流变力学特性试验是确定岩石长期稳定性的主要手段之一，开展动荷载作用下岩石多场耦合流变试验已成为必要。目前，动荷载作用下多场耦合流变试验荷载加载方法为在试样室顶部用间歇性冲击或撞击的方式对岩石试样加载轴向动载荷，以模拟炸药爆炸对岩石施加瞬间荷载的影响，但这两种加载方式都无法模拟炸药爆炸产生的冲击波对岩石造成的持续影响；同时以冲击、撞击形式的加载还会使设备在试验过程中产生无规律振动，不仅使整个设备容易损坏，而且会对检测数据造成影响；另外，目前的试验方法中渗流系统以水作为渗透介质会导致在低温条件下水结冰无法满足不同的渗透试验条件，从而导致达不到试验目的和效果。同时目前的试验设备中以伺服电机带动活塞，与活塞固定连接的传力杆带动的加载装置冲击岩石试样，在试验过程中无法做到持续给岩石试样施加动荷载，无法实现持续施加轴向动荷载的功能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的问题，提供了一种动荷载作用下多场耦合流变试验的方法和设备,该发明的方法及设备可以对岩石试样施加持续的轴向动荷载，真实模拟现实工况中炸药爆炸产生的冲击波对岩石造成的动力扰动影响，且本发明方法的试验数据精准度高，试验设备稳定性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：将岩石试样放置于三轴流变试验试样室中，试样室的温度控制在-30℃～50℃，试样室的围压控制在不大于30Mpa，试样室的渗压控制在不大于1MPa，在岩石试样顶端施加轴向不大于100MPa、不大于50hz的循环振动动荷载，进行三轴流变试验；测得动荷载作用下岩石试样的动应力应变和体积变形随时间的变化值；所述循环振动动荷载通过如下方式产生，将电动机的旋转运动通过曲柄连杆机构转换为直线往复运动，曲柄连杆机构带动位于缸体A中的活塞A对缸体A中的液体施力，利用液压传动和缸体B及位于缸体B内的活塞B实现对岩石试样施加循环振动动荷载。

上述技术方案进一步的实施为根据测得的动荷载作用下岩石试样的动应力应变和体变随时间的变化值，得出动应力应变变化、体积变化和时间之间的关系函数。

上述技术方案所采用的具体步骤如下：通过控制试样室顶端和底端温度来调节试样室内温度，将试样室内温度控制在-30℃～50℃；向试样室内输入液压液制造围压，围压控制在不大于30Mpa；在试样室顶端和底端施加恒定的气压，顶端气压大于底端气压，产生恒定的气压差形成渗压，控制渗压在不大于1MPa；给岩石试样施加轴向的不大于100MPa、不大于50hz 循环振动动荷载；测得动荷载作用下岩石试样的动应力应变和体积变形随时间的变化值。

本发明为解决其技术问题同时提供了一种动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试设备，具体如下：在三轴流变试验装置的试样室顶端连接有荷载加载机构，荷载加载机构包括动力输出单元、液压传动单元、荷载输出单元；

动力输出单元至少包括电动机和与电动机连接的曲柄；

荷载输出单元至少包括传力杆和与传力杆连接的加载板，加载板与试样室上表面接触；

液压传动单元至少包括缸体A和动力转换器，缸体A中活塞A下部的储液压力仓内装有液压油，固定于活塞A上表面的活塞杆与曲柄连接，储液压力仓侧部供油管上设有液压阀门，供油管连通储液压力仓与油缸A；动力转换器包括缸体B和位于缸体B内的活塞B，活塞B的下表面与所述传力杆连接；储液压力仓的下部和缸体B的上部通过液压软管连通。

对上述技术方案进一步的改进为：

三轴流变试验装置的试样室顶部和底部连接有用于调节试样室内温度的铝盘，顶部铝盘A通过两根温度循环液软管A与温度循环箱A连接通，底部铝盘B通过两根温度循环液软管B与温度循环箱B连通，温度循环箱至少包括：缸体、加热棒和冷凝管。

三轴流变试验装置的试样室顶部和底部连通有通气管，顶部通气管与气缸A连通，通气管上设有气压阀门A，底部通气管与气缸B连通，通气管上设有气压阀门B。

三轴流变试验装置的试样室侧部连接有油管，油管与油缸B连通，油管上设有液压阀。

综上，本发明技术方案所具有的有益效果在于：

本发明方法通过电动机产生动力，利用液压传动将电动机的机械能转换为液压能，再将液压能转换为机械能，第二次转换的动力为液压能，液压能转换的动力可以持续施加在岩石试样上，可以很好的模拟炸药爆炸后冲击波持续扰动作用对岩石造成的影响；以气体代替水作为渗透介质施加渗压可以解决低温条件下，以水作为渗透介质导致水流经试样时结冰从而达不到试验条件的问题；本发明设备采用液压传动将电动机的机械能转换为液压能，再将液压能转换为试样室上部加载板的动能，加载板一直与试样室上部接触，将转换的动能持续施加给岩石试样，给岩石试样施加持续的循环动荷载；并且两次动力转换最大化减小了实施过程中高频动力给仪器带来的破坏作用，有效的维持仪器稳定性，避免冲击或撞击对设备的损害。

附图说明

附图1为本发明设备的结构示意图；

图中：1、岩石试样；11、温度循环箱A；12、温度循环液软管A；13、铝盘A；21、气压阀门A；22、气缸A；23、气压阀门B；24、气缸B；31、油缸B；32、液压阀；41、电动机；42、活塞杆；43、活塞；44、储液压力仓；45、液压阀门；46、油缸A；47、液压软管；48、动力转换器；49、传力杆；410、加载板；411、刚性压头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明方法作进一步说明。

在试验温度值、围压值、渗压值取值范围内取端值及中间值进行本发明方法试验，提供了三个实施例。

实施例1提供的动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试方法具体如下：将岩石试样放置在三轴流变设备试样室内，调节试样室内温度在-28℃，围压控制在3Mpa，保持该状态30分钟，在试样室顶部和底部施加恒定的气压，顶部气压大于底部气压，产生恒定的气压差，气压差即为本实施例的渗压，控制渗压在0.2Mpa；保持温度、围压、渗压稳定，直至试验结束，给岩石试样施加轴向不大于100Mpa、不大于50hz范围内1秒变化一次的循环振动动荷载，通过传感器采集试样室内温度值、围压值、渗压值、荷载变化值和岩石试样体积变化值数据，1秒记录一次在不同试验条件下岩石试样的动应力变值和体积变化值；

实施例2提供的动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试方法具体如下：控制试样室内温度在10℃，控制试样室内围压在15Mpa，保持该状态 30分钟，控制试样室内渗压在0.5Mpa，保持温度、围压、渗压稳定，直至试验结束，给岩石试样施加轴向不大于100Mpa、不大于50hz范围内1秒变化一次的循环振动动荷载，通过传感器采集试样室内温度值、围压值、渗压值、荷载变化值和岩石试样体积变化值数据，1秒记录一次在不同试验条件下岩石试样的动应力变值和体积变化值；

实施例3提供的动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试方法具体如下：控制试样室内温度在50℃，控制试样室围压在30Mpa，保持该状态30 分钟，控制试样室内渗压在1Mpa，保持温度、围压、渗压稳定，直至试验结束，给岩石试样施加轴向不大于100Mpa、不大于50hz范围内1秒变化一次的循环振动动荷载，通过传感器采集试样室内温度值、围压值、渗压值、荷载变化值和岩石试样体积变化值数据，1秒记录一次在不同试验条件下岩石试样的动应力变值和体积变化值；

通过上述三个实施例测得的岩石试样动应力应变变化、体积应变变化，得出动应力应变变化、体积应变变化和时间之间的关系函数；三个实施例选取的温度值、围压值、渗压值为试验条件的端值及中间值，在实际试验过程中取值为范围内的所有可取值。

本试验方法的动荷载通过如下方式产生：将电动机的旋转运动通过曲柄连杆机构转换为直线往复运动，曲柄连杆机构带动位于缸体中的活塞对缸体中的液体施力，利用液压传动实现对岩石试样施加循环振动动荷载；第一次转换的动能为冲击作用，第二次转换的动能为持续施加作用，通过一次动力转换无法实现这种持续动荷载的施加，本发明通过两次动能转换对岩石试样施加持续的动荷载扰动影响。

本实施例试验方法可以测试岩石试样在受到爆炸后不同冲击波、不同渗压、不同温度、不同围压单独或共同作用下应力、应变随时间变化的关系且试验方式荷载施加更加精准，解决岩石受爆破后冲击波、降雨、冻融循坏单独或共同作用下的稳定性问题。

下面结合附图和实施例对本发明设备作进一步说明。

实施例4，如附图所示，动荷载作用下岩石多场耦合流变试验测试设备具体如下：至少包括三轴流变试验装置，在三轴流变装置的试样室顶端连接有荷载加载机构，荷载加载机构包括动力输出单元、液压传动单元、荷载输出单元；

动力输出单元至少包括电动机41和与电动机连接的曲柄，曲柄将电动机的旋转运动转换为直线往复运动；荷载输出单元至少包括传力杆49和与传力杆49连接的加载板410，加载板410与试样室顶部的刚性压头411接触，传力杆49推动加载板410挤压试样室顶部的刚性压头411来实施对岩石试样2的荷载加载；液压传动单元至少包括缸体A和动力转换器48，缸体A中活塞A43下部的储液压力仓44内装有液压油，固定于活塞A43上表面的活塞杆42与曲柄连接，启动电动机41后曲柄带动活塞杆42做往复直线运动，推动活塞A43，储液压力仓44侧部供油管上设有液压阀门45，供油管连通储液压力仓44与油缸A46，液压阀门45为双向阀门，通过液压阀门45来控制储液压力仓中的液体进出；动力转换器48包括缸体B和位于缸体B内的活塞B，活塞B的下表面与传力杆49连接；储液压力仓44的下部和缸体B的上部通过液压软管47连通，曲柄带动活塞A43挤压储液压力仓44中的液压油，液压油通过液压软管47输送至缸体B内活塞B的上部，液压油挤压活塞B使固定于活塞B下表面的传力杆49推动加载板410，加载板挤压岩石试样上方的刚性压头对岩石试样施加动荷载，在实施过程中加载板410一直与刚性压头411接触，持续对岩石试样施加动荷载。

三轴流变试验装置的试样室顶部和底部连接有用于调节试样室内温度的铝盘，顶部铝盘A13通过两根温度循环液软管A12与温度循环箱A11连接通，一根温度循环液软管A12将温度循环箱A11内调节好温度的循环液输送至铝盘A13，通过铝盘A扩散吸收热量来控制试样室内的温度，流经铝盘A13的温度循环液经另一根温度循环液软管A12流回温度循环箱A11；底部铝盘B16通过两根温度循环液软管B15与温度循环箱B14连通，工作过程与上部温度变化单元一致，共同作用来调控试样室内温度；温度循环箱至少包括：缸体、加热棒和冷凝管。

三轴流变试验装置的试样室顶部和底部连通有通气管，顶部通气管与气缸A22连通，通气管上设有气压阀门A21，底部通气管管与气缸B24连通，通气管上设有气压阀门B23；气缸A输出气体，通过气压阀门A21控制气压的大小，在试样室顶部产生恒定的气压，维持气压稳定，气缸B24输出气体，通过气压阀门B23控制气压的大小，维持气压稳定，并且顶部气压大于底部气压，产生的恒定气压差即本实施例的渗压值，以气体代替水能克服在低温条件下水结冰无法满足试验条件的问题。

试样室侧部连接有油管，油管与油缸B31连接，油管上设有液压阀32，油缸B31通过油管向试样室内输入液压油，油管上的液压阀32控制液压油的流入流出，液压油对岩石试样的压力用以模拟岩石试样在实际工况中受土壤和周边岩体的围压作用。