一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置及方法，該裝置適用于測定巖石試件在軸向靜載（和圍壓）壓縮作用下的松弛性能，可通過調(diào)整手動搖柄，利用蝸輪蝸桿帶動軸壓加載板上的透射桿前后移動，實(shí)現(xiàn)傳動桿對試件分級位移加載、位移保持恒定條件下的松弛試驗(yàn)；該裝置能夠?qū)r樣施加穩(wěn)定的軸向靜載（和圍壓），再可通過調(diào)整擺錘施加軸向的動力沖擊載荷，以使巖樣破裂，測試處于長期松弛狀態(tài)下巖石受到?jīng)_擊載荷后的力學(xué)性能。本發(fā)明可以研究巖石在長期的松弛效應(yīng)和瞬時(shí)的動態(tài)擾動作用下的力學(xué)響應(yīng)特征和破壞機(jī)理，對于評價(jià)地下開挖空間的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)地下巖石工程的永久支護(hù)有著重要的理論意義。
【專利說明】一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石流變學(xué)和動力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在巖體工程中應(yīng)力流變現(xiàn)象隨處可見，例如一些地下硐室、巷道、隧道等開挖支護(hù)之后經(jīng)過一段時(shí)間巖石會發(fā)生流變現(xiàn)象，而這些流變現(xiàn)象往往包含巖石的蠕變和松弛。對于處于流變的巖體，在采場的爆破載荷的擾動下，流變效應(yīng)會愈加明顯，有可能發(fā)生加速流變，從而引起礦山動力災(zāi)害的發(fā)生。特別是深部礦山地下開采往往面臨著如巖爆、突水、頂板大面積來壓及采空區(qū)失穩(wěn)等災(zāi)害，這些現(xiàn)象都涉及到巖石或巖體長期的松弛效應(yīng)和瞬時(shí)的動態(tài)擾動相結(jié)合作用問題。巖石的松弛效應(yīng)是一個(gè)長期的過程，而爆破、機(jī)械振動等動態(tài)擾動對于巖石影響是一個(gè)瞬時(shí)影響，兩者在時(shí)間尺度上相差較大，所以很少有人在試驗(yàn)中考慮這兩種效應(yīng)的共同作用對巖石力學(xué)性能的影響。因此，研究動態(tài)擾動影響下巖石的松弛效應(yīng)對于評價(jià)地下開挖空間的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)地下巖石工程的永久支護(hù)有著重要的理論意義。
[0003]盡管人們已經(jīng)認(rèn)識到了巖石松弛效應(yīng)研究的重要性，但是由于在進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)時(shí)需要控制巖石試樣的應(yīng)變不變，要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有長時(shí)間保持恒定位移加載的性能，試驗(yàn)技術(shù)難度較大，相關(guān)的研究較少。在動態(tài)擾動對于巖石松弛效應(yīng)的影響方面，目前還鮮有這方面的文獻(xiàn)報(bào)道，更沒有相關(guān)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法。
[0004]而巖石試樣的實(shí)驗(yàn)室流變試驗(yàn)受到研究者的高度重視，20世紀(jì)初，國外學(xué)者D.T.Griggs (1965 年)、J.Handing (1957 年)、H.C.Heard (1982 年)和 Μ.S.Paterson(1970年)等人研發(fā)了不同類型的流變實(shí)驗(yàn)裝置；國內(nèi)學(xué)者于懷昌、熊良宵等利用具有伺服電機(jī)的巖石流變試驗(yàn)裝置，對巖石進(jìn)行三軸及雙軸松弛試驗(yàn)；部愛清、周楚良等發(fā)明了液壓伺服控制巖石三軸流變試驗(yàn)裝置，為人們研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的巖石流變現(xiàn)象提供條件。高延法等關(guān)注了動態(tài)擾動對于流變效用的影響，利用沖擊砝碼及爆炸物對長期處于蠕變狀態(tài)下的巖石進(jìn)行動態(tài)擾動，以研究蠕變過程的動態(tài)擾動效應(yīng)，但目前的工作僅限于動態(tài)擾動對于蠕變過程的影響，尚沒有研究涉及動態(tài)擾動對巖石松弛效應(yīng)的影響，更缺少這方面的的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法。
[0005]在動態(tài)擾動加載方式方面，目前動態(tài)擾動流變試驗(yàn)裝置采用的是引爆雷管爆炸沖擊加載、落錘重力沖擊加載等，精確控制沖頭沖擊入射桿的速度比較困難。對于巖石的動態(tài)擾動試驗(yàn)而言，在低應(yīng)變率區(qū)，材料對應(yīng)變率不敏感，在高應(yīng)變率區(qū)，材料對應(yīng)變率很敏感，中應(yīng)變率區(qū)則是材料性能由應(yīng)變率不敏感到應(yīng)變率敏感的轉(zhuǎn)變區(qū)，因此，研發(fā)適宜于中應(yīng)變率(lMiKlt)2)擾動條件下巖石流變試驗(yàn)裝置，對于研究處于流變狀態(tài)的巖石在中應(yīng)變率的動態(tài)擾動下的力學(xué)響應(yīng)特征是十分必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種可以實(shí)現(xiàn)對巖石在長期的松弛效應(yīng)和瞬時(shí)的動態(tài)擾動作用下進(jìn)行研究的擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，包括實(shí)驗(yàn)平臺、固定在實(shí)驗(yàn)平臺前端的巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置、固定在實(shí)驗(yàn)平臺后端的產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置和固定在巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置和產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置之間的液壓加載裝置；所述巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置包括軸壓加載框架、入射桿、手動搖柄和透射桿；所述軸壓加載框架固定在實(shí)驗(yàn)平臺上，軸壓加載框架包括兩個(gè)相對設(shè)置的左固定臺和右固定臺，左固定臺的一側(cè)設(shè)有軸壓加載板，右固定臺上設(shè)有圓孔；所述手動搖柄固定在左固定臺上，手動搖柄通過蝸輪蝸桿傳動組件與軸壓加載板連接，用于控制軸壓加載板的前后移動；所述液壓加載裝置包括三軸壓力室和用于對三軸壓力室內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓加載的液壓系統(tǒng)；所述三軸壓力室固定在入射桿和透射桿之間；所述透射桿的一端與軸壓加載板拆卸相連，另一端與三軸壓力室的一端連接，透射桿上粘有應(yīng)變片，透射桿的下方設(shè)有校準(zhǔn)支座，校準(zhǔn)支座固定在實(shí)驗(yàn)平臺上；所述應(yīng)變片與用于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；所述三軸壓力室通過進(jìn)油管道與液壓系統(tǒng)連接，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對三軸壓力室的圍壓加載；所述入射桿的一端與插入右固定臺上的圓孔中，另一端通過套筒連接有軸向壓力傳感器；所述軸向壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；所述產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置包括固定在實(shí)驗(yàn)平臺后端的擺錘支架、裝置在擺錘支架上的擺錘、固定在實(shí)驗(yàn)平臺上的導(dǎo)向板和裝置在導(dǎo)向板上的沖擊桿；所述導(dǎo)向板上設(shè)有導(dǎo)向孔，導(dǎo)向板位于擺錘支架與液壓加載裝置之間；所述沖擊桿的頂端穿過導(dǎo)向孔與巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置上的入射桿同軸線對應(yīng)，沖擊桿的下方設(shè)有用于支撐固定的校準(zhǔn)支座，校準(zhǔn)支座固定在實(shí)驗(yàn)平臺上；所述擺錘位于沖擊桿的后側(cè)與沖擊桿的后端同軸線對應(yīng)。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移傳感器、前置信號放大器、示波記錄儀、交換機(jī)和計(jì)算機(jī)；所述位移傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，其中一個(gè)位移傳感器的探頭與右固定臺的外側(cè)邊垂直固定，另一個(gè)位移傳感器的探頭與墊片垂直固定，兩個(gè)位移傳感器均與示波記錄儀連接；所述前置信號放大器的輸入端分別與應(yīng)變片和軸向壓力傳感器連接，前置信號放大器的輸出端與示波記錄儀的輸入端連接，示波記錄儀的輸出端與交換機(jī)的輸入端連接，交換機(jī)的輸出端與計(jì)算機(jī)連接，軸向壓力傳感器和應(yīng)變片輸出信號通過前置信號放大器放大，輸入到示波記錄儀內(nèi)，位移傳感器輸出的信號直接輸入到示波記錄儀內(nèi)，示波記錄儀通過交換機(jī)與計(jì)算機(jī)相連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，液壓加載裝置包括軸壓加載油缸、儲能器、液控單向閥、手動控壓閥、手動油泵、三軸壓力室和油箱，其中，儲能器與軸壓加載油缸和液控單相閥連接，液控單相閥安裝儲能器與油箱之間的進(jìn)油管路上，液控單相閥用于控制進(jìn)入軸壓加載油缸的壓力油；圍壓進(jìn)油開關(guān)(高壓)安裝三軸壓力室與油箱之間的進(jìn)油管路上，用于控制進(jìn)入三軸壓力室的壓力油，油箱通過手動油泵把油箱里的油通過輸油管進(jìn)入三軸壓力室內(nèi)，對三軸壓力室內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓加載。軸壓加載油缸與三軸壓力室之間的進(jìn)油管道上安裝有油缸表開關(guān)(聞壓)和圍壓表開關(guān)(聞壓)，油缸表開關(guān)(聞壓)和圍壓表開關(guān)(聞壓)之間安裝有高壓表，儲能器經(jīng)圍壓回油開關(guān)連接回油管路；所述手動油泵與進(jìn)油管道連接，用于向三軸壓力室進(jìn)行打壓。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述入射桿為兩端變截面桿，入射桿小直徑的一端插入右固定臺上的圓孔中，入射桿大直徑的一端通過套筒與軸向壓力傳感器相連，軸向壓力傳感器緊貼三軸壓力室的另一端。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述擺錘包括固定在擺錘支架上的錘桿和連接在錘桿上的錘頭，擺錘和擺錘支架連接處裝有刻度盤和指針。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述透射桿和三軸壓力室相接處設(shè)有墊片。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述沖擊桿上粘有應(yīng)變片，所述應(yīng)變片的輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的前置放大器連接。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述三軸壓力室內(nèi)裝有試件，試件為巖石試件。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述位移傳感器為LVDT直線式位移傳感器。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案,所述示波記錄儀為DL750示波記錄儀。
[0017]一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)方法，包括以下步驟:
(1)通過套筒將軸向壓力傳感器與入射桿套緊，調(diào)整支撐沖擊桿、入射桿和透射桿的校準(zhǔn)支座的高度和位置，對正透射桿、軸向壓力傳感器、入射桿及沖擊桿的中心，使它們在同一水平直線上；
(2)根據(jù)試件的長度，轉(zhuǎn)動手動搖柄調(diào)整透射桿的位置，將試件放置在三軸壓力室內(nèi)，然后夾在透射桿與軸向壓力傳感器之間，墊片夾在透射桿與帶有試件的三軸壓力室之間，并保證三軸壓力室的中心、墊片、軸向壓力傳感器和透射桿的中心對正，轉(zhuǎn)動手動搖柄，夾緊試樣；
(3)用夾具將兩個(gè)位移傳感器分別固定靠近墊片和右固定臺的底座上，并使位移傳感器的探頭分別與墊片和右固定臺的端部垂直，將位移傳感器和前置放大器輸出端與示波記錄儀連接，將位移傳感器、壓力傳感器、示波記錄儀、交換機(jī)及計(jì)算機(jī)均與電源連接，打開示波記錄儀、交換機(jī)及計(jì)算機(jī)；
(4)啟動圍壓加載裝置，對試件預(yù)加圍壓，具體操作步驟如下:
首先連接好油管，將液壓油注入油箱內(nèi)，關(guān)閉油缸表開關(guān)和圍壓回油開關(guān)；打開圍壓進(jìn)油開關(guān)和圍壓表開關(guān)，用右手握住手動油泵上下反復(fù)對三軸壓力室進(jìn)行打壓，觀察高壓表變化，當(dāng)達(dá)到所要壓力時(shí)停止打壓；
(5)當(dāng)圍壓達(dá)到預(yù)加值，轉(zhuǎn)動手動搖柄，對巖石試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，達(dá)到預(yù)定位移時(shí)停止轉(zhuǎn)動手動搖柄，保持試件狀態(tài)不變，通過示波記錄儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行長時(shí)間松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲存；
(6)試件松弛到預(yù)定時(shí)期后，根據(jù)施加擾動荷載的應(yīng)力水平，調(diào)整擺錘的擺角；
(7)放開擺錘進(jìn)行沖擊擾動試驗(yàn)，并通過示波記錄儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行動態(tài)擾動試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲存。
[0018]綜上所述，本發(fā)明與以往技術(shù)相比具有以下有益效果:
1、本發(fā)明裝置適用于測定巖石試件在軸向靜載(和圍壓)壓縮作用下的松弛性能，可通過調(diào)整手動搖柄，利用蝸輪蝸桿帶動軸壓加載板上的透射桿前后移動，實(shí)現(xiàn)傳動桿對試件分級位移加載、位移保持恒定條件下的松弛試驗(yàn)；
2、本發(fā)明裝置能夠?qū)r樣施加穩(wěn)定的軸向靜載(和圍壓)，再可通過調(diào)整擺錘施加軸向的動力沖擊載荷，以使巖樣破裂，測試處于長期松弛狀態(tài)下巖石受到?jīng)_擊載荷后的力學(xué)性能；該裝置采用擺錘作為動力源，擺錘作為一種動力加載裝置在測定巖石處于松弛狀態(tài)下的動態(tài)擾動時(shí)，可以通過精確控制擺錘的擺角控制錘頭沖擊入射桿的速度，產(chǎn)生應(yīng)力波易于控制，可重復(fù)性好；
綜上所述，本發(fā)明可以研究巖石在長期的松弛效應(yīng)和瞬時(shí)的動態(tài)擾動作用下的力學(xué)響應(yīng)特征和破壞機(jī)理，對于評價(jià)地下開挖空間的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)地下巖石工程的永久支護(hù)有著重要的理論意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明所述液壓系統(tǒng)工作原理圖；
圖3是錘頭在不同沖擊速度下沖擊擾動試驗(yàn)產(chǎn)生的入射波波形圖；
圖4是松弛試驗(yàn)結(jié)果過程中單級加載方式巖石試件受到應(yīng)力-時(shí)間全程曲線圖；
圖5是松弛試驗(yàn)結(jié)果過程中多級加載方式巖石試件受到應(yīng)力-時(shí)間全程曲線圖；
圖中，1_實(shí)驗(yàn)平臺，2-巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置，2-1-入射桿,2-2-手動搖柄，2_3_透射桿，2-4-軸壓加載板，2-5-左固定臺，2-6-右固定臺，3-產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置，3-1-擺錘支架,3_2_擺錘,3-3-導(dǎo)向板,3_4_沖擊桿,3_5_應(yīng)變片,3_6_刻度盤,3_7_指針，4-液壓加載裝置，4-1-軸壓加載油缸，4-2-儲能器，4-3-液控單相閥，4-4-手動控壓閥，4-5-安全閥(高壓)，4-6-液位計(jì)，4-7-吸油過濾器，4-8-手動油泵，4_9_安全閥(低壓)，4-10-圍壓進(jìn)油開關(guān)(高壓)，4-11-油缸表開關(guān)(高壓)，4-12-圍壓表開關(guān)(高壓)，4-13-圍壓回油開關(guān)(排油)，4-14一排氣孔，4-15—高壓表，4-16-進(jìn)油管道，4-17-三軸壓力室，5-套筒，6-校準(zhǔn)支座，7-軸向壓力傳感器，8-位移傳感器，9-前置信號放大器，10-示波記錄儀，11-交換機(jī)，12-計(jì)算機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0021]如圖1所示，一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，包括實(shí)驗(yàn)平臺
1、固定在實(shí)驗(yàn)平臺I前端的巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置2、固定在實(shí)驗(yàn)平臺I后端的產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置3和固定在巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置2和產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置3之間的液壓加載裝置4 ;所述巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置2包括軸壓加載框架、入射桿2-1、手動搖柄2-2和透射桿2-3 ;所述軸壓加載框架固定在實(shí)驗(yàn)平臺I上，軸壓加載框架包括兩個(gè)相對設(shè)置的左固定臺2-5和右固定臺2-6，左固定臺2-5的一側(cè)設(shè)有軸壓加載板2-4，右固定臺2-6上設(shè)有圓孔；所述手動搖柄2-2固定在左固定臺2-5上，手動搖柄2-2通過蝸輪蝸桿傳動組件與軸壓加載板2-4連接，用于控制軸壓加載板2-4的前后移動；所述液壓加載裝置4包括三軸壓力室4-17和用于對三軸壓力室4-17內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓加載的液壓系統(tǒng)；所述三軸壓力室4-17固定在入射桿2-1和透射桿2-3之間，透射桿2-3與三軸壓力室4-17相接處設(shè)有墊片，三軸壓力室4-17內(nèi)裝有試件；所述透射桿2-3的一端與軸壓加載板2-4拆卸相連，另一端與三軸壓力室4-17的一端連接，透射桿2-3上粘有應(yīng)變片，透射桿2-3的下方設(shè)有校準(zhǔn)支座6，校準(zhǔn)支座6固定在實(shí)驗(yàn)平臺I上；所述應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集裝置連接；所述三軸壓力室4-17通過進(jìn)油管道4-16與液壓系統(tǒng)連接，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對三軸壓力室4-17的圍壓加載；所述入射桿2-1為兩端變截面桿，入射桿2-1小直徑的一端插入右固定臺2-6上的圓孔中，入射桿2-1大直徑的一端通過套筒5與軸向壓力傳感器7相連，軸向壓力傳感器7緊貼三軸壓力室4-17的另一端連接，軸向壓力傳感器7與用于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)采集裝置連接；所述產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置3包括固定在實(shí)驗(yàn)平臺I后端的擺錘支架3-1、裝置在擺錘支架上的擺錘3-2、固定在實(shí)驗(yàn)平臺I上的導(dǎo)向板3-3和裝置在導(dǎo)向板上的沖擊桿3-4 ;所述導(dǎo)向板3-3上設(shè)有導(dǎo)向孔,導(dǎo)向板3-3位于擺錘支架3-1與圍壓加載裝置4之間；所述沖擊桿3-4的頂端穿過導(dǎo)向孔與巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置2上的入射桿2-1同軸線對應(yīng)，沖擊桿3-4的下方設(shè)有用于支撐固定的校準(zhǔn)支座6，校準(zhǔn)支座6固定在實(shí)驗(yàn)平臺I上，沖擊桿3-4上粘有應(yīng)變片3-5，應(yīng)變片3-5的輸出端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；所述擺錘3-2包括固定在擺錘支架上錘桿和連接在錘桿上的錘頭，擺錘3-2和擺錘支架3-1連接處裝有刻度盤3-6和指針3-7，用于顯示擺錘3-2的擺動弧度，擺錘3_2位于沖擊桿3-4的后側(cè)與沖擊桿3-4的后端同軸線對應(yīng)。
[0022]其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移傳感器8、前置信號放大器9、示波記錄儀10、交換機(jī)11和計(jì)算機(jī)12 ;所述位移傳感器8的數(shù)量為兩個(gè)，其中一個(gè)位移傳感器8的探頭與右固定臺2-6的外側(cè)邊垂直固定，另一個(gè)位移傳感器8的探頭與墊片垂直固定，兩個(gè)位移傳感器8均與示波記錄儀10連接；所述前置信號放大器9的輸入端分別與應(yīng)變片和軸向壓力傳感器7連接，前置信號放大器9的輸出端與示波記錄儀10的輸入端連接，示波記錄儀10的輸出端與交換機(jī)11的輸入端連接，交換機(jī)11的輸出端與計(jì)算機(jī)12連接,軸向壓力傳感器7和應(yīng)變片輸出信號通過前置信號放大器9放大，輸入到示波記錄儀10內(nèi)，位移傳感器8輸出的信號直接輸入到示波記錄儀10內(nèi)，示波記錄儀10通過交換機(jī)11計(jì)算機(jī)12相連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。
[0023]如圖2所示，液壓系統(tǒng)包括軸壓加載油缸4-1、儲能器4-2、液控單向閥4-3、手動控壓閥4-4、手動油泵4-8、三軸壓力室4-17和油箱4-18，其中，儲能器4_2與軸壓加載油缸4-1和液控單相閥4-3連接，液控單相閥4-3安裝儲能器4-2與油箱4_18之間的進(jìn)油管路上，液控單相閥4-3用于控制進(jìn)入軸壓加載油缸4-1的壓力油；圍壓進(jìn)油開關(guān)(高壓)4-10安裝三軸壓力室4-17與油箱4-18之間的進(jìn)油管路上，用于控制進(jìn)入三軸壓力室4-17的壓力油，油箱4-18通過手動油泵4-8把油箱里的油通過輸油管4-16進(jìn)入三軸壓力室4_17內(nèi)，對三軸壓力室4-17內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓加載。軸壓加載油缸4-1與三軸壓力室4-17之間的進(jìn)油管道4-16上安裝有油缸表開關(guān)(高壓)4-11和圍壓表開關(guān)(高壓)4-12，油缸表開關(guān)(高壓)4-11和圍壓表開關(guān)(高壓)4-12之間安裝有高壓表4-15，儲能器4_2經(jīng)圍壓回油開關(guān)4-13連接回油管路；所述手動油泵4-8與進(jìn)油管道4-16連接，用于向三軸壓力室4_17進(jìn)行打壓。
[0024]本實(shí)施例中位移傳感器8采用LVDT直線式位移傳感器，示波記錄儀10采用DL750示波記錄儀。
[0025]一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)方法，包括以下步驟: (1)通過套筒5將軸向壓力傳感器7與入射桿2-1套緊，調(diào)整支撐沖擊桿3-4、入射桿2-1和透射桿2-3的校準(zhǔn)支座6的高度和位置，對正透射桿2-3、軸向壓力傳感器7、入射桿
2-1及沖擊桿3-4的中心，使它們在同一水平直線上；
(2)根據(jù)試件的長度，轉(zhuǎn)動手動搖柄2-2調(diào)整透射桿2-3的位置，將試件放置在三軸壓力室4-17內(nèi)，然后夾在透射桿2-3與軸向壓力傳感器7之間，墊片夾在透射桿2-3與帶有試件的三軸壓力室4-17之間，并保證三軸壓力室4-17的中心、墊片、軸向壓力傳感器7和透射桿2-3的中心對正，轉(zhuǎn)動手動搖柄2-2，夾緊試樣；
(3)用夾具將兩個(gè)位移傳感器8分別固定靠近墊片和右固定臺2-6底座上，并使位移傳感器8的探頭分別與墊片和右固定臺2-6的端部垂直，將位移傳感器8和前置放大器9輸出端與示波記錄儀10連接，將位移傳感器8、壓力傳感器7、示波記錄儀10、交換機(jī)11及計(jì)算機(jī)12均與電源連接，打開示波記錄儀10、交換機(jī)11及計(jì)算機(jī)12 ；
(4)啟動液壓加載裝置4，對試件預(yù)加圍壓，具體過程如下:
首先連接好油管，將液壓油注入油箱4-18內(nèi)，關(guān)閉油缸表開關(guān)4-11和圍壓回油開關(guān)4-13 ;打開圍壓進(jìn)油開關(guān)4-10，圍壓表開關(guān)4-12，用右手握住手動油泵4-8上下反復(fù)對三軸壓力室4-17進(jìn)行打壓，觀察高壓表4-15變化，當(dāng)達(dá)到所要壓力時(shí)停止打壓；
(5)當(dāng)圍壓達(dá)到預(yù)加值，轉(zhuǎn)動手動搖柄2-2,按照0.07mm/min的位移加載速率對巖石試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，達(dá)到預(yù)定位移時(shí)停止轉(zhuǎn)動手動搖柄2-2,保持試件狀態(tài)不變,通過示波記錄儀10和計(jì)算機(jī)12進(jìn)行長時(shí)間松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲存；
(6)試件松弛到預(yù)定時(shí)期后，根據(jù)施加擾動荷載的應(yīng)力水平，調(diào)整擺錘3-2的擺角；
(7)放開擺錘3-2進(jìn)行沖擊擾動試驗(yàn)，并通過示波記錄儀10和計(jì)算機(jī)12進(jìn)行動態(tài)擾動試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲存；
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù):
加載速度=0-5.0m/s ；
沖擊能量:0-70J ；
試件尺寸:直徑為 Φ50mmX 25mm、Φ50mmX 50mm 和 <?50mmX 10mm ;
應(yīng)變率:1c1-1O2 ；
靜態(tài)載荷:0-400KN，手動預(yù)加軸向靜載，最大欲加靜載400KN ;最大液動預(yù)加軸向靜載400KN;
靜圍壓:最大預(yù)加靜圍壓40MPa，靜圍壓控制精度高于±1%，控制時(shí)間不大于Imindf動預(yù)加軸向靜壓力控制精度高于±1%，控制時(shí)間不大于lmin。
[0026]沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果:
由圖3可知，錘頭在不同沖擊速度下沖擊試驗(yàn)，測得入射桿2-1上的入射波波形；當(dāng)錘頭沖擊速度為2.0m/s和2.5m/s時(shí)；錘頭應(yīng)力達(dá)到峰值的時(shí)間近似為120 μ s,當(dāng)錘頭沖擊速度為3.3m/s和4.2m/s時(shí)，錘頭入射波峰值較小。
[0027]松弛試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果:
由圖4可知，試件采用單級加載方式時(shí)，首先承受0.30%作用應(yīng)變并保持荷載不變，此時(shí)應(yīng)力為23.7MPa，應(yīng)力初期下降速率很快，過12小時(shí)后下降速率減慢，在第6天后應(yīng)力沒有明顯變化，此時(shí)應(yīng)力18.3MPa，由此得知，初始應(yīng)力松弛較快，爾后逐新減少，直至穩(wěn)定(應(yīng)力不再下降)。
[0028]由圖5可知，砂巖松弛試驗(yàn)根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分兩階段加載。在第一階段松弛的第10.0min，載荷加載到峰值13.lOMPa，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力下降，在6.22天，應(yīng)力降到11.1OMPa ;在6.22天進(jìn)入第二階段，在第二階段松弛的第2.5min,載荷加載到峰值16.60MPa，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力下降，在14.5天，應(yīng)力降到13.33MPa。
[0029]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
[0030]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，包括實(shí)驗(yàn)平臺、固定在實(shí)驗(yàn)平臺前端的巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置、固定在實(shí)驗(yàn)平臺后端的產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置和固定在巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置和產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置之間的液壓加載裝置；所述巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置包括軸壓加載框架、入射桿、手動搖柄和透射桿；所述軸壓加載框架固定在實(shí)驗(yàn)平臺上，軸壓加載框架包括兩個(gè)相對設(shè)置的左固定臺和右固定臺，左固定臺的一側(cè)設(shè)有軸壓加載板，右固定臺上設(shè)有圓孔；所述手動搖柄固定在左固定臺上，手動搖柄通過蝸輪蝸桿傳動組件與軸壓加載板連接，用于控制軸壓加載板的前后移動；所述液壓加載裝置包括三軸壓力室和用于對三軸壓力室內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓加載的液壓系統(tǒng)；所述三軸壓力室固定在入射桿和透射桿之間；所述透射桿的一端與軸壓加載板拆卸相連，另一端與三軸壓力室的一端連接，透射桿上粘有應(yīng)變片，透射桿的下方設(shè)有校準(zhǔn)支座，校準(zhǔn)支座固定在實(shí)驗(yàn)平臺上；所述應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集裝置連接；所述三軸壓力室通過進(jìn)油管道與液壓系統(tǒng)連接，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對三軸壓力室的圍壓加載；所述入射桿的一端與插入右固定臺上的圓孔中，另一端通過套筒連接有軸向壓力傳感器；所述軸向壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置連接；所述產(chǎn)生中應(yīng)變率動態(tài)擾動的擺錘加載裝置包括固定在實(shí)驗(yàn)平臺后端的擺錘支架、裝置在擺錘支架上的擺錘、固定在實(shí)驗(yàn)平臺上的導(dǎo)向板和裝置在導(dǎo)向板上的沖擊桿；所述導(dǎo)向板上設(shè)有導(dǎo)向孔，導(dǎo)向板位于擺錘支架與液壓加載裝置之間；所述沖擊桿的頂端穿過導(dǎo)向孔與巖石松弛實(shí)驗(yàn)裝置上的入射桿同軸線對應(yīng)，沖擊桿的下方設(shè)有用于支撐固定的校準(zhǔn)支座，校準(zhǔn)支座固定在實(shí)驗(yàn)平臺上；所述擺錘位于沖擊桿的后側(cè)與沖擊桿的后端同軸線對應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移傳感器、前置信號放大器、示波記錄儀、交換機(jī)和計(jì)算機(jī)；所述位移傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，其中一個(gè)位移傳感器的探頭與右固定臺的外側(cè)邊垂直固定，另一個(gè)位移傳感器的探頭與墊片垂直固定，兩個(gè)位移傳感器均與示波記錄儀連接；所述前置信號放大器的輸入端分別與應(yīng)變片和軸向壓力傳感器連接，前置信號放大器的輸出端與示波記錄儀的輸入端連接，示波記錄儀的輸出端與交換機(jī)的輸入端連接，交換機(jī)的輸出端與計(jì)算機(jī)連接，軸向壓力傳感器和應(yīng)變片輸出信號通過前置信號放大器放大，輸入到示波記錄儀內(nèi)，位移傳感器輸出的信號直接輸入到示波記錄儀內(nèi)，示波記錄儀通過交換機(jī)與計(jì)算機(jī)相連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述液壓加載裝置包括軸壓加載油缸、儲能器、液控單向閥、手動控壓閥、手動油泵、三軸壓力室和油箱，其中，儲能器與軸壓加載油缸和液控單相閥連接，液控單相閥安裝儲能器與油箱之間的進(jìn)油管路上，液控單相閥用于控制進(jìn)入軸壓加載油缸的壓力油；圍壓進(jìn)油開關(guān)(高壓)安裝三軸壓力室與油箱之間的進(jìn)油管路上，用于控制進(jìn)入三軸壓力室的壓力油，油箱通過手動油泵把油箱里的油通過輸油管進(jìn)入三軸壓力室內(nèi)，對三軸壓力室內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓加載；軸壓加載油缸與三軸壓力室之間的進(jìn)油管道上安裝有油缸表開關(guān)(聞壓)和圍壓表開關(guān)(高壓)，油缸表開關(guān)(高壓)和圍壓表開關(guān)(高壓)之間安裝有高壓表，儲能器經(jīng)圍壓回油開關(guān)連接回油管路；所述手動油泵與進(jìn)油管道連接，用于向三軸壓力室進(jìn)行打壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述入射桿為兩端變截面桿，入射桿小直徑的一端插入右固定臺上的圓孔中，入射桿大直徑的一端通過套筒與軸向壓力傳感器相連，軸向壓力傳感器緊貼三軸壓力室的另一端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述擺錘包括固定在擺錘支架上的錘桿和連接在錘桿上的錘頭，擺錘和擺錘支架連接處裝有刻度盤和指針。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述透射桿和三軸壓力室相接處設(shè)有墊片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述沖擊桿上粘有應(yīng)變片，所述應(yīng)變片的輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的前置放大器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)裝置，其特征是，所述三軸壓力室內(nèi)裝有試件。
9.一種如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的擺錘加載中應(yīng)變率擾動下巖石松弛的試驗(yàn)方法，其特征是，包括以下步驟: (1)通過套筒將軸向壓力傳感器與入射桿套緊，調(diào)整支撐沖擊桿、入射桿和透射桿的校準(zhǔn)支座的高度和位置，對正透射桿、軸向壓力傳感器、入射桿及沖擊桿的中心，使它們在同一水平直線上； (2)根據(jù)試件的長度，轉(zhuǎn)動手動搖柄調(diào)整透射桿的位置，將試件放置在三軸壓力室內(nèi)，然后夾在透射桿與軸向壓力傳感器之間，墊片夾在透射桿與帶有試件的三軸壓力室之間，并保證三軸壓力室的中心、墊片、軸向壓力傳感器和透射桿的中心對正，轉(zhuǎn)動手動搖柄，夾緊試樣； (3)用夾具將兩個(gè)位移傳感器分別固定靠近墊片和右固定臺的底座上，并使位移傳感器的探頭分別與墊片和右固定臺的端部垂直，將位移傳感器和前置放大器輸出端與示波記錄儀連接，將位移傳感器、壓力傳感器、示波記錄儀、交換機(jī)及計(jì)算機(jī)均與電源連接，打開示波記錄儀、交換機(jī)及計(jì)算機(jī)； (4)啟動液壓加載裝置，對試件預(yù)加圍壓，具體操作步驟如下: 首先連接好油管，將液壓油注入油箱內(nèi)，關(guān)閉油缸表開關(guān)和圍壓回油開關(guān)；打開圍壓進(jìn)油開關(guān)和圍壓表開關(guān)，用右手握住手動油泵上下反復(fù)對三軸壓力室進(jìn)行打壓，觀察高壓表變化，當(dāng)達(dá)到所要壓力時(shí)停止打壓； (5)當(dāng)圍壓達(dá)到預(yù)加值，轉(zhuǎn)動手動搖柄，對巖石試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，達(dá)到預(yù)定位移時(shí)停止轉(zhuǎn)動手動搖柄，保持試件狀態(tài)不變，通過示波記錄儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行長時(shí)間松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲存；(6)試件松弛到預(yù)定時(shí)期后，根據(jù)施加擾動荷載的應(yīng)力水平，調(diào)整擺錘的擺角； (7)放開擺錘進(jìn)行沖擊擾動試驗(yàn)，并通過示波記錄儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行動態(tài)擾動試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲存。
【文檔編號】G01N3/00GK104181029SQ201410348301
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】朱萬成, 李帥, 徐曾和, 牛雷雷, 魏晨慧, 王述紅, 于淼, 李少華, 劉凱 申請人:東北大學(xué)