CN110018064A - 一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法，岩石试样置于动态加载实验装置的压力室中，溶液存储室将一定浓度溶液通过导管分别注入岩石试样的顶、底部，对岩石试样施加顶部渗压和底部渗压；通过加热炉对压力室内岩石试样及周围溶液进行温度调节和控制；维持渗压、温度以及溶液浓度稳定后，进行动态冲击加载试验。本发明通过控制岩石试样底部和顶部的溶液渗压差实现溶液渗流，通过加热炉控制压力室内岩石试样和周围溶液的温度；实现不同温度、不同渗压、不同加载率、不同溶质及溶液浓度下岩石多场耦合动态加载试验，对定量研究岩体受地下水、化学腐蚀、地热以及冲击载荷单独或共同作用的强度特征及失稳机理具有重要参考价值。

Description

一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法

技术领域

本发明涉及一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置以及应用所述实验装置的方法。

背景技术

岩石作为地球形成、地壳地质活动衍化的产物，被广泛应用于各类建筑物地基、围岩或建筑材料等工程建设领域。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。许多地下岩石工程中，如地下存储洞库、大坝坝基、地下引水隧洞等均存在多重因素耦合效应。地下水的存在通常会使得水与岩石发生相互耦合作用，同时，渗透水中的化学成分复杂多样，不断侵蚀着岩石内部，而随着埋深不断增大的温度效应对岩石材料破坏亦有很大影响。因而如何采取有效的研究手段和研究方法，***地研究岩石在渗流-应力-温度-化学多场耦合下的力学特性以及在***或岩爆发生时的动态变形破裂机理，这对进一步理解复杂多场耦合条件下岩石动态破裂失稳机制无疑是十分有意义的工作。

另一方面，岩石材料受外力或内力作用时，由于其本身的弹性形变、裂纹扩展，造成脆性材料内局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波现象，称为声发射。声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，能连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，这是其他任何试验方法都不具有的特点，已被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制研究。目前，进行岩石动态力学试验的方法已经成熟，但其中综合考虑温度效应和渗流场影响的动态实验加载装置仍未出现，并且其中能够实现不同渗压、不同温度、不同应变率和不同溶质及不同浓度溶液等多种因素作用下的岩石动力学特性及声发射特征的测试方法更是鲜有报道。

因此，如何改进动态加载岩石力学试验装置及方法以实现岩石试样动态加载的温度-声发射-渗流场多场耦合力学特性测试成为重要的研究内容。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法，实现测试岩石材料在不同渗压、不同温度、不同应变率和不同溶质及不同浓度溶液等多种因素作用下的岩石动力学特性及声发射特征，对定量研究岩体受地下水、化学腐蚀、地热以及冲击载荷单独或共同作用下的强度特征及失稳机理具有重要参考价值。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置，包括：

岩石试样、压力室、加热炉、气室、冲头、发射腔、入射杆、应变片、透射杆、吸收杆、导管、阀门、溶液存储室、测速***、声发射传感器、声发射信号线、端子、BNC转接头、前置放大器、数据采集***、热电偶、调节滑道、定位螺柱、找平螺栓、可调保温仓门、热电偶***孔、加热腔、高强度透明石英筒，所述岩石试样装卡到所述压力室内，所述溶液存储室将一定浓度溶液通过所述导管分别注入岩石试样的顶、底部，对岩石试样施加顶部渗压和底部渗压；所述加热炉放置入射杆和透射杆中间，所述压力室置于加热炉中的加热腔内，加热腔外包裹有高强度透明石英筒，加热炉下部支架设置四个找平螺栓，通过所述加热炉对所述压力室内的所述岩石试样及周围溶液进行温度调节和控制；冲头在气室中加压由发射腔发射，冲头发射速度由测速***监测记录，冲头发射后撞击入射杆产生应力波，入射杆撞击试样将应力波传播至透射杆中，透射杆尾部与吸收杆连接，数据采集***与两个应变片连接，两个应变片分别布设于入射杆和透射杆中部；所述BNC转接头两端分别与端子及前置放大器连接，端子通过声发射信号线与声发射传感器连接；

在上述一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法中，优选所述数据采集***，其两端通过所述应变片分别与所述入射杆和所述透射杆连接，用于采集所述入射杆和所述透射杆中的应力波信号；

在上述一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法中，优选所述溶液存储室设有溶液浓度检测计，通过选取所需溶质和溶液浓度，实现岩样不同溶质和不同浓度溶液的渗流。

根据本发明的另一方面，提供了一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置的应用方法，包括如下步骤：

a、将岩石试样装卡到压力室内，打开阀门后从溶液存储室中将一定浓度溶液通过导管分别注入岩石试样的顶、底部，对岩石试样施加顶部渗压和底部渗压，所施底部渗压大于顶部渗压，两者渗压差为试验所需渗压值；

b、将加热炉与入射杆和透射杆连接，将可调保温仓门沿调节滑道向上提起，用定位螺柱固定；

c、将包裹岩石试样的压力室放入加热炉的加热腔的中部，调节入射杆和透射杆的位置，使其与岩石试样的端部初步对齐，然后通过调节加热炉下部支架上的四个找平螺栓，达到岩石试样与入射杆和透射杆的精确对齐；

d、松开定位螺柱，放下可调保温仓门，使其口部尽可能接近入射杆、透射杆的顶部，但又不影响两个杆的来回自由移动，标记出此时可调保温仓门的高度，退出入射杆和透射杆，关闭可调保温仓门，通过热电偶***孔***热电偶，同时打开SHPB动态加载装置上的数据采集***，以采集入射杆和透射杆中的应力波信号；

e、岩石试样在加热炉中进行加热，热电偶进行压力室内的温度测量，使得压力室内的温度达到所需试验温度，试验温度范围一般取40℃到200℃之间；

f、维持渗压、温度以及溶液浓度稳定后，从气室中发射冲头，对入射杆和岩石试样进行动态冲击，通过入射杆和透射杆上的应变片对岩石试样的变形及应力波变化情况进行记录，并将数据存储到数据采集***中，同时声发射传感器即开始监测记录岩石试样在动态加载破坏时的声发射信号，采集到的声发射信号通过声发射信号线传输至端子、BNC转接头和前置放大器中，最终实现岩石试样在动态冲击加载条件下的温度场-声发射-渗压场的多场多参数监测记录。

相对于现有技术中，本发明具有如下有益效果：

本发明通过溶液存储室将一定浓度溶液经过导管分别注入岩石试样的顶、底部，对岩石试样施加顶部渗压和底部渗压，通过加热炉对压力室内岩石试样及周围溶液进行温度调节和控制；实现测试岩石材料在不同渗压、不同温度、不同应变率和不同溶质及不同浓度溶液等多种因素作用下的岩石动力学特性及声发射特征，对定量研究岩体受地下水、化学腐蚀、地热以及冲击载荷单独或共同作用下的强度特征及失稳机理具有重要参考价值。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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，其中：

图1为本发明实验***结构示意图；

图2为热电偶示意图；

图3为多场耦合动态加载岩石力学实验的试样加热炉主视结构图；

图4为多场耦合动态加载岩石力学实验的试样加热炉侧视结构图；

附图标记说明：1-岩石试样；2-压力室；3-加热炉；4-气室；5-冲头；6-发射腔；7-入射杆；8-应变片；9-透射杆；10-吸收杆；11-导管；12-阀门；13-溶液存储室；14-测速***；15-声发射传感器；16-声发射信号线；17-端子；18-BNC转接头；19-前置放大器；20-数据采集***；21-热电偶；22-调节滑道；23-定位螺柱；24-找平螺栓；25-可调保温仓门；26-热电偶***孔；27-加热腔；28-高强度透明石英筒。

具体实施方式

本发明的一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置及应用方法，主要运用在实验室内岩石试样的动态加载力学性能测试中，以期实现岩石试样在冲击加载条件下的温度场-渗流场-应力场多场耦合动态加载测试，下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述。

结合图1、图2、图3、图4所示，一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置，包括压力室2、加热炉3、气室4、冲头5、发射腔6、入射杆7、应变片8、透射杆9、吸收杆10、溶液存储室13、测速***14、声发射传感器15、BNC转接头18、前置放大器19、数据采集***20、热电偶21、加热腔27、高强度透明石英筒28，将所述岩石试样1装卡到所述压力室2内，所述溶液存储室13将一定浓度溶液通过所述导管11分别注入所述岩石试样1的顶、底部，对所述岩石试样1施加顶部渗压和底部渗压，所述加热炉3与所述入射杆7和所述透射杆9连接，通过所述加热炉3对所述压力室2内的所述岩石试样1及周围溶液进行温度调节和控制，维持渗压、温度以及溶液浓度稳定后，从所述气室4中发射所述冲头5，对所述入射杆7和所述岩石试样1进行动态冲击，通过所述入射杆7和所述透射杆9上的所述应变片8对所述岩石试样1的变形及应力波变化情况进行记录，并将数据存储到所述数据采集***20中，同时所述声发射传感器15即开始监测记录所述岩石试样1在动态加载破坏时的声发射信号，最终实现不同温度、不同渗压、不同加载率、不同溶质及溶液浓度下的所述岩石试样1在动态冲击加载条件下的温度场-声发射-渗压场的多场多参数监测记录。

其中，岩石试样1可为实际岩石材料，或者为模拟岩石材料；岩石试样1尺寸为：直径50mm，高度为100mm的圆柱体；冲头4为直径50mm，高度400mm的圆柱体；入射杆6和透射杆9为直径50mm，长度2000mm的圆柱体；应变片7和8分别布设于入射杆6和透射杆9的中间部位；声发射***采用PCI-2型，其中，声发射传感器15尺寸为Ф5.5mm，采用侧部出现方式，声发射信号线16的直径为Ф2mm。

其实验步骤大致如下：

a、将岩石试样1装卡到压力室2内，打开阀门12后从溶液存储室13中将一定浓度溶液通过导管11分别注入岩石试样1的顶、底部，对岩石试样1施加顶部渗压和底部渗压，所施底部渗压大于顶部渗压，两者渗压差为试验所需渗压值；

b、将加热炉3与入射杆7和透射杆9连接，将可调保温仓门25沿调节滑道22向上提起，用定位螺柱23固定；

c、将包裹岩石试样1的压力室2放入加热炉3的加热腔27的中部，调节入射杆7和透射杆9的位置，使其与岩石试样1的端部初步对齐，然后通过调节加热炉3下部支架上的四个找平螺栓24，达到岩石试样1与入射杆7和透射杆9的精确对齐；

d、松开定位螺柱23，放下可调保温仓门25，使其口部尽可能接近入射杆7、透射杆9的顶部，但又不影响两个杆的来回自由移动，标记出此时可调保温仓门25的高度，退出入射杆7和透射杆9，关闭可调保温仓门25，通过热电偶***孔26***热电偶21，同时打开SHPB动态加载装置上的数据采集***20，以采集入射杆7和透射杆9中的应力波信号；

e、岩石试样1在加热炉3中进行加热，热电偶21进行压力室2内的温度测量，使得压力室2内的温度达到所需试验温度，试验温度范围一般取40℃到200℃之间；

f、维持渗压、温度以及溶液浓度稳定后，从气室4中发射冲头5，对入射杆7和岩石试样1进行动态冲击，通过入射杆7和透射杆9上的应变片8对岩石试样1的变形及应力波变化情况进行记录，并将数据存储到数据采集***20中，同时声发射传感器15即开始监测记录岩石试样1在动态加载破坏时的声发射信号，采集到的声发射信号通过声发射信号线16传输至端子17、BNC转接头18和前置放大器19中，最终实现岩石试样1在动态冲击加载条件下的温度场-声发射-渗压场的多场多参数监测记录。

以上的各实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置，其特征在于：所述多场耦合动态加载岩石力学实验装置包括：

岩石试样、压力室、加热炉、气室、冲头、发射腔、入射杆、应变片、透射杆、吸收杆、导管、阀门、溶液存储室、测速***、声发射传感器、声发射信号线、端子、BNC转接头、前置放大器、数据采集***、热电偶、调节滑道、定位螺柱、找平螺栓、可调保温仓门、热电偶***孔、加热腔、高强度透明石英筒，所述岩石试样装卡到所述压力室内，所述溶液存储室将一定浓度溶液通过所述导管分别注入岩石试样的顶、底部，对岩石试样施加顶部渗压和底部渗压；所述加热炉放置入射杆和透射杆中间，所述压力室置于加热炉中的加热腔内，加热腔外包裹有高强度透明石英筒，加热炉下部支架设置四个找平螺栓，通过所述加热炉对所述压力室内的所述岩石试样及周围溶液进行温度调节和控制；冲头在气室中加压由发射腔发射，冲头发射速度由测速***监测记录，冲头发射后撞击入射杆产生应力波，入射杆撞击试样将应力波传播至透射杆中，透射杆尾部与吸收杆连接，数据采集***与两个应变片连接，两个应变片分别布设于入射杆和透射杆中部；所述BNC转接头两端分别与端子及前置放大器连接，端子通过声发射信号线与声发射传感器连接。

2.根据权利要求1所述的多场耦合动态加载岩石力学实验装置，其特征在于：所述数据采集***两端通过应变片分别与入射杆和透射杆连接。

3.根据权利要求1所述的多场耦合动态加载岩石力学实验装置，其特征在于：所述溶液存储室设有溶液浓度检测计，通过选取所需溶质和溶液浓度，实现岩样不同溶质和不同浓度溶液的渗流。

4.一种多场耦合动态加载岩石力学实验装置应用方法，其特征在于，采用如权利要求1至3任一项所述的多场耦合动态加载岩石力学实验装置，包括如下步骤：

a、将岩石试样装卡到压力室内，打开阀门后从溶液存储室中将一定浓度溶液通过导管分别注入岩石试样的顶、底部，对岩石试样施加顶部渗压和底部渗压，所施底部渗压大于顶部渗压，两者渗压差为试验所需渗压值；

b、将加热炉与入射杆和透射杆连接，将可调保温仓门沿调节滑道向上提起，用定位螺柱固定；

c、将包裹岩石试样的压力室放入加热炉的加热腔的中部，调节入射杆和透射杆的位置，使其与岩石试样的端部初步对齐，然后通过调节加热炉下部支架上的四个找平螺栓，达到岩石试样与入射杆和透射杆的精确对齐；

d、松开定位螺柱，放下可调保温仓门，使其口部尽可能接近入射杆、透射杆的顶部，但又不影响两个杆的来回自由移动，标记出此时可调保温仓门的高度，退出入射杆和透射杆，关闭可调保温仓门，通过热电偶***孔***热电偶，同时打开SHPB动态加载装置上的数据采集***，以采集入射杆和透射杆中的应力波信号；

e、岩石试样在加热炉中进行加热，热电偶进行压力室内的温度测量，使得压力室内的温度达到所需试验温度，试验温度范围一般取40℃到200℃之间；

f、维持渗压、温度以及溶液浓度稳定后，从气室中发射冲头，对入射杆和岩石试样进行动态冲击，通过入射杆和透射杆上的应变片对岩石试样的变形及应力波变化情况进行记录，并将数据存储到数据采集***中，同时声发射传感器即开始监测记录岩石试样在动态加载破坏时的声发射信号，采集到的声发射信号通过声发射信号线传输至端子、BNC转接头和前置放大器中，最终实现岩石试样在动态冲击加载条件下的温度场-声发射-渗压场的多场多参数监测记录。