CN111157356B - 一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置 - Google Patents

一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置，属于岩体力学实验技术领域。该装置包括微机屏显电液伺服万能试验***、温度控制***和微机屏显冻胀力传感器监测***，微机屏显电液伺服万能试验***包括万能试验机、电液控制***和微机屏显数据采集***，温度控制***包括冻融环境试验箱和温度控制箱，万能试验机完全置于冻融环境试验箱内。微机屏显冻胀力传感器监测***包括冻胀力传感器和微机屏显数据采集***。该装置中三部分相互配合，可以实时控制并监测整个岩石试件过程中冻融环境温度、单轴抗压强度、单轴压缩变形和每条含冰裂隙的冻胀力大小，从而研究不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力变化特性。

Description

一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置
技术领域
本发明涉及岩体力学实验技术领域，特别是指一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置。
背景技术
我国对金属矿产资源需求量持续增加，而低海拔地区资源量日趋减少，高海拔寒区金属矿产资源开采与利用必将成为国家战略。高海拔地区低温、低气压、冻融循环、生态脆弱等特点，导致矿山开采条件差、灾变机理复杂等问题。
高海拔高寒地区工程岩体冻融损伤是寒区常见的工程难题，其主要诱因是岩体中赋存的孔隙、裂隙水在气温交替变化中冰-水相变诱发的冻胀力对岩石造成的损伤劣化，包括微观损伤、渗流劈裂、冻胀碎裂等，破坏机理复杂、损伤演化过程影响因素众多。裂隙岩体冻融损伤与断裂主要是由于岩体含冰裂隙冻胀力演化造成的，因此，研究不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力大小对揭示高海拔高寒地区工程岩体损伤劣化、破裂演化过程具有重要意义。
目前针对岩体裂隙冻胀力的研究方法，多以数值模拟和理论模型为主，缺少不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力大小的实测数据的支持。已有的裂隙冻胀力测试方法包括光弹性测试技术和薄膜压力传感器测试方法，但光弹性试验的测试精度较差而薄膜压力传感器的安装精度相对较差，并且所测裂隙冻胀力不能考虑矿山应力扰动作用的实际情况，因此有必要对应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置及方法进行研究，以完善裂隙冻胀力测试技术。武汉科技大学发明了一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置(申请号：CN201711009776.X)，如果要研究长×宽×深为15cm×4mm×8cm的裂隙饱水冻结过程中冻胀力大小，先将制作15cm×15cm×15cm的标准试块从任意面中心线处切割，形成一条长×宽×深为15cm×4mm×8cm的裂隙；然后向裂隙中***厚4mm的预制钢片，在试样中垂直裂隙表面方向打圆孔直至接触钢板，通过在半开口裂隙试样表面施加压应力研究不同垂直荷载作用下饱水裂隙中冻胀力大小。但是，该发明专利存在以下几个不足：1)所用试件尺寸为15cm×15cm×15cm的标准试块，此试块的尺寸多用于混凝土等相似材料中，并不是岩石力学试验标准尺寸Φ50×100mm；2)该装置为组合式屉型刚架，中间用千斤顶加力，该装置试块受力面较大而两侧反力***脆弱，并不能施加太大的垂直荷载，不能代表矿山应力扰动；3)温度传感器和压力传感器需要另外开孔，安装好后还需用水泥砂浆封堵，过程比较繁琐。所以，研究发明一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置是解决问题的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置。该装置原理明确、操作简单、精度精准，可研究不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力大小。
该装置包括微机屏显电液伺服万能试验***、温度控制***和微机屏显冻胀力传感器监测***，微机屏显电液伺服万能试验***包括万能试验机和电液控制***，温度控制***包括冻融环境试验箱和温度控制箱，微机屏显冻胀力传感器监测***包括冻胀力传感器和微机屏显数据采集***，万能试验机完全置于冻融环境试验箱内，温度控制箱和电液控制***置于冻融环境试验箱外，电液控制***控制万能试验机，冻胀力传感器安装在万能试验机上，微机屏显冻胀力传感器监测***具体包括单轴试验数据采集***、冻胀力传感器监测数据采集***、微机、温度传感器、电液控制***、电液控制***传输线、温度控制箱传输线、冻胀力采集***控制线、试验机应力-应变采集***控制线、竖向冻胀力传感器传输线、横向冻胀力传感器传输线、单轴抗压强度传输线、单轴压缩变形传输线、单轴抗压强度传感器、竖向裂隙冻胀力传感器、斜向裂隙冻胀力传感器和单轴压缩变形传感器。
其中，万能试验机包括上反力架、移动横梁、上垫块、下垫块、反力柱、下反力架、底座和底座垫块，底座下安装底座垫块，底座上安装上反力架、移动横梁和下反力架，上反力架和下反力架之间通过反力柱连接，移动横梁在反力柱上滑动，移动横梁上设置上垫块，下反力架上设置下垫块，上垫块和下垫块之间用于放置带含冰裂隙岩石试件。
微机和电液控制***通过电液控制***传输线连接，单轴抗压强度传输线将单轴抗压强度传感器的数据传输给单轴试验数据采集***，单轴压缩变形传输线将单轴压缩变形传感器的数据传输给单轴试验数据采集***，试验机应力-应变采集***控制线连接微机和单轴试验数据采集***。
温度控制箱传输线连接微机和温度控制箱，温度传感器安置在冻融环境试验箱内侧。
竖向裂隙冻胀力传感器和斜向裂隙冻胀力传感器安装在用于测试的试件的含冰裂隙中，竖向裂隙冻胀力传感器和斜向裂隙冻胀力传感器分别通过竖向冻胀力传感器传输线和横向冻胀力传感器传输线连接到冻胀力传感器监测数据采集***，冻胀力传感器监测数据采集***通过冻胀力采集***控制线连接微机。
单轴压缩变形传感器采用引伸计。
该装置中通过电液控制***控制送油和回油来实现应力扰动进行试验，并且微机连接数据采集***，可以实时屏显记录试验过程中岩石试件的单轴抗压强度和单轴压缩变形。
温度控制箱可以控制冻融环境试验箱的温度，并且可以实时屏显记录试验过程中岩石试件所处环境的真实温度。水平向施加荷载的万能试验机完全置于冻融环境试验箱内。
试验时冻胀力传感器置于岩石试件预制的含冰裂隙之中进行冻胀力测量，传感器的个数可以根据裂隙的个数调整，冻胀力传感器连接数据采集***，可以实时屏显试验过程中不同岩石试件含冰裂隙的冻胀力大小。
本发明三部分相互配合，可以实时控制并监测整个岩石试件过程中冻融环境温度、单轴抗压强度、单轴压缩变形和每条含冰裂隙的冻胀力大小，从而研究不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力变化特性。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)本发明装置简单，操作方便，成本较低，通过微机操作可以完全操作试验，整个试验过程属于全自动，做试验时，只需要点击鼠标，给予指令即可。
(2)本装置所用试件为岩石力学试验标准试件Φ50×100mm，所得结果考虑了尺寸效应，更加准确。
(3)本冻胀力传感器安装精度高，测量误差小。
(4)该装置可研究不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力变化特性，应力扰动大小和含冰裂隙个数可以根据试验条件任意变化。
附图说明
图1为本发明的应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置结构示意图；
图2为本发明的应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置背面结构示意图；
图3为本发明的应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置中冻融环境试验箱示意图；
图4为本发明的应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置中万能试验机装配图；
图5为本发明的应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置中岩石试件安装示意图；
图6为本发明实施例中加载应力10MPa时采用该装置测试得到的冻融力演化曲线。
其中：1-微机；2-单轴试验数据采集***；3-冻胀力传感器监测数据采集***；4-温度控制箱；5-冻融环境试验箱；6-温度传感器；7-上反力架；8-移动横梁；9-上垫块；10-带含冰裂隙岩石试件；11-下垫块；12-反力柱；13-下反力架；14-底座；15-底座垫块；16-电液控制***；17-电液控制***传输线；18-温度控制箱传输线；19-冻胀力采集***控制线；20-试验机应力-应变采集***控制线；21-竖向冻胀力传感器传输线；22-横向冻胀力传感器传输线；23-单轴抗压强度传输线；24-单轴压缩变形传输线；25-单轴抗压强度传感器；26-竖向裂隙冻胀力传感器；27-斜向裂隙冻胀力传感器；28-单轴压缩变形传感器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置。
如图1和图2所示，该装置包括微机屏显电液伺服万能试验***、温度控制***和微机屏显冻胀力传感器监测***，微机屏显电液伺服万能试验***包括万能试验机和电液控制***16，温度控制***包括冻融环境试验箱5和温度控制箱4，微机屏显冻胀力传感器监测***包括冻胀力传感器和微机屏显数据采集***，万能试验机完全置于冻融环境试验箱5内，温度控制箱4和电液控制***16置于冻融环境试验箱5外，电液控制***16控制万能试验机，冻胀力传感器安装在万能试验机上，微机屏显冻胀力传感器监测***具体包括单轴试验数据采集***2、冻胀力传感器监测数据采集***3、微机1、温度传感器6、电液控制***16、电液控制***传输线17、温度控制箱传输线18、冻胀力采集***控制线19、试验机应力-应变采集***控制线20、竖向冻胀力传感器传输线21、横向冻胀力传感器传输线22、单轴抗压强度传输线23、单轴压缩变形传输线24、单轴抗压强度传感器25、竖向裂隙冻胀力传感器26、斜向裂隙冻胀力传感器27和单轴压缩变形传感器28。
如图4所示，万能试验机包括上反力架7、移动横梁8、上垫块9、下垫块11、反力柱12、下反力架13、底座14和底座垫块15，底座14下安装底座垫块15，底座14上安装上反力架7、移动横梁8和下反力架13，上反力架7和下反力架13之间通过反力柱12连接，移动横梁8在反力柱12上滑动，移动横梁8上设置上垫块9，下反力架13上设置下垫块11，上垫块9和下垫块11之间用于放置带含冰裂隙岩石试件10，如图5所示。
微机1和电液控制***16通过电液控制***传输线17连接，单轴抗压强度传输线23将单轴抗压强度传感器25的数据传输给单轴试验数据采集***2，单轴压缩变形传输线24将单轴压缩变形传感器28的数据传输给单轴试验数据采集***2，试验机应力-应变采集***控制线20连接微机1和单轴试验数据采集***2。
如图3所示，温度控制箱传输线18连接微机1和温度控制箱4，温度传感器6安置在冻融环境试验箱5内侧。
竖向裂隙冻胀力传感器26和斜向裂隙冻胀力传感器27安装在用于测试的试件的含冰裂隙中，竖向裂隙冻胀力传感器26和斜向裂隙冻胀力传感器27分别通过竖向冻胀力传感器传输线21和横向冻胀力传感器传输线22连接到冻胀力传感器监测数据采集***3，冻胀力传感器监测数据采集***3通过冻胀力采集***控制线19连接微机1。
下面结合具体实施过程予以说明。
准备带含冰裂隙岩石试件10进行试验。
微机屏显电液伺服万能试验***主要进行不同应力扰动状态的试验，通过电液控制***传输线17连接微机1控制电液伺服***16的送油和回油实现应力扰动试验；通过单轴抗压强度传输线23将单轴抗压强度传感器25所监测数据传递到单轴试验数据采集***2、通过单轴压缩变形传输线24讲单轴压缩变形传感器(引伸计)28所监测数据传递到单轴试验数据采集***2；通过试验机应力-应变采集***控制线20连接微机1和单轴试验数据采集***2，可以实时屏显记录试验过程中岩石试件的单轴抗压强度和单轴压缩变形。
通过温度控制箱传输线18连接微机1和温度控制箱4，可以控制冻融环境试验箱5的温度；通过温度传感器6可以实时屏显记录试验过程中岩石试件所处环境的真实温度。
试验时竖向裂隙冻胀力传感器26和斜向裂隙冻胀力传感器27置于岩石试件预制的含冰裂隙之中进行冻胀力测量，传感器的个数可以根据裂隙的个数调整，冻胀力传感器分别通过竖向冻胀力传感器传输线21和横向冻胀力传感器传输线22连接到冻胀力传感器监测数据采集***3；通过冻胀力采集***控制线19连接微机1和冻胀力传感器监测数据采集***3，可以实时屏显试验过程中不同岩石试件含冰裂隙的冻胀力大小。
安装完毕，在加载应力10MPa时，测试得到的冻融力演化曲线如图6所示。
本发明三部分相互配合，可以实时控制并监测整个岩石试件过程中冻融环境温度、单轴抗压强度、单轴压缩变形和每条含冰裂隙的冻胀力大小，从而研究不同应力扰动作用和不同裂隙形态下的含冰裂隙冻胀力变化特性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置，其特征在于：包括微机屏显电液伺服万能试验***、温度控制***和微机屏显冻胀力传感器监测***，微机屏显电液伺服万能试验***包括万能试验机和电液控制***(16)，温度控制***包括冻融环境试验箱(5)和温度控制箱(4)，微机屏显冻胀力传感器监测***包括冻胀力传感器和微机屏显数据采集***，万能试验机完全置于冻融环境试验箱(5)内，温度控制箱(4)和电液控制***(16)置于冻融环境试验箱(5)外，电液控制***(16)控制万能试验机，冻胀力传感器安装在万能试验机上，微机屏显冻胀力传感器监测***具体包括单轴试验数据采集***(2)、冻胀力传感器监测数据采集***(3)、微机(1)、温度传感器(6)、电液控制***(16)、电液控制***传输线(17)、温度控制箱传输线(18)、冻胀力采集***控制线(19)、试验机应力-应变采集***控制线(20)、竖向冻胀力传感器传输线(21)、横向冻胀力传感器传输线(22)、单轴抗压强度传输线(23)、单轴压缩变形传输线(24)、单轴抗压强度传感器(25)、竖向裂隙冻胀力传感器(26)、斜向裂隙冻胀力传感器(27)和单轴压缩变形传感器(28)；所述微机(1)和电液控制***(16)通过电液控制***传输线(17)连接，单轴抗压强度传输线(23)将单轴抗压强度传感器(25)的数据传输给单轴试验数据采集***(2)，单轴压缩变形传输线(24)将单轴压缩变形传感器(28)的数据传输给单轴试验数据采集***(2)，试验机应力-应变采集***控制线(20)连接微机(1)和单轴试验数据采集***(2)；所述温度控制箱传输线(18)连接微机(1)和温度控制箱(4)，温度传感器(6)安置在冻融环境试验箱(5)内侧；所述竖向裂隙冻胀力传感器(26)和斜向裂隙冻胀力传感器(27)安装在用于测试的试件的含冰裂隙中，竖向裂隙冻胀力传感器(26)和斜向裂隙冻胀力传感器(27)分别通过竖向冻胀力传感器传输线(21)和横向冻胀力传感器传输线(22)连接到冻胀力传感器监测数据采集***(3)，冻胀力传感器监测数据采集***(3)通过冻胀力采集***控制线(19)连接微机(1)；
所述万能试验机包括上反力架(7)、移动横梁(8)、上垫块(9)、下垫块(11)、反力柱(12)、下反力架(13)、底座(14)和底座垫块(15)，底座(14)下安装底座垫块(15)，底座(14)上安装上反力架(7)、移动横梁(8)和下反力架(13)，上反力架(7)和下反力架(13)之间通过反力柱(12)连接，移动横梁(8)在反力柱(12)上滑动，移动横梁(8)上设置上垫块(9)，下反力架(13)上设置下垫块(11)，上垫块(9)和下垫块(11)之间用于放置带含冰裂隙岩石试件(10)。
2.根据权利要求1所述的应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置，其特征在于：所述单轴压缩变形传感器(28)为引伸计。
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Title
Experimental study on crack coalescence behavior of double unparallel fissure-contained sandstone specimens subjected to freeze-thaw cycles under;Y. Niu et al.;《Cold Regions Science and Technology》;第166-181页 *
冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究;李新平 等;《岩石力学与工程学报》;第第32卷卷(第11期);第2307-2318页 *
循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究;刘红岩 等;《岩土力学》;第35卷(第6期);第1547-1554页 *

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