CN111208023A - 一种渗流—疲劳耦合负载试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗流—疲劳耦合负载试验装置及方法，该装置，包括数控***、三轴压力室、向三轴压力室内提供设定围压的围压循环液压***、向试样泵送渗透水的水泵、对渗透水进行计量的计量装置、垂直动态疲劳作动器、用于支撑垂直动态疲劳作动器的框架、驱动垂直动态疲劳作动器动作的加载循环液压***、用于支撑试样的垫块、用于将传递载荷的传力构件。采用本申请的试验装置和方法，不仅能同时满足渗流—疲劳耦合动态加载的要求、从而对岩体工程中水坝、矿山和桥梁营运过程中的变形特性与渗透特现象进行模拟和测定，而且能够提供较大的测量范围及测量精度，试验结果直观可靠，以便满足不同情况下的试验需要。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程力学性能检测试验设备领域，具体涉及一种渗流—疲劳耦合负载试验装置及方法。
背景技术
随着我国的大型岩体工程不断增加，岩石在复杂应力环境下的变形特性与渗透特性始终是岩土工程关注的热点。比如在水坝、矿山和桥梁营运过程中，水坝水位常年变动导致基岩所受压力呈周期性变化，或者矿山常年车辆振动堆积矿山顶底板和边坡岩体，或者桥梁车辆动荷载作用下桥梁桩基基岩的周期性荷载作用，均可近似看做岩体在疲劳载荷作用下的渗流过程，疲劳载荷引起岩体的渗流特性发生改变，进而影响了岩体的强度与破坏。
国内外现有研究多数为岩石在静态力加载作用下的渗流特性研究，比如静水压缩、三轴压缩、加卸载循环下的渗流特性，极少数学者关注岩石在动荷载加载下的渗流特性，以及岩石在不同疲劳加载形式下的渗流特性，因此，由于岩石三轴压缩过程中渗流试验的特殊性与复杂性，现有技术所使用的试验设备很难同时满足渗流—疲劳耦合加载的要求以及对该现象进行模拟和测定，国内目前尚未研发出功能完善的岩石渗流—疲劳耦合装置。此外，在三轴压缩时对岩石试样进行水平加载时，通常采用固定方向的载荷，这就导致试样周向受力存在偏差，这一定程度上影响了试验结果的精确性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种渗流—疲劳耦合负载试验装置及方法，不仅能同时满足渗流—疲劳耦合动态加载的要求、从而对岩体工程如上述水坝、矿山和桥梁营运过程中的变形特性与渗透特现象进行模拟和测定，而且能够提供较大的测量范围及测量精度，试验结果直观可靠，以便满足不同情况下的试验需要。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种渗流—疲劳耦合负载试验装置，包括用于数据采集和分析的数控***、三轴压力室、向三轴压力室内泵送液压油以便给放置在三轴压力室内的试样提供设定围压的围压循环液压***、向试样泵送渗透水的水泵、对渗透水进行计量的计量装置、垂直动态疲劳作动器、用于支撑垂直动态疲劳作动器的框架、驱动垂直动态疲劳作动器动作的加载循环液压***、设置在三轴压力室底部的用于支撑试样的垫块、设置在试样顶部的用于将垂直动态疲劳作动器的载荷传递至试样的传力构件。
进一步，所述三轴压力室的两端分别设置有与三轴压力室的内部均连通的围压入口和围压出口，所述围压循环液压***分别通过液压油管路与围压入口和围压出口连通。
进一步，所述三轴压力室的底部和垫块的内部形成渗透水流入通道，三轴压力室的外壁设置有与渗透水流入通道连通的渗透水入口，所述渗透水入口通过水流管路与水泵连通；所述传力构件的内部形成渗透水流出通道，传力构件的外壁设置有与渗透水流出通道连通的渗透水出口，所述渗透水出口通过水流管路与计量装置连通。
进一步，所述数控***包括数据采集模块、数据处理模块和计算机控制模块。
进一步，还包括用于围压压力实时采集的围压传感器。
进一步，所述渗透水入口和渗透水出口处均设置有水压传感器。
进一步，所述加载循环液压***包括加载油泵、液压控制装置、油温报警器、油位报警器、滤油器和滤油器堵塞报警器。
进一步，所述传力构件包括相匹配的传力杆和上球状接头块。
进一步，所述计量装置为电子天平。
本发明还提供了一种采用上述装置进行试验的方法，包括如下步骤：
步骤一，制样：设定岩石试样尺寸后将岩石试样在水中浸泡使其达到水饱和；
步骤二，装样：在岩石试样外部套置热缩管，并用密封件将热缩管和岩石试样之间进行密封，将密封好的岩石试样放入三轴压力室，使岩石试样的顶部和底部分别通过传力构件和垫块进行夹持固定；
步骤三，施加围压：装样完成后，通过围压循环液压***给三轴压力室液压充油，使岩石试样处于预设的围压之中；
步骤四，施加轴向压力：通过加载循环液压***给试件施加周期性的轴向压力，使试件逐步达到疲劳极限；
步骤五，施加渗透水压并计量渗流水量：通过水泵向岩石试样施加渗透水压，渗流水量的数据由计量装置实时采集和计量；
步骤六，卸载拆样：排净三轴压力室内的液压油后打开三轴压力室、拆除岩石试样，试验完毕。
本发明的有益效果：
本发明主要涉及渗流—疲劳耦合加载过程：通过围压循环液压***、加载循环液压***，施加至预设的围压、疲劳冲击值并稳定，再结合水泵向岩石试样施加渗透水压进行渗流—疲劳耦合加载试验。通过计算机控制模块调整施加的围压值、轴压值、渗透水压值、疲劳加载频率及疲劳加载形式，通过数据采集模块实时记录测量试样当前的围压、进出口渗透压力值、轴向、环向应变值、出口流量，通过数据处理模块绘制出相应的应力—应变曲线、渗透系数变化规律曲线。
该渗流—疲劳耦合负载试验装置不仅能同时满足渗流—疲劳耦合动态加载的要求、从而对岩体工程如上述水坝、矿山和桥梁营运过程中的变形特性与渗透特现象进行模拟和测定，而且能够提供较大的测量范围及测量精度，试验结果直观可靠，以便满足不同情况下的试验需要。再者，在试样四周施加稳定的液压围压，提高了试样周向受力的均匀性，这一定程度上提高了试验结果的精确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的三轴压力室的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1-2所示：本实施例提供了一种渗流—疲劳耦合负载试验装置，包括：
数控***10；所述数控***10包括数据采集模块、数据处理模块和计算机控制模块，所述计算机控制模块包括试验步骤编辑设定模块、试验自动程控编程器。在具体试验过程中，数据采集模块可实时记录测量试样当前的围压、进出口渗透压力值、轴向、环向应变值、出口流量；数据处理模块可以绘制出相应的应力—应变曲线、渗透系数变化规律曲线；计算机控制模块可以调整施加的围压值、轴压值、渗透水压值、疲劳加载频率及疲劳加载形式。这些功能模块的具体电路结构均为现有技术，这里不做详细介绍。
三轴压力室3；所述三轴压力室3通过底座2支撑，三轴压力室的底部设置有用于支持试样14的垫块13，三轴压力室的底部和垫块的内部形成渗透水流入通道，三轴压力室的外壁设置有与渗透水流入通道连通的渗透水入口12。
向三轴压力室内泵送液压油以便给放置在三轴压力室内的试样提供设定围压的围压循环液压***；所述围压循环液压***包括围压油泵9等液压元件，其具体的连接、安装形式均为现有技术。在具体试验过程中，通过围压传感器对围压压力进行实时采集。所述三轴压力室3的两端分别设置有与三轴压力室的内部均连通的围压入口11和围压出口16，所述围压循环液压***分别通过液压油管路与围压入口11和围压出口16连通。
向试样泵送渗透水的水泵8以及用于计量渗透水量的计量装置；所述水泵通过水流管路与渗透水入口连通，通过水泵向岩石试样泵送设定压力的渗透水。为确保渗透水量计量的敏感性和便利性，计量装置优选为电子天平。
垂直动态疲劳作动器5；所述垂直动态疲劳作动器5为液压缸式构件。
用于支撑垂直动态疲劳作动器5的框架1、驱动垂直动态疲劳作动器5动作的加载循环液压***以及设置在试样顶部的用于将垂直动态疲劳作动器的载荷传递至试样的传力构件。所述加载循环液压***包括加载油泵7、液压控制装置6、油温报警器、油位报警器、滤油器和滤油器堵塞报警器。所述传力构件包括相匹配的传力杆4和上球状接头块15。所述传力构件的内部形成渗透水流出通道，传力构件的外壁设置有与渗透水流出通道连通的渗透水出口17，通过水流管路将渗透水出口流出的渗透水引至电子天平进行计量，在渗透水入口12和渗透水出口17处均设置有水压传感器。
本实施例还提供了一种采用上述装置进行试验的方法，包括如下步骤：
步骤一，制样：所使用的的岩石试样尺寸为
将岩石试样在水中浸泡24小时使其达到水饱和；
步骤二，装样：在岩石试样外部套置热缩管，并用密封件将热缩管和岩石试样之间进行密封，将密封好的岩石试样放入三轴压力室，使岩石试样的顶部和底部分别通过传力构件和垫块进行夹持固定；更加具体来说，将上球状接头块15底部朝上、顶部向下倒扣在试样14顶部，刚性的垫块13的底部向下、顶部向上支撑在试样14的底部，并确保岩石试样的两端密封；
步骤三，施加围压：装样完成后，通过围压循环液压***给三轴压力室液压充油，使岩石试样处于预设的围压之中；更加具体来说，装样完成后，打开围压入口11，通过围压油泵9给三轴压力室3液压充油，以驱赶三轴压力室3里面的空气，液压油通过液压油管路形成循环，说明三轴压力室3已经充满，施加围压至预设值，围压值通过围压传感器实时采集；
步骤四，施加轴向压力：通过加载循环液压***给试件施加周期性的轴向压力，使试件逐步达到疲劳极限；更加具体来说，加载循环液压***通过液压元件与垂直动态疲劳作动器5连接，加载循环液压***包括液压控制装置6、加载油泵7、油温报警器、油位报警器、滤油器和滤油器堵塞报警器，各构件的连接、安装形式均为现有技术。垂直动态疲劳作动器5可施加的最大推力为1000KN，动态试验频率0.01-5Hz。在加载过程中，垂直动态疲劳作动器通过冷却***冷却，以便实现疲劳加载的目的。
步骤五，施加渗透水压并计量渗流水量：通过水泵向岩石试样施加渗透水压，渗流水量的数据由计量装置实时采集和计量；更加具体来说，打开渗透水入口12，通过水泵8施加渗透水压力至预设值，压力水出口17与电子天平连接，进行渗流试验。在渗流过程中，进出口端压力值由端部的水压传感器实时采集，渗流水量数据由电子天平实时采集；
步骤六，卸载拆样：打开围压入口，排净三轴压力室内的液压油后打开三轴压力室、拆除岩石试样，试验完毕。
综上所述，采用本实施例的试验装置和方法，不仅能同时满足渗流—疲劳耦合动态加载的要求、从而对岩体工程如上述水坝、矿山和桥梁营运过程中的变形特性与渗透特现象进行模拟和测定，而且能够提供较大的测量范围及测量精度，试验结果直观可靠，以便满足不同情况下的试验需要。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：包括用于数据采集和分析的数控***、三轴压力室、向三轴压力室内泵送液压油以便给放置在三轴压力室内的试样提供设定围压的围压循环液压***、向试样泵送渗透水的水泵、对渗透水进行计量的计量装置、垂直动态疲劳作动器、用于支撑垂直动态疲劳作动器的框架、驱动垂直动态疲劳作动器动作的加载循环液压***、设置在三轴压力室底部的用于支撑试样的垫块、设置在试样顶部的用于将垂直动态疲劳作动器的载荷传递至试样的传力构件。
2.根据权利要求1所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述三轴压力室的两端分别设置有与三轴压力室的内部均连通的围压入口和围压出口，所述围压循环液压***分别通过液压油管路与围压入口和围压出口连通。
3.根据权利要求2所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述三轴压力室的底部和垫块的内部形成渗透水流入通道，三轴压力室的外壁设置有与渗透水流入通道连通的渗透水入口，所述渗透水入口通过水流管路与水泵连通；所述传力构件的内部形成渗透水流出通道，传力构件的外壁设置有与渗透水流出通道连通的渗透水出口，所述渗透水出口通过水流管路与计量装置连通。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述数控***包括数据采集模块、数据处理模块和计算机控制模块。
5.根据权利要求4所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：还包括用于围压压力实时采集的围压传感器。
6.根据权利要求5所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述渗透水入口和渗透水出口处均设置有水压传感器。
7.根据权利要求6所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述加载循环液压***包括加载油泵、液压控制装置、油温报警器、油位报警器、滤油器和滤油器堵塞报警器。
8.根据权利要求7所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述传力构件包括相匹配的传力杆和上球状接头块。
9.根据权利要求8所述的渗流—疲劳耦合负载试验装置，其特征在于：所述计量装置为电子天平。
10.一种采用如权利要求1所述的装置进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制样：设定岩石试样尺寸后将岩石试样在水中浸泡使其达到水饱和；
步骤二，装样：在岩石试样外部套置热缩管，并用密封件将热缩管和岩石试样之间进行密封，将密封好的岩石试样放入三轴压力室，使岩石试样的顶部和底部分别通过传力构件和垫块进行夹持固定；
步骤三，施加围压：装样完成后，通过围压循环液压***给三轴压力室液压充油，使岩石试样处于预设的围压之中；
步骤四，施加轴向压力：通过加载循环液压***给试件施加周期性的轴向压力，使试件逐步达到疲劳极限；
步骤五，施加渗透水压并计量渗流水量：通过水泵向岩石试样施加渗透水压，渗流水量的数据由计量装置实时采集和计量；
步骤六，卸载拆样：排净三轴压力室内的液压油后打开三轴压力室、拆除岩石试样，试验完毕。
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