CN113466060B - 一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***及试验方法，包括试验框架以及设置在试验框架内部的竖直位移加载装置和水平位移加载装置；竖直位移加载装置用于在竖直方向抬升试样及对试样施加松弛位移载荷，并测量试样竖直位移及应力，水平位移加载装置数量为多个且设置在试验框架的两侧壁之间，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向对应的试样施加方向相反的水平加载力，水平位移加载装置上还设有用于记录试样水平方向长时间蠕变应力的第一压力传感器和用于记录试样水平方向长时间位移变化的第一激光位移计。本发明解决了无法测试在多个方向给定不同程度的作用力时材料发生剪切错动情况的问题。

Description

一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***及试验方法
技术领域
本发明涉及岩石、混凝土、聚合物等材料的流变剪切力学性能测试，具体的说是一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***及试验方法。
背景技术
在岩体巷道掘进过程中，对巷道周边围岩进行长时间位移约束支护，会使得垂直围岩法向方向产生应力松弛；如果巷道周边有断层等不良地质条件，岩体会沿着断层切向发生蠕变错动位移，这些都不利于巷道长期稳定。因此，为了弄清巷道周边岩体在该复杂条件下的力学机理，急需发明一种能够对岩石进行剪切的流变松弛耦合测试***。
目前，岩石、混凝土等材料的流变剪切试验装置包括单轴蠕变剪切试验机，双轴加载蠕变剪切试验机，真三轴蠕变剪切试验机等。基于蠕变剪切试验机对岩石、混凝土等材料的流变剪切力学特性的研究方法，加载方式最初只有一个方向给定恒定正压力，另一个方向给定长时间恒定的推力使得材料在该方向发生剪切错动，无法测试在多个方向给定不同程度的作用力时材料发生剪切错动的情况。
发明内容
本发明旨在提供一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***及试验方法，为了解决现有技术无法测试在多个方向给定不同程度的作用力时材料发生剪切错动情况的问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体方案为：一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***，包括试验框架以及设置在试验框架内部的竖直位移加载装置和水平位移加载装置；竖直位移加载装置的下部为位移升降机构，位移升降机构的上部设置有试样支撑平台，试样支撑平台的上表面设置有第一磁性滚轴，试验框架顶板下部与位移升降机构对应的位置设置有第二压力传感器，第二压力传感器下部设置有刚性垫板，刚性垫板的下表面设置有第二磁性滚轴，第一磁性滚轴和第二磁性滚轴形成的空间用于放置试验的多层试样，竖直位移加载装置上设有用于测量试样竖直位移的第二激光位移计；水平位移加载装置数量为多个且设置在试验框架的两侧壁之间，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向对应的试样施加方向相反的水平加载力，每个水平位移加载装置均包括加载杆和支撑杆，试样位于对应的加载杆和支撑杆之间，每个支撑杆靠近试样的一端安装有第一压力传感器，支撑杆远离试样的一端固定连接在试验框架的侧壁上，每个加载杆远离试样的一端固定连接有蠕变液压加载油缸，蠕变液压加载油缸固定设置在试验框架的侧壁上，蠕变液压加载油缸连接有并联蓄能装置，并联蓄能装置用于向水平位移加载装置提供动力，从而分别控制每个水平位移加载装置的加载杆工作，水平位移加载装置上还设有用于测量试样水平位移的第一激光位移计。
进一步的，位移升降机构为螺旋位移加载机构。
进一步的，上下相邻的两个水平位移加载装置的支撑杆间距为支撑杆直径的0.2倍。
进一步的，第一激光位移计设置在蠕变液压加载油缸上，第一激光位移计还包括有第一激光挡板，第一激光挡板设置在相应第一激光位移计所在水平位移加载装置加载杆的末端；第二激光位移计设置在竖直位移加载装置上，第二激光位移计还包括有第二激光挡板，第二激光挡板设置在试样支撑平台的下表面。
进一步的，水平位移加载装置的数量为三个，从上向下依次是1号水平位移加载装置、2号水平位移加载装置和3号水平位移加载装置。
进一步的，并联蓄能装置由三个蓄能器并联组成，每一个蓄能器与一个液压表串联，每一个液压表与一个平流泵串联。
一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***的试验方法，包括以下步骤:
1)将试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴上，打开电机，通过螺旋位移加载机构抬升试样支撑平台和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴接触，且每层试样的水平中心与对应加载杆的水平中心在一条直线上；
2)启动各个水平位移加载装置，使各个加载杆与相应的试样水平接触；
3)恒定剪切应力的应力松弛测试，启动各个水平位移加载装置，直到各个水平位移加载装置的加载应力达到预定值，打开电机，让螺旋位移加载机构对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构抬升，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；
4)多向剪切蠕变测试，重复1)-2)步骤，然后打开电机，让螺旋位移加载机构对试样进行位移加载，达到预定应力值；
5)启动2号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
6)重复1)-2)和4)步骤，启动1号水平位移加载装置和3号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
7)重复1)-2)和4)步骤，启动1号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
8)重复1)-2)和4)步骤，启动3号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、解决传统蠕变剪切装置施加完法向载荷后，无法保证剪切方向恒定蠕变载荷的问题，从而为后续在法向应力松弛条件下的多层蠕变剪切测试提供测试条件。2、多层剪切的流变松弛耦合测试***可以实现在法向应力松弛条件下，单向常规剪切，双向常规剪切，三向常规剪切的同时加载和分别加载，单向蠕变剪切，双向蠕变剪切，三向蠕变剪切的同时加载和分别加载，并实现测试过程位移和应力精确控制。3、可以在试样的多个方向给定不同程度的作用力，测试试样在不同作用力下发生剪切错动的情况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的水平位移加载装置的局部放大图；
1、试验框架，2、第二压力传感器，3、刚性垫板，4、第二磁性滚轴，5、1号水平位移加载装置，6、2号水平位移加载装置，7、3号水平位移加载装置，8、第一磁性滚轴，9、试样支撑平台，10、螺旋位移加载机构，11、蠕变液压加载油缸，12、第一激光位移计，13、加载杆，14、第一激光挡板，15、第一压力传感器，16、支撑杆，17、第二激光位移计，18、第二激光挡板，19、并联蓄能装置，20、液压表，21、油管。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2所示，本发明为一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***，包括试验框架1以及设置在试验框架1内部的竖直位移加载装置和水平位移加载装置；竖直位移加载装置的加载方向为Y方向，水平位移加载装置的加载方向为X方向。
试验框架1为由两个侧壁、上部刚性挡板和下部刚性框柱组成的矩形框架，其中一个侧壁为X+向加载框板，另一个侧壁为X-向加载框板，下部的刚性框柱数量为两根且平行设置在左侧壁和右侧壁之间。竖直位移加载装置的下部为螺旋位移加载机构10，螺旋位移加载机构10的底座固定在地面上且位于两根刚性框柱之间形成的间隙处，螺旋位移加载机构10的上部设置有试样支撑平台9，通过电机带动螺旋位移加载机构10工作，从而控制试样支撑平台9在Y+方向移动。试样支撑平台9的上表面刻有极坐标系用于试样的精准定位，试样支撑平台9的上表面还设置有第一磁性滚轴8，第一磁性滚轴8能够在试样支撑平台9的上表面沿试样水平位移的方向滚动。试验框架1上部刚性挡板的下表面与螺旋位移加载机构10对应的位置设置有第二压力传感器2，第二压力传感器2下部设置有刚性垫板3，刚性垫板3的下表面吸附有第二磁性滚轴4，第二磁性滚轴4能够在刚性垫板3上沿试样水平位移的方向滚动。第一磁性滚轴8和第二磁性滚轴4形成的空间用于放置试验的试样。
竖直位移加载装置上设有用于测量试样竖直位移的第二激光位移计17和第二激光挡板18，第二激光位移计17设置在螺旋位移加载机构10的底部，第二激光挡板18设置在试样支撑平台9的下表面。通过螺旋位移加载机构10对试样施加松弛位移载荷，松弛加载过程中利用第二压力传感器2和第二激光位移计17将试样的竖直方向应力和位移信号传输到工控机。
水平位移加载装置设置在试验框架1的X+向加载框板和X-向加载框板之间，水平位移加载装置的数量为三个，每个水平位移加载装置均为一个剪切X方向上的单轴蠕变液压加载***。水平位移加载装置从上向下依次为1号水平位移加载装置5、2号水平位移加载装置6和3号水平位移加载装置7，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向各自对应的试样施加方向相反的水平加载力，每个水平位移加载装置均包括加载杆13和支撑杆16，上下相邻的两个水平位移加载装置的支撑杆16间距为支撑杆16直径的0.2倍。试验的试样为三层，以试样所在的试样支撑平台为对称轴，加载杆13和支撑杆16分别设置在X+向、X-向，因此，所述的加载杆13包括X-向1号加载杆13、X+向2号加载杆13和X-向3号加载杆13，所述支撑杆16包括X+向1号支撑杆16、X-向2号支撑杆16和X+向3号支撑杆16。
具体的，1号水平位移加载装置5的X+向1号支撑杆靠近试样的一端安装有X+向1号第一压力传感器15，1号水平位移加载装置5的X+向1号支撑杆远离试样的一端固定连接在试验框架1的X+向加载框板上，1号水平位移加载装置5的X-向1号加载杆远离试样的一端固定连接有X-向1号蠕变液压加载油缸11，X-向1号蠕变液压加载油缸11固定设置在X-向加载框板上，X-向1号蠕变液压加载油缸11上还设置有用于测量试样水平位移的X-向1号第一激光位移计12，X-向1号加载杆的末端设置有X-向1号第一激光挡板14；通过X-向1号第一激光位移计12和X-向1号第一压力传感器15记录试样水平方向长时间的位移变化和蠕变应力。
同样的，2号水平位移加载装置6的X-向2号支撑杆靠近试样的一端安装有X-向2号第一压力传感器15，2号水平位移加载装置6的X-向2号支撑杆远离试样的一端固定连接在试验框架1的X-向加载框板上，2号水平位移加载装置6的X+向2号加载杆远离试样的一端固定连接有X+向2号蠕变液压加载油缸11，X+向2号蠕变液压加载油缸11固定设置在X+向加载框板上，X+向2号蠕变液压加载油缸11上还设置有用于测量试样水平位移的X+向2号第一激光位移计12，X+向2号加载杆的末端设置有X+向2号第一激光挡板14；通过X+向2号第一激光位移计12和X-向2号第一压力传感器15记录试样水平方向长时间的位移变化和蠕变应力。3号水平位移加载装置7的X+向3号支撑杆靠近试样的一端安装有X+向3号第一压力传感器15，3号水平位移加载装置7的X+向3号支撑杆远离试样的一端固定连接在试验框架1的X+向加载框板上，3号水平位移加载装置7的X-向3号加载杆远离试样的一端固定连接有X-向3号蠕变液压加载油缸11，X-向3号蠕变液压加载油缸11固定设置在X-向加载框板上，X-向3号蠕变液压加载油缸11上还设置有用于测量试样水平位移的X-向3号第一激光位移计12，X-向3号加载杆的末端设置有X-向3号第一激光挡板14；通过X-向3号第一激光位移计12和X+向3号第一压力传感器15记录试样水平方向长时间的位移变化和蠕变应力。
蠕变液压加载油缸11通过油管21连接有并联蓄能装置19，并联蓄能装置19由三个蓄能器并联组成，每个蓄能器通过油管21分别向对应的蠕变液压加载油缸11输油从而为水平位移加载装置提供动力，控制对应蠕变液压加载油缸11上连接的加载杆13工作。
此外，第一磁性滚轴8和第二磁性滚轴4可以设置为不同的直径，根据实际试验时试样的情况进行调整。
实施例2：
实施例2与实施例1的主体结构相同，与实施例1的区别在于试验框架1的侧壁上对应支撑杆16的位置开设有轴向空腔，轴向空腔长度为支撑杆长度的10％-15％，空腔直径为支撑杆直径的1.2倍-1.5倍，支撑杆16远离试样的一端滑动连接在轴向空腔内，支撑杆16在轴向空腔移动的范围为支撑杆16长度的5％-10％。在水平方向利用第一激光位移计12测试试样水平方向产生的位移。
实施例1的试验过程中，加载杆13对试样的一侧施加加载力，试样另一侧通过支撑杆16以及试样的相互啮合阻止试样向加载力的方向位移，此时试样产生的变形为小变形。实施例2的试验过成中，加载杆13对试样施加加载力，试样的支撑杆16滑动连接在轴向空腔内部，由试样的相互啮合阻止试样向加载力的方向位移，此时试样产生的变形为大变形。小变形和大变形能够测试出在不同支撑条件下试样的位移情况。
一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***的试验方法，包括如下步骤:
1)将试样放置在试样支撑平台9的第一磁性滚轴8上，根据试样支撑平台9表面刻有的极坐标系矫正试样的中心位置，打开电机，通过螺旋位移加载机构10抬升试样支撑平台9和试样，每层试样的水平中心与对应加载杆13的水平中心在一条直线上，且最上层试样的上表面与第二磁性滚轴4接触，此时，第二磁性滚轴4吸附在刚性垫板3，刚性垫板3放置在第二压力传感器2上，第二压力传感器2在Y方向上紧密贴合在刚性垫板3和刚性挡板之间；
2)关闭油管21，打开平流泵给并联蓄能装置19输油，观测液压表20，表中读数到预定值时，关闭平流泵，打开油管21，向X-向1号蠕变液压加载油缸11、X+向2号蠕变液压加载油缸11和X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，直到各个蠕变液压加载油缸11对应的X-向1号加载杆13、X+向2号加载杆13和X-向3号加载杆13均与相应的试样水平接触，关闭油管21；
3)恒定剪切应力的应力松弛测试，打开油管21，向X-向1号蠕变液压加载油缸11、X+向2号蠕变液压加载油缸11和X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，从而驱动各个水平位移加载装置的加载杆13工作，直到各个X水平加载应力达到预定值，打开电机，让螺旋位移加载机构10对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构10抬升，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；
4)多向剪切蠕变测试，重复1)-2)步骤，然后打开电机，让螺旋位移加载机构10对试样进行位移加载，达到预定应力值；
5)打开油管21，给2号水平位移加载装置6上的X-向2号蠕变液压加载油缸11输油，从而驱动2号水平位移加载装置6上的X-向2号加载杆13工作，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
6)重复1)-2)和4)步骤，打开油管21，给1号水平位移加载装置5上的X-向1号蠕变液压加载油缸11输油和3号水平位移加载装置7上的X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，从而驱动1号水平位移加载装置5上的X-向1号加载杆13和3号水平位移加载装置7上的X-向3号加载杆13工作，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
7)重复1)-2)和4)步骤，打开油管21，给1号水平位移加载装置5上的X-向1号蠕变液压加载油缸11输油，从而驱动1号水平位移加载装置5上的X-向1号加载杆13工作，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
8)重复1)-2)和4)步骤，打开油管21，给3号水平位移加载装置7上的X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，从而驱动3号水平位移加载装置7上的X-向3号加载杆13工作，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据。
本发明可以实现在法向应力松弛条件下，单向常规剪切，双向常规剪切，三向常规剪切的同时加载和分别加载，单向蠕变剪切，双向蠕变剪切，三向蠕变剪切的同时加载和分别加载，并实现测试过程位移和应力精确控制。

Claims (7)

1.一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***,其特征在于，包括试验框架（1）以及设置在试验框架（1）内部的竖直位移加载装置和水平位移加载装置；
竖直位移加载装置的下部为位移升降机构，位移升降机构的上部设置有试样支撑平台（9），试样支撑平台（9）的上表面设置有第一磁性滚轴（8），试验框架（1）顶板下部与位移升降机构对应的位置设置有第二压力传感器（2），第二压力传感器（2）下部设置有刚性垫板（3），刚性垫板（3）的下表面设置有第二磁性滚轴（4），第一磁性滚轴（8）和第二磁性滚轴（4）形成的空间用于放置试验的多层试样，竖直位移加载装置上设有用于测量试样竖直位移的第二激光位移计（17）；
水平位移加载装置数量为多个且设置在试验框架（1）的两侧壁之间，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向对应的试样施加方向相反的水平加载力，每个水平位移加载装置均包括加载杆（13）和支撑杆（16），试样位于对应的加载杆（13）和支撑杆（16）之间，每个支撑杆（16）靠近试样的一端安装有第一压力传感器（15），支撑杆（16）远离试样的一端固定连接在试验框架（1）的侧壁上，每个加载杆（13）远离试样的一端固定连接有蠕变液压加载油缸（11），蠕变液压加载油缸（11）固定设置在试验框架（1）的侧壁上，蠕变液压加载油缸（11）连接有并联蓄能装置（19），并联蓄能装置（19）用于向水平位移加载装置提供动力，从而分别控制每个水平位移加载装置的加载杆（13）工作，水平位移加载装置上还设有用于测量试样水平位移的第一激光位移计（12）；
相邻水平位移加载装置的加载杆（13）设置在试样不同的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***,其特征在于，位移升降机构为螺旋位移加载机构（10）。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***,其特征在于，上下相邻的两个水平位移加载装置的支撑杆（16）间距为支撑杆（16）直径的0.2倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***,其特征在于，第一激光位移计（12）还包括有第一激光挡板（14），第一激光位移计（12）设置在蠕变液压加载油缸（11）上，第一激光挡板（14）设置在相应第一激光位移计（12）所在水平位移加载装置加载杆（13）的末端；第二激光位移计（17）还包括有第二激光挡板（18），第二激光位移计（17）设置在竖直位移加载装置上，第二激光挡板（18）设置在试样支撑平台（9）的下表面。
5.根据权利要求2所述的一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***,其特征在于，水平位移加载装置的数量为三个，从上向下依次是1号水平位移加载装置（5）、2号水平位移加载装置（6）和3号水平位移加载装置（7）。
6.根据权利要求5所述的一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***,其特征在于，并联蓄能装置（19）由三个蓄能器并联组成，每一个蓄能器与一个液压表（20）串联，每一个液压表（20）与一个平流泵串联。
7.根据权利要求6所述的一种基于多层剪切的流变松弛耦合测试***的试验方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)将试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴（8）上，打开电机，通过螺旋位移加载机构（10）抬升试样支撑平台（9）和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴（4）接触，且每层试样的水平中心与对应加载杆（13）的水平中心在一条直线上；
2)启动各个水平位移加载装置，使各个加载杆（13）与相应的试样水平接触；
3)恒定剪切应力的应力松弛测试，启动各个水平位移加载装置，直到各个水平位移加载装置的加载应力达到预定值，打开电机，让螺旋位移加载机构（10）对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构（10）抬升，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；
4)多向剪切蠕变测试，重复1)-2)步骤，然后打开电机，让螺旋位移加载机构（10）对试样进行位移加载，达到预定应力值；
5)启动2号水平位移加载装置（6），达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置（19）开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
6)重复1)-2)和4)步骤，启动1号水平位移加载装置（5）和3号水平位移加载装置（7），达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置（19）开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
7)重复1)-2)和4)步骤，启动1号水平位移加载装置（5），达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置（19）开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
8)重复1)-2)和4)步骤，启动3号水平位移加载装置（7），达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置（19）开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据。
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