CN101482465A - 一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统。该系统由压力室，压力控制系统，测量系统，伺服控制系统，显微观测系统和计算机系统组成。主要优点是能够实现实际工程中软岩软化条件的模拟，对软岩软化过程中表面特征进行高精度、高分辨率地捕捉、跟踪和识别以及全程动态记录。

Description

一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统

技术领域

本发明属于岩土工程试验仪器领域，特别涉及实现在软岩三轴不浸水和饱水两种条件下对其力学效应研究和表面细观特征(如；裂纹、孔隙)的观测，并涉及试验方案的设计。

技术背景

软弱岩体广泛分布与世界各地，在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，但遇水后短时间内迅速膨胀、崩解和软化，从而造成岩体的力学损伤，并导致其力学性质快速地大幅度降低。这种软弱岩体赋存于在自然环境中，在地下水位较高的地区，其在实际工程条件下主要承受两种效应的耦合作用，一是三向受压的应力损伤作用；二是水的浸泡软化(损伤)作用。正是这两种效应的共同作用，使得软岩具有特殊的软化特性。目前国内这方面研究处于起步阶段，关于软岩软化机制以及水-力耦合作用下变形破坏过程的研究主要集中于定性的分析，未能实现对软岩软化过程的有效模拟和定量分析，其要本原因是缺乏与研究相配套的试验设备。而当前岩石三轴试验机主要用于研究荷载作用下岩石变形破坏过程中的力学特征，采用油作为工作液体来提供围压，并要求岩石试件必须包膜保护，无法模拟软岩在实际工程中的软化条件(同时考虑水—力的耦合作用)，同时也不能满足在水—力耦合的软岩软化过程中表面细观特征观测的要求。因此，设计一种能够模拟高压水环境下岩石与水相互耦合作用，同时能够在试验中对岩样进行实时细观特征观测的试验设备成为必然的要求。

因此，在原有岩石三轴试验机的基础上，设计了一种可以对水—力耦合的软岩软化过程进行动态细观模拟试验系统，本系统同时保留了原有岩石三轴试验机使用油作为围压液体的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，实现在不浸水(由油提供围压)和水—力耦合作用两种情况下软岩软化过程的模拟以及表面细观特征的研究。

为达到本发明的目的，采用的技术方案如下：

基于多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，包括由压力室，压力控制系统，测量系统，伺服控制系统，显微观测系统和计算机系统组成。

下面详细介绍各部分的具体组成与功能：

1.压力室由压力室外壳，压力室观察窗，岩样底座承台，岩样轴向加载轴组成。

压力室由不锈钢制成，一侧开有玻璃观察窗，便于用显微镜观察试验过程中软岩表面特征，压力室内部的情况；在压力室的中轴上，从下到上依次分布为岩样底座承台、岩样以及岩样轴向加载轴，可实现对岩样进行轴向加压；水溶液或油存在于中轴设备与压力室外壳之间，提供岩样的水环境和径向压力。

2.压力控制系统由轴向加压控制系统，轴向加压设备，围压控制系统、围压加载设备组成。

压力控制系统用于对压力的大小进行控制。根据不同的试验方案，在不同的时间段由压力控制系统调节岩样轴向压力和径向围压，使之能够模拟工程中的各种施工方案下岩石的承压情况，同时围压控制系统通过围压加载设备提供对压力室中充水或油并加压的功能。

3.测量系统由轴向数据测量系统，径向数据系统以及数据采集转换系统组成。

测量系统通过有传感器组成的轴向数据测量系统和径向数据测量系统，及时的将岩样轴向与径向的应力、应变的数据采集到数据采集转换系统中，再反馈到伺服控制系统。

4.伺服控制系统由两个伺服控制器与组成。

伺服控制器分别与轴向加压控制系统和轴向压力测量系统相连，并根据轴向数据测量系统反馈的应力、应变数据，及时通过轴向加压控制系统调整轴向压力；伺服控制器分别与围压控制系统和径向压力测量系统相连，并根据径向数据测量系统反馈的应力、应变数据，及时通过围压控制系统调整径向围压。同时两个伺服控制器将应力、应变数据实时传输到高性能计算机中。

5.显微观测系统由显微镜，显微镜支架，图像采集器，图像分析器组成。

显微观测系统用显微镜来观察岩石表面裂纹的产生与扩展，并利用图像采集器对岩石表面特征(如：裂纹、孔隙等)进行捕捉，并将采集到的信号传输到图像分析器中进行转换和分析，最传输到高性能计算机中。

6.计算机系统有两台高性能计算机组成。

其中一台高性能计算机用于记录伺服控制系统传输进来的应力、应变数据及工作情况，并将采集的数据以可视化的方式展现给用户；另一台高性能计算机用于存储与显示显微观测系统采集的图像信号，并可根据用户的要求作进一步处理。

本发明的优点为：

1、可以按照一般软岩软化过程动态细观模拟试验系统的工作方式对岩样进行观测。

2、能够实现实际工程中软岩软化条件的模拟，可以开展不同荷载、不同饱水时间下软岩软化的细观力学试验，为开展软岩软化机制及力学耦合效应研究提供可靠的依据。

3、能够实现对软岩软化过程中表面特征(如裂纹萌生、扩展等)的高精度、高分辨率地捕捉、跟踪和识别以及全程动态记录。

4、本系统结构简单、测试精度高、稳定性好、可操作性强、仪器高度方便，对安装测试人员没有很强的技术要求。

附图说明

图1是本发明的组成部分示意图：

其中：

A——压力室

A1——压力室外壳         A2——压力室观察窗

A3——岩样底座承台       A4——岩样轴向加载轴

B——压力控制系统

B1——轴向加压控制系统     B2——轴向加压设备

B3——围压控制系统         B4——围压加载设备

C——测量系统

C1——轴向数据测量系统     C2——径向压力数据系统

C3——数据采集转换系统

D——伺服控制系统

D1——伺服控制器           D2——伺服控制器

E——显微观测系统

E1——显微镜               E3——显微镜支架

E2——图像采集器           E4——图像分析器

F——计算机系统

F1——高性能计算机         F2——高性能计算机

G——岩样

图2是具体实施方式流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和2详细说明本发明的使用方式。

本发明的具体使用步骤如下：

1.依次安放好试验设备，连接好各个子系统。

2.将岩石试样放置与压力室A中，安装轴向与径向数据测量系统C1、C2。

3.启动电源，通过伺服控制系统D设定加载控制的方式，加载速率及荷载级别。

4.调节显微观测系统E，使之能够清晰的观察软岩表面的情况；同时设定测量系统C中的数据采集频率和后处理要求。

5.启动压力控制系统B，通过轴向加压控制系统B1及围压控制系统B3对压力室中的施加的轴向压力和围压进行控制。

6.启动测量系统C和显微观测系统E，开始进行数据记录和软岩样品表面观察。

7.将测量系统C采集的数据通过伺服控制器D传输给高性能计算机F1，通过处理，将数据以可视化的形式展现给用户；将通过显微观测系统E拍摄的照片传输给高性能计算机F2，通过视频和图像处理软件展示给用户，并将拍摄的照片进行存储。

8.持续步骤7，直至试验结束。

Claims (7)

1、一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于由压力室，压力控制系统，测量系统，伺服控制系统，显微观测系统和计算机系统组成。

2、按权利要求1所述的一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于：

压力室由压力室外壳，压力室观察窗，岩样底座承台，岩样轴向加载轴组成。

压力室观察窗位于压力室外壳一侧，按压力室中轴从下到上依次安放岩样底座承台、岩样和岩样轴向加载轴；围压水或油填充与压力室外壳与中轴设备之间。其中，岩样轴向加载轴与压力控制系统和测量系统相连，围压水或油与压力控制系统和测量系统相连。

3、按权利要求1和2所述的一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于：

压力控制系统由轴向加压控制系统，轴向加压设备，围压控制系统以及围压加载设备组成。

压力控制系统中轴向加压控制系统与伺服控制系统中伺服控制器相连接；压力控制系统中围压控制系统与伺服控制系统中伺服控制器相连接；轴向加压设备、围压加载设备与压力室相连。

4、按权利要求1和2所述的一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于：

测量系统由轴向数据测量系统，径向压力数据系统以及数据采集转换系统组成。

测量系统中轴向数据测量系统，径向压力数据系统与数据采集转换系统相连，再分别与伺服控制系统中伺服控制器相连接。

5、按权利要求1和3所述的一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于：

伺服控制系统由两个伺服控制器组成。两个伺服控制器都与高性能计算机相连。

6、按权利要求1所述的一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于：

显微观测系统由显微镜，显微镜支架，图像采集器，图像分析器组成。

显微观测系统的安放次序为，将显微镜安放在显微镜支架，将图像采集器安装在显微镜上，并连接到图像分析器上。

显微观测系统中图像分析器与计算机系统中高性能计算机相连接。

7、按权利要求1、5和6所述的一种多功能软岩软化过程动态细观模拟试验系统，其特征在于：

计算机系统由两台高性能计算机组成。

计算机系统中的一台高性能计算机与伺服控制系统相连接；计算机系统中的另一台高性能计算机与显微观测系统中图像分析器连接。

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