CN102621005A - 一种岩土流变试验设备 - Google Patents
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Abstract
一种岩土流变试验设备，包括压力室、试验台、轴向环境系统、径向环境系统、供能系统、检测系统与控制及分析系统；压力室包括轴向压力室与环形压力室，所述轴向压力室包括依次层叠设置的上压力室、试件室与下压力室，所述试件室内装有岩土试件，所述环形压力室、上压力室与下压力室中均输入压力可调的油液，所述环形压力室环绕在所述轴向压力室径向周围，所述轴向压力室由一弹性护套的内部空间构成。本发明采用弹性护套将压力室中的环形压力室与轴向压力室隔离开来，使得压力室中的岩土试件的轴向压力与径向压力绝对隔离，从而使得该试件室中的岩土试件承受的轴向压力与径向压力之间相互独立。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土流变试验设备。
背景技术
岩土流变特性主要包括蠕变特性与力松弛特性，研究岩土流变特性，对于岩土工程质量控制、安全运行和软岩支护以及岩土力学研究十分重要，特别是对深部岩土工程和岩土力学更为重要。对岩土流变特性的研究主要集中在研究岩土破坏机理，以促进对于岩土工程质量控制、安全运行和软岩支护水平的提高。目前，对岩土流变的试验主要采用三轴流变仪，该流变仪可对岩土的径向与轴向施加压力，但是径向压力与轴向压力之间相互干涉，因此轴向压力与径向压力不能独立。在岩土实际破坏过程中，岩土张拉及剪向应力是岩土破坏的主要原因，岩土张拉过程中，轴向受力小于径向受力，而现在的三轴流变仪只能实现岩土试件的轴向受力大于径向受力，因为用传统三轴流变仪做三轴试验时，整个试件承受压力室内部的工作油压力(习惯称之为静水压-《阿基米德定律》)，试件轴向压力除了轴向加载系统施加的压力外还包括压力室内部压力，当轴向加载系统压力为零时，试件轴向仍承受压力室内部的工作油压力，无法实现试件的径向压力大于轴向压力，因此无法模拟岩土张拉时承受的应力场，这就使得岩土流变试验结果的参考价值大打折扣。
另外，岩土蠕变试验每组试验至少需要5个试件，每个试件试验少则几十个小时，多则数百甚至上千个小时，一组试验做完往往需要数月，不仅延误工程需要数据的取得，而且消耗相当大的人力和财力。使用多套试验设备同时进行试验，虽然可以降低试验完成的周期，但每套试验设备都需要配备供油系统、动力系统及试验台，这些都需要很高的制造成本，从而大大提高了岩土流变试验的成本，且极大地浪费能源，既不经济也不环保。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可模拟诸如岩土张拉等多种情况下承受的应力场的岩土流变试验设备。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种岩土流变试验设备，包括压力室、试验台、轴向环境系统、径向环境系统、供能系统、检测系统与控制及分析系统；
所述压力室包括轴向压力室与环形压力室，所述轴向压力室包括依次层叠设置的上压力室、试件室与下压力室，所述试件室内装有岩土试件，所述环形压力室、上压力室与下压力室中均输入压力可调的油液，所述环形压力室环绕在所述轴向压力室径向周围，所述轴向压力室由一弹性护套的内部空间构成。
所述试验台固定安装所述压力室；
所述轴向环境系统调节所述压力室中的轴向压力；
所述径向环境系统调节所述压力室中的径向压力；
所述供能系统通过所述轴向环境系统与径向环境系统向所述压力室提供压力油液；
所述检测系统检测所述压力室中岩土试件的各项变化参数，并将该参数发送到所述控制及分析系统；
所述控制及分析系统接收所述检测系统发送来的参数，进行数据分析与结果评价，所述控制及分析系统还向所述供能系统、轴向环境系统及径向环境系统发送控制指令。
进一步，所述弹性护套为耐高温高压的氟橡胶材料。
进一步，所述弹性护套为环形，套装在所述轴向压力室外侧。
进一步，所述环形压力室内还设置有用于给所述环形压力室内油液加热的加热套。
进一步，所述检测系统包括力传感器、轴向位移传感器、环向引伸计、温度传感器、水压传感器与气压传感器。
进一步，所述岩土试件与所述压力室数量相同，均为2个以上，且所述2个以上压力室并联安装在所述试验台上。
进一步，所述岩土试件与所述压力室数量均为5个。
进一步，所述试验台包括上横梁、下横梁、立柱与底座，所述5个压力室并联安装在所述上横梁与下横梁之间，所述立柱连接所述上横梁与下横梁，所述底座安装在所述下横梁下部。
本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明采用弹性护套将压力室中的环形压力室与轴向压力室隔离开来，使得压力室中的岩土试件的轴向压力与径向压力绝对隔离，从而使得该试件室中的岩土试件承受的轴向压力与径向压力之间相互独立，可以通过各自施加压力，实现岩土试件的径向压力与轴向压力之间不同数值对比，以模拟岩土张拉等多种不同情况下的应力场，从而使得岩土流变试验应用场合更加广泛，试验结果的参考价值更大，可大大提高岩土流变试验的应用水平。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明一种岩土流变试验设备中压力室结构示意图；
图2为本发明一种岩土流变试验设备中弹性护套结构示意图；
图3为本发明一种岩土流变试验设备中试验台结构示意图；
图4为本发明一种岩土流变试验设备工作原理示意图；
图5为本发明一种岩土流变试验设备整体结构示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
岩土流变试验方法是通过对设置于压力室中的岩土试件进行施压以模拟岩土不同的应力场环境，再通过检测岩土试件在上述环境下的变化参数以对实际岩土在不同应力场环境下的变化情况作出评价。本发明中，位于压力室中的岩土试件的轴向压力与径向压力绝对隔离，从而使得该轴向压力与径向压力之间相互独立。在岩土试件承受的径向压力大于轴向压力时，可用于模拟实际岩土承受张拉时的应力场。岩土试件的变化参数包括应力、应变、侧压及温度，其中应变包括轴向应变与径向应变。
另外，还可通过压力室对岩土试件进行加热，以模拟实际岩土的不同温度环境。再者，为节约试验时间，岩土试件与压力室数量相同，均为2个以上，且各岩土试件同时进行试验。在本实施例中，岩土试件与压力室数量均为5个。
图1所示为本实施例中压力室1的结构。压力室1包括轴向压力室12和环形压力室13。轴向压力室12包括上压力室121、试件室120和下压力室122。本实施例中，岩土试件8可选用煤矿或其他矿山软岩等地质材料，岩土试件8装在试件室120内。环形压力室13为密封油囊，油囊中填充压力可调的油液，上压力室121与下压力室122均为垫块，通过油液调节压力。其中，环形压力室13为环状柱体，环绕在轴向压力室12径向周围。如图4所示，环形压力室13连通供能系统5，由供能系统5向环形压力室13提供压力油液，对装在试件室120内的岩土试件8进行径向施压，油液压力范围为0-60MPa，可进行加压、卸压、保压和重置，最大径向变形量为10毫米。上压力室121压靠在试件室120上部，下压力室122顶靠在试件室120下部，上压力室121与下压力室122均连通供能系统5，由供能系统5提供压力油液，共同对装在试件室120内的岩土试件8进行轴向施压。本实施例中，轴向力最大可达到600KN，最大位移量为200毫米。
本实施例中，一弹性护套11的内部空间构成轴向压力室12。弹性护套11结构如图2所示，套体110为环形结构，套体110上下两端径向向外延伸，分别形成上安装面111与下安装面112，上安装面111与下安装面112上垂直于套体110的外表面为平面，以方便进行固定安装。弹性护套11采用氟橡胶材料，具有耐高压、高温的作用。弹性护套11将试件室120中的岩土试件8的轴向压力与径向压力分隔开来，使得岩土试件8的轴向压力与径向压力各自独立设置，既可以轴向压力大于等于径向压力，也可轴向压力小于径向压力。在施加径向压力的同时，轴向压力可变小，甚至为零，可模拟岩土的张拉情况，研究岩土在承受张拉时随时间变化的各项参数变化，直至破坏。上安装面111与下安装面112的外侧延伸有相对的轴向外环边，分别为上外环113与下外环114，上外环113与下外环114可辅助上安装面111与下安装面112进行安装，还可提高套体110强度。岩土试件8装在弹性护套11内，轴向压力室1内被岩土试件8占据的空间为试件室120。上垫块123的下端密封地伸入弹性护套11顶部内，从而在上垫块123的下端面与岩土试件8的上端面之间形成一密封的空间，该空间为上压力室121，上压力室121的液压管路穿过上垫块123。下垫块124的上端密封地伸入弹性护套11底部内，从而在下垫块124的上端面与岩土试件8的下端面之间形成一密封的空间，该空间为下压力室122，下压力室122的液压管路穿过下垫块124。
环形压力室13形成在上端盖131、下端盖132和筒体130与弹性护套11共同限定的空间。筒体130为两端开口的筒状结构，上端盖131与下端盖132分别密封筒体130两端开口，并与密封筒体130螺纹连接。环形压力室13的顶部还设置有压盖133和上挡块134。环形压力室13底部还设置有下挡块135。筒体130、上挡块134、弹性护套11与下端盖132之间均密封接触，形成密封的环形压力室13。压盖133安装在上端盖131和弹性护套14的上安装面141之间。
在环形压力室13内还安装有加热套15，加热套15为封闭的环形结构，安装在上挡块134和下挡块135之间。加热套15位于环形压力室13的压力油液中，可直接对环形压力室13中的油液进行加热，由于油液的对流作用，加热速度快且油液升温均匀，可减少能源损耗，提高温度控制的精度。加热套15通过密封的加热接头与外界电源相连，该加热接头可耐油液腐蚀，并与油液绝缘。采用加热套15，可使试件室10中温度最高达到100℃-150℃。
另外，在压力室1下部还安装有橡胶垫16，该橡胶垫16固定安装在下垫块132的下端面上，用于缓解轴向力的冲击。压力室1除了对岩石试件8施加压力与热量外，还可根据需要施加孔隙水、气等，用于模拟更多地下岩土环境。
本实施例中，如图3所示，一个试验台2上共安装5个压力室5个压力室可设置相同的试验条件和目的，也可根据试验需要分别设置不同的试验条件和目的。5个压力室1可以同时对5份不同岩土试件8分别进行流变试验，大大缩短流变试验周期，提高试验速度。试验台2用于支撑压力室1，包括上横梁21、下横梁22、立柱23与底座24。上横梁21与下横梁22各为一件，5个压力室1并联安装在上横梁21与下横梁22之间。立柱23用于连接上横梁21与下横梁22，每个压力室1周围四个角部各安装一个立柱23，共计12个立柱23，与5个单独的流变仪相比节约了8个立柱，大大降低了制作成本。底座24安装在下横梁22下部，用于支撑上横梁21、压力室1、下横梁22与立柱23。另外，轴向环境系统3安装在上横梁21上，径向环境系统4安装在底座24内，均通过液压管路、电路、水管与气管等连通压力室1。轴向环境系统3与径向环境系统4分别改变岩土试件8的轴向与径向的应力场与温度场等环境，以模拟实际岩土的地下环境。
如图4与图5所示，本实施例的岩土流变试验设备包括压力室1、试验台2、轴向环境系统3、径向环境系统4、供能系统5、检测系统6与控制及分析系统7。压力室1与试验台2如前介绍，在此不再赘言。轴向环境系统3调节压力室1中的轴向压力等轴向上的环境参数，径向环境系统4调节压力室1中的径向压力等径向上的环境参数。
供能系统5提供本设备所需能源，包括供油模块51、供电模块52、供气模块53与供水模块54四个部分。供油模块51中采用低噪音油泵、不锈钢油箱及高精密滤油器，可保证油路清洁，由于5个压力室1共用一个油箱，可大大降低油箱制作成本，且减少油箱占用空间。供能系统5中的供电模块52中采用大容量不间断电源，供气模块53与供油模块51中采用气液增压泵及蓄能器等，可避免意外断电给试验带来的影响。其中，不间断电源功率可达到2KW，气液增压泵最大工作气压可达到0.69MPa，最大输出油压可达到30MPa。
如图5所示，检测系统6包括位移传感器61、力传感器62、径向压力传感器63、温度传感器64及环向引伸计。其中，环向引伸计仅用在无压力室的单轴试验中，上述的位移传感器61、力传感器62、径向压力传感器63、温度传感器64及环向引伸计测试压力室1中岩土试件8的各项参数，并将该参数发送到控制及分析系统7。其中，位移传感器61可测试岩土试件8的轴向应变；力传感器62可测试岩土试件8的轴向应力；径向压力传感器63可测试岩土试件8的径向应力；温度传感器64可测试岩土试件8的温度变化；环形引伸计可测试岩土试件8的径向应变。
控制及分析系统7是本设备的大脑，一方面控制及分析系统7采集检测系统6发送来的数据，进行分析评价；另一方面控制及分析系统7生成控制指令，并将该指令分别发送到供能系统5、轴向环境系统3与径向环境系统4中，控制供能系统5、轴向环境系统3与径向环境系统4动作，以向压力室1中输送合适的压力油液、电、气与水等。控制及分析系统7采用可视化操作，并设置独立的操作平台。试验数据以Microsoft Office Excel方式存储调用，可以以应力、轴向应变、径向应变、侧压、温度和有效时间中的任意两个参数为坐标绘制图形，对试验结果进行曲线分析，局部放大，还可编制和打印试验报告。控制及分析系统7的控制软件采用美国NI公司的LabVIEW软件，并在该软件基础上进一步开发形成。采用LabVIEW软件编程不仅具有开发潜力，方便进行一机多控，而且大大降低成本。
本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明采用弹性护套11将压力室1中的环形压力室13与轴向压力室12隔离开来，使得压力室1中的岩土试件8的轴向压力与径向压力绝对隔离，从而使得该试件室120中的岩土试件8承受的轴向压力与径向压力之间相互独立，可以通过各自施加压力，实现岩土试件8的径向压力与轴向压力之间不同数值对比，以模拟岩土张拉等多种不同情况下的应力场，从而使得岩土流变试验应用场合更加广泛，试验结果的参考价值更大，可大大提高岩土流变试验的应用水平。
本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种岩土流变试验设备，其特征在于，包括压力室、试验台、轴向环境系统、径向环境系统、供能系统、检测系统与控制及分析系统；
所述压力室包括轴向压力室与环形压力室，所述轴向压力室包括依次层叠设置的上压力室、试件室与下压力室，所述试件室内装有岩土试件，所述环形压力室、上压力室与下压力室中均输入压力可调的油液，所述环形压力室环绕在所述轴向压力室径向周围，所述轴向压力室由一弹性护套的内部空间构成。
所述试验台固定安装所述压力室；
所述轴向环境系统调节所述压力室中的轴向压力；
所述径向环境系统调节所述压力室中的径向压力；
所述供能系统通过所述轴向环境系统与径向环境系统向所述压力室提供压力油液；
所述检测系统检测所述压力室中岩土试件的各项变化参数，并将该参数发送到所述控制及分析系统；
所述控制及分析系统接收所述检测系统发送来的参数，进行数据分析与结果评价，所述控制及分析系统还向所述供能系统、轴向环境系统及径向环境系统发送控制指令。
2.如权利要求1所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述弹性护套为耐高温高压的氟橡胶材料。
3.如权利要求2所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述弹性护套为环形，套装在所述轴向压力室外侧。
4.如权利要求1所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述环形压力室内还设置有用于给所述环形压力室内油液加热的加热套。
5.如权利要求1所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述检测系统包括力传感器、轴向位移传感器、环向引伸计、温度传感器、水压传感器与气压传感器。
6.如权利要求1-5任一所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述岩土试件与所述压力室数量相同，均为2个以上，且所述2个以上压力室并联安装在所述试验台上。
7.如权利要求6所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述岩土试件与所述压力室数量均为5个。
8.如权利要求7所述的岩土流变试验设备，其特征在于，所述试验台包括上横梁、下横梁、立柱与底座，所述5个压力室并联安装在所述上横梁与下横梁之间，所述立柱连接所述上横梁与下横梁，所述底座安装在所述下横梁下部。
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