CN102914630A - 一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验系统，该系统由全通透高压动/静水压力室、多元同步三轴加载系统、高围压光纤传感实时量测系统、内外流变损伤多尺度三维成像系统、多元异构量测数据同步快速处置系统组成。该系统的优点在于能够模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件下岩石水-力耦合软化破坏全过程，具有非常广阔的应用前景。

Description

一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验系统

技术领域

本发明属于工程机械中的试验机领域，特别涉及一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验系统，适用于模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件下岩石水-力耦合软化破坏全过程。 

技术背景

岩石在水作用下的强度丧失是许多重大工程灾害发生的根本原因之所在。其关键在于：在水溶液的作用下，岩石发生物理、化学等作用，导致其结构松散、单元分离、裂缝扩展、丛集等，从而使其强度大幅度降低，发生破坏。这也就是许多边坡、隧道、基坑等在降雨影响下产生破坏的主要原因。岩石与水相互作用是目前岩土工程界的研究热点及前沿课题。 

然而，不同地区的地下水含有不同的化学成分，不同的化学成分对岩石的作用不同。实际工程中的岩石与水相互作用时，还受到水(含有各种化学成分的水溶液)的压力作用。研究不同围压、不同化学成分下的岩石与水相互作用的机理、机制十分迫切。 

现有的单轴或三轴试验设备，主要存在三大问题：(1)传统的加载是通过一套伺服器控制一个加载装置对一个压力室进行控制，无法 通过由一套伺服器控制加载时实现对多个压力室的控制，因而，也就不能实现岩石变形破坏全过程同步试验研究；(2)压力室多为全封闭、不透明的，无法在试验中对样品表面的裂纹发展、丛集、破坏等进行多尺度的观察，个别研究者开发的带窗体压力室也只能进行表面裂纹发展的显微观测，缺乏与内部损伤技术的联合运用；因而，不能同时进行内外损伤的观察或测定，也就不能立体的反映岩石变形破坏的全过程；目前尚需着眼于新材料和损伤观测技术的开发与运用，在全通透压力室的技术开发和内外损伤的同步测定上开发新的试验手段；(3)传统的电磁传感器由于水的导电性，致使其无法进行水下物理量的量测，因而，水作为围压介质时，也就无法直接测定样品本身的应变(力)和变形的分布与变化情况，这样，也就无法定量回答破坏是如何发生演化的问题，即：变形破坏全过程机制无法获得试验数据支持。由于这些关键问题的存在，难以实现岩石在其赋存环境条件下软化全过程的试验与模拟，从而，严重制约了对滑坡、塌方等重大工程灾害的机制探索和理论假说验证工作。上述三大问题也正是该类仪器设备研制的难题之所在。 

因此，研制发明一种模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件下岩石水-力耦合软化破坏全过程的试验系统，具有非常广阔的应用前景。 

发明内容

本发明的目的是，针对现有三轴试验中岩石与水相互作用试验的需求，提供一种能够模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件 下岩石水-力耦合软化破坏全过程的试验系统。 

本发明涉及的一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验系统，由全通透高压动/静水压力室、多元同步三轴加载系统、高围压光纤传感实时量测系统、内外流变损伤多尺度三维成像系统、多元异构量测数据同步快速处置系统组成。 

1)全通透高压动/静水压力室 

全通透高压动/静水压力室包括压力室底座、压力室侧壁、压力室顶盖和动水循环系统等部分。压力室侧壁采用高强度航空玻璃一次铸模加工成型制成；动水循环系统包括针型阀、耐压水管、耐高压水泵等组成。使用自由分离式的缸体-底座连接模式，使承压缸体和底座可自由分离。 

2)多元同步三轴加载系统 

多元同步三轴加载系统主要包括多元伺服围压加载系统与多元轴压加载系统。多元伺服围压加载系统由刚性支座、滚珠丝杆、伺服电机、伺服控制器、总增压仓、分增压仓、活塞、精密压力表、管路、转换器、减速器、齿轮组、工作液体等部分组成。增压仓置于刚性支座一侧，刚性支座支承滚珠丝杆，滚珠丝杆一端与活塞相连，活塞位于增压仓内，增压仓前开有油嘴，通过管路与分增压仓连接，分增压仓通过管路、转换器与岩石三轴试验压力室等连接。多元轴向加载系统，由刚性底座、立柱、滚珠丝杆、顶板、总加压缸、分加压缸、加压活塞、加载压头、伺服电机、伺服控制器、减速器、齿轮组等部分组成。 

其中计算机分别与轴向加载系统伺服控制器、围压加载系统伺服控制器通讯，通过和分别控制轴向压力和围压加载。 

3)高围压光纤传感实时量测系统 

高围压光纤传感实时量测系统由光纤传感器与信号解调系统组成。基于光纤传感技术，结合防腐封装技术，研制适于量测饱水岩石软化变形破坏的波长调制型光纤传感器，通过光纤传感量测补偿技术与信号解调技术，得到岩样的应变(应力)、位移、温度值。 

4)内外流变损伤多尺度三维成像系统 

内外流变损伤多尺度三维成像系统主要包括显微摄像系统与内部损伤探测系统。显微摄像系统由三维可调导轨、摄像装置与摄像控制软件组成，可实现对岩样表面裂隙与孔隙的产生和发展的全程记录；内部损伤探测系统由光纤声发射传感器与信号解调仪组成，可实时跟踪量测岩样内部裂纹等的损伤及其发展规律；通过集成上述二者形成内外流变损伤多尺度三维成像系统，实现在高围压水溶液及其它工作液体条件下同步无损观测岩石软化裂纹等内外损伤演化规律。 

5)多元异构量测数据同步快速处置系统 

多元异构量测数据同步快速处置系统，针对上述光纤监测与显微观测系统产生的应力、位移、温度、图像等多元异构量测数据，建立动态监测数据库(包含原始数据库和应用数据库两部分)，运用3σ准则、灰色理论等对多元异构量测数据进行分析，采用数据挖掘技术与数字化技术，开发多元异构量测数据快速处置系统。 

本发明具有以下优点： 

1、能够模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件下岩石水-力耦合软化破坏全过程。 

2、最多可达四种不同溶液中同时同步进行岩石软化流变损伤对比试验。 

3、同一溶液中，岩石最多在四种不同压力、不同流变阶段的同时同步进行流变损伤试验。 

4、岩石最多在四种不同溶液、不同压力、不同流变阶段的同时同步进行流变损伤试验。 

5、按照岩石强度弱化规律及其经验性流变试验时间(1个月、3个月、6个月、12个月)来计算，岩石在一定时段内最多可以开展非同步的48种的不同流变试验。 

6、实现水中岩石变形破坏全过程的高精度、高频率实时在线量测与多尺度内外损伤的三维观测及成像。 

附图说明

图1是本发明的组成结构示意框图； 

其中： 

1.刚性底座；2.压力室；3.顶板支柱；4.轴压加载轴；5.轴压分加压缸；6.顶板；7.轴压总加压缸；8.围压耐压管道；9.围压分加压缸；10.围压总加压缸；11.围压伺服控制器；12.轴压伺服控制器； 14.扩展式导轨；15.数据线；16.控制计算机；17.光纤声发射传感器；18.光纤应变应力传感器；19.光纤；20.光纤解调仪；21.显微摄像机；22.环形可调导轨。 

图2是本发明中的全通透高压动/静水压力室结构示意图； 

其中： 

A1.底座；A2.压力室底盘；A3.承样台；A4.岩样；A5.连杆；A6.透明压力室；A7.加载垫；A8.压力室顶盖；A9.针型阀；A10.出气孔；A11.加载轴；A12.背压阀；A13.高压泵；A14.背压阀；A15.针型阀；A16.围压液体进口/出口；A17光纤传感器数据线口。 

图3是本发明中的轴向加载系统结构示意图； 

其中： 

B1.总加压缸；B2.滚珠丝杆；B3.加压活塞；B4.增压仓；B5.精密压力表；B6.伺服电机；B7.减速器；B8.齿轮组；B9.分加压缸；B10.分加压缸活塞及加压轴；B11.轴压伺服控制器；B12.控制计算机。 

图4是本发明中的围压加载系统结构示意图； 

其中： 

C1.刚性支座；C2.伺服控制器；C3.滚珠丝杠；C4.齿轮组；C5.减速器；C6.伺服电机；C7.活塞；C8.精密压力表；C9.增压仓；C10.耐压管；C11.分加压缸加压室；C12.分加压缸活塞；C13.分加压缸围压室；C14.控制计算机。 

图5是本发明中的高围压光纤传感实时量测系统结构示意图； 

其中： 

D1.压力室；D2.试样；D3.光纤声发射传感器；D4.光纤应力应变传感器；D5.光纤与压力室密封接口；D6.光缆；D7.解调仪；D8.数据线；D9.计算机。 

图6是本发明中的内外流变损伤多尺度三维成像系统结构示图； 

其中： 

E1.支座；E2.竖向移动固定环固定旋钮；E3.竖向支杆；E4.显微摄像头；E5.环形导轨；E6.导轨活动接口；E7.活动销钉；E8.压力室；E9.竖向移动固定环；E10.可遥控动力装置；E11.光纤声发射传感器；E12.摄像头数据线；E13.光缆；E14.内部损伤引出导线；E15.高性能计算机。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进一步说明： 

一、全通透高压动/静水循环压力室 

具体设计方案如下：①压力室侧壁采用高强度航空玻璃一次铸模加工成型制成；②动水循环系统包括针型阀、耐压水管、耐高压水泵等组成，通过动压平衡最优控制试验配置与布设上述动压控制器件，通过针型阀的开关实现动、静水条件的切换；③压力室底座设置围压液体进出口、光缆线出入接口与动水循环系统出水口等接口；④压力室顶盖设置轴向加载轴、排气阀门和动水循环系统进水口等； ⑤在压力室底座、压力室侧壁和压力室顶盖连接处设计高承压密封模式，以保证高围压条件下上述连接处不会漏压；⑥设计中自由分离式的缸体-底座连接模式，使承压缸体和底座可自由分离，试样可直接从轴向取放，减少实验过程中繁琐程序，实现便捷操作操作。 

二、多元同步三轴加载系统 

(1)轴向荷载的施加 

控制计算机B12控制轴压伺服控制器B11，轴压伺服控制器B11发送控制指令给伺服电机B6，伺服电机B6通过减速器B7驱动齿轮组B8，齿轮组B8驱动滚珠丝杆B2，滚珠丝杆B2带动活塞B3，挤压增压仓B4内的工作液体，工作液体受压由油嘴流出，经过耐压管，流向轴压分加压缸加压室B9，推动分加压缸活塞及加载轴B11，完成轴向荷载的施加。 

(2)径向围压的施加 

刚性支座C1支承滚珠丝杆C3和增压仓C9，滚珠丝杆C3一端与增压仓的活塞C7相连，增压仓C7前开有油嘴，通过耐压管C10与各分加压缸加压室C11相连，各分加压缸与相对应的岩石三轴压力室相连。计算机C14控制围压伺服控制器C2，围压伺服控制器C2发送控制指令给伺服电机C6，伺服电机C6通过减速器C5驱动齿轮组C4，齿轮组C4驱动滚珠丝杆C3，滚珠丝杆C3带动活塞C7，挤压增压仓C9内的工作液体，工作液体受压由油嘴流出，经过耐压管C10，流向分加压缸加压室C11，推动分加压缸活塞C12，挤压分加压缸内的工作液体，工作液体由油嘴流出，经过耐压管向四套岩石三轴试验压力 室施加围压。 

三、高围压光纤传感实时量测系统 

光纤应力应变传感器D4贴于岩样D2表面，传感器D4通过光纤与压力室密封接口D5与解调仪D7相连，解调仪D7将解调得到的信号通过数据线D8传送到计算机D9中进行处理分析。实现高围压下岩石软化环向、径向等变形及强度的量测。 

四、内外流变损伤多尺度三维成像系统 

竖向支杆E3立在底座E1上，环形导轨E5通过竖向移动固定环E9固定在竖向支杆E3上，并可以通过竖向移动固定环固定旋钮E2来调节环形导轨E5的高度，环形导轨E5在一侧开有活动接口E6，可沿一定方向打开，方便压力室E8装卸。显微摄像头E4安装在可遥控动力装置E10上，可沿环形导轨E5自由移动，实现对岩样表面裂隙与孔隙的产生和发展的全程记录。光纤声发射传感器E11通过密封接口与解调仪及计算机E15相连，实时跟踪量测岩样内部裂纹等的损伤及其发展规律。采用数据挖掘技术，开发岩样内部损伤三维成像技术。通过集成，形成内外流变损伤多尺度三维成像系统。 

五、多元异构量测数据同步快速处置系统 

针对上述光纤监测与显微观测系统产生的应力、位移、温度、图像等多元异构量测数据，开发数据同步快速存储、处置系统。基于数据仓库原理，提出智能性和通用性数据库的设计方法，建立有效的动态监测数据库(包含原始数据库和应用数据库两部分)；运用3σ准则、灰色理论等，提出多元异构量测数据分析方法；采用数据挖掘技 术与数字化技术，开发多元异构量测数据快速处置系统。在此基础上，基于递进式冲突检测和消解技术，对上述四项硬件的进行集成与智能优化设计；引入协同设计思想，开发系统智能控制模块，实现操作模式变换、多尺度观测调整等系统运行的智能化操作，形成岩石水-力耦合的流变损伤多尺度力学试验系统。 

Claims (1)

1.一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验系统，包括全通透高压动/静水压力室、多元同步三轴加载系统、高围压光纤传感实时量测系统、内外流变损伤多尺度三维成像系统、多元异构量测数据同步快速处置系统。其特征在于：所述的全通透高压动/静水压力室采用高强度航空玻璃制作压力室侧壁，并引入动水循环设计，包括压力室底座、压力室侧壁、压力室顶盖和动水循环系统等部分；所述的多元同步三轴加载系统主要包括多元伺服围压加载系统与多元轴压加载系统，多元伺服围压加载系统由刚性支座、滚珠丝杆、伺服电机、伺服控制器、总增压仓、分增压仓、活塞、精密压力表、管路、转换器、减速器、齿轮组、工作液体等部分组成，多元轴向加载系统，由刚性底座、立柱、滚珠丝杆、顶板、总加压缸、分加压缸、加压活塞、加载压头、伺服电机、伺服控制器、减速器、齿轮组等部分组成；所述的高围压光纤传感实时量测系统由光纤传感器与信号解调系统组成；所述的内外流变损伤多尺度三维成像系统，包括显微摄像系统与内部损伤探测系统；所述的多元异构量测数据同步快速处置系统采用数据挖掘技术与数字化技术开发；该试验系统可模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件下岩石水-力耦合软化破坏全过程。

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