CN105606454A - 用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置，包括有调升台（1），调升台（1）上固定有垫块（5），调升台台面两边竖立有立柱（2），两根立柱（2）上分别附有可调高度的第二环形固定装置（21），每根立柱（2）的上下两个第二环形固定装置（21）之间分别装有半圆桶形的绝热保护罩（7），绝热保护罩（7）内嵌有加热器，绝热保护罩（7）以立柱（2）为枢轴旋转闭合获得中部密闭体，对垫块、试样及部分应力杆进行密封加热。本发明具有如下的优点：能测试岩质试样裂纹起裂、侨联、扩展的温度-应力耦合场条件下的无侧限强度。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及一种工程检验设备，具体涉及一种用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置。
背景技术
[0002]目前，无侧限强度数据主要依靠室内土工试验来完成。中国专利文献CN203785950 U于2014年8月20日公开了一种无侧限抗压强度试验仪，它包括检测轴向压力和轴向位移的检测单元，位于检测单元下方并承载试样的试样承载单元，以及支撑架;其中，检测单元包括；对试样施加轴向力的贯入杆，该贯入杆的下端连接有尺寸为70.7mm*70.7mm*13mm的承压板，位于贯入杆上方在贯入杆的作用下发生形变的量力环，位于量力环中间用于检测量力环形变的第一数字百分表，连接在贯入杆的两侧检测轴向位移的第二数字百分表，数字百分表与适配器连接，适配器连接数据采集系统。
[0003]但是，该无侧限抗压强度试验仪存在的问题有:1、对试件在受压破坏过程中试件内部的微裂纹的起裂、侨联、扩展及贯通的过程无法识别和检测；由于岩体内部存在众多微观裂纹，这些裂纹肉眼基本观察不到，但这些裂纹的发育、扩展形成裂缝对岩体强度性质有着至关重要的影响。2、只能进行单轴强度值测试，不能满足温度耦合的强度测试；由于地下空间综合体建设日益蓬勃发展，尤其是探究地质体深部(高温高压环境)的兴起，人们开始探求如何更加方便快捷地获取岩体在高温条件下的裂纹起裂、侨联、扩展及贯通过程中的无侧限强度测试。现有无侧限抗压强度试验仪不能满足土木工程学科发展的需求。
[0004]中国专利文献CN 102589672 A于2012年7月18日公开了一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法，它通过固定声波发射探头和声波接收探头于加载试样侧面，采用数据连续自动记录系统连续记录声波在岩石试样中沿与加载垂直的方向的传播时间，从而实现整个单轴压缩加载裂纹扩展过程中岩石试样径向的声波波速的连续测量。实现了裂纹扩展过程垂直裂纹发育主方向声波波速的连续测量，最终得到声波波速-加载时间曲线。
[0005]该专利的不足之处在于，该专利只能获得声波波速-加载时间曲线，不能观测到裂纹的变化形式，另外，该专利受环境温度限制，不能实现高温条件下岩体的裂纹发育、扩展观测和强度测试。
发明内容
[0006]针对现有无侧限抗压强度试验仪存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置，它能测试岩体在不同温度耦合条件下的裂纹起裂、侨联、扩展及贯通过程中的无侧限强度，并能观测裂纹的变化。
[0007]本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有调升台、调升台上固定有垫块，调升台台面两边竖立有立柱，两立柱之间通过螺纹固定有反压横梁，反压横梁中段固定有对试样施加轴向反力的应力杆，应力杆底部装有应力传感器，试样置于应力杆与垫块之间，试样表面粘贴有第一声波发射器和第一声波接收器；
所述垫块内嵌有第二声波发射器和加热丝，应力杆底端孔内装有第二声波接收器，应力杆外围固定有可调高度的第一环形固定装置，第一环形固定装置连接有多通道声发射传感器;两根立柱上分别附有可调高度的第二环形固定装置，每根立柱的上下两个第二环形固定装置之间分别装有半圆桶形的绝热保护罩，绝热保护罩内嵌有加热器，绝热保护罩以立柱为枢轴旋转闭合获得中部密闭体，对垫块、试样及部分应力杆进行密封加热，温度传感器和红外热像仪设置在绝热保护罩合围的密闭体内；温度传感器、红外热像仪、应力传感器、第一声波发射器、第一声波接收器、第二声波发射器、第二声波接收器、多通道声发射传感器的信号线与信号转换器连接，对应信号经过信号转换器之后输入计算机。
[0008]由于采用了加热器和绝热保护罩，本发明能在各种温度条件下进行无侧限抗压强度测试;利用红外热像仪，本发明能准确获得岩质试样在温度场条件下的红外热像图；利用第一声波发射器和第一声波接收器检测水平方向的波速，利用第二声波发射器和第二声波接收器检测垂直方向的波速，通过垂直与水平两个方向不同波源的波速检测数据，避免了单向测试的弊端，本发明能准确测量裂纹侨联、贯通的时间、位置及裂纹发育的全过程信息；利用多通道声发射传感器数据，本发明能准确测量岩质试样体内裂纹的起裂时间、位置、数量。
[0009]由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:能测试岩质试样裂纹起裂、侨联、扩展的温度-应力耦合场条件下的无侧限强度，还具有结构简单、操作容易、价格低廉和动态检测的优点。
附图说明
[0010]本发明的附图说明如下:
图1为本发明的结构示意图。
[0011]图中:1.调升台；2.立柱;21.第二环形固定装置;3.反压横梁;4.应力杆;41.应力传感器;42.第二声波接收器;43.第一环形固定装置;44.多通道声发射传感器;5.垫块；51.第二声波发射器;6.试样;61.第一声波发射器;62.第一声波接收器;7.绝热保护罩;8.温度传感器;9.红外热像仪;10.信号转换器;11.计算机。
具体实施方式
[0012]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
如图1所示，本发明包括有调升台1、调升台I上固定有垫块5，调升台台面两边竖立有立柱2，两立柱2之间通过螺纹固定有反压横梁3，反压横梁3中段固定有对试样施加轴向反力的应力杆4，应力杆4底部装有应力传感器41，试样6置于应力杆4与垫块5之间，试样6表面粘贴有第一声波发射器61和第一声波接收器62，其特征是:
所述垫块5内嵌有第二声波发射器51和加热丝，应力杆4底端孔内装有第二声波接收器42，应力杆4外围固定有可调高度的第一环形固定装置43，第一环形固定装置43连接有多通道声发射传感器44;两根立柱2上分别附有可调高度的第二环形固定装置21，每根立柱2的上下两个第二环形固定装置21之间分别装有半圆桶形的绝热保护罩7，绝热保护罩7内嵌有加热器，绝热保护罩7以立柱2为枢轴旋转闭合获得中部密闭体，对垫块、试样及部分应力杆进行密封加热，温度传感器8和红外热像仪9设置在绝热保护罩7合围的密闭体内；温度传感器8、红外热像仪9、应力传感器41、第一声波发射器61、第一声波接收器62、第二声波发射器51、第二声波接收器42、多通道声发射传感器44的信号线与信号转换器10连接，对应信号经过信号转换器10之后输入计算机11。
[0013] 所述垫块5的直径大于试样6的直径。
[0014]本发明利用多通道声发射传感器测试，实现准确测试岩质试样在较小压力时内部起裂(即裂纹出现)、侨联发生的时间、数量、分布位置及此过程中的应力-应变数据。随着试验压力的增大，通过水平和垂直两个不同声源的声波波速测试结果，实现对岩质试样内部裂纹的扩展、贯通的时间、方位、数量的准确测量，进一步获得试样内部裂纹起裂图像、裂纹扩展分布图像、声波波速图、裂纹贯通的分布图像等，同时也获得了在裂纹发育过程中的应力-应变数据，实现裂纹扩展与强度动态结合的试验成果。当试验压力进一步增大时，岩质试样内部裂纹完全贯通，形成破裂面，试样破损强度丧失，在这个过程中借助水平和垂直方向的波速试验数据可以实现对裂纹贯通的时间、数量、位置及试验过程的应力状态进行测量，进而能够从细微处直观认识岩石应力-应变过程曲线中各个阶段。
[0015]本发明能进行温度-应力场耦合条件下的强度测试，利用多通道声发射传感器、红外热像仪，能获得试样在温度-应力场耦合条件下岩质试样裂纹起裂、侨联时的红外热像图，裂纹扩展、贯通时的红外热像图；通过水平和垂直方向的波速测试装置可以获得岩质试样在温度-应力场耦合条件下的波速分布图，实现了温度-应力场条件下裂纹扩展的强度测试。本测试仪结构组成简单、操作容易、价格低廉，实现了对试样的实时动态检测。
[0016]根据试验标准规范，制定标准试样并进行标准养护，同时对应力传感器、声波发射器、多通道声发射传感器及红外热像仪等仪器进行校正以及其他的试验准备工作，养护期结束后即可开始进行实验。
[0017] 1、在应力场条件下进行无侧限强度测试时，将准备好的试样放置垫块上，通过粘贴剂将声波发射器和接收器紧密粘贴于试样表面，微调加载驱动器使试样与反力杆刚好接触，记录加载驱动器的位移指示刻度值，开启水平和垂直方向的声波发射器及接收器和多通道声发射传感器，打开计算机上的应力传感数据处理软件、声发射和声波波速数据处理软件。开启加载驱动器，施加轴向压力，在试验加载压力较小阶段，岩质试样内部裂纹即将产生，通过多通道声发射传感器测试数据，能够准确获取岩质试样内部裂纹的起裂时间、位置、数量，裂纹侨联的动态图像和对应的应力-应变过程曲线，分析水平和垂直两个方向的波速图像及实时应力-应变值可以判别岩质试样内部裂纹发展的阶段。随着试验的进行轴力的增大，试样内部裂纹开始侨联和部分连通，形成潜在裂隙，此时通过两个方向的波速图像可以获得试样裂隙的出现时间、分布位置、数量等试验数据，及时保存此过程的应力-应变数据。进一步增大轴力，试样内部的裂隙完全贯通，形成破裂面，试样的强度值达到最大，最后试样破坏，测试结束。
[0018]通过以上试验过程可以获得岩质试样从完整状态到轴向受压破坏全程任意时刻的应力-应变数据;试验过程中试样体内裂纹起裂时刻的位置、裂纹分布的数量;试样裂纹的侨联扩展过程、裂纹的形态、裂纹形成破裂面时的分布规律、试样的动态声波波速测试图。这些丰富的基于裂纹扩展的微细观试验成果不仅可以清晰判别试样的强度、波速变化过程，而且可以清楚观测试样内部裂纹起裂、侨联发展变化的全过程信息，进而更加直观清晰地认识岩石应力-应变过程曲线(高等岩石力学，周维垣，1989，10页)中各个阶段的划分，为正确认识岩质试样受压破坏的内在机理提供了直观科学的依据。
[0019] 2、在温度场条件下进行无侧限强度测试时，将试样放置在垫块上，通过粘贴剂将声波发射器和接收器紧密粘贴于试样表面，微调加载驱动器使得试样与反力杆刚好接触。记录加载驱动器的位移指示刻度值，开启多通道声发射传感器、水平和垂直方向的声波波速检测传感器，打开计算机上的应力传感数据处理软件、声发射数据处理软件、声波波速数据处理软件。调节支柱上的第二环形固定器旋转两块绝热保护罩，使得绝热保护罩可以将垫块、试样和三分之一的反力杆罩住，并且保证两块绝热保护罩接触紧密。通过计算机加热控制软件操作，利用垫块和绝热保护罩内的加热器对试样进行加热，当绝热保护罩中的温度感应器读数达到试验设计温度时，即可停止对试样加热。调节加载驱动器进行轴力加载，在较低应力阶段时，通过多通道声发射传感器数据获得裂纹起裂、侨联的时间、数量及分布位置，通过声波波速测试可以获得试样裂纹的发育、连通到整个破坏过程的波速动态试验数据，通过红外热像仪可以得到试样裂纹发展到不同阶段、过程的实时动态热像图像。
[0020]通过以上试验不仅可以获得岩质试样在温度场条件下的强度测试和测试过程的应力-应变曲线图，还可以获得在温度场条件下岩质试样裂纹起裂数量、位置和时间，侨联时的红外热像图，裂纹扩展、贯通时的红外热像图；通过水平和垂直方向的波速测试装置可以获得岩质试样在温度场耦合条件下的波速分布图，实现了多场条件下的基于裂纹扩展条件下的强度测试。
[0021] 3、在裂纹扩展条件下温度-应力场耦合的无侧限强度测试时，将试样放置在垫块上，微调加载驱动器使得试样与反力杆刚好接触。记录加载驱动器的位移指示刻度值，开启多通道声发射传感器、水平和垂直方向的声波波速检测传感器，打开计算机上的应力传感数据处理软件、声发射数据处理软件、声波波速数据处理软件。调节支柱上的第二环形固定器旋转两块绝热保护罩，使得绝热保护罩可以将垫块、试样和三分之一的反力杆罩住，并且保证两块绝热保护罩接触紧密。通过加载驱动器进行轴向加压，当压力达到试验设计时，停止加压，记录加载驱动器的位移刻度值;通过计算机加热控制软件操作，利用垫块和绝热保护罩的加热器对试样进行加热，当绝热罩中的温度感应器读数达到试验设计温度时，即可停止对试样加热;进一步增加轴向压力，直至试样达到最大强度值，试样完全破坏。
[0022]通过以上实验，计算机中的波速、热像仪、声发射传感器及应力-应变的实时动态检测数据，能进行裂纹扩展条件下应力-温度场耦合的应力-温度-裂纹起裂规律、应力-温度-破裂面分布规律、应力-应变-温度裂纹分布、温度-裂纹-应变过程曲线等试验成果分析。
[0023]本发明对针对应力场、温度场或二者耦合的裂纹扩展条件下的强度测试试验研究岩石力学测试具有一定的推动作用，对探究地质深部(高温高压环境)岩体的试验研究提供了新的思路，有良好的应用前景。
Claims (2)
1.用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置，包括有调升台(I)、调升台(I)上固定有垫块(5)，调升台台面两边竖立有立柱(2)，两立柱(2)之间通过螺纹固定有反压横梁(3)，反压横梁(3)中段固定有对试样施加轴向反力的应力杆(4)，应力杆(4)底部装有应力传感器(41)，试样(6)置于应力杆(4)与垫块(5)之间，试样(6)表面粘贴有第一声波发射器(61)和第一声波接收器(62)，其特征是:所述垫块(5)内嵌有第二声波发射器(51)和加热丝，应力杆(4)底端孔内装有第二声波接收器(42)，应力杆(4)外围固定有可调高度的第一环形固定装置(43)，第一环形固定装置(43)连接有多通道声发射传感器(44);两根立柱(2)上分别附有可调高度的第二环形固定装置(21)，每根立柱(2)的上下两个第二环形固定装置(21)之间分别装有半圆桶形的绝热保护罩(7)，绝热保护罩(7)内嵌有加热器，绝热保护罩(7)以立柱(2)为枢轴旋转闭合获得中部密闭体，对垫块、试样及部分应力杆进行密封加热，温度传感器(8)和红外热像仪(9)设置在绝热保护罩(7)合围的密闭体内；温度传感器(8)、红外热像仪(9)、应力传感器(41)、第一声波发射器(61)、第一声波接收器(62)、第二声波发射器(51)、第二声波接收器(42)、多通道声发射传感器(44)的信号线与信号转换器(10)连接，对应信号经过信号转换器(10)之后输入计算机(11)。
2.根据权利要求1所述的用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置，其特征是:所述垫块(5)的直径大于试样(6)的直径。
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