CN106053230B - 岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法，在岩石裂纹扩展模拟试验装置中，上承压板的下表面固定连接挤压头，岩石试样放置于下承压板的上表面，岩石试样的上方开设有凹槽，凹槽的底部的岩石试样开设有预制裂纹，上挤压板的一端与下挤压板的一端固定连接，上挤压板和下挤压板的固定连接处铰接滑轮，于岩石试样的外表面设置有声发射检波器，声发射检波器信号连接计算机，加载端作用于上承压板，加载端信号连接计算机。本发明的有益效果为：岩石试样制作简单，试验简单，试验成本较低；可以根据岩石试样的受力情况施加平稳可控的压裂荷载，使岩石试样产生定向裂纹,可准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试样裂纹扩展之间的关系。

Description

岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法。
背景技术
岩石内部微裂纹的孕育、扩展是影响岩石宏观变形破坏的主要细观力学因素。由于岩石内部含有较多的微裂纹，在外力的作用下，微裂纹端部会形成应力集中，微裂纹开始扩展为拉裂纹并逐渐连接贯通，最终导致了岩石的破坏。因此，拉破坏是导致岩石发生破坏的根本原因之一。岩石裂纹扩展过程的观测研究对岩石裂纹扩展模型及本构关系建立、岩石变形破坏机制分析和岩石工程稳定性评价都具有重要意义。目前，现有技术多采用直接拉伸法或巴西劈裂法对岩石裂纹扩展进行研究，直接拉伸法的试样制作难度较高，采用较少。而在巴西圆盘劈裂试验过程中，由于试验过程受多种条件因素的影响，如压板与巴西盘之间的垫板(条)刚度及强度大小、垫板尺寸及形状等，得到的结果有时不能获取分析问题所需的足够信息，甚至不能反映问题的本质。
公开号为CN104819898A的中国专利文献公开了一种采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法，该装置采用注水加压的方法使岩石试件产生裂纹，但无法测试干燥或原生状态下岩石裂纹的扩展。公开号为CN105319138A的中国专利文献公开了一种用于进行岩石压裂试验的设备及方法，该装置主要通过电压施加装置对流体施加特定电压，从而将流体击穿以对岩石样品进行压裂，但该方法在对岩石样品进行压裂的过程中无法准确控制施加载荷的大小，难以细致观察岩石裂纹的起裂和扩展过程。公告号为CN205209884U的中国专利文献公开了一种岩石亚临界裂纹扩展实验简易装置，该装置主要通过刚球体加载压裂岩石试件“V”型切口，该装置无法根据岩石试件受力情况平稳的对加载过程进行控制，无法准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试件裂纹扩展之间的关系，而且带有“V”型切口的岩石试件制作困难，试验条件要求苛刻，不利于降低试验成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法，岩石试样制作简单，试验简单，降低试验成本，模拟岩石裂纹扩展过程，根据岩石试样的受力情况施加平稳可控的压裂荷载，使岩石试样产生定向裂纹,可准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试样裂纹扩展之间的关系，对研究岩石裂纹模型及本构关系建立、岩石变形断裂机制分析等具有重要意义。
本发明提供一种岩石裂纹扩展模拟试验装置，包括上承压板、挤压头、岩石试样、下承压板、上挤压板、下挤压板、滑轮、声发射检波器、加载端和计算机，上承压板的下表面固定连接上粗下锐的挤压头，岩石试样放置于下承压板的上表面，岩石试样的上方开设有凹槽，凹槽的底部的岩石试样开设有预制裂纹，上挤压板的一端与下挤压板的一端固定连接，上挤压板和下挤压板的固定连接处铰接滑轮，于凹槽左右两侧的岩石试样的上表面分别铺设两块上挤压板，于凹槽内部的左右两侧的岩石试样的侧表面分别铺设两块下挤压板，于岩石试样的外表面设置有声发射检波器，声发射检波器信号连接计算机，加载端作用于上承压板，加载端信号连接计算机。
进一步的，凹槽的横截面为矩形。
进一步的，预制裂纹的横截面为矩形。
进一步的，于岩石试样的外侧表面以岩石试样的中间竖直线为对称轴对称设置声发射检波器。
进一步的，于岩石试样的外侧表面的上部的左右两侧对称设置两个声发射检波器，于岩石试样的外侧表面的下部的左右两侧对称设置两个声发射检波器。
进一步的，岩石试样的上方开设有若干个凹槽，若干个凹槽的底部的岩石试样均开设有预制裂纹，上承压板的下表面固定连接有与凹槽数量对应的若干个挤压头。
进一步的，挤压头的横截面为三角形。
进一步的，挤压头、上挤压板和下挤压板由高强度纤维材料制成。
本发明还提供一种岩石裂纹扩展模拟试验方法，应用上述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，包括以下步骤：
步骤一、将岩石试样放置于下承压板上，于凹槽左右两侧的岩石试样的上表面和凹槽内部的左右两侧的岩石试样的侧表面铺设上挤压板和下挤压板，于岩石试样的外表面设置声发射检波器；
步骤二、计算机控制加载端对上承压板施加轴向应力，挤压头经两滑轮之间的缝隙继续下移至岩石试样完全破坏，通过声发射检波器记录声发射特征信号数据。
进一步的，步骤二中，在岩石试样破坏过程中，通过高速相机记录岩石试样破坏过程的图像数据。
与现有技术相比，本发明的岩石裂纹扩展模拟试验装置及试验方法具有以下特点和优点：
1、本发明的岩石裂纹扩展模拟试验装置，岩石试样制作简单，试验简单，试验成本较低；
2、本发明的岩石裂纹扩展模拟试验装置，模拟岩石裂纹扩展过程中，可以根据岩石试样的受力情况施加平稳可控的压裂荷载，使岩石试样产生定向裂纹,可准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试样裂纹扩展之间的关系；
3、本发明的岩石裂纹扩展模拟试验装置，对研究岩石裂纹模型及本构关系建立、岩石变形断裂机制分析等具有重要意义；
4、本发明的岩石裂纹扩展模拟试验方法，试验操作简单，便于平稳精确控制对岩石试样施加压裂荷载，使岩石试样产生定向裂纹,精确记录声发射特征信号数据和岩石试样破坏过程的图像数据，以准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试样裂纹扩展之间的关系。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中岩石裂纹扩展模拟试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2中岩石裂纹扩展模拟试验装置的结构示意图；
其中，
11、上承压板，12、下承压板，2、挤压头，31、上挤压板，32、下挤压板，33、滑轮，4、岩石试样，41、凹槽，42、预制裂纹，43、裂纹，5、声发射检波器，6、信号电缆，7、计算机。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种岩石裂纹扩展模拟试验装置，上承压板11的下表面固定连接上粗下锐的由高强度纤维材料制成的挤压头2，本实施例中的挤压头2的横截面为三角形，可以便于挤压头2从两滑轮33之间的缝隙里继续向下挤压。岩石试样4放置于下承压板12的上表面，岩石试样4的上方开设有凹槽41，凹槽41的底部的岩石试样4开设有预制裂纹42，预制裂纹42可以保证裂纹43扩展沿着一定方向进行，有利于观察记录裂纹43的扩展过程。上挤压板31和下挤压板32也由高强度纤维材料制成，当然，挤压头2、上挤压板31和下挤压板32也可以由高强度钢材制成。上挤压板31的一端与下挤压板32的一端固定连接，上挤压板31和下挤压板32的固定连接处铰接滑轮33，于凹槽41左右两侧的岩石试样4的上表面分别铺设两块上挤压板31，于凹槽41内部的左右两侧的岩石试样4的侧表面分别铺设两块下挤压板32。加载端作用于上承压板11，加载端经信号电缆6信号连接计算机7，计算机7控制加载端经上承压板11、挤压头2、上挤压板31和下挤压板32对岩石试样4施加平稳可控的压裂荷载，有利于研究压裂荷载与裂纹扩展之间的关系。在挤压头2向下挤压的过程中，两下挤压板32分别朝两侧移动，两下挤压板32带动了凹槽41两侧的岩石试样4向两侧分离，岩石试样4沿着预制裂纹42使岩石试样4定向产生裂纹43。岩石试样4的外表面以岩石试样4的中间竖直线为对称轴对称设置声发射检波器5，本实施例中，于岩石试样4的外侧表面的上部的左右两侧对称设置两个声发射检波器5，于岩石试样4的外侧表面的下部的左右两侧对称设置两个声发射检波器5，从而可以通过声发射检波器5精确的监测多个方向的声发射特征信号数据。声发射检波器5经信号电缆6信号连接计算机7，在模拟岩石裂纹扩展过程中，声发射检波器5用来精确记录声发射特征信号数据，以准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试样裂纹扩展之间的关系，进而对研究岩石裂纹模型及本构关系建立、岩石变形断裂机制分析等具有重要意义。凹槽41和预制裂纹42以便于加工岩石试样4为前提，而不必在岩石试样4上开设难以制作的“V”型等切口。本实施例中的凹槽41和预制裂纹42的横截面为矩形，便于岩石试样4制作，试验简单，试验成本较低。
本发明还提供一种岩石裂纹扩展模拟试验方法，应用上述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，包括以下步骤：
步骤一、将岩石试样4放置于下承压板12上，于凹槽41左右两侧的岩石试样4的上表面铺设上挤压板31，于凹槽41内部的左右两侧的岩石试样4的侧表面铺设下挤压板32，于岩石试样4的外表面设置声发射检波器5；
步骤二、计算机7控制加载端对上承压板11施加轴向应力，挤压头2经两滑轮33之间的缝隙继续下移至岩石试样4完全破坏，通过声发射检波器5记录声发射特征信号数据，在岩石试样4破坏过程中，通过高速相机记录岩石试样4破坏过程的图像数据。
本实施例的上述岩石裂纹扩展模拟试验方法，试验操作简单，便于平稳精确控制对岩石试样4施加压裂荷载，使岩石试样4产生定向裂纹，精确记录声发射特征信号数据和岩石试样4破坏过程的图像数据，以准确分析载荷、加载速率等因素与岩石试样4裂纹扩展之间的关系。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，岩石试样4的上方开设有两个凹槽41，两个凹槽41的底部的岩石试样4均开设有预制裂纹42，上承压板11的下表面固定连接有两个挤压头2。本实施例中的岩石裂纹扩展模拟试验装置，可以于岩石试样4上同时进行两处的模拟岩石裂纹扩展过程。当然也可以在岩石试样4的上方开设有两个以上的凹槽41，两个以上的凹槽41的底部的岩石试样4均开设有预制裂纹42，上承压板11的下表面固定连接有与凹槽41数量对应的挤压头2，可以于岩石试样4上同时进行两处以上的模拟岩石裂纹扩展过程。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：包括上承压板、挤压头、岩石试样、下承压板、上挤压板、下挤压板、滑轮、声发射检波器、加载端和计算机，挤压头、上挤压板和下挤压板由高强度纤维材料制成，上承压板的下表面固定连接上粗下锐的挤压头，岩石试样放置于下承压板的上表面，岩石试样的上方开设有凹槽，凹槽的底部的岩石试样开设有预制裂纹，上挤压板的一端与下挤压板的一端固定连接，上挤压板和下挤压板的固定连接处铰接滑轮，于凹槽左右两侧的岩石试样的上表面分别铺设两块上挤压板，于凹槽内部的左右两侧的岩石试样的侧表面分别铺设两块下挤压板，于岩石试样的外表面设置有声发射检波器，声发射检波器信号连接计算机，加载端作用于上承压板，加载端信号连接计算机。
2.根据权利要求1所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：凹槽的横截面为矩形。
3.根据权利要求2所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：预制裂纹的横截面为矩形。
4.根据权利要求3所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：于岩石试样的外侧表面以岩石试样的中间竖直线为对称轴对称设置声发射检波器。
5.根据权利要求4所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：于岩石试样的外侧表面的上部的左右两侧对称设置两个声发射检波器，于岩石试样的外侧表面的下部的左右两侧对称设置两个声发射检波器。
6.根据权利要求1至5任一项所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：岩石试样的上方开设有若干个凹槽，若干个凹槽的底部的岩石试样均开设有预制裂纹，上承压板的下表面固定连接有与凹槽数量对应的若干个挤压头。
7.根据权利要求1至5任一项所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于：挤压头的横截面为三角形。
8.一种岩石裂纹扩展模拟试验方法，应用权利要求1至7任一项所述的岩石裂纹扩展模拟试验装置，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一、将岩石试样放置于下承压板上，于凹槽左右两侧的岩石试样的上表面和凹槽内部的左右两侧的岩石试样的侧表面铺设上挤压板和下挤压板，于岩石试样的外表面设置声发射检波器；
步骤二、计算机控制加载端对上承压板施加轴向应力，挤压头经两滑轮之间的缝隙继续下移至岩石试样完全破坏，通过声发射检波器记录声发射特征信号数据。
9.根据权利要求8所述的岩石裂纹扩展模拟试验方法，其特征在于：步骤二中，在岩石试样破坏过程中，通过高速相机记录岩石试样破坏过程的图像数据。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107748104B (zh) * 2017-09-05 2020-12-08 中建商品混凝土有限公司 3d打印建筑结构层间粘结强度的测试方法
CN107991186B (zh) * 2017-11-28 2024-01-26 西安科技大学 含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置及方法
CN108398331A (zh) * 2018-02-23 2018-08-14 山东大学 一种岩石多元信息采集系统及试验方法
CN109682681A (zh) * 2018-12-06 2019-04-26 内蒙合成化工研究所 一种涂层微裂纹动态扩展及自修复效果的测试方法
CN112444448B (zh) * 2020-11-17 2022-02-18 大连理工大学 基于聚类分析和信源熵原理的岩石受压微裂纹扩展方向性评价方法
CN114578026A (zh) * 2022-05-05 2022-06-03 中国科学院地质与地球物理研究所 用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置及方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202031564U (zh) * 2010-12-30 2011-11-09 河南理工大学 煤岩钻孔水力致裂实验装置
CN102954914A (zh) * 2012-10-31 2013-03-06 长江水利委员会长江科学院 真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法
CN203420700U (zh) * 2013-09-05 2014-02-05 东北石油大学 岩体压裂裂缝转向模拟实验测定装置
CN203570309U (zh) * 2013-11-08 2014-04-30 中国石油大学(北京) 裂缝性易漏地层堵漏承压能力评价装置
CN203535015U (zh) * 2013-11-21 2014-04-09 三峡大学 裂纹扩展声发射试验装置
CN205209884U (zh) * 2015-11-13 2016-05-04 中国石油大学(北京) 一种岩石亚临界裂纹扩展实验简易装置
CN205808836U (zh) * 2016-07-13 2016-12-14 山东科技大学 岩石裂纹扩展模拟试验装置

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