CN106596280A - 一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置 - Google Patents

一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置 Download PDF

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Abstract

一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，包括四个作动器、压力室、第一蠕动泵、超景深三维显微镜及刚性支撑平台；两个作动器水平对称设置，另两个竖直对称设置；四个作动器结构相同，包括作动器壳体、伺服电机、滚珠丝杠、丝母及压杆，丝母上设有凸块，作动器壳体内设有导向槽，丝母通过凸块与导向槽滑动连接，压杆一端固接丝母，另一端位于压力室内腔中，压杆端部连接刚性压头；压力室位于刚性支撑平台上，超景深三维显微镜通过显微镜支架及导轨与刚性支撑平台滑动连接；第一蠕动泵出水口与压力室内腔相连通，用于围压加载；伺服电机内置编码器；压杆与刚性压头之间加装压力传感器；压力室外部设有第二蠕动泵，用于岩石试样孔压加载。

Description

一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置
技术领域
本发明属于岩石室内加载试验技术领域，特别是涉及一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置。
背景技术
岩石作为一种含有天然孔隙的地质材料，其形成过程需要经历复杂的地质作用，而复杂条件下的岩石力学性质也是地下岩体工程的研究重点，岩石力学性质又与岩石内部微裂纹的损伤演化过程密切相关，岩石经压缩作用后发生的破裂现象，就是其内部众多微裂纹闭合、萌生、扩展及相互作用的结果。鉴于此，如果能够准确捕捉到微裂纹的发育过程，将对研究岩石微观尺度下的破坏行为具有积极作用。
目前，用于研究岩石微观破坏行为的手段已有许多，主要包括声发射法、体变测量法、声波波速法、电镜扫描法、CT扫描法及荧光法等；通过声发射法、声波波速法及CT扫描法虽然可以捕捉到微裂纹的发育位置，但无法捕捉为了的形态和数量，也无法获取岩石在加载过程中的变形特征；通过体变测量法虽然可以获取岩石在加载过程中的变形特征，但却不具备捕捉微裂纹发育过程的能力；通过电镜扫描法和荧光法虽然可以捕捉到微裂纹的形态和数量，缺点是均需要进行切片处理，且在加载过程中也不具备捕捉微裂纹发育过程的能力。
因此，为了更好的研究岩石微观尺度下的破坏行为，亟需在一次试验内就可完成微裂纹形态、数量及发育位置的捕捉，并同时获取岩石在加载过程中的变形特征。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，能够在一次试验内完成微裂纹形态、数量及发育位置的捕捉，并具备同时获取岩石在加载过程中变形特征的能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，包括第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器、压力室、第一蠕动泵、超景深三维显微镜及刚性支撑平台；所述第一大主应力作动器及第二大主应力作动器水平对称设置在压力室的左右两侧，所述第一中主应力作动器及第二中主应力作动器竖直对称设置在压力室的上下两侧；
所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器及第二中主应力作动器结构相同，均包括作动器壳体、伺服电机、滚珠丝杠、丝母及压杆，所述作动器壳体一端固连在压力室外壁上，伺服电机固装在作动器壳体另一端，所述滚珠丝杠位于作动器壳体内，滚珠丝杠一端与伺服电机的电机轴相固连；所述丝母套装在滚珠丝杠上，在丝母上设有凸块，在所述作动器壳体内表面设有导向槽，导向槽平行于滚珠丝杠，凸块位于导向槽内，丝母通过凸块与导向槽滑动连接；所述压杆一端固接在丝母上，压杆另一端密封穿过压力室外壳位于压力室内腔中，压杆端部连接刚性压头；
所述压力室固定设置在刚性支撑平台上，在压力室密封门前方的刚性支撑平台上设置超景深三维显微镜，超景深三维显微镜固定在显微镜支架上，显微镜支架与刚性支撑平台之间通过导轨滑动连接；
所述第一蠕动泵的进水口与水源相连，第一蠕动泵的出水口通过管路与压力室内腔相连通，通过第一蠕动泵进行压力室内腔的围压加载。
所述伺服电机内置有编码器。
在所述丝母与作动器壳体之间加装有LVDT位移传感器。
在所述压杆与刚性压头之间加装有压力传感器。
在所述刚性压头内设有一个通孔，通孔的一个孔口位于刚性压头的夹持面上，通孔的另一个孔口位于刚性压头的非夹持面上，且位于刚性压头非夹持面上的通孔孔口通过管道与压力室外部相通；在所述压力室外部设置有第二蠕动泵，第二蠕动泵的进水口与水源相连，第二蠕动泵的出水口通过管路与通孔相连通，通过第二蠕动泵进行岩石试样的孔压加载，模拟岩石试样的水饱和状态。
在所述第二蠕动泵的出水口与通孔之间的连通管路上加装有孔压检测传感器。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，能够在一次试验内完成微裂纹形态、数量及发育位置的捕捉，并具备同时获取岩石在加载过程中变形特征的能力。
附图说明
图1为本发明的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置正视图；
图2为本发明的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置侧视图；
图3为本发明的作动器结构示意图；
图中，1—第一大主应力作动器，2—第二大主应力作动器，3—第一中主应力作动器，4—第二中主应力作动器，5—压力室，6—第一蠕动泵，7—超景深三维显微镜，8—刚性支撑平台，9—作动器壳体，10—伺服电机，11—滚珠丝杠，12—丝母，13—压杆，14—凸块，15—导向槽，16—刚性压头，17—显微镜支架，18—导轨，19—LVDT位移传感器，20—压力传感器，21—通孔，22—第二蠕动泵，23—岩石试样，24—孔压检测传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～3所示，一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，包括第一大主应力作动器1、第二大主应力作动器2、第一中主应力作动器3、第二中主应力作动器4、压力室5、第一蠕动泵6、超景深三维显微镜7及刚性支撑平台8；所述第一大主应力作动器1及第二大主应力作动器2水平对称设置在压力室5的左右两侧，所述第一中主应力作动器3及第二中主应力作动器4竖直对称设置在压力室5的上下两侧；
所述第一大主应力作动器1、第二大主应力作动器2、第一中主应力作动器3及第二中主应力作动器4结构相同，均包括作动器壳体9、伺服电机10、滚珠丝杠11、丝母12及压杆13，所述作动器壳体9一端固连在压力室5外壁上，伺服电机10固装在作动器壳体9另一端，所述滚珠丝杠11位于作动器壳体9内，滚珠丝杠11一端与伺服电机10的电机轴相固连；所述丝母12套装在滚珠丝杠11上，在丝母12上设有凸块14，在所述作动器壳体9内表面设有导向槽15，导向槽15平行于滚珠丝杠11，凸块14位于导向槽15内，丝母12通过凸块14与导向槽15滑动连接；所述压杆13一端固接在丝母12上，压杆13另一端密封穿过压力室5外壳位于压力室5内腔中，压杆13端部连接刚性压头16；
所述压力室5固定设置在刚性支撑平台8上，在压力室5密封门前方的刚性支撑平台8上设置超景深三维显微镜7，超景深三维显微镜7固定在显微镜支架17上，显微镜支架17与刚性支撑平台8之间通过导轨18滑动连接；
所述第一蠕动泵6的进水口与水源相连，第一蠕动泵6的出水口通过管路与压力室5内腔相连通，通过第一蠕动泵6进行压力室5内腔的围压加载。
所述伺服电机10内置有编码器。
在所述丝母12与作动器壳体9之间加装有LVDT位移传感器19。
在所述压杆13与刚性压头16之间加装有压力传感器20。
在所述刚性压头16内设有一个通孔21，通孔21的一个孔口位于刚性压头16的夹持面上，通孔21的另一个孔口位于刚性压头16的非夹持面上，且位于刚性压头16非夹持面上的通孔21孔口通过管道与压力室5外部相通；在所述压力室5外部设置有第二蠕动泵22，第二蠕动泵22的进水口与水源相连，第二蠕动泵22的出水口通过管路与通孔21相连通，通过第二蠕动泵22进行岩石试样23的孔压加载，模拟岩石试样23的水饱和状态。
在所述第二蠕动泵22的出水口与通孔21之间的连通管路上加装有孔压检测传感器24。
下面结合附图说明本发明的一次应用过程：
实施例一：开展单轴或双轴加载试验。
试验前，首先制备岩石试样23，岩石试样23的最终尺寸为40mm×20mm×6mm；然后在岩石试样23的一个40mm×20mm表面粘贴应变片；将粘贴好应变片的岩石试样23送入压力室5内，并将岩石试样23的一个20mm×6mm表面朝下放置在第二中主应力作动器4的刚性压头16上；先通过伺服电机内置的编码器分别对四个作动器实施位移控制，并完成岩石试样23的粗对中，再通过压力传感器分别对四个作动器实施应力控制，直至完成岩石试样23的精确对中夹持；在岩石试样23与刚性压头16之间安装用于体积变形测量的LVDT位移传感器；移动超景深三维显微镜7，使超景深三维显微镜7的镜头伸入到压力室5内，使超景深三维显微镜7的镜头正对岩石试样23的另一个40mm×20mm表面，调试超景深三维显微镜7，确定好观察位置；启动加载，记录下应变片和LVDT位移传感器所测数据，同时通过超景深三维显微镜7同步观察岩石试样23的微裂纹发育过程，并完成微裂纹形态、数量及发育位置的捕捉。
实施例二：开展真三轴加载试验。
试验前，首先制备岩石试样23，岩石试样23的最终尺寸为40mm×20mm×6mm；然后在岩石试样23的40mm×20mm表面粘贴应变片；通过密封胶对粘贴好应变片的岩石试样23进行密封；将密封好的岩石试样23送入压力室5内，先通过伺服电机内置的编码器分别对四个作动器实施位移控制，并完成岩石试样23的粗对中，再通过压力传感器分别对四个作动器实施应力控制，直至完成岩石试样23的精确对中夹持；在岩石试样23与刚性压头16之间安装用于体积变形测量的LVDT位移传感器；关闭压力室5密封门，再向压力室5内注满水；启动第一蠕动泵6进行围压加载，通过四个作动器进行应力加载，记录下应变片和LVDT位移传感器所测数据，最终获得岩石试样23的变形特征。
实施例三：开展真三轴加载试验。
在实施例二的基础上，启动第二蠕动泵22，对岩石试样23进行孔压加载，模拟岩石试样23的水饱和状态；同时，通过第一蠕动泵6进行围压加载，通过四个作动器进行应力加载，并记录下应变片和LVDT位移传感器所测数据，最终获得岩石试样23的变形特征。
在实施例一至实施例三中，应力加载的最大载荷为32kN，围压加载的最大载荷为2MPa；在实施例三中，孔压加载的最大载荷为2MPa。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，其特征在于：包括第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器、压力室、第一蠕动泵、超景深三维显微镜及刚性支撑平台；所述第一大主应力作动器及第二大主应力作动器水平对称设置在压力室的左右两侧，所述第一中主应力作动器及第二中主应力作动器竖直对称设置在压力室的上下两侧；
所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器及第二中主应力作动器结构相同，均包括作动器壳体、伺服电机、滚珠丝杠、丝母及压杆，所述作动器壳体一端固连在压力室外壁上，伺服电机固装在作动器壳体另一端，所述滚珠丝杠位于作动器壳体内，滚珠丝杠一端与伺服电机的电机轴相固连；所述丝母套装在滚珠丝杠上，在丝母上设有凸块，在所述作动器壳体内表面设有导向槽，导向槽平行于滚珠丝杠，凸块位于导向槽内，丝母通过凸块与导向槽滑动连接；所述压杆一端固接在丝母上，压杆另一端密封穿过压力室外壳位于压力室内腔中，压杆端部连接刚性压头；
所述压力室固定设置在刚性支撑平台上，在压力室密封门前方的刚性支撑平台上设置超景深三维显微镜，超景深三维显微镜固定在显微镜支架上，显微镜支架与刚性支撑平台之间通过导轨滑动连接；
所述第一蠕动泵的进水口与水源相连，第一蠕动泵的出水口通过管路与压力室内腔相连通，通过第一蠕动泵进行压力室内腔的围压加载。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，其特征在于：所述伺服电机内置有编码器。
3.根据权利要求1所述的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，其特征在于：在所述丝母与作动器壳体之间加装有LVDT位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，其特征在于：在所述压杆与刚性压头之间加装有压力传感器。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，其特征在于：在所述刚性压头内设有一个通孔，通孔的一个孔口位于刚性压头的夹持面上，通孔的另一个孔口位于刚性压头的非夹持面上，且位于刚性压头非夹持面上的通孔孔口通过管道与压力室外部相通；在所述压力室外部设置有第二蠕动泵，第二蠕动泵的进水口与水源相连，第二蠕动泵的出水口通过管路与通孔相连通，通过第二蠕动泵进行岩石试样的孔压加载，模拟岩石试样的水饱和状态。
6.根据权利要求5所述的一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置，其特征在于：在所述第二蠕动泵的出水口与通孔之间的连通管路上加装有孔压检测传感器。
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