CN107036903A - 动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法，其中流变仪包括动力扰动系统、机架、导轨、提升机构、压力室、小车、温度控制系统、轴向加载系统、围压加载系统、测量系统、控制系统和计算机及软件系统；所述轴向加载系统中的加载油缸可通过转换阀在丝杆增压器与伺服阀之间切换，当进行常规三轴压缩试验时，通过转换阀使得伺服油源、伺服阀和加载油缸连通，当进行三轴流变试验时，转换阀将丝杆增压器与加载油缸连通；岩石试样受到的动力扰动采用砝码动力扰动系统或者冲击缸扰动系统实现；本发明提供了一种有效解决负温、动力扰动组合条件下的岩石三轴加卸载流变试验和常规三轴压缩试验，其整体结构原理简单，功能多变，适用性强。

Description

动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法
技术领域：
本发明属于岩石力学试验设备技术领域，涉及一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法。
背景技术：
我国西北地区鄂尔多斯盆地一带的煤炭储备丰富，十三五规划纲要中明确提出，限制东部、控制中部和东北、优化西部地区煤炭资源开发，推进大型煤炭基地绿色化开采和改造。可见西部地区煤炭资源开发利用对国家经济发展、能源安全战略具有重要意义，而该地区开采深度范围内岩层岩性差异性较大，局部岩层内带状脉状裂隙含水系统、断裂带贮水空间以及断裂带集水廊道中地下水丰富，矿井凿掘过程中揭露含水层时易发生突水、涌水事故，人工冻结法是此类富水基岩井筒建设中行之有效的方法，形成的冻结岩壁能够实现止水、提供高强支护的效果，为井筒安全高效掘进提供安全保障，但冻结壁组分复杂，对其力学特性认识还很浅，导致冻结参数设计不合理，一方面使得冻结壁强度利用不充分，增加施工成本；另一方面针对矿井开挖卸荷，冻结壁内三向受力状态岩体在爆破、机械振动等扰动荷载作用下发生变形，且岩体强度随扰动效应增大而降低，同时此类含冰裂隙岩体在扰动作用下产生次生裂隙，开挖卸荷后裂隙进一步扩展，岩体变形随时间渐进增大，很长一段时间后可能发生显著变形甚至失稳破坏，即低温含冰裂隙岩体蠕变现象普遍存在，最终使得岩壁产生不同程度损伤，出现井筒严重变形、漏水事故。因此，必须开展有关低温岩石、含冰裂隙岩体力学特性试验研究，尤其需要掌握扰动荷载作用下该类冻结岩体三轴加卸载力学特性、时间效应和三轴流变特性，对冻结壁的参数设计及其安全性评价具有重要意义。
目前，对裂隙岩体三轴压缩、流变力学特性研究较多，但由于缺乏先进设备，涉及低温、扰动条件下裂隙岩体三轴压缩试验及三轴流变特性试验研究还处于空白，对于低温裂隙岩体受扰动作用后三轴压缩力学特性以及随时间变化的力学行为目前还不得而知；此外，低温裂隙岩体随时间变化的变形会对混凝土井壁产生作用力，使得新浇筑混凝土井壁受岩壁变形及爆破振动双重作用，其扰动效应下的流变特性及稳定性评价也无资料可查。
发明内容：
为了解决上述难题，本发明提供了一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法，包括以受动力扰动的工程岩体为研究对象，实现不同环境温度、不同扰动荷载条件下岩体的三轴压缩及三轴加卸载流变试验。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，属于测试低温岩体在扰动荷载作用下强度、变形以及与流变性状的试验装置，所述试验装置侧重于岩石三轴的流变试验，三轴压力室内部可通入冷却液对压力室内部进行冷却，从而可进行低温三轴的流变试验，轴压加载与围压加载均采用丝杆结构的增压器加载，适用于长时间加载，轴压加载的作动器为伺服作动器，通过转换阀可在增压器与伺服阀之间进行切换，故所述试验装置除可用于流变试验外也可采用伺服阀加载实现常规三轴压缩试验；所述试验装置包含动力扰动系统、机架、导轨、提升机构、压力室、小车、温度控制系统、轴向加载系统、围压加载系统、测量系统、控制系统和计算机及软件系统。
所述动力扰动系统采用两种实现方式，包括砝码动力扰动系统和冲击缸动力扰动系统。所述砝码动力扰动系统由右上大轴承座板、轴承盖、连接板、提升链轮、下传动轴、大锥齿轮、小锥齿轮、主传动轴、左上大轴承座板、从动链轮、减速电机、主动链轮、辐轮式传感器、加载板、冲击承载杆、单排滚子链、左下大轴承座板、右下大轴承座板、上传动轴、上盖板、冲击砝码组成；所述冲击砝码属具有厚度的圆环，套装在所述冲击承载杆外，圆环内径与所述冲击承载杆外径相同，且冲击砝码内侧布设滚珠，以减小冲击砝码下落时的阻力；所述减速电机带动所述主动链轮转动，再通过单排滚子链使得所述从动链轮转动，从而主传动轴随之转动，所述主传动轴一端设置小锥齿轮与所述下传动轴左端设置的大锥齿轮咬合转动，使得设置在所述下传动轴中部的提升链轮转动，实现竖向单排滚子链不断上下传动，所述竖向单排滚子链外部设有拨片，竖向滚子链向上传动时带动所述冲击砝码沿着冲击承载杆向上提升，当砝码到达所述上传动轴位置时，拨片随竖向单排滚子链传动下移，冲击砝码再沿着冲击承载杆发生自由落体运动，冲击作用发生在所述冲击承载杆中部平台上，实现对加载板、辐轮式传感器以及试样的冲击作用，用于模拟爆破、机械振动荷载对三向受力状态下冻结岩体产生的扰动作用。
所述冲击缸动力扰动系统由辐轮式传感器、加载板、冲击承载杆、冲击缸、伺服阀、伺服油源、Ⅳ型伺服控制器组成；所述冲击缸内含有冲击杆，冲击杆与冲击承载杆相互作用形成的振动效应传递给下部加载板和辐轮式传感器，直至所述压力室内的试样。
所述机架采用40mm厚的高强度结构钢焊接而成，刚度大、占地面积小；为了方便试验、减少人工劳动强度，增加压力室进出拖动小车、导轨和提升机构；所述提升机构用于提升压力室筒体，所述小车用于放置压力室，所述导轨可使所述小车沿轨道滑动。
所述温度控制系统由制冷装置、电磁阀、温度传感器、温度控制仪、低温恒温储油箱组成；所述低温恒温储油箱内装有低温航空硅油，所述航空硅油是压力室降温和控温的冷媒介质，同时，也可配合围压加载系统给压力室内试样施加围压；压力室内、上压杆、下压头均布设有温度传感器，温度传感器将监测到的压力室内温度实时传输给温度控制仪，所述温度控制仪通过与所述计算机及软件系统通讯并将温度传感器实时监测数据与目标值进行比较，并向所述电磁阀发出开关指令，安装在冷却管路上的电磁阀通过接受指令而调节所述制冷装置输出的冷却液流量，从而达到控制温度的目的。
所述轴向加载系统由加载油缸、转换阀、伺服阀、伺服油源、丝杆增压器、伺服电机、Ⅱ型伺服控制器、Ⅲ型伺服控制器组成；所述加载油缸为伺服油缸，除可用于流变试验外也可采用伺服阀加载进行常规三轴试验，所述转换阀可在丝杆增压器与伺服阀之间进行切换，当使用常规三轴压缩试验时，通过转换阀切换使得伺服阀与加载油缸连通，这种伺服阀加载方式对于岩石等脆性材料更合适；当使用三轴流变试验时，轴压需要长时间稳定，此时，转换阀将丝杆增压器与加载油缸连通，由于滚珠丝杆加载方式稳定性较好，从而能够给流变试验中试样轴向提供长时间的恒载。
所述围压加载系统由丝杆增压器、伺服电机、低温恒温储油箱、Ⅰ型伺服控制器组成；所述低温恒温储油箱用于给压力室提供低温航空硅油，丝杆增压器与压力室连通后由伺服电机驱动丝杆增压器给压力室内硅油加压，从而使试样受到围压作用，所述伺服电机受Ⅰ型伺服控制器、计算机及软件系统、测量系统伺服闭环控制，最终实现三轴流变试验和三轴压缩试验围压的加载、卸载和保载。
所述测量系统由负荷传感器、围压传感器、变形传感器、轴向位移传感器、传感器信号处理模块、数据采集器组成；所述控制系统由温度控制仪、Ⅰ型伺服控制器、Ⅱ型伺服控制器、Ⅲ型伺服控制器、Ⅳ型伺服控制器组成。所述测量系统和控制系统均可以与计算机及软件系统通讯，由计算机及软件系统进行程控工作。
所述计算机及软件系统通过软件可对所述控制系统进行集中控制，在试验过程中实现对力、变形、位移及其速度等进行高精度控制，同时自动记录存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，具有以下优点：
1、使用功能强，操作方便，通过转换阀可在增压器与伺服阀之间切换，轻松实现岩石低温三轴流变试验和岩石低温三轴压缩试验的转换。
2、动力扰动组件扩展性强、设计巧妙，一方面利用简易链轮和滚子链可实现砝码从固定高度周期性自由下落冲击；另一方面利用冲击缸结合伺服控制系统实现指定冲击速度、指定冲击荷载的动力扰动。
3、测量精度高，采用传感器处理模块将变形传感器和负荷传感器实测动态数据转换成电压输出信号，并通过高采样频率的数据采集器采集，实现了对高频率冲击作用下试样受到的动态负荷信号、动态变形信号准确实时监测。
4、温度控制精度高，采用多点温度传感器并配置高精度温度控制仪实现对测试试样的温度控制。
附图说明
图1为本发明的组成系统框图。
图2为本发明的试验机总结构主视图。
图3为本发明的试验机总结构左视图。
图4为本发明的砝码动力扰动组件俯视图。
图5为本发明的砝码动力扰动组件1-1剖面图。
图6为本发明的砝码动力扰动组件2-2剖面图。
图7为本发明的砝码动力扰动组件局部详图。
图8为本发明的冲击砝码示意图。
图9为本发明的冲击缸动力扰动组件俯视图。
图10为本发明的冲击缸动力扰动组件主视图。
图11为本发明的冲击缸动力扰动组件3-3剖面图。
图12为本发明采用的三轴卸载流变应力路径示意图。
图13为本发明采用的三轴加载流变应力路径示意图。
图14为本发明拟测试得出的荷载-时间曲线示意图。
图中，1—动力扰动系统，1-1—右上大轴承座板、1-2—轴承盖、1-3—连接板、1-4—提升链轮、1-5—下传动轴、1-6—大锥齿轮、1-7—小锥齿轮、1-8—主传动轴、1-9—左上大轴承座板、1-10—从动链轮、1-11—减速电机、1-12—主动链轮、1-13—辐轮式传感器、1-14—加载板、1-15—冲击承载杆、1-16—水平单排滚子链、1-17—左下大轴承座板、1-18—右下大轴承座板、1-19—上传动轴、1-20—上盖板、1-21—冲击砝码、1-21-1—固定孔、1-21-2——滚珠、1-22—竖向单排滚子链、1-23—拨片、1-24—冲击承载杆、1-25—冲击杆、1-26—冲击缸、1-27—伺服阀、1-28—伺服油源；
2—机架，3—导轨，4—提升机构，5—压力室，6—小车；
7—温度控制系统，7-1—制冷装置、7-2—电磁阀、7-3—温度传感器、7-4—保温罩、7-5—低温恒温储油箱；
8—轴向加载系统，8-1—加载油缸、8-2—转换阀、8-3—伺服阀、8-4—伺服油源、8-5—丝杆增压器、8-6—伺服电机；
9—围压加载系统，9-1—丝杆增压器、9-2—伺服电机；
10—测量系统，10-1—负荷传感器、10-2—围压传感器、10-3—变形传感器、10-4—轴向位移传感器、10-5—传感器信号处理模块、10-6—数据采集器；
11—控制系统，11-1温度控制仪、11-2—Ⅰ型伺服控制器、11-3—Ⅱ型伺服控制器、11-4—Ⅲ型伺服控制器、11-5—Ⅳ型伺服控制器；
12—计算机及软件系统；
13—试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图11，一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪由动力扰动系统1、机架2、导轨3、提升机构4、压力室5、小车6、温度控制系统7、轴向加载系统8、围压加载系统9、测量系统10、控制系统11和计算机及软件系统12组成。
所述动力扰动系统1采用两种实现方式，包括砝码动力扰动系统和冲击缸动力扰动系统。所述砝码动力扰动系统包括右上大轴承座板1-1、轴承盖1-2、连接板1-3、提升链轮1-4、下传动轴1-5、大锥齿轮1-6、小锥齿轮1-7、主传动轴1-8、左上大轴承座板1-9、从动链轮1-10、减速电机1-11、主动链轮1-12、辐轮式传感器1-13、加载板1-14、冲击承载杆1-15、水平单排滚子链1-16、左下大轴承座板1-17、右下大轴承座板1-18、上传动轴1-19、上盖板1-20、冲击砝码1-21、竖向单排滚子链1-22、拨片1-23；所述动力扰动系统1通过上大轴承座板1-1、左上大轴承座板1-9固定于机架2顶部，所述冲击砝码1-21属具有厚度的圆环，套装在所述冲击承载杆1-15外侧，冲击砝码1-21内径与所述冲击承载杆1-15直径相同，且冲击砝码1-21内侧布设滚珠1-21-2，以减小冲击砝码下落时的阻力，冲击砝码1-21上设有固定孔1-21-1，在砝码组合时起连接固定作用；所述减速电机1-11带动所述主动链轮1-12转动，再通过水平单排滚子链1-16使得所述从动链轮1-10转动，从而主传动轴1-8随之转动，所述主传动轴1-8一端设置小锥齿轮1-7与所述下传动轴1-5左端设置的大锥齿轮1-6咬合转动，使得设置在所述下传动轴1-5中部的提升链轮1-4转动，最后带动竖向单排滚子链1-22产生匀速转动，所述竖向单排滚子链1-22外部设有拨片1-23，实现对所述冲击砝码1-21的向上提升，当冲击砝码1-21到达所述上传动轴1-19位置时，拨片1-23随竖向单排滚子链1-22下移，冲击砝码1-21沿着冲击承载杆1-15发生自由落体运动，冲击作用发生在所述冲击承载杆中部平台上，实现对辐轮式传感器1-13、加载板1-14以及试样13的冲击作用，用于模拟爆破、机械振动荷载对三向受力状态下冻结岩体产生的动力扰动作用。
所述冲击缸动力扰动系统由辐轮式传感器1-13、加载板1-14、冲击承载杆1-24、冲击杆1-25、冲击缸1-26、伺服阀1-27、伺服油源1-28、Ⅳ型伺服控制器11-5组成；所述冲击缸1-26内接冲击杆1-25，所述Ⅳ型伺服控制器11-5与计算机及软件系统12通讯，根据试验需要，控制伺服阀1-27和伺服油源1-28，利用液压油在冲击缸1-26中循环实现冲击杆1-25与冲击承载杆1-24相互冲击作用，将形成的振动效应传递给下部加载板1-14和辐轮式传感器1-13，直至所述压力室5内的试样13，达到模拟工程中冻结岩体所受的动力扰动作用。
所述机架2采用40mm厚的高强度结构钢焊接而成，刚度大、占地面积小；机架2顶部横梁中部开设φ140mm的圆孔，以便安装冲击承载杆1-15。
所述温度控制系统7由制冷装置7-1、电磁阀7-2、温度传感器7-3、保温罩7-4、低温恒温储油箱7-5以及温度控制仪11-1组成；所述低温恒温储油箱7-5内装有低温航空硅油，所述航空硅油是压力室5降温和控温的冷媒介质；压力室5内温度由温度传感器7-3监测并实时传输给温度控制仪11-1，所述温度控制仪11-1具有设置温度、控温、显示的功能，也可以与计算机及软件系统12交互实现设置温度和显示温度，所述温度控制仪11-1将温度传感器7-3实时监测数据与设置值进行比较，并向所述电磁阀7-2发出开关指令，安装在冷却管路上的电磁阀7-2通过接受指令而调节所述制冷装置7-1输出的冷却液流量，从而达到控制温度的目的；所述保温罩7-4设置在压力室5外侧，使压力室5内温度损失降到最低。
所述轴向加载系统8由加载油缸8-1、转换阀8-2、伺服阀8-3、伺服油源8-4、丝杆增压器8-5、伺服电机8-6、Ⅱ型伺服控制器11-3、Ⅲ型伺服控制器11-4组成；当进行常规三轴压缩试验时，利用转换阀8-2切换使得伺服油源8-4、伺服阀8-3与加载油缸8-1连通，由伺服油源8-4给加载油缸8-1提供动力，同时，伺服阀8-3接受Ⅲ型伺服控制器11-4发出的指令，所述Ⅲ型伺服控制器11-4通过与计算机及软件系统12通讯，并实时处理测量系统10传回的数据，实现对荷载大小、荷载速率以及位移速率的控制；当进行三轴流变试验时，转换阀8-2将丝杆增压器8-5与加载油缸8-1连通，由伺服电机8-6驱动丝杆增压器8-5向加载油缸8-1内提供压力，所述伺服电机8-6受Ⅱ型伺服控制器11-3控制，而Ⅱ型伺服控制器11-3通过数据线与计算机及软件系统12通讯，所述计算机及软件系统12读取测量系统10中负荷传感器10-1、变形传感器10-3、轴向位移传感器10-4的实时监测数据后进行处理并再发送指令给Ⅱ型伺服控制器11-3，最终实现轴向压力的流变加载、卸载和保载。
所述围压加载系统9采用伺服围压加载装置，由丝杆增压器9-1、伺服电机9-2、低温恒温储油箱7-5、Ⅰ型伺服控制器11-2组成；为方便试验，所述低温恒温储油箱7-5用于给压力室5内提供低温航空硅油，所述丝杆增压器9-1与压力室5连通，由伺服电机9-2驱动丝杆增压器9-1向充满航空硅油的压力室5提供油压，所述伺服电机9-2受Ⅰ型伺服控制器11-2控制，而Ⅰ型伺服控制器11-2通过数据线与计算机及软件系统12通讯，所述计算机及软件系统12读取测量系统10中围压传感器10-2的实时数据后进行处理并再发送指令给Ⅰ型伺服控制器11-2，达到加载调节伺服闭环控制，最终实现三轴流变试验和三轴压缩试验围压的加载、卸载和保载。
所述测量系统10由负荷传感器10-1、围压传感器10-2、变形传感器10-3、轴向位移传感器10-4、传感器信号处理模块10-5、数据采集器10-6组成；所述负荷传感器10-1、围压传感器10-2、变形传感器10-3均能够在低温条件下工作，且灵敏度极高；为了能够将试样13动态变形数据、载荷数据精确测量，利用所述传感器信号处理模块10-5将负荷传感器10-1、围压传感器10-2以及变形传感器10-3转换成-10～10V的电压输出信号，这样可以通过高采样频率的数据采集器10-6进行采集。
所述控制系统11由温度控制仪11-1、围压加载系统9中的Ⅰ型伺服控制器11-2、轴向加载系统8中的Ⅱ型伺服控制器11-3和Ⅲ型伺服控制器11-4、动力扰动系统1中的Ⅳ型伺服控制器11-5组成；这些控制器可以统一集成在控制柜内，便于操作。
所述计算机及软件系统12可对所述控制柜内的轴向加载系统8、围压加载系统9、温度控制系统进行集中控制，在试验过程中可对力、变形、位移及其速度等进行实时控制，同时自动记录存储试验数据，软件能够实时显示试验状态、计算试验结果并打印试验报告；所述软件界面上设置有动态采集选项卡，如开始作用扰动荷载，需提前选择采样频率，并点击高频采集按钮，扰动结束后停止高频采集，系统自动开启常规数据记录模式。
实施例一：
应用上述动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪进行动力扰动岩石三轴卸载流变试验的步骤为：
步骤1，确定试验方案；假定试验温度-10℃、初始围压为σ3＝12MPa、轴压σ1＝60MPa，采用砝码动力扰动系统(冲击速度恒定)，扰动荷载由重10kg的冲击砝码1-21、自由下落距离为300mm、调节减速电机1-11使砝码冲击频率为10次/min，卸载应力路径为轴压不变，围压逐级卸载，且围压分级卸载水平为3MPa，如图12所示。
步骤2，试样准备；取加工好的φ50×100mm的圆柱形岩石试样13，充分饱水后放入-10℃低温恒温箱中冷藏7d，试验前，将乳胶薄膜套在试样13上，在试样13上下两端加上刚性垫块，并安装好变形传感器10-3，放入所述-10℃低温恒温箱备用。
步骤3，压力室5预冷；开启制冷装置7-1，开启低温恒温储油箱7-5，当显示冷却液温度下降至-20℃，低温恒温储油箱7-5油温达到-10℃时，由低温恒温储油箱7-5向压力室5内充低温航空硅油，同时启用温度控制系统7，在温度控制仪11-1或者计算机及软件系统12中温度控制面板上设置目标温度-10℃，温度控制仪11-1通过比较压力室5内温度传感器7-3传回的数据，输出电信号给电磁阀7-2，由于充油过程有温度耗散，实时温度小于目标值，电磁阀7-2自动打开，使得制冷装置内的冷却液体开始在压力室5内循环，直到压力室5内温度传感器7-3传回温度控制仪11-1的数据接近目标值，电磁阀7-2开始节流，达到目标温度后电磁阀7-2自动关闭，压力室5预冷完毕。
步骤4，试样安装；将压力室5内达到指定温度的航空硅油抽回低温恒温储油箱7-5中，推出压力室5，打开保温罩7-4，采用提升机构4将压力室5筒体提升后安装准备好的试样13，试样13安装完毕下落压力室5筒体，并复位。
步骤5，对压力室5第二次降温；重复步骤1降温工作，直至压力室5内以及试样13温度达到指定温度-10℃。
步骤6，动力扰动作用下低温岩石三轴卸载流变试验；启动轴压加载系统8、围压加载系统9，调节转换阀8-2将丝杆增压器8-5与加载油缸8-1连通，检查压力室5与低温恒温储油箱7-5连接通道阀门、压力室5排气孔阀门关闭，打开围压加载系统9与压力室5连接通道阀门，按照静水压力加载方式给试样13提供轴压和围压，同时确认计算机及软件系统12进入常规数据记录模式，当围压达到目标值后保持不变继续增加轴压，直到轴压达到60MPa，按照步骤1所述应力路径，保持轴压σ1＝60MPa不变，对初始围压σ3＝12MPa分级卸载，每级围压水平下设置两次扰动，每次进行1min的持续扰动(10次冲击)，动力扰动期间开启高频采集模式，保证高频变形、荷载信号准确记录，动力扰动结束停止高频采集模式，系统自动切换至常规数据记录模式，不断进行分级卸载、间隔扰动直到试样13破裂，停止任何加载，保存数据。
步骤7，卸载并取出试样；卸除轴、围压后关闭围压加载系统9与压力室5连接通道阀门，打开压力室5与低温恒温储油箱7-5连接通道阀门、压力室5排气孔阀门，重复步骤4中回油过程，打开压力室5，取出试样13并拆除变形传感器10-3，试验完毕。
实施例二：
应用上述动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪进行岩石动力扰动低温三轴加载流变试验的步骤为：
步骤1，确定试验方案；假定试验温度-10℃、试验围压为σ3＝8MPa，初始轴压σ1＝40MPa，采用冲击缸动力扰动系统(冲击杆质量恒定)，动力扰动速度由软件设置为10m/s，冲击频率设置为0.1Hz，加载应力路径为围压不变，轴压逐级增加，且轴压分级加载水平为5MPa，如图13所示。
步骤2～5与所述实施例一中步骤2～5相同。
步骤6，动力扰动作用下低温岩石三轴加载流变试验；启动冲击缸动力扰动系统1、轴压加载系统8、围压加载系统9，调节转换阀8-2将丝杆增压器8-5与加载油缸8-1连通，检查压力室5与低温恒温储油箱7-5连接通道阀门、压力室5排气孔阀门关闭，打开围压加载系统9与压力室5连接通道阀门，按照静水压力加载方式给试样13提供轴压和围压，同时确认计算机及软件系统12进入常规数据记录模式，当围压达到目标值σ3＝8MPa后保持不变，设置轴向加载速率值及目标荷载，使得轴压增至目标值σ1＝40MPa并保持稳定，作为第一级荷载水平，此后按照图13对轴压进行分级加载，每级轴压水平下设置两次扰动，每次进行1min的动力扰动(6次冲击)，扰动期间开启高频采集模式，保证高频变形、荷载信号准确记录，动力扰动结束停止高频采集模式，系统自动切换至常规数据记录模式，不断进行分级卸载、间隔扰动直到试样13破裂，停止任何加载，保存数据。
步骤7与所述实施例一中步骤7相同。
实施例三：
应用上述动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪进行岩石动力扰动低温三轴压缩试验的步骤为：
步骤1，确定试验方案；假定试验温度-10℃、试验围压为σ3＝8MPa，采用砝码动力扰动系统(冲击速度恒定)，扰动荷载由重10kg的冲击砝码1-21、自由下落距离为300mm、调节减速电机1-11使砝码冲击频率为10次/min。
步骤2～5与所述实施例一中步骤2～5相同。
步骤6，动力扰动作用下低温岩石三轴压缩试验；启动轴压加载系统8、围压加载系统9，通过调节转换阀8-2使得伺服阀8-3与加载油缸8-1连通，此时，轴向加载系统8变为普通电液伺服加载模式，确认计算机及软件系统12进入常规数据记录模式后按照静水压力加载方式给试样13提供轴压和围压，当围压达到目标值σ3＝8MPa后保持不变，设置轴向位移加载速率值以及目标位移值，然后开始轴向位移加载，加载过程中分别在如图14所示A、B、C三个时间节点处进行1min的持续扰动(10次冲击)，动力扰动期间开启高频采集模式，保证高频率变形、荷载信号准确记录，动力扰动结束停止高频采集模式，系统自动切换至常规数据记录模式，直到试样13破坏，停止任何加载，保存数据。
步骤7与所述实施例一中步骤7相同。
以上所述，仅是本发明的三种较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，包含动力扰动系统(1)、机架(2)、导轨(3)、提升机构(4)、压力室(5)、小车(6)、温度控制系统(7)、轴向加载系统(8)、围压加载系统(9)、测量系统(10)、控制系统(11)和计算机及软件系统(12)，其特征在于：所述机架(2)顶部横梁开设圆孔，所述动力扰动系统(1)由右上大轴承座板(1-1)、轴承盖(1-2)、连接板(1-3)、提升链轮(1-4)、下传动轴(1-5)、大锥齿轮(1-6)、小锥齿轮(1-7)、主传动轴(1-8)、左上大轴承座板(1-9)、从动链轮(1-10)、减速电机(1-11)、主动链轮(1-12)、传感器压头(1-13)、辐轮式传感器(1-14)、冲击承载杆(1-15)、水平单排滚子链(1-16)、左下大轴承座板(1-17)、右下大轴承座板(1-18)、上传动轴(1-19)、上盖板(1-20)、冲击砝码(1-21)、竖向单排滚子链(1-22)、拨片(1-23)、冲击承载杆(1-24)、冲击杆(1-25)、冲击缸(1-26)、伺服阀(1-27)、伺服油源(1-28)、Ⅳ型伺服控制器(11-5)组成；所述温度控制系统(7)由制冷装置(7-1)、电磁阀(7-2)、温度传感器(7-3)、保温罩(7-4)、低温恒温储油箱(7-5)以及温度控制仪(11-1)组成；所述轴向加载系统(8)由加载油缸(8-1)、转换阀(8-2)、伺服阀(8-3)、伺服油源(8-4)、丝杆增压器(8-5)、伺服电机(8-6)、Ⅱ型伺服控制器(11-3)、Ⅲ型伺服控制器(11-4)组成；所述围压加载系统由丝杆增压器(9-1)、伺服电机(9-2)、低温恒温储油箱(7-5)、Ⅰ型伺服控制器(11-2)组成；所述测量系统(10)由负荷传感器(10-1)、围压传感器(10-2)、变形传感器(10-3)、轴向位移传感器(10-4)、传感器信号处理模块(10-5)、数据采集器(10-6)组成。
2.根据权利要求1所述的一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，其特征在于，所述温度控制系统(7)中的低温恒温储油箱(7-5)内装有低温航空硅油，压力室(5)内温度由温度传感器(7-3)监测并实时传输给温度控制仪(11-1)，所述温度控制仪(11-1)具有设置温度、控温、显示的功能，也可以与计算机及软件系统(12)交互实现设置温度和显示温度，所述温度控制仪(11-1)将温度传感器(7-3)实时监测数据与设置值进行比较，并向所述电磁阀(7-2)发出开关指令，安装在冷却管路上的电磁阀(7-2)通过接受指令而调节所述制冷装置(7-1)输出的冷却液流量，从而达到控制温度的目的；
所述轴向加载系统(8)中的加载油缸(8-1)为伺服油缸，所述转换阀(8-2)可在丝杆增压器(8-5)与伺服阀(8-3)之间进行切换，当进行常规三轴压缩试验时，通过转换阀(8-2)切换使得伺服油源(8-4)、伺服阀(8-3)与加载油缸(8-1)连通，当进行三轴流变试验时，转换阀(8-2)将丝杆增压器(8-5)与加载油缸(8-1)连通。
3.根据权利要求1所述的一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，其特征在于，所述测量系统(10)采用传感器处理模块(10-5)将负荷传感器(10-1)、围压传感器(10-2)以及变形传感器(10-3)实测动态数据转换成电压输出信号，通过高采样频率的数据采集器(10-6)对冲击作用下试样(13)受到的高频率动态负荷信号、动态变形信号准确实时监测。
4.根据权利要求1所述的一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，其特征在于，所述动力扰动系统(1)采用两种实现方式，包括砝码动力扰动系统和冲击缸动力扰动系统；
所述砝码动力扰动系统工作原理是：所述减速电机(1-11)带动所述主动链轮(1-12)转动，再通过水平单排滚子链(1-16)使得所述从动链轮(1-10)转动，从而主传动轴(1-8)随之转动，所述主传动轴(1-8)一端设置小锥齿轮(1-7)与所述下传动轴(1-5)左端设置的大锥齿轮(1-6)咬合转动，使得设置在所述下传动轴(1-5)中部的提升链轮(1-4)转动，最后带动竖向单排滚子链(1-22)产生匀速转动，所述竖向单排滚子链(1-22)外部设有拨片(1-23)，实现对所述冲击砝码(1-21)的向上提升，当冲击砝码(1-21)到达所述上传动轴(1-19)位置时，拨片(1-23)与冲击砝码(1-21)分离，冲击砝码(1-21)沿着冲击承载杆(1-15)发生自由落体运动，且冲击作用发生在所述冲击承载杆(1-15)中部凸起平台上，冲击承载杆(1-15)下部连接加载板(1-14)，由冲击承载杆(1-15)将冲击产生的振动信号传递给加载板(1-14)、辐轮式传感器(1-13)以及岩石试样(13)，用于模拟爆破、机械振动荷载对三向受力状态下冻结岩体产生的动力扰动作用；
所述冲击缸动力扰动系统工作原理是：所述冲击缸(1-26)内接冲击杆(1-25)，所述Ⅳ型伺服控制器(11-5)与计算机及软件系统(12)通讯，根据试验需要，控制伺服阀(1-27)和伺服油源(1-28)，利用液压油在冲击缸(1-26)中循环实现冲击杆(1-25)与冲击承载杆(1-24)相互冲击作用，冲击承载杆(1-24)下部连接加载板(1-14)，由冲击承载杆(1-24)将形成的振动效应传递给下部加载板(1-14)和辐轮式传感器(1-13)，直至所述压力室(5)内的试样(13)，以模拟工程中冻结岩体所受到的动力扰动作用；
所述加载板(1-14)与机架(2)可采用两种方式固定：螺栓连接或弹簧连接。
5.根据权利要求4所述的一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪，其特征在于，所述冲击砝码(1-21)为具有厚度的圆环，套装在所述冲击承载杆(1-15)外，冲击砝码(1-21)内径与所述冲击承载杆(1-15)外径相同，冲击砝码(1-21)内侧布设滚珠(1-21-2)，且中部设有固定孔(1-21-1)，用于将不同砝码组合固定，当所述冲击砝码(1-21)下落冲击时即可实现不同强度动力扰动的模拟；所述减速电机(1-11)的转速可调，即可实现在指定时间内对岩石试样(13)进行不同次数的动力扰动作用。
6.一种利用如权利要求1所述的动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪进行动力扰动低温三轴卸载流变试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定试验方案：确定试验温度、初始围压和轴压，采用砝码动力扰动系统(冲击速度恒定)，调整冲击砝码(1-21)重量和减速电机(1-11)转速使得动力扰动系统(1)达到施加指定扰动荷载水平，卸载应力路径为轴压不变，围压逐级卸载，并设置围压分级卸载水平；
步骤2，试样准备：取加工好的φ50×100mm的圆柱形岩石试样(13)，充分饱水后放入指定温度的低温恒温箱中冷藏，试验前，将乳胶薄膜套在试样(13)上，在试样(13)上下两端加上刚性垫块，并安装好变形传感器(10-3)，放入所述指定温度的低温恒温箱备用；
步骤3，压力室预冷：开启制冷装置(7-1)，开启低温恒温储油箱(7-5)，当显示冷却液温度下降至足够低、低温恒温储油箱油温达到目标温度时，由低温恒温储油箱(7-5)向压力室(5)内充低温航空硅油，同时启用温度控制系统(7)，在温度控制仪(11-1)或者计算机及软件系统(12)中温度控制面板上设置目标温度，温度控制仪(11-1)通过比较压力室(5)内温度传感器(7-3)传回的数据，输出电信号给电磁阀(7-2)，由于充油过程有温度耗散，实时温度小于目标值，电磁阀(7-2)自动打开，使得制冷装置内的冷却液体开始在压力室(5)内循环，直到压力室(5)内温度传感器(7-3)传回温度控制仪(11-1)的数据接近目标值，电磁阀(7-2)开始节流，达到目标温度后电磁阀(7-2)自动关闭，压力室(5)预冷完毕；
步骤4，试样安装：将压力室(5)内达到指定温度的航空硅油抽回低温恒温储油箱(7-5)中，推出压力室(5)，打开保温罩(7-4)，采用提升机构(4)将压力室(5)筒体提升后安装准备好的试样(13)，试样(13)安装完毕下落压力室(5)筒体，并复位；
步骤5，对压力室第二次降温：重复步骤3降温工作，直至压力室(5)内以及试样(13)附近达到指定温度；
步骤6，动力扰动作用下低温岩石三轴卸载流变试验：启动轴压加载系统(8)、围压加载系统(9)，调节转换阀(8-2)将丝杆增压器(8-5)与加载油缸(8-1)连通，检查压力室(5)与低温恒温储油箱(7-5)连接通道阀门、压力室(5)排气孔阀门关闭，打开围压加载系统(9)与压力室(5)连接通道阀门，按照静水压力加载方式给试样(13)提供轴压和围压，同时确认计算机及软件系统(12)进入常规数据记录模式，当围压达到目标值后保持不变继续增加轴压，直到轴压达到目标值，按照步骤1所述应力路径，保持轴压初值不变，对初始围压按照指定卸载水平分级卸载，每级围压水平下设置一定的持续扰动，动力扰动期间开启高频采集模式，保证高频变形、荷载信号准确记录，动力扰动结束停止高频采集模式，系统自动切换至常规数据记录模式，不断进行分级卸载、间隔扰动直到试样(13)破裂，停止任何加载，保存数据；
步骤7，卸载并取出试样：卸除轴、围压后关闭围压加载系统(9)与压力室(5)连接通道阀门，打开压力室(5)与低温恒温储油箱(7-5)连接通道阀门、压力室(5)排气孔阀门，重复步骤4中回油过程，打开压力室(5)，取出试样(13)并拆除变形传感器(10-3)，试验完毕。
7.一种利用如权利要求1所述的动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪进行动力扰动低温三轴加载流变试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定试验方案：设置试验温度、初始围压和轴压，采用冲击缸扰动系统(冲击杆质量恒定)，通过设置冲击杆(1-25)的冲击速度、冲击频率使得动力扰动系统(1)达到施加指定扰动荷载水平，加载应力路径为围压不变，轴压逐级增加，并设置轴压分级加载水平；
步骤2，试样准备：取加工好的φ50×100mm的圆柱形岩石试样(13)，充分饱水后放入指定温度的低温恒温箱中冷藏，试验前，将乳胶薄膜套在试样(13)上，在试样(13)上下两端加上刚性垫块，并安装好变形传感器(10-3)，放入所述指定温度的低温恒温箱备用；
步骤3，压力室预冷：开启制冷装置(7-1)，开启低温恒温储油箱(7-5)，当显示冷却液温度下降至足够低、低温恒温储油箱油温达到目标温度时，由低温恒温储油箱(7-5)向压力室(5)内充低温航空硅油，同时启用温度控制系统(7)，在温度控制仪(11-1)或者计算机及软件系统(12)中温度控制面板上设置目标温度，温度控制仪(11-1)通过比较压力室(5)内温度传感器(7-3)传回的数据，输出电信号给电磁阀(7-2)，由于充油过程有温度耗散，实时温度小于目标值，电磁阀(7-2)自动打开，使得制冷装置内的冷却液体开始在压力室(5)内循环，直到压力室(5)内温度传感器(7-3)传回温度控制仪(11-1)的数据接近目标值，电磁阀(7-2)开始节流，达到目标温度后电磁阀(7-2)自动关闭，压力室(5)预冷完毕；
步骤4，试样安装：将压力室(5)内达到指定温度的航空硅油抽回低温恒温储油箱(7-5)中，推出压力室(5)，打开保温罩(7-4)，采用提升机构(4)将压力室(5)筒体提升后安装准备好的试样(13)，试样(13)安装完毕下落压力室(5)筒体，并复位；
步骤5，对压力室第二次降温：重复步骤3降温工作，直至压力室(5)内以及试样(13)附近达到指定温度；
步骤6，动力扰动作用下低温岩石三轴加载流变试验；启动冲击缸扰动系统(1)、轴压加载系统(8)、围压加载系统(9)，调节转换阀(8-2)将丝杆增压器(8-5)与加载油缸(8-1)连通，检查压力室(5)与低温恒温储油箱(7-5)连接通道阀门、压力室(5)排气孔阀门关闭，打开围压加载系统(9)与压力室(5)连接通道阀门，按照静水压力加载方式给试样(13)提供轴压和围压，同时确认计算机及软件系统(12)进入常规数据记录模式，当围压达到目标值后保持不变，设置轴向加载速率值及目标荷载，使得轴压也增至目标值并保持稳定，作为第一级荷载水平，此后按照步骤1所述应力路径，保持围压初值不变，对初始轴压按照指定加载水平分级加载，每级轴压水平下设置一定的持续扰动，扰动期间开启高频采集模式，保证高频变形、荷载信号准确记录，动力扰动结束停止高频采集模式，系统自动切换至常规数据记录模式，不断进行分级加载、间隔扰动直到试样(13)破裂，停止任何加载，保存数据；
步骤7，卸载并取出试样：卸除轴、围压后关闭围压加载系统(9)与压力室(5)连接通道阀门，打开压力室(5)与低温恒温储油箱(7-5)连接通道阀门、压力室(5)排气孔阀门，重复步骤4中回油过程，打开压力室(5)，取出试样(13)并拆除变形传感器(10-3)，试验完毕。
8.一种利用如权利要求1所述的动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪进行动力扰动低温三轴压缩试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定试验方案；设置试验温度、初始围压，采用砝码动力扰动系统(冲击速度恒定)，调整冲击砝码(1-21)重量和减速电机(1-11)转速使得动力扰动系统(1)达到施加指定扰动荷载水平；
步骤2，试样准备：取加工好的φ50×100mm的圆柱形岩石试样(13)，充分饱水后放入指定温度的低温恒温箱中冷藏，试验前，将乳胶薄膜套在试样(13)上，在试样(13)上下两端加上刚性垫块，并安装好变形传感器(10-3)，放入所述指定温度的低温恒温箱备用；
步骤3，压力室预冷：开启制冷装置(7-1)，开启低温恒温储油箱(7-5)，当显示冷却液温度下降至足够低、低温恒温储油箱油温达到目标温度时，由低温恒温储油箱(7-5)向压力室(5)内充低温航空硅油，同时启用温度控制系统(7)，在温度控制仪(11-1)或者计算机及软件系统(12)中温度控制面板上设置目标温度，温度控制仪(11-1)通过比较压力室(5)内温度传感器(7-3)传回的数据，输出电信号给电磁阀(7-2)，由于充油过程有温度耗散，实时温度小于目标值，电磁阀(7-2)自动打开，使得制冷装置内的冷却液体开始在压力室(5)内循环，直到压力室(5)内温度传感器(7-3)传回温度控制仪(11-1)的数据接近目标值，电磁阀(7-2)开始节流，达到目标温度后电磁阀(7-2)自动关闭，压力室(5)预冷完毕；
步骤4，试样安装：将压力室(5)内达到指定温度的航空硅油抽回低温恒温储油箱(7-5)中，推出压力室(5)，打开保温罩(7-4)，采用提升机构(4)将压力室(5)筒体提升后安装准备好的试样(13)，试样(13)安装完毕下落压力室(5)筒体，并复位；
步骤5，对压力室第二次降温：重复步骤3降温工作，直至压力室(5)内以及试样(13)附近达到指定温度；
步骤6，动力扰动作用下低温岩石三轴压缩试验；启动轴压加载系统(8)、围压加载系统(9)，通过调节转换阀(8-2)使得伺服阀(8-3)与加载油缸(8-1)连通，此时，轴向加载系统(8)变为普通电液伺服加载模式，确认计算机及软件系统(12)进入常规数据记录模式后按照静水压力加载方式给试样(13)提供轴压和围压，当围压达到目标值后保持不变，设置轴向位移加载速率值以及目标位移值，然后开始轴向位移加载，加载过程中分别在荷载-时间曲线峰前、峰值点、峰后三个时间节点处进行一定的持续扰动，动力扰动期间开启高频采集模式，保证高频率变形、荷载信号准确记录，动力扰动结束停止高频采集模式，系统自动切换至常规数据记录模式，直到试样(13)破坏，停止任何加载，保存数据；
步骤7，卸载并取出试样：卸除轴、围压后关闭围压加载系统(9)与压力室(5)连接通道阀门，打开压力室(5)与低温恒温储油箱(7-5)连接通道阀门、压力室(5)排气孔阀门，重复步骤4中回油过程，打开压力室(5)，取出试样(13)并拆除变形传感器(10-3)，试验完毕。
9.根据权利要求1～8所述的一种动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪及试验方法，其特征在于，所述动力扰动低温岩石三轴加卸载流变仪至少可以对岩石试样(13)进行下述一系列试验：
常规(低温)三轴压缩试验、动力扰动低温三轴压缩试验、低温三轴加卸载流变试验、动力扰动低温三轴加卸载流变试验。
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