CN108204916B - 一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种贯通裂隙的剪切‑低温耦合实验装置和方法，该装置包括DIC图像、加载驱动电机、采集仪、基座和计算机；基座上表面固定下部温控平板，下部温控平板连接实时温控箱，在实时温控箱上固定放置裂隙试件，在裂隙试件的上表面放置上透明钢化玻璃，上透明钢化玻璃和下部温控平板通过固定螺栓固定在一起；裂隙试件的竖直方向为竖向固定端，在裂隙试件的水平方向的左右两个侧面上均固定有刚性支撑，左右两个刚性支撑相对裂隙试件的中心上下交错布置；在每个加载力上均设置压力调节阀，通过压力调节阀控制加载力；所述裂隙试件为3D打印试件。该装置采用光敏树脂材料模拟实际岩石非直裂隙的现实情况，能够提高裂隙在应力作用下的断裂破坏认识。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学、断裂力学技术领域，具体涉及一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置和方法。
背景技术
裂隙岩体是经历长期地质构造作用形成的，由基质岩块和结构面组成并具有一定的结构特征，赋存于一定物理地址环境(地应力、地下水及低温等)中的不连续、多相。各向异性的地质体。由于构造应力及各种开挖扰动，裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔洞及节理裂隙等宏观不连续结构面，并往往伴随新裂纹从原生裂隙尖端处萌生、扩展甚至与相邻裂隙贯通，最后导致整个岩体的破坏。裂隙扩展所导致的岩体强度降低不仅影响岩体稳定，也能导致许多工程危害和自然灾害。
近年来，随着隧道、水利水电工程及国家战略防护工程等重大基础设施工程的大力建设以及地下水封油库、地热资源开发、二氧化碳封存等大规模地质工程快速发展，这些工程均普遍涉及复杂地质环境及生态环境下条件下岩体剪切-温度耦合描述、剪切特性评估，温度对裂隙扩展影响等关键技术问题。目前，蒋宇静等(蒋宇静,王刚,李博,等.岩石节理剪切渗流耦合试验及分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11):2253-2259.)采用自行研制开发的试验设备(岩石节理单剪切-渗流试验机)，在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下，对不同接触状态下的岩石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验，研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况。赵阳升等(赵阳升,万志军,张渊,等.20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制[J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):1-8)自行研制的20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机，该试验机主要由主机加载系统、温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成。但关于裂隙岩体中低温-剪切耦合设备及试验还没有相关介绍。而深入开展裂隙岩体剪切-地温耦合特性研究，有助于加深对裂隙岩体破坏模式及基本规律的认识，从耦合的角度加深对裂隙岩体变形破坏机理和岩体稳定性影响因素的认识。因此，开展裂隙岩体应力场与温度场的耦合分析，特别是裂隙岩体断裂力学的理论计算、实验、数值模拟的研究具有深远的现实意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置和方法。该装置采用3D打印试件模拟实际岩石非直裂隙的现实情况，适用于小尺度的贯通裂隙试件的测试，能够提高裂隙在应力作用下的断裂破坏认识。本发明方法针对3D打印技术制备透明的裂隙试件，将剪切和低温耦合作用相结合，得到不同温度下，裂隙试件的破坏模式，观察得到具有规律性的宏观破坏特性。该方法简单易行、成本低、能进行小尺度范围的自动化剪切-低温温控实验，并能实现裂隙扩展的可视化，能够准确测量、评价3D打印材料的在剪切和低温耦合作用下的宏观裂隙扩展情况，这为内置裂隙的剪切破坏特性及温度场的可视化认识提供有价值的帮助。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置，其特征在于该装置包括DIC图像、压力调节阀、刚性支撑、加载力、竖向固定端、加载驱动电机、采集仪、裂隙试件、实时温控箱、下部温控平板、固定螺栓、基座和计算机；基座上表面固定下部温控平板，下部温控平板连接实时温控箱，在实时温控箱上固定放置裂隙试件，在裂隙试件的上表面放置上透明钢化玻璃，上透明钢化玻璃和下部温控平板通过固定螺栓固定在一起；裂隙试件的竖直方向为竖向固定端，竖向固定端上固定上下对称的竖向加载，在裂隙试件的水平方向的左右两个侧面上均固定有刚性支撑，左右两个刚性支撑相对裂隙试件的中心上下交错布置，对两个刚性支撑施加加载力；在每个加载力上均设置压力调节阀，通过压力调节阀控制加载力，压力调节阀同时通过加载驱动电机与采集仪连接，采集仪与计算机连接；在裂隙试件的上方设置用于对试验过程实时监测的DIC图像；所述裂隙试件为3D打印试件。
一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验方法，该方法使用上述的实验装置，具体步骤是:
(1)选取试件材料与尺寸：采用透明的光敏树脂材料通过3D打印技术制备裂隙试件，裂隙试件为长方体结构，长、宽均为10cm，高为5～10cm；其中裂隙的长度为3～5.5cm，裂隙的厚度方向为全贯通；
(2)固定试件并加载力：将步骤(1)制得的裂隙试件固定在下部温控平板和上透明钢化玻璃上，并固定好刚性支撑；然后给该裂隙试件进行竖向固定，通过加载力对试件施加剪切力，调节两个压力调节阀控制加载力的大小，施加的力为位移加载，位移加载速率最小和最大分别是0.01mm/min和100mm/min；
(3)观察不同温度下的裂隙扩展破坏模式：选取实时温控箱的温度范围为-60℃～0℃，打开实时温控箱，提前进行预热；使下部温控平板直接把温度传递给裂隙试件，从实时温控箱的显示器上能直观地观察到温度的变化；考察不同低温下试件的开裂变化；在实时温控的同时，开动加载驱动电机，对试件施加剪切力，直到裂隙试件出现了扩展破坏为止，并得到裂隙试件在不同温度下裂隙扩展破坏模式；
(4)在试验的过程中，位于试件的上方的DIC图像对试验全过程进行实时监测；同时试验过程中数据及图像信息自动记录存储并通过自动采集和分析系统进行处理、分析，得到耦合作用下的裂隙扩展模式，能对试件变形破坏的认识给出直观的结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用3D打印技术制备含裂隙的试件，可以重复大批量的制作，该试件为透明、均质光敏树脂材料制成，能直观得到具有规律性的裂隙破坏扩展模式，得到在不同温度下，含裂隙试件的宏观破坏特性及力学参数结果。
2、实验获得的裂隙变形扩展能通过DIC图像技术自动实时采集，并整理保存。通过实验，能通过自动采集和分析系统进行处理、分析，尤其对试件变形破坏的认识给出直观的结果。
3、采用的3D打印的透明光敏树脂材料是较易获得的原材料，材料本身具有一定的脆性，能够在一定程度上反映岩石的破坏规律，且这种材料易加工制作、试件透明、破坏模式易于观察。
4、本发明装置将温控和DIC图像技术相结合为一种低温-剪切耦合作用下的试验设备，对模拟脆性大理岩的力学特性进行探索，能对不同形状的裂隙的变形、强度和破坏特性提出了有价值的认识，了解裂隙试件的开裂情况，尤其是得到的宏观破坏模式，对于理解脆性大理岩节理裂隙的破坏机理具有一定的工程实践意义。
5、试验过程设置的低温温度分别是-60℃，-45℃，-30℃，-15℃和0℃。添加低温的效应能够使透明光敏树脂材料更具脆性，使材料的性质更接近岩石的脆性，由其得到裂隙破坏扩展模式，能够在一定程度上反映岩石的剪切破坏规律。
附图说明
图1为本发明贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置结构示意图。
图2为本发明贯通裂隙的剪切-低温耦合实验方法的流程图。
图中，DIC图像1、压力调节阀2、刚性支撑3、加载力4、竖向固定端5、加载驱动电机6、采集仪7、裂隙试件8、实时温控箱9、下部温控平板10、固定螺栓11、基座12、计算机13。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步介绍本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置(简称装置，参见图1)，包括DIC图像1、压力调节阀2、刚性支撑3、加载力4、竖向固定端5、加载驱动电机6、采集仪7、裂隙试件8、实时温控箱9、下部温控平板10、固定螺栓11、基座12和计算机13；基座12上表面固定下部温控平板10，下部温控平板连接实时温控箱9，在实时温控箱9上固定放置裂隙试件8，在裂隙试件的上表面放置上透明钢化玻璃(图中未标出)，上透明钢化玻璃和下部温控平板10通过固定螺栓11固定在一起；裂隙试件8的竖直方向为竖向固定端5，竖向固定端上固定上下对称的竖向加载，在裂隙试件的水平方向的左右两个侧面上均固定有刚性支撑3，左右两个刚性支撑相对裂隙试件的中心上下交错布置，对两个刚性支撑施加加载力4；在每个加载力上均设置压力调节阀2，通过压力调节阀控制加载力，压力调节阀同时通过加载驱动电机与采集仪连接，采集仪与计算机13连接；在试件的上方设置DIC图像，用于对试验过程的实时监测；所述裂隙试件为3D打印试件。
本发明还保护一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验方法，该方法的步骤是:
(1)选取试件材料与尺寸：采用透明的光敏树脂材料通过3D打印技术制备裂隙试件，裂隙试件为长方体结构，长、宽均为10cm，高为5-10cm。其中裂隙的长度为3-5.5cm，裂隙的厚度方向为全贯通，及裂隙的厚度与裂隙试件的高度相等；
(2)固定试件并加载力：将步骤(1)制得的裂隙试件固定在下部温控平板和上透明钢化玻璃上，并固定好刚性支撑；然后给该裂隙试件进行竖向固定，通过加载力对试件施加剪切力，调节两个压力调节阀控制加载力的大小，施加的力为位移加载，位移加载速率最小和最大分别是0.01mm/min和100mm/min。
(3)观察不同温度下的裂隙扩展破坏模式：选取实时温控箱的温度范围为-60℃～0℃，打开实时温控箱，提前进行预热；使下部温控平板直接把温度传递给裂隙试件，从实时温控箱的显示器上能直观地观察到温度的变化；考察不同低温下试件的开裂变化；这里的温度主要控制在-60℃，-45℃，-30℃，-15℃和0℃这5种情况；在实时温控的同时，开动加载驱动电机，对试件施加剪切力，直到裂隙试件出现了扩展破坏为止，并得到裂隙试件在不同温度下(-60℃，-45℃，-30℃，-15℃和0℃)裂隙扩展破坏模式，试验过程中要实时进行记录和观察；
(4)在试验的过程中，位于试件的上方的数字图像相关技术(DIC图像)对试验全过程进行实时监测；同时试验过程中数据及图像信息自动记录存储并通过自动采集和分析系统进行处理、分析，得到耦合作用下的裂隙扩展模式，能对试件变形破坏的认识给出直观的结果。
本发明中所述的裂隙试件选择光敏树脂材料通过3D打印技术制备得到，其中的裂隙可以为任意形状，光敏树脂材料具有连续、均匀、各向同性、线弹性，接近岩石的脆性特性，通过3D打印研究裂隙的扩展规律能有助于得到普遍规律性的结论，能准确测量、评价3D打印材料的剪切宏观破坏特性和温度场的可视化，推动裂隙扩展发展。本发明为一种剪切-低温耦合实验，在低温条件下3D打印试件能脆性断裂，实现了裂隙扩展模式的可视化观测。本发明实验装置及方法重点关注剪切力，观察应变场的变化。
实施例1
本实施例中采用3D打印技术制备光敏树脂材料的裂隙试件，试件长、宽均为10cm,试件高度为6cm；裂隙的长度为4cm，形状为长方体结构。进行试验时，在基座的上方放置下部温控平板10，下部温控平板10与实时温控箱9进行连接，这样保证底部的温度实时传送给试件，在实时温控箱9上可以直观看到温度及时间的设置情况。然后在下部温控平板10的上方置放裂隙试件，裂隙试件竖向为竖向固定端5，对竖向固定端固定施加竖向力，然后两个X方向加载头可以沿水平方向加载，每个X向加载头给出的水平加载力的大小均采用压力调节阀2来控制，两个压力调节阀与加载驱动电机6、采集仪7相连接。在试件的左右两侧均固定有刚性支撑3，左边的刚性支撑紧贴试件的左侧上半平面，右边的刚性支撑紧贴试件的右侧下半平面，两个刚性支撑呈上下交错布置，水平加载力施加到刚性支撑3上，以保障加载剪切力能均布分布在试件上。为了易于观察并记录裂隙扩展情况，在试件的上表面置放上透明钢化玻璃，并采用固定螺栓11把上透明钢化玻璃和下部温控平板进行固定，在整个实验的过程中采用DIC图像实时拍照传送计算机13，DIC图像既能测量应变场，又能拍照和录像，最终记录试件破坏变形情况。
具体实施工作步骤如下：
1、选取试件材料与尺寸。选取的材料为透明的光敏树脂材料，采用3D打印技术制备裂隙试件。为了能够有效施加剪切力，制备的试件为长方体。试件尺寸长、宽均为10cm，高6cm。裂隙的长度为4cm。
2、试验过程中，在裂隙试样安装完成后，固定试件的竖向固定端，然后调节压力调节阀，通过加载力对试件施加剪切力，根据需要给定不同的压力值。施加的力为位移加载，位移加载速率最小和最大分别是0.01mm/min和100mm/min。
3、设定不同温度。采用的实时温控箱的温度范围为-60℃～0℃。把实时温控箱打开，提前进行预热。使试件下部温控平板直接把温度传递给试件，从实时温控箱的显示器上可以直观的观察到温度的变化。本实施例选择温度主要控制在-60℃，-45℃，-30℃，-15℃和0℃这5种情况。在实时温控的同时，开动加载驱动电机，对试件施加不同剪切力，直到含裂隙的试件出现了扩展破坏为止，并得到含裂隙的试件在不同温度下(-60℃，-45℃，-30℃，-15℃和0℃)裂隙扩展破坏模式，试验要实时进行记录和观察。
4、在试验的过程中，位于试件的正上方的数字图像相关技术(DIC图像)对试验全过程进行实时监测。同时试验过程中数据及图像信息自动记录存储并通过自动采集和分析系统进行处理、分析，尤其对试件变形破坏的认识给出直观的结果。
本发明中所涉及的元器件、自动采集和分析系统均为本领域常用技术。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (3)
1.一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置，其特征在于该装置包括DIC图像、压力调节阀、刚性支撑、加载力、竖向固定端、加载驱动电机、采集仪、裂隙试件、实时温控箱、下部温控平板、固定螺栓、基座和计算机；基座上表面固定下部温控平板，下部温控平板连接实时温控箱，在实时温控箱上固定放置裂隙试件，在裂隙试件的上表面放置上透明钢化玻璃，上透明钢化玻璃和下部温控平板通过固定螺栓固定在一起；裂隙试件的竖直方向为竖向固定端，竖向固定端上固定上下对称的竖向加载，在裂隙试件的水平方向的左右两个侧面上均固定有刚性支撑，左右两个刚性支撑相对裂隙试件的中心上下交错布置，对两个刚性支撑施加加载力；在每个加载力上均设置压力调节阀，通过压力调节阀控制加载力，压力调节阀同时通过加载驱动电机与采集仪连接，采集仪与计算机连接；在裂隙试件的上方设置用于对试验过程实时监测的DIC图像；所述裂隙试件为3D打印试件，该试件为透明、均质光敏树脂材料制成，为含裂隙试件；裂隙的厚度方向为全贯通；实时温控箱的温度范围为-60℃～0℃，所述裂隙试件的长、宽均为10cm，高为5～10cm；裂隙试件的裂隙长度为3～5.5cm；
能直观得到具有规律性的裂隙破坏扩展模式，得到在不同低温环境下，含裂隙试件的宏观破坏特性及力学特性结果。
2.一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验方法，该方法使用权利要求1所述的实验装置，具体步骤是:
(1)选取试件材料与尺寸：采用透明的光敏树脂材料通过3D打印技术制备裂隙试件，裂隙试件为长方体结构，长、宽均为10cm，高为5～10cm；其中裂隙的长度为3～5.5cm，裂隙的厚度方向为全贯通；
(2)固定试件并加载力：将步骤(1)制得的裂隙试件固定在下部温控平板和上透明钢化玻璃上，并固定好刚性支撑；然后给该裂隙试件进行竖向固定，通过加载力对试件施加剪切力，调节两个压力调节阀控制加载力的大小，施加的力为位移加载，位移加载速率最小和最大分别是0.01mm/min和100mm/min；
(3)观察不同温度下的裂隙扩展破坏模式：选取实时温控箱的温度范围为-60℃～0℃，打开实时温控箱，提前进行预热；使下部温控平板直接把温度传递给裂隙试件，从实时温控箱的显示器上能直观地观察到温度的变化；考察不同低温下试件的开裂变化；在实时温控的同时，开动加载驱动电机，对试件施加剪切力，直到裂隙试件出现了扩展破坏为止，并得到裂隙试件在不同温度下裂隙扩展破坏模式；
(4)在试验的过程中，位于试件的上方的DIC图像对试验全过程进行实时监测；同时试验过程中数据及图像信息自动记录存储并通过自动采集和分析系统进行处理、分析，得到耦合作用下的裂隙扩展模式，能对试件变形破坏的认识给出直观的结果。
3.根据权利要求2 所述的贯通裂隙的剪切-低温耦合实验方法，其特征在于所述步骤(3)中，不同低温为-60℃，-45℃，-30℃，-15℃和0℃。
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