CN109520842B - 动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置及其方法 - Google Patents

动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置及其方法，装置包括：动载荷加载装置、静载荷加载装置、试件、入射杆、透射杆、数据采集装置、数据处理装置、连接架、液压泵、限位板、高速显微摄像机、裂缝压力加载头、钢丝和加压气囊，在试件上开有预制裂隙，在预制裂隙的一开口端装有限位板，在限位板的两端穿过钢丝，在钢丝的两端装有钢丝预紧夹，加压气囊装在钢丝和限位板所限定的预制裂隙内，加压气囊上装有裂缝压力加载头，裂缝压力加载头穿过限位板并通过液压管线与液压泵相连，在试件的预制裂隙上方装有高速显微摄像机，高速显微摄像机与数据处理装置相连，本发明实现了在试验室条件下，对含有裂隙压力岩体的动态力学特性的测定。

Description

动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置及其方法
技术领域
本发明涉及破断岩体力学，属于矿山岩石力学领域，具体地涉及了一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置及其方法。
背景技术
脆性岩石的破坏和裂纹传播规律一直是岩石断裂力学和矿山岩体力学研究的重要方向。岩石的破裂不仅与岩石的静载和冲击载荷有关，还与岩石内部的孔隙大小，孔隙流体及其压力息息相关。岳中琦等人对孔隙内的流体进行过研究，得出许多地质现象都与孔隙内的气体包裹体有关，但这些研究多是理论上的推导，并没有相关的设备及其试验研究介绍。对裂隙研究方法多数是通过试验室对岩石试件进行各种加载从而得到相关的岩石破坏规律。由于岩石试件取件困难和技术条件的限制，几乎不可能取到能满足试验要求的含有孔隙压力的裂纹试件，也就很难对岩体中孔隙压力对岩体破坏的影响进行研究。因此，要研究孔隙压力对岩体的影响，就需要通过人为制备预制裂隙并加压。本发明的目的就是解决上述难题和弥补当前在裂纹压力研究方面的不足。
目前，对含预制裂纹岩石试样加载的方式多种多样，有许多学者也进行过相关的研究。专利201610452297.4公开“一种静载与水压耦合作用破岩装置及其使用方法”，该方法介绍了在静载作用下以及在岩体内部注入水压作用下的岩石破坏行为，利用贴片进行应变观测。该方法用于研究岩石在静载和水压作用下变形和破坏强度等确实是一种较先进方法。但这种方法内部注压采用埋设法，无法实现对预制裂隙的观测，且观测方法单一，无法对含有裂隙压力的裂隙的发育过程进行监测和研究，另外该方法只是在静载下的内部注水加压耦合，无法对动载作用下的岩石破坏行为进行观测。
发明内容
为了解决上述问题，本申请的发明目的是提供一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，它可以实现对裂隙压力及动静载荷作用下动态力学特性的测定。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，它包括：动载荷加载装置、静载荷加载装置、试件、入射杆、透射杆、数据采集装置、数据处理装置和连接架，在连接架上装有试件，在试件的两端分别装有入射杆和透射杆，试件、入射杆和透射杆在同一直线上，动载荷加载装置对入射杆进行加载，静载荷加载装置对透射杆进行加载，在入射杆和透射杆上贴有应变片，应变片通过导线与数据采集装置相连，数据采集装置与数据处理装置相连，其中：它还包括：液压泵、限位板、高速显微摄像机、裂缝压力加载头、钢丝和加压气囊，在试件上开有预制裂隙，在预制裂隙的一开口端装有限位板，在限位板的两端穿过钢丝，在钢丝的两端装有钢丝预紧夹，加压气囊装在钢丝和限位板所限定的预制裂隙内，加压气囊上装有裂缝压力加载头，裂缝压力加载头穿过限位板并通过液压管线与液压泵相连，在试件的预制裂隙上方装有高速显微摄像机，高速显微摄像机与数据处理装置相连；
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其中：所述预制裂隙是开在试件上的通孔，在预制裂隙的另一开口端的钢丝上套有气囊限位管，以保护加压气囊，限位板为圆弧形板，它与试件贴合在一起，在所述裂缝压力加载头上装有加压头固定螺母和螺母垫片，螺母垫片装在限位板上，裂缝压力加载头的外侧有螺纹，通过加压头固定螺母将裂缝压力加载头固定在限位板上；
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其中：在所述液压管线上还装有压力表和压力开关；
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其中：该试验装置还包括：补偿光源，该补偿光源装在高速显微摄像机附近，为高速显微摄像机提供补充光源；
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其中：所述动载荷加载装置包括：液压千斤顶、弹簧、支架、套筒、限位盘、限位机构和冲头，在支架上装有套筒，该套筒与入射杆在同一直线上，在套筒内依次装有弹簧、限位盘和冲头，限位盘的一端与弹簧的一端相连，限位盘的另一端与冲头相连，冲头对入射杆进行加载，液压千斤顶与弹簧的另一端相连，限位机构通过转轴装在支架上，限位机构通过绕着转轴的旋转，来限定限位盘的位置，起到开关的作用；
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其中：所述冲头为纺锤形冲头，所述套筒由透明的材料制成，沿着套筒的长度方向刻有刻度；
本发明的一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其中：所述静载荷加载装置包括：静压加载头和静压加载装置，在静压加载装置上装有静压加载头，静压加载头对透射杆进行加载；
本发明的用动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置进行试验的方法，其中：它包
括以下步骤：
(a)、用静压加载装置对试件进行预加载，预加载的压力达到预定裂隙压力；
(b)、将液压泵的压力调至预定裂隙压力值，关闭压力开关，液压泵对预制裂隙施压至预定裂隙压力，用高速显微摄像机对预制裂隙进行拍摄，将高速显微摄像机拍摄的图像传输给数据处理装置进行处理；
(c)、用静压加载装置继续对试件进行加载，使得加载的压力达到预定静载压力，预定静载压力大于预定裂隙压力，用数据采集装置采集透射杆的应变片的数据，并将其传输给数据处理装置进行处理。
本发明的用动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置进行试验的方法，其中：它还包括：
(d)、关闭限位机构，让液压千斤顶将弹簧压缩至预定位置，然后打开限位机构，通过弹簧快速变形加速冲头撞击入射杆，用数据采集装置采集入射杆的应变片的数据，并将其传输给数据处理装置进行处理。
本发明与现有技术条件相比，本发明的技术效果在于：本发明通过静压加压装置对试件施加静载；通过液压泵加压对预制裂隙内部进行加压，且这个压力稳定可靠，还能进行调节大小；通过使液压千斤顶压缩弹簧，由于套筒为透明材料制成并且其上刻有刻度，可以很容易地计算出来弹簧压缩能，即动能。本发明实现了在试验室条件下，对含有裂隙压力岩体的动态力学特性的测定，能够很好模拟深部开采条件下的岩石破坏特性。本发明具有结构简单、试验过程简单和操作方便等优点。
附图说明
图1是本发明一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置的正向示意图；为了清楚起见，在图中，高速显微摄像机画在试件的上方，实际上高速显微摄像机装在试件的预制裂隙的上方；
图2是试件的预制裂隙的正向放大示意图。
在图1和图2中，标号1为液压千斤顶；标号2为弹簧；标号3为支架；标号4为限位盘；标号5为限位机构；标号6为冲头；标号7为入射杆；标号8为连接架；标号9为应变片；标号10为试件；标号11为限位板；标号12为液压管线；标号13为补偿光源；标号14为高速显微摄像机；标号15为静压加载头；标号16为静压加载装置；标号17为压力表；标号18为液压泵；标号19为压力开关；标号20为套筒；标号21为透射杆；标号22为数据采集装置；标号23为数据处理装置；标号24为加压头固定螺母；标号25为钢丝；标号26为钢丝预紧夹；标号27为加压气囊；标号28为气囊限位管；标号29为预制裂隙；标号30为螺母垫片；标号31为裂隙压力加载头；标号32为转轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置包括：动载荷加载装置、静载荷加载装置、试件10、入射杆7、透射杆21、数据采集装置22、数据处理装置23、连接架8、液压泵18、限位板11、高速显微摄像机14、裂缝压力加载头31、钢丝25、补偿光源13和加压气囊27，在连接架8上装有试件10，在试件10的两端分别装有入射杆7和透射杆21，试件10、入射杆7和透射杆21在同一直线上，动载荷加载装置对入射杆7进行加载，静载荷加载装置对透射杆21进行加载，在入射杆7和透射杆21上贴有应变片9，应变片9通过导线与数据采集装置22相连，数据采集装置22与数据处理装置23相连。
动载荷加载装置包括：液压千斤顶1、弹簧2、支架3、套筒20、限位盘4、限位机构5和冲头6，在支架3上装有套筒20，该套筒20与入射杆7在同一直线上，在套筒20内依次装有弹簧2、限位盘4和冲头6，限位盘4的一端与弹簧2的一端相连，限位盘4的另一端与冲头6相连，冲头6对入射杆7进行加载，液压千斤顶1与弹簧2的另一端相连，限位机构5通过转轴32装在支架3上，限位机构5通过绕着转轴32的旋转，来限定限位盘4的位置，起到开关的作用，冲头6为纺锤形冲头，所述套筒20由透明的材料制成，沿着套筒20的长度方向刻有刻度。
静载荷加载装置包括：静压加载头15和静压加载装置16，在静压加载装置16上装有静压加载头15，静压加载头15对透射杆21进行加载。
如图2所示，在试件10上开有预制裂隙29，预制裂隙29是开在试件10上的通孔，在预制裂隙29的一开口端装有限位板11，在限位板11的两端穿过钢丝22，在钢丝25的两端装有钢丝预紧夹26，加压气囊27装在钢丝22和限位板11所限定的预制裂隙29内，在预制裂隙29的另一开口端的钢丝25上套有气囊限位管28，以保护加压气囊27。加压气囊27上装有裂缝压力加载头31，裂缝压力加载头31穿过限位板11并通过液压管线12与液压泵18相连，在液压管线12上还装有压力表17和压力开关19。限位板11为圆弧形板，它与试件10贴合在一起，在裂缝压力加载头31上装有加压头固定螺母24和螺母垫片30，螺母垫片30装在限位板11上，裂缝压力加载头31的外侧有螺纹，通过加压头固定螺母24将裂缝压力加载头31固定在限位板11上，在试件10上方的预制裂隙29上装有高速显微摄像机14，在高速显微摄像机14附近装有补偿光源13，为高速显微摄像机14提供补充光源。高速显微摄像机14与数据处理装置23相连。
用图1和图2所示的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置进行试验的方法包括以下步骤：
(a)、用静压加载装置16对试件10进行预加载，预加载的压力达到预定裂隙压力；
(b)、将液压泵18的压力调至预定裂隙压力值，关闭压力开关19，液压泵18对预制裂隙29施压至预定裂隙压力，用高速显微摄像机14对预制裂隙29进行拍摄，将高速显微摄像机14拍摄的图像传输给数据处理装置23进行处理；
(c)、用静压加载装置16继续对试件10进行加载，使得加载的压力达到预定静载压力，预定静载压力大于预定裂隙压力，用数据采集装置22采集透射杆21的应变片9的数据，并将其传输给数据处理装置23进行处理。
(d)、关闭限位机构5，让液压千斤顶1将弹簧2压缩至预定位置，然后打开限位机构5，通过弹簧2快速变形加速冲头6撞击入射杆7，用数据采集装置22采集入射杆7的应变片9的数据，并将其传输给数据处理装置23进行处理。
本发明的用动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置进行试验的方法，可以包括上述的步骤(a)至(c)或者包括上述步骤(a)至(d)，即可以是静载荷与裂隙压力的耦合，也可以是动静载荷与裂隙压力的耦合。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，它包括：动载荷加载装置、静载荷加载装置、试件(10)、入射杆(7)、透射杆(21)、数据采集装置(22)、数据处理装置(23)和连接架(8)，在连接架(8)上装有试件(10)，在试件(10)的两端分别装有入射杆(7)和透射杆(21)，试件(10)、入射杆(7)和透射杆(21)在同一直线上，动载荷加载装置对入射杆(7)进行加载，静载荷加载装置对透射杆(21)进行加载，在入射杆(7)和透射杆(21)上贴有应变片(9)，应变片(9)通过导线与数据采集装置(22)相连，数据采集装置(22)与数据处理装置(23)相连，其特征在于：它还包括：液压泵(18)、限位板(11)、高速显微摄像机(14)、裂缝压力加载头(31)、钢丝(25)和加压气囊(27)，在试件(10)上开有预制裂隙(29)，在预制裂隙(29)的一开口端装有限位板(11)，在限位板(11)的两端穿过钢丝(25)，在钢丝(25)的两端装有钢丝预紧夹(26)，加压气囊(27)装在钢丝(25)和限位板(11)所限定的预制裂隙(29)内，加压气囊(27)上装有裂缝压力加载头(31)，裂缝压力加载头(31)穿过限位板(11)并通过液压管线(12)与液压泵(18)相连，在试件(10)的预制裂隙(29)上方装有高速显微摄像机(14)，高速显微摄像机(14)与数据处理装置(23)相连；所述静载荷加载装置包括：静压加载头(15)和静压加载装置(16)，在静压加载装置(16)上装有静压加载头(15)，静压加载头(15)对透射杆(21)进行加载。
2.如权利要求1所述的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其特征在于：所述预制裂隙(29)是开在试件(10)上的通孔，在预制裂隙(29)的另一开口端的钢丝(25)上套有气囊限位管(28)，以保护加压气囊(27)，限位板(11)为圆弧形板，它与试件(10)贴合在一起，在所述裂缝压力加载头(31)上装有加压头固定螺母(24)和螺母垫片(30)，螺母垫片(30)装在限位板(11)上，裂缝压力加载头(31)的外侧有螺纹，通过加压头固定螺母(24)将裂缝压力加载头(31)固定在限位板(11)上。
3.如权利要求2所述的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其特征在于：在所述液压管线(12)上还装有压力表(17)和压力开关(19)。
4.如权利要求3所述的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其特征在于：该试验装置还包括：补偿光源(13)，该补偿光源(13)装在高速显微摄像机(14)附近，为高速显微摄像机(14)提供补充光源。
5.如权利要求4所述的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置，其特征在于：所述动载荷加载装置包括：液压千斤顶(1)、弹簧(2)、支架(3)、套筒(20)、限位盘(4)、限位机构(5)和冲头(6)，在支架(3)上装有套筒(20)，该套筒(20)与入射杆(7)在同一直线上，在套筒(20)内依次装有弹簧(2)、限位盘(4)和冲头(6)，限位盘(4)的一端与弹簧(2)的一端相连，限位盘(4)的另一端与冲头(6)相连，冲头(6)对入射杆(7)进行加载，液压千斤顶(1)与弹簧(2)的另一端相连，限位机构(5)通过转轴(32)装在支架(3)上，限位机构(5)通过绕着转轴(32)的旋转，来限定限位盘(4)的位置，起到开关的作用。
6.用权利要求5所述的动静载荷与裂隙压力耦合破裂岩石力学试验装置进行试验的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(a)、用静压加载装置(16)对试件(10)进行预加载，预加载的压力达到预定裂隙压力；
(b)、将液压泵(18)的压力调至预定裂隙压力值，关闭压力开关(19)，液压泵(18)对预制裂隙(29)施压至预定裂隙压力，用高速显微摄像机(14)对预制裂隙(29)进行拍摄，将高速显微摄像机(14)拍摄的图像传输给数据处理装置(23)进行处理；
(c)、用静压加载装置(16)继续对试件(10)进行加载，使得加载的压力达到预定静载压力，预定静载压力大于预定裂隙压力，用数据采集装置(22)采集透射杆(21)的应变片(9)的数据，并将其传输给数据处理装置(23)进行处理。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：它还包括：(d)、关闭限位机构(5)，让液压千斤顶(1)将弹簧(2)压缩至预定位置，然后打开限位机构(5)，通过弹簧(2)快速变形加速冲头(6)撞击入射杆(7)，用数据采集装置(22)采集入射杆(7)的应变片(9)的数据，并将其传输给数据处理装置(23)进行处理。
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