CN109580398A - 一种岩石动态蠕变的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岩石动态蠕变的试验方法，包括以下操作步骤：选用现有的岩石三轴试验机和符合国际标准的岩石试件；将岩石试件正确安装在岩石三轴试验机的三轴压力室内，同时在岩石试件上安装两个岩石变形引伸计，在计算机上的控制软件上输入试验围压的值设定试验围压条件，并通过油源往三轴压力室充抗磨液压油，再通过岩石三轴试验机的围压加载装置对岩石试件加压，使之达到试验围压条件。本发明的岩石动态蠕变的试验方法，其能够实现对岩石进行动态蠕变加载，便于分析岩石在不同围压条件下的动态蠕变情况，评估工程产生的动态载荷对地下工程周围岩石的动态蠕变影响，从而优化地下工程的施工设计和支护结构设计，保证长期稳定与安全。

Description

一种岩石动态蠕变的试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，具体涉及的是一种用于研究岩石受动态荷载后产生与时间相关效应的岩石动态蠕变的试验方法。

背景技术

在当前社会和经济飞速发展的形势下，人类在向空中发展的同时，地下空间的开发利用也不断地向深部发展。深部岩体开挖过程完成后往往处于蠕变状态，而且围岩与支护结构不仅承受较高的静荷载作用，还遭受着如爆破振动等动荷载的作用，探讨动载荷载作用下处于蠕变状态的高应力岩体的变形破坏与稳定性，对地下矿山采掘、隧道开挖、地下空间开发利用、水电工程建设等方面具有广泛的应用前景。因此，研究蠕变状态岩石的动态荷载影响是必要的。

目前，大多数研究岩石蠕变的试验机仍停留在静力学研究上，只能考虑时间效应，而不能施加动态动荷载作用(即还没有用于研究蠕变状态岩石动态蠕变的试验机)。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现岩石动态蠕变，便于分析在不同围压条件下岩石的动态蠕变情况的岩石动态蠕变的试验系统。

本发明的目的在于还提供一种能够实现岩石动态蠕变，便于分析在不同围压条件下的岩石的动态蠕变情况的岩石动态蠕变的试验方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种岩石动态蠕变的试验系统，包括动态加载系统、轴压加载系统和三轴压力室，以及用于实时采集岩石试件受到的外部荷载情况和产生的蠕变变形情况的数据采集系统。所述动态加载系统、所述轴压加载系统、所述数据采集系统围绕所述三轴压力室布置或布置在所述三轴压力室上，所述三轴压力室的两端分别与所述动态加载系统和所述轴压加载系统相连；所述动态加载系统和所述轴压加载系统是两个独立控制的伺服油缸。

进一步，还包括两个引伸计，两个所述引伸计均安装在岩石试件上。

进一步，所述动态加载系统、所述轴压加载系统、所述数据采集系统和所述三轴压力室均由计算机上的操作控制软件进行控制。

一种岩石动态蠕变的试验方法，包括以下操作步骤：

步骤一，选用现有的岩石三轴试验机和符合国际标准的岩石试件；

步骤二，将符合国际标准的岩石试件正确安装在岩石三轴试验机的三轴压力室内，同时在岩石试件上安装两个分别用来测量岩石试件轴向变形和径向变形的岩石变形引伸计，在计算机上的控制软件上输入试验围压的值设定试验围压条件，并通过油源往三轴压力室充抗磨液压油，待所述三轴压力室充满抗磨液压油后，通过岩石三轴试验机的围压加载装置对岩石试件加压，使之达到试验围压条件；

步骤三，按实验方案确定试验研究的轴向应力水平，在控制软件中启动数据采集系统，数据采集系统开始记录数据，控制轴压加载系统对岩石试件加载至设定的应力，再在控制软件中选定动态荷载的波形，幅值大小和频率，并控制动态加载系统对岩石试件施加与动态荷载幅值相同大小的静应力；

步骤四，当轴压加载系统产生的应力和动态加载系统产生的动态应力之和达到试验方案设定的岩石动态蠕变的应力水平后，保持轴压加载系统不变，静态蠕变一段时间后(待达到由实验方案确定的静态蠕变变形设定时间后)，控制动态加载系统开始施加动态荷载；

步骤五，到达试验方案设定的动态荷载的持续时间，在控制软件中选择停止施加动态荷载，并使静应力恢复至与步骤三动态荷载应力幅值大小相同的水平；

步骤六，保持轴压加载系统和动态加载系统不变，继续对岩石试件进行静态蠕变加载试验设定时间后，控制动态加载系统施加动态荷载，实现动态循环荷载加载；

步骤七，根据试验方案按需重复步骤五和步骤六，直至岩石试件破坏。

进一步，步骤二中，所述岩石三轴试验机为最大轴压2000KN的岩石三轴试验机，所述岩石变形引伸计量程分别为轴向0-10mm，径向0-3mm。

进一步，步骤二中，所述三轴压力室上连接有溢出管，当抗磨液压油从所述溢出管流出时，停止油源往三轴压力室注抗磨液压油，并在控制软件里设定试验围压条件，控制围压加载装置对岩石试件进行加压。

进一步，所述抗磨液压油为L-HM 46抗磨液压油。

本发明的有益效果是：

本发明为研究岩石动态蠕变提供一种新试验系统，该试验系统通过控制两个独立的伺服油缸，产生出任意波形，任意幅值和任意频率的动态载荷(即：可以设定在不同围压条件，不同应力水平，以及任意波形，任意幅值大小及任意频率的动态载荷)，进而得到蠕变岩石在受动态载荷前后的变形情况的数据，通过数据可以分析出处于蠕变状态下的岩石受的动力响应情况。从而优化地下工程的施工设计和支护结构设计，保证长期稳定与安全。

本发明为研究岩石动态蠕变提供一种试验方法，该试验系统通过控制两个独立的伺服油缸，产生出任意波形，任意幅值和任意频率的动态载荷(即：可以设定在不同围压条件，不同应力水平，以及任意波形，任意幅值大小及任意频率的动态载荷)。通过岩石动态蠕变的试验方法，能够得到岩石在受动态载荷前后的蠕变变形情况数据，通过数据可以分析出蠕变状态下的岩石的动力响应情况。从而优化地下工程的施工设计和支护结构设计，保证长期稳定与安全。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施方式及附图作详细描述。

图1为本发明的岩石动态蠕变的试验系统的连接结构示意图。

图中：

1-动态加载系统； 2-轴压加载系统；

3-三轴压力室； 4-数据采集系统。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1所示，本发明的岩石动态蠕变的试验系统，包括动态加载系统1、轴压加载系统2、三轴压力室3和数据采集系统4。所述动态加载系统1、所述轴压加载系统2、所述数据采集系统4围绕所述三轴压力室3布置或布置在所述三轴压力室3上，所述三轴压力室3的两端分别与所述动态加载系统1和所述轴压加载系统2相连；所述动态加载系统1和所述轴压加载系统2是两个独立控制的伺服油缸(即：两个独立控制的伺服油缸分别连接于三轴压力室3的两端上)。这里的两个伺服油缸选用本领域现有常规伺服油缸，可直接购买得到。

本发明的岩石动态蠕变的试验系统，还包括两个引伸计，两个所述引伸计均安装在岩石试件上。这里的两个引伸计是通过人工安装在岩石试件上，两个引伸计分别用来测量岩石试件轴向变形量和径向变形量，进而得到岩石试件在试验中轴向变形量的值和岩石试件在试验中径向变形量的值。

本发明的岩石动态蠕变的试验系统，还包括一个供三轴压力室充抗磨液压油的油源(图中未示出)。这里的油源可以选用现有常见油泵。

上述中，动态加载系统1是用于产生任意波形、任意幅值大小和任意频率的动态载荷。轴压加载系统2是用于为岩石试件提供恒定的轴向应力。三轴压力室3是用于装载固定岩石试件和产生稳定的围压条件。数据采集系统4是用于采集记录并实时反馈三轴压力室3内的岩石试件受动态荷载作用下的动力响应。

本发明中，所述动态加载系统1、所述轴压加载系统2、所述数据采集系统4和所述三轴压力室3均由计算机(电脑)上的操作控制软件(控制软件为由程序编写人员编写的操控指令集)进行控制。其中，三轴压力室3主要提供稳定的围压条件，通过控制动态加载系统1和所述轴压加载系统2，对岩石试样进行加载，使得岩石试件处于动态蠕变状态(即：通过分别控制这两个油缸的加载情况可以实现岩石动态蠕变试验)。数据采集系统4实时采集岩石试件受到的外部荷载情况和产生的变形情况(即：可以实时监控岩石试件的应力状态，变形大小等相关数据)。

工作时，由人工操作输入命令或信息给计算机，计算机上控制软件执行命令，进而对所述动态加载系统1、所述轴压加载系统2、所述数据采集系统4、所述三轴压力室3和油源配合工作进行统筹控制。由计算机上的控制软件控制所述动态加载系统1、所述轴压加载系统2、所述数据采集系统4、所述三轴压力室3和油源为本领域公知常识，且通过计算机上的控制软件控制所述动态加载系统1、所述轴压加载系统2、所述数据采集系统4和所述三轴压力室3并非本发明的重点，这里就不进一步详述。

本发明的一种岩石动态蠕变的试验系统，通过该试验系统得到的试验数据，分析蠕变状态岩石受工程动态荷载的变形情况，评估工程活动对地下工程周围岩石的动态影响。换句话说：本发明的岩石动态蠕变的试验系统，用于研究由地下工程中由机械掘进及爆破开挖引起的工程动态荷载对岩石变形随时间的影响。

本发明的岩石动态蠕变试验方法，包括以下操作步骤：

步骤一，选用现有的岩石三轴试验机和符合国际标准的岩石试件(岩石试样)。

步骤二，将符合国际标准的岩石试件正确安装在最大轴压2000KN的岩石三轴试验机的三轴压力室3(这里最大轴压2000KN的岩石三轴试验机，选用济南纵驰测控设备有限公司生产的ZC-YAW系列微机控制岩石三轴压力试验机2000KN)内，同时在岩石试件上安装两个分别用来测量岩石试件轴向变形和径向变形的岩石变形引伸计(岩石变形引伸计量程分别为轴向0-10mm；径向0-3mm)。在计算机上的控制软件上输入试验围压的值设定试验围压条件，并通过油源往三轴压力室充L-HM 46抗磨液压油(中国石油天然气股份有限公司润滑油分公司)，所述三轴压力室3上连接有溢出管，待所述三轴压力室充满46抗磨液压油后(此时，溢出管有46抗磨液压油溢出)，在控制软件里设定试验围压条件，控制岩石三轴试验机的围压加载装置对岩石试件进行加压，使之达到试验围压条件。

该步骤中，具体的是：当46抗磨液压油待油流从所述溢出管流出时，停止油源往三轴压力室注46抗磨液压油。

步骤三，确定试验所要研究的轴向应力水平，在控制软件里启动数据采集系统4，数据采集系统4开始记录数据，在控制软件里控制轴压加载系统2对岩石试件加载至试验设定的应力，再在控制软件里选定动态荷载的波形，幅值大小和频率，并控制动态加载系统1对岩石试件施加与动态荷载应力幅值相同大小的静应力。

步骤四，当轴压加载系统2产生的应力和动态加载系统1产生的动态应力之和达到设定的岩石动态蠕变的应力水平后，保持轴压加载系统2不变，由实验方案确定的静态蠕变变形设定时间，待静态蠕变试验至设定时间后，在控制软件里控制动态加载系统1开始施加动态荷载。

步骤五，由实验方案确定的动态荷载的时间，待到达试验方案设定的持续的动态荷载的时间后，在控制软件里停止施加动态荷载，并在控制软件里控制静应力恢复至与步骤三动态应力幅值大小相同的水平。

步骤六，保持轴压加载系统2和动态加载系统1不变，继续对岩石试件进行静态蠕变加载试验，待达到试验设定时间后，控制动态加载系统1对岩石试件施加动态荷载，实现动态循环荷载加载。

步骤七，根据试验方案按需重复步骤五和步骤六，直至试件破坏。

本发明的一种岩石动态蠕变的试验方法，是通过人工在计算机上的控制软件输入数据和选择操作，实现由计算机上的控制软件对所述动态加载系统1、所述轴压加载系统2、所述数据采集系统4、所述三轴压力室3和油源(油源选用本领域常规油泵)的统筹控制。通过该试验方法得到的试验数据，分析岩石动态蠕变的变形情况，评估工程产生的动态荷载对地下工程周围岩石的动态蠕变的影响。

本发明的一种岩石动态蠕变的试验方法，还具有以下有益效果：

一是设备原理简单，操作简便易懂，测量装置可重复利用。

二是动态荷载可控，可通过控制两个独立的伺服加载油缸来产生任意波形，任意幅值大小，任意频率的动载荷。

三是提供了一种岩石动态蠕变研究的方法，通过岩石动态蠕变实验，分析蠕变岩石受工程动态荷载的变形情况，评估工程活动对地下工程周围岩石的动态蠕变影响。

四是可以实现常规三轴压缩试验、蠕变试验、动态试验等单个或耦合试验。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (4)

1.一种岩石动态蠕变的试验方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

步骤一，选用现有的岩石三轴试验机和符合国际标准的岩石试件；

步骤二，将符合国际标准的岩石试件正确安装在岩石三轴试验机的三轴压力室内，同时在岩石试件上安装两个分别用来测量岩石试件轴向变形和径向变形的岩石变形引伸计，在计算机上的控制软件上输入试验围压的值设定试验围压条件，并通过油源往三轴压力室充抗磨液压油，待所述三轴压力室充满抗磨液压油后，通过岩石三轴试验机的围压加载装置对岩石试件加压，使之达到试验围压条件；

步骤三，按实验方案确定试验研究的轴向应力水平，并在控制软件中启动数据采集系统，数据采集系统开始记录数据，由控制软件控制轴压加载系统对岩石试件加载至设定的应力，再在控制软件中选定动态荷载的波形、幅值大小和频率，并由控制软件控制动态加载系统对岩石试件施加与动态荷载应力幅值相同大小的静应力；

步骤四，当轴压加载系统产生的应力和动态加载系统产生的动态应力之和达到按试验方案设定的岩石动态蠕变的应力水平后，保持轴压加载系统不变，开始岩石试件蠕变试验，待达到由实验方案确定的静态蠕变变形设定时间后，控制动态加载系统开始施加动态荷载；

步骤五，到达实验方案设定的动态荷载的持续时间后，在控制软件中选择停止施加动态荷载，并使静应力恢复至与步骤三动态荷载应力幅值大小相同的水平；

步骤六，保持轴压加载系统和动态加载系统不变，继续对岩石试件进行静态蠕变加载试验设定时间后，控制动态加载系统施加动态荷载，实现动态循环荷载加载；

步骤七，按试验方案需求，重复步骤五和步骤六，直至岩石试件破坏。

2.根据权利要求1所述的一种岩石动态蠕变的试验方法，其特征在于：步骤二中，所述岩石三轴试验机为最大轴压2000KN的岩石三轴试验机，所述岩石变形引伸计量程分别为轴向0-10mm，径向0-3mm。

3.根据权利要求1所述的一种岩石动态蠕变的试验方法，其特征在于：步骤二中，所述三轴压力室上连接有溢出管，当抗磨液压油从所述溢出管流出时，停止油源往三轴压力室注抗磨液压油，并在控制软件里设定试验围压条件，控制围压加载装置对岩石试件进行加压。

4.根据权利要求1或3所述的一种岩石动态蠕变的试验方法，其特征在于：所述抗磨液压油为L-HM 46抗磨液压油。