CN109813602A - 一种岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置，所述试验装置包括加载系统、CCD相机观测系统、声发射系统，所述加载系统包括螺杆，所述螺杆的两端分别固定有第一压板和第三压板，位于所述第一压板和所述第三压板之间的第二压板可滑动地设置在所述螺杆上，所述第三压板上固定有千斤顶，所述千斤顶的顶头与所述第二压板相连接，使得所述千斤顶能够带动所述第二压板朝所述第一压板的方向运动，从而为试样两侧提供侧向压力；解决了传统的试验装置尚不能对平面应变加载条件下岩石破坏过程微裂纹萌生、扩展和贯通过程试样表面和内部破裂进行跟踪和观测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程仪器设备领域，具体地，涉及一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置。
背景技术
由于岩石类材料的特殊性和所处环境的复杂性，许多岩石类材料组成的工程可近似看作平面应变问题处理，如隧道、挡土墙、堤坝等。研究表明，岩石类材料在平面应变条件下的变形破坏不同于常规三轴条件下的变形破坏行为，基于平面应变实验所得到的材料本构模型才更适合于反映处于平面应变状态的工程问题。因此，研究在平面应变条件下岩石类材料的变形失稳、破坏过程及剪切局部化带的形成具有重要的理论和实际意义。
国内外学者在平面应变试验方面展开了一些研究工作，例如，2009年5月，《一种新型岩石类材料平面应变实验装置的研制和应用》一文中公开了一种平面应变试验装置，其原理主要是通过严格限制试件在一个方向上的变化，继而观察和测试试件在两个相互正交方向上加压条件下的变形破坏行为及相关的力学参数。该装置以及其他学者所研发的装置尚未涉及平面应变加载条件下岩石破坏过程微裂纹萌生、扩展和贯通过程试样表面和内部破裂的跟踪和观测，而这些对于研究岩石类材料在平面应变条件下的破裂机制具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置，解决了传统的试验装置尚不能对平面应变加载条件下岩石破坏过程微裂纹萌生、扩展和贯通过程试样表面和内部破裂进行跟踪和观测的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置，所述试验装置包括加载系统、CCD相机观测系统、声发射系统，所述加载系统包括螺杆，所述螺杆的两端分别固定有第一压板和第三压板，位于所述第一压板和所述第三压板之间的第二压板可滑动地设置在所述螺杆上，所述第三压板上固定有千斤顶，所述千斤顶的顶头与所述第二压板相连接，使得所述千斤顶能够带动所述第二压板朝所述第一压板的方向运动，从而为试样两侧提供侧向压力；
所述第一压板和所述第二压板之间设置有压紧装置，所述压紧装置包括顺次设置的第一侧向压板、有机玻璃压板和第二侧向压板，所述第一侧向压板中相对的两端分别设置有锁紧螺杆，所述锁紧螺杆依次贯穿所述第一侧向压板、所述有机玻璃压板和所述第二侧向压板并旋拧有锁紧螺母，所述第一侧向压板和所述有机玻璃压板之间留有空腔，所述空腔的两端分别设置有水平压头，所述水平压头中靠近所述第一压板或所述第二压板的侧面向内凹陷形成有凹槽，所述锁紧螺杆至少部分位于所述凹槽内，使得所述第二压板能够带动两个所述水平压头相向运动。
优选地，所述螺杆的数量不少于4组。
优选地，位于所述第一侧向压板的一侧的所述锁紧螺杆的数量不少于3组，多个所述锁紧螺杆自上而下顺次设置。
优选地，所述第一压板、所述第二压板和所述第三压板沿第一方向顺次设置；
所述第一侧向压板、所述有机玻璃压板和所述第二侧向压板沿第二方向顺次设置；
所述第一方向和所述第二方向相垂直。
优选地，所述第二侧向压板的中部设置有开口槽。
优选地，所述第一侧向压板上设置有用于安装声发射探头的安装孔。
优选地，所述加载系统还包括位于所述空腔上方的垂直压头。
根据上述技术方案，本发明提供了一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置，所述试验装置包括加载系统、CCD相机观测系统、声发射系统，所述加载系统包括螺杆，所述螺杆的两端分别固定有第一压板和第三压板，位于所述第一压板和所述第三压板之间的第二压板可滑动地设置在所述螺杆上，所述第三压板上固定有千斤顶，所述千斤顶的顶头与所述第二压板相连接，使得所述千斤顶能够带动所述第二压板朝所述第一压板的方向运动；所述第一压板和所述第二压板之间设置有压紧装置，所述压紧装置包括顺次设置的第一侧向压板、有机玻璃压板和第二侧向压板，所述第一侧向压板中相对的两端分别设置有锁紧螺杆，所述锁紧螺杆依次贯穿所述第一侧向压板、所述有机玻璃压板和所述第二侧向压板并旋拧有锁紧螺母，所述第一侧向压板和所述有机玻璃压板之间留有空腔，所述空腔的两端分别设置有水平压头，所述水平压头中靠近所述第一压板或所述第二压板的侧面向内凹陷形成有凹槽，所述锁紧螺杆至少部分位于所述凹槽内，使得所述第二压板能够带动两个所述水平压头相向运动。在实际观测过程中，将试样放入第一侧向压板和所述有机玻璃压板之间的空腔内，通过锁紧螺杆、锁紧螺母、第一侧向压板、第二侧向压板控制或限制试样在该方向的侧向变形，从而达到平面应变的效果；利用千斤顶带动第二压板运动，从而带动两个所述水平压头相向运动，对试样两侧提供侧向压力；加载系统还包括位于试样上方的垂直压头，用于提供垂直压力。本发明提供的试验装置可以研究在平面应变条件下岩石类材料的变形失稳、破坏过程及剪切局部化带的形成，具有重要的理论和实际意义；本发明结合声发射技术和数字散斑技术(DIC)能够实时观测记录试样内部破裂以及试样表面变形场。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的试验装置的结构图；
图2是图1提供的试验装置的俯视图。
附图标记说明
101-第一压板 102-第二压板
103-第三压板 2-螺杆
4-垂直压头 5-第二侧向压板
6-有机玻璃压板 7-试样
8-水平压头 9-第一侧向压板
10-锁紧螺杆 11-锁紧螺母
12-千斤顶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1和图2所示：本发明提供了一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置，所述试验装置包括加载系统、CCD相机观测系统、声发射系统，所述加载系统包括螺杆2，所述螺杆2的两端分别固定有第一压板101和第三压板103，位于所述第一压板101和所述第三压板103之间的第二压板102可滑动地设置在所述螺杆2上，所述第三压板103上固定有千斤顶12，所述千斤顶12的顶头与所述第二压板102相连接，使得所述千斤顶12能够带动所述第二压板102朝所述第一压板101的方向运动，从而为试样两侧提供侧向压力；
所述第一压板101和所述第二压板102之间设置有压紧装置，所述压紧装置包括顺次设置的第一侧向压板9、有机玻璃压板6和第二侧向压板5，所述第一侧向压板9中相对的两端分别设置有锁紧螺杆10，所述锁紧螺杆10依次贯穿所述第一侧向压板9、所述有机玻璃压板6和所述第二侧向压板5并旋拧有锁紧螺母11，所述第一侧向压板9和所述有机玻璃压板6之间留有空腔，所述空腔的两端分别设置有水平压头8，所述水平压头8中靠近所述第一压板101或所述第二压板102的侧面向内凹陷形成有凹槽，所述锁紧螺杆10至少部分位于所述凹槽内，使得所述第二压板102能够带动两个所述水平压头8相向运动。在实际观测过程中，将试样放入第一侧向压板和所述有机玻璃压板之间的空腔内(试样中间可开设有各式孔洞或切开裂缝)，通过锁紧螺杆、锁紧螺母、第一侧向压板、第二侧向压板控制或限制试样在该方向的侧向变形，从而达到平面应变的效果；利用千斤顶带动第二压板运动，从而带动两个所述水平压头相向运动，对试样两侧提供侧向压力；加载系统还包括位于试样上方的垂直压头，用于提供垂直压力。本发明提供的试验装置可以研究在平面应变条件下岩石类材料的变形失稳、破坏过程及剪切局部化带的形成，具有重要的理论和实际意义；本发明结合声发射技术和数字散斑技术(DIC)能够实时观测记录试样内部破裂以及试样表面变形场。
本发明提供的试验装置，该试验装置包括加载系统、数字图像相关(DIC)系统(包括CCD相机观测系统和表面变形场处理系统等)、声发射系统三部分，加载系统用于完成平面应变试验，数字图像相关(DIC)系统用于实时观测、记录和提取试样表面变形场，声发射系统用于确定试样内部破裂位置以及记录破坏事件发生规律，可实现平面应变试验全过程微裂纹萌生、扩展和贯通的观察与记录。
本发明还具备以下优点和积极效果：
(1)该装置可以通过自身刚度较好的侧向压板控制或限制试件在该方向的侧向变形，从而达到平面应变的效果；
(2)该装置能够结合声发射技术定位试样内部破裂以及事件全过程记录；
(3)该装置利用数字散斑技术，跟踪观测试样表面各个点的在加载破裂过程中的变形场实时演化；
(4)该装置使用侧向有机玻璃压板，一方面限制试样的变形，另一方面便于结合数字散斑技术实时观测记录试样表面变形场；
(5)该装置在试验完成后可以轻松取出，可以更好地观察裂缝的形态特征；
(6)本发明设计合理，易于加工，易于操作，并且节省时间，同时能够重复运用，节约资源。
在本发明的一种优选的实施方式中，使得整个试验装置更加稳定，所述螺杆2的数量不少于4组。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了能够更为稳定的夹紧试样7，位于所述第一侧向压板9的一侧的所述锁紧螺杆10的数量不少于3组，多个所述锁紧螺杆10自上而下顺次设置。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了使得整个试验装置更为稳定，同时方便对试样的各个方向施加压力，所述第一压板101、所述第二压板102和所述第三压板103沿第一方向顺次设置；
所述第一侧向压板9、所述有机玻璃压板6和所述第二侧向压板5沿第二方向顺次设置；
所述第一方向和所述第二方向相垂直。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了便于在试验过程中对试件表面的裂纹扩展全过程CCD全场观察并记录，所述第二侧向压板5的中部设置有开口槽。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述第一侧向压板9上设置有用于安装声发射探头的安装孔；便于埋置声发射探头，用以连续、实时地监测脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，定位试件破坏位置，得到试验试样失稳破裂的演化过程。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了方便对试样7提供竖直方向的压力，所述加载系统还包括位于所述空腔上方的垂直压头4。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (7)
1.一种用于岩石类材料平面应变双轴加载破坏全过程宏细观的试验装置，所述试验装置包括加载系统、CCD相机观测系统、声发射系统，其特征在于，所述加载系统包括螺杆(2)，所述螺杆(2)的两端分别固定有第一压板(101)和第三压板(103)，位于所述第一压板(101)和所述第三压板(103)之间的第二压板(102)可滑动地设置在所述螺杆(2)上，所述第三压板(103)上固定有千斤顶(12)，所述千斤顶(12)的顶头与所述第二压板(102)相连接，使得所述千斤顶(12)能够带动所述第二压板(102)朝所述第一压板(101)的方向运动，从而为试样两侧提供侧向压力；
其中，所述第一压板(101)和所述第二压板(102)之间设置有压紧装置，所述压紧装置包括顺次设置的第一侧向压板(9)、有机玻璃压板(6)和第二侧向压板(5)，所述第一侧向压板(9)中相对的两端分别设置有锁紧螺杆(10)，所述锁紧螺杆(10)依次贯穿所述第一侧向压板(9)、所述有机玻璃压板(6)和所述第二侧向压板(5)并旋拧有锁紧螺母(11)，所述第一侧向压板(9)和所述有机玻璃压板(6)之间留有空腔，所述空腔的两端分别设置有水平压头(8)，所述水平压头(8)中靠近所述第一压板(101)或所述第二压板(102)的侧面向内凹陷形成有凹槽，所述锁紧螺杆(10)至少部分位于所述凹槽内，使得所述第二压板(102)能够带动两个所述水平压头(8)相向运动。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述螺杆(2)的数量不少于4组。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，位于所述第一侧向压板(9)的一侧的所述锁紧螺杆(10)的数量不少于3组，多个所述锁紧螺杆(10)自上而下顺次设置。
4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述第一压板(101)、所述第二压板(102)和所述第三压板(103)沿第一方向顺次设置；
所述第一侧向压板(9)、所述有机玻璃压板(6)和所述第二侧向压板(5)沿第二方向顺次设置；
所述第一方向和所述第二方向相垂直。
5.根据权利要求1-4任一项所述的试验装置，其特征在于，所述第二侧向压板(5)的中部设置有开口槽。
6.根据权利要求1-5任一项所述的试验装置，其特征在于，所述第一侧向压板(9)上设置有用于安装声发射探头的安装孔。
7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述加载系统还包括位于所述空腔上方的垂直压头(4)。
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