CN110095334A - 一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置及方法，它包括用于安装整个实验装置的支撑平台装置，所述支撑平台装置包括底部承台，所述底部承台的顶部一端通过支架安装有用于放置试样的圆台，在其顶部另一端固定有支撑杆，所述支撑杆的顶部通过球铰安装有半环形支撑架；所述电磁板固定安装在半环形支撑架的两末端，并成对布置；所述圆台位于两块电磁板之间，所述圆台的顶部两侧对称布置有导电板，所述导电板通过导线与用于供电的电源装置相连。可以通过相似理论，根据岩石试样制作模拟岩样，在模拟岩样中添加铜粉等导电材料，在模拟岩样两侧放置电磁板产生可调节磁场，通过磁场和模拟岩样中的电流产生安培力模拟岩石在各工况下的应力状态。
Description
技术领域
本发明涉及到一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置及方法，适用于铁路、公路、隧道、水利工程、采煤矿井坑道及国防工程、基坑工程、爆破等工程中前期测试岩石力学性质中，属于岩石力学性能测试装置领域。
背景技术
岩石是铁路、公路、隧道、水利工程、采煤矿井坑道、国防工程、基坑工程、爆破等工程中的主要组成部分，它广泛存在于各类工程建筑的主体中，因此对岩石的质量检验和受力研究就显得尤为重要。
目前的岩石实验方法包括室内岩石力学试验、数值分析、现场监测和物理模拟试验等手段。
室内岩石力学试验主要包括通过获得岩石的强度参数、脆性指数、弹性能指数等指标，对岩石质量进行评估，以及采用岩石常规三轴和真三轴试验研究开挖卸荷条件下坚硬围岩的力学特性和破坏机制。但总体来看，室内岩石力学试验的研究方法只是对岩块进行基本力学特性的分析和认识。在岩样表面加载时应力传递至样本中心所需时间过长、电能消耗大，不能合理反映岩石在原环境中发生破坏的实际条件。
数值模拟方法可以对岩石破坏过程和条件进行模拟，但受数值分析方法本身的条件所限，需要对实际岩石破坏的条件、破坏过程的数值描述进行简化和处理，并且单元破坏的判别条件、应变能和动能的转化关系、动力激发以及动力边界条件和初始条件的设置等问题都没有得到很好地解决，因此，数值分析方法也无法很好地再现复杂的岩石破坏机制和过程。
现场监测方法通过多种监测手段（声发射、微震、钻孔摄像、跨孔声波、滑动测微计等）获得岩石破坏过程的各种信息，可以最真实地揭示岩石破坏的形成机制和规律，但是存在费用高，人员和设备安全风险大，且无法根据需要设定岩石破坏的不同影响条件等缺陷。
发明内容
本发明属于一种利用通电和外加磁场产生安培力模拟岩石受力情况的物理模拟实验装置及方法，可以通过相似理论，根据岩石试样制作模拟岩样，在模拟岩样中添加铜粉等导电材料，在模拟岩样两侧放置电磁板产生可调节磁场，通过磁场和模拟岩样中的电流产生安培力模拟岩石在各工况下的应力状态。用导线连接两个铁板，让点电流形成面电流通过试样，在模拟岩样两侧放置电磁板产生磁场，通过磁场和通电导线产生安培力模拟岩石在各工况下的应力状态。将岩石破坏的主要影响因素反映到模拟试验中，并且可以通过电流大小、方向和电磁板磁场强度、方向，方便地设定不同大小和不同方向的安培力，可预先布设相关的监测仪器，获取岩石受力情况，实验还可以模拟岩爆，从而合理揭示不同类型岩石破坏的形成机制、影响因素和演化规律，为建立各种工况下岩体风险的合理评估和准确预测方法以及可靠的防控方法提供科学依据。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，它包括用于安装整个实验装置的支撑平台装置，所述支撑平台装置包括底部承台，所述底部承台的顶部一端通过支架安装有用于放置试样的圆台，在其顶部另一端固定有支撑杆，所述支撑杆的顶部通过球铰安装有半环形支撑架；所述电磁板固定安装在半环形支撑架的两末端，并成对布置；所述圆台位于两块电磁板之间，所述圆台的顶部两侧对称布置有导电板，所述导电板通过导线与用于供电的电源装置相连。
实验过程中所述圆台的顶部支撑放置模拟岩样，所述模拟岩样的两侧面与导电板相接触配合。
所述模拟岩样采用混凝土浇筑而成，在所浇筑的混凝土中填充有导电微粒；所述模拟岩样可由下至上，分层、分区块浇筑而成。
所述导电微粒采用导电微粒或纳米银粉材料制成。
所述模拟岩样内部还掺入有原岩材料。
所述模拟岩样采用模具制成，所述模具采用顶部开口的矩形盒结构，其尺寸根据模拟岩样的尺寸定制。
在制作模拟岩样过程中，在所述模具的的内壁上涂抹有脱膜油，所述模拟岩样的不同分区块和不同层之间通过聚酯薄膜分隔，并在混凝土即将凝固前取出，使模拟岩样形成一个整体。
所述模拟岩样的不同分区块和不同层之间预埋有用于监测应力的抗磁干扰应力片。
所述电源装置与控制台相连，并控制导电板上的电流大小；在实验过程中所述实验装置的侧边设置有声波探测装置，所述声波探测装置与模拟岩样相配合，并向其发射声波用于探测模拟岩样内不同密度区域或破坏区域；
所述导电板采用导线组替换，将所述导线组与导线连接，所述导线组在制作模拟岩样时预埋在模拟岩样的内部，其不同区域内导线组的布置密度不同。
采用任意一项所述一种采用安培力模拟岩石受力情况实验装置的实验方法，它包括以下步骤：
步骤1：制作模拟岩样；在制备模拟岩样前，需要根据原样的尺寸、分层情况和分区分块情况，确定试样的尺寸和导电微粒的密度；
步骤2：根据原样每个区块的物理力学性质，确定导电微粒分区块布置情况，按照一定的顺序，浇筑填充导电微粒的混凝土，模拟岩样中的层面和区块采用聚脂薄膜隔开控制，并在混凝土即将凝固前取出，同时在层面和区块的接触面设置抗磁干扰应力片，使模拟岩样形成一个整体；
步骤3：将制备好的模拟岩样固定在圆台上，并在模拟岩样的两侧面布置导电板，同时将导电板通过导线与电源装置相连，同时在模拟岩样的上、下两端设置电磁板；
步骤4：通过控制台控制电源装置进而改变模拟岩样内部的电流强度和方向，瞬间内完成增强→中断→改变电流方向这一过程，同时控制电磁板的磁场强度，并由控制台控制模拟岩样受到安培力的大小，即使其加载到卸载瞬间完成，甚至产生拉力，可模拟爆破工程中的岩石受到空气挤压时，瞬间完成加载至卸载的破坏模式；所述模拟岩样内的安培力的计算公式为：
F=IBLsinθ （1）
式中：F为模拟岩样所受安培力大小，I为通过模拟岩样的电流大小，B为磁感应强度，L为通过试样电流的路程，θ为试样中电流方向与B方向的夹角；
步骤5：在加载安培力的过程中，通过声波探测装置连续向模拟岩样发射声波，声波遇到模拟岩样内不同密度区域或破坏区域时，反射声波会随之发生变化，从而探测模拟岩样内部破坏情况，定位破坏位置，可同时探测模拟岩样和原岩的内部构造和密度，并做对比，根据对比结果调整模拟岩样内导电微粒的密度，提高模拟岩样的还原度。
本发明有如下有益效果：
1.本装置及方法通过相似理论，在模拟岩样中填充导电微粒，调整各层、各区块的导电微粒密度，模拟岩石各层、各区块的不同物理力学性质，将岩石破坏的主要影响因素反应到模拟试验中。
2.目前室内岩石力学试验的研究方法只是对岩块进行基本力学特性的分析和认识，在岩样表面加载时应力传递至样本中心所需时间过长、电能消耗大，不能合理反映岩石在原环境中发生破坏的实际条件。
3.本装置及方法由电流与磁场产生的安培力，可通过仿真软件COMSOLMultiphysics计算和监测通过电磁板和模拟岩样的电流，并由控制台调节通过电磁板和模拟岩样的电流大小和方向，改变模拟岩样所受安培力大小和方向。
4.通过改变电磁板、模拟岩样中的电流强度和方向，可由控制台控制并在瞬间内完成增强→中断→改变电流方向这一过程，即加载到卸载瞬间完成，甚至产生拉力。可模拟爆破工程中的岩石受到空气挤压时，瞬间完成加载至卸载的破坏模式。
5.通过电磁板、模拟岩样的电流强度和方向，可由控制台控制并可逐级递增和逐级递减，完成分级加载和分级卸载。使实验所求的弹性模量减少误差，同时验证材料是否处于弹性状态，以保证实验结果的可靠性。
6.本装置及方法产生的安培力可同时作用于模拟岩样的各点、各层、各区块，模拟岩石在原环境的受力状态。可大大缩短让试样达到应力饱和状态的时间，解决目前室内试验对岩石样本加载时间过长、不能合理反映岩石在原环境中发生破坏的实际条件的问题。
7.本装置及方法的声波探测装置，可在实验过程中连续向模拟岩样发射声波，声波遇到模拟岩样内不同密度区域或破坏区域时，反射声波会随之发生变化，从而探测模拟岩样内部破坏情况，定位破坏位置，获取岩石破坏发生的变化规律，从而合理揭示不同类型岩石破坏的形成机制、影响因素和演化规律，为建立各种工况下岩体风险的合理评估和准确预测方法以及可靠的防控方法提供科学依据。可同时探测模拟岩样和原样的内部构造和密度，并做对比，根据对比结果调整模拟岩样内导电微粒的密度，提高模拟岩样的还原度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的实验装置整体结构图。
图2为本发明的第一种模拟岩样制备过程图。
图3为本发明的第二种模拟岩样制备过程图。
图4为本发明的第三种模拟岩样制备过程图。
图5为本发明的第四种模拟岩样制备过程图。
图6为本发明的模拟岩样结构图。
图中：导线1，模拟岩样2，模具3，导电微粒4，抗磁干扰应力片5，电磁板6，控制台7，支撑台8，声波探测装置9，导电板11，导线组12；
圆台801，支撑杆802，底部承台803，半环形支撑架804，球铰805。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
请参阅图1-6，一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，它包括用于安装整个实验装置的支撑平台装置8，所述支撑平台装置8包括底部承台803，所述底部承台803的顶部一端通过支架安装有用于放置试样的圆台801，在其顶部另一端固定有支撑杆802，所述支撑杆802的顶部通过球铰805安装有半环形支撑架804；所述电磁板6固定安装在半环形支撑架804的两末端，并成对布置；所述圆台801位于两块电磁板6之间，所述圆台801的顶部两侧对称布置有导电板11，所述导电板11通过导线1与用于供电的电源装置相连。通过采用上述的实验装置，可以通过相似理论，根据岩石试样制作模拟岩样，在模拟岩样中添加导电微粒等导电材料，在模拟岩样两侧放置电磁板产生可调节磁场，通过磁场和模拟岩样中的电流产生安培力模拟岩石在各工况下的应力状态。
进一步的，实验过程中所述圆台801的顶部支撑放置模拟岩样2，所述模拟岩样2的两侧面与导电板11相接触配合。通过导电板11能够给模拟岩样2提供电流。
进一步的，所述模拟岩样2采用混凝土浇筑而成，在所浇筑的混凝土中填充有导电微粒4；所述模拟岩样2可由下至上，分层、分区块浇筑而成。且每个区块，每个层面填充的纳米微粉的量不同，从而使模拟岩样的不同区域、不同层的密度不同，模拟原岩的不同区域、不同层的不同性质。制作材料可用填充纳米铜粉的混凝土，也可在其中掺入适量原岩材质。
进一步的，所述导电微粒4采用导电微粒或纳米银粉材料制成。通过上述的材料能够起到导电的作用，进而使其在磁场作用下产生安培力。导电微粒4具有导电率好、强度高，具有优异的电气性能。
进一步的，所述模拟岩样2内部还掺入有原岩材料。提高模拟岩样的还原度，进而提高实验精度。
进一步的，所述模拟岩样2采用模具3制成，所述模具3采用顶部开口的矩形盒结构，其尺寸根据模拟岩样2的尺寸定制。模具的制作材料应由钢材制成上部开口、四周和底部可拆卸的模具，形状和大小不固定，可根据需求调整定制。在内侧需要涂油，方便取出模拟岩样。
进一步的，在制作模拟岩样2过程中，在所述模具3的的内壁上涂抹有脱膜油，所述模拟岩样2的不同分区块和不同层之间通过聚酯薄膜分隔，并在混凝土即将凝固前取出，使模拟岩样2形成一个整体。
进一步的，所述模拟岩样2的不同分区块和不同层之间预埋有用于监测应力的抗磁干扰应力片5。它是在制作模拟岩样时可在其不同区块和层面埋置抗磁干扰应力片，测试其所在位置的应力大小。其抗磁干扰能力可避免电磁板产生的磁场对应力片测试结果的影响。
进一步的，所述电源装置与控制台7相连，并控制导电板11上的电流大小；在实验过程中所述实验装置的侧边设置有声波探测装置9，所述声波探测装置9与模拟岩样2相配合，并向其发射声波用于探测模拟岩样2内不同密度区域或破坏区域；
进一步的，所述导电板11采用导线组替换，将所述导线组与导线2连接，所述导线组在制作模拟岩样时预埋在模拟岩样2的内部，其不同区域内导线组的布置密度不同。导线组中的导线应在制作模拟岩样时布置在模拟岩样中，可分区块、分层布置导线，并与模拟岩样形成一个整体。其目的是，通过控制不同区块、不同层面的导线组中的电流大小和方向，控制模拟岩样不同区块、不同层面在磁场中受到的安培力大小。
进一步的，通过给电磁板6通电，在两电磁板间产生均匀磁场，使通电导线在磁场间产生与磁场垂直的安培力。可以改变通过的电流大小来改变磁场强度，改变电流方向改变磁场方向，提供不同方向不同大小的安培力。
进一步的，上述的控制台，能够屏蔽电磁场的干扰，具有显示器。能够安装并使用COMSOL Multiphysics，以监控电流大小，计算模拟岩样所受安培力大小，通过显示器呈现。能够提供直流电，具有精确调控电流大小的功能，并将调节后的电流通过模拟岩样形成闭合回路，使其在磁场中受到安培力作用，进行模拟实验。
进一步的，上述的支撑台，制作材料不具有磁性和导电性，不与电磁板产生磁力，减少对实验结果的干扰。主要组成部分有用来放置和固定模拟岩样的圆台，支撑杆，底部承台，控制电磁板角度的半环形支撑架，可转动滑轮。可通过旋转圆台改变模拟岩样的角度。可通过使半环形支撑架的外侧绕着动滑轮转动，改变磁场方向。
实施例2：
采用任意一项所述一种采用安培力模拟岩石受力情况实验装置的实验方法，它包括以下步骤：
步骤1：制作模拟岩样2；在制备模拟岩样2前，需要根据原样的尺寸、分层情况和分区分块情况，确定试样的尺寸和导电微粒4的密度；
步骤2：根据原样每个区块的物理力学性质，确定导电微粒4分区块布置情况，按照一定的顺序，浇筑填充导电微粒的混凝土，模拟岩样2中的层面和区块采用聚脂薄膜隔开控制，并在混凝土即将凝固前取出，同时在层面和区块的接触面设置抗磁干扰应力片5，使模拟岩样2形成一个整体；
步骤3：将制备好的模拟岩样2固定在圆台801上，并在模拟岩样2的两侧面布置导电板11，同时将导电板11通过导线1与电源装置相连，同时在模拟岩样2的上、下两端设置电磁板6；
步骤4：通过控制台7控制电源装置进而改变模拟岩样2内部的电流强度和方向，瞬间内完成增强→中断→改变电流方向这一过程，同时控制电磁板6的磁场强度，并由控制台7控制模拟岩样2受到安培力的大小，即使其加载到卸载瞬间完成，甚至产生拉力，可模拟爆破工程中的岩石受到空气挤压时，瞬间完成加载至卸载的破坏模式；所述模拟岩样2内的安培力的计算公式为：
F=IBLsinθ （1）
式中：F为模拟岩样2所受安培力大小，I为通过模拟岩样2的电流大小，B为磁感应强度，L为通过试样电流的路程，θ为试样中电流方向与B方向的夹角；
步骤5：在加载安培力的过程中，通过声波探测装置9连续向模拟岩样2发射声波，声波遇到模拟岩样2内不同密度区域或破坏区域时，反射声波会随之发生变化，从而探测模拟岩样2内部破坏情况，定位破坏位置，可同时探测模拟岩样2和原岩的内部构造和密度，并做对比，根据对比结果调整模拟岩样内导电微粒4的密度，提高模拟岩样2的还原度。
Claims (10)
1.一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：它包括用于安装整个实验装置的支撑平台装置（8），所述支撑平台装置（8）包括底部承台（803），所述底部承台（803）的顶部一端通过支架安装有用于放置试样的圆台（801），在其顶部另一端固定有支撑杆（802），所述支撑杆（802）的顶部通过球铰（805）安装有半环形支撑架（804）；所述电磁板（6）固定安装在半环形支撑架（804）的两末端，并成对布置；所述圆台（801）位于两块电磁板（6）之间，所述圆台（801）的顶部两侧对称布置有导电板（11），所述导电板（11）通过导线（1）与用于供电的电源装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：实验过程中所述圆台（801）的顶部支撑放置模拟岩样（2），所述模拟岩样（2）的两侧面与导电板（11）相接触配合。
3.根据权利要求1所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：所述模拟岩样（2）采用混凝土浇筑而成，在所浇筑的混凝土中填充有导电微粒（4）；所述模拟岩样（2）可由下至上，分层、分区块浇筑而成。
4.根据权利要求3所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：所述导电微粒（4）采用导电微粒或纳米银粉材料制成。
5.根据权利要求3所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：所述模拟岩样（2）内部还掺入有原岩材料。
6.根据权利要求2或3所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：所述模拟岩样（2）采用模具（3）制成，所述模具（3）采用顶部开口的矩形盒结构，其尺寸根据模拟岩样（2）的尺寸定制。
7.根据权利要求6所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：在制作模拟岩样（2）过程中，在所述模具（3）的的内壁上涂抹有脱膜油，所述模拟岩样（2）的不同分区块和不同层之间通过聚酯薄膜分隔，并在混凝土即将凝固前取出，使模拟岩样（2）形成一个整体。
8.根据权利要求6所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：所述模拟岩样（2）的不同分区块和不同层之间预埋有用于监测应力的抗磁干扰应力片（5）。
9.根据权利要求1所述的一种采用安培力模拟岩石受力情况的实验装置，其特征在于：所述电源装置与控制台（7）相连，并控制导电板（11）上的电流大小；在实验过程中所述实验装置的侧边设置有声波探测装置（9），所述声波探测装置（9）与模拟岩样（2）相配合，并向其发射声波用于探测模拟岩样（2）内不同密度区域或破坏区域；
所述导电板（11）采用导线组替换，将所述导线组与导线（2）连接，所述导线组在制作模拟岩样时预埋在模拟岩样（2）的内部，其不同区域内导线组的布置密度不同。
10.采用权利要求1-9任意一项所述一种采用安培力模拟岩石受力情况实验装置的实验方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤1：制作模拟岩样（2）；在制备模拟岩样（2）前，需要根据原样的尺寸、分层情况和分区分块情况，确定试样的尺寸和导电微粒（4）的密度；
步骤2：根据原样每个区块的物理力学性质，确定导电微粒（4）分区块布置情况，按照一定的顺序，浇筑填充导电微粒的混凝土，模拟岩样（2）中的层面和区块采用聚脂薄膜隔开控制，并在混凝土即将凝固前取出，同时在层面和区块的接触面设置抗磁干扰应力片（5），使模拟岩样（2）形成一个整体；
步骤3：将制备好的模拟岩样（2）固定在圆台（801）上，并在模拟岩样（2）的两侧面布置导电板（11），同时将导电板（11）通过导线（1）与电源装置相连，同时在模拟岩样（2）的上、下两端设置电磁板（6）；
步骤4：通过控制台（7）控制电源装置进而改变模拟岩样（2）内部的电流强度和方向，瞬间内完成增强→中断→改变电流方向这一过程，同时控制电磁板（6）的磁场强度，并由控制台（7）控制模拟岩样（2）受到安培力的大小，即使其加载到卸载瞬间完成，甚至产生拉力，可模拟爆破工程中的岩石受到空气挤压时，瞬间完成加载至卸载的破坏模式；所述模拟岩样（2）内的安培力的计算公式为：
F=IBLsinθ （1）
式中：F为模拟岩样（2）所受安培力大小，I为通过模拟岩样（2）的电流大小，B为磁感应强度，L为通过试样电流的路程，θ为试样中电流方向与B方向的夹角；
步骤5：在加载安培力的过程中，通过声波探测装置（9）连续向模拟岩样（2）发射声波，声波遇到模拟岩样（2）内不同密度区域或破坏区域时，反射声波会随之发生变化，从而探测模拟岩样（2）内部破坏情况，定位破坏位置，可同时探测模拟岩样（2）和原岩的内部构造和密度，并做对比，根据对比结果调整模拟岩样内导电微粒（4）的密度，提高模拟岩样（2）的还原度。
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