CN110967265A - 一种耦合动-静态加载试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耦合动‑静态加载试系统，包括加载台、限位筒、上限位横梁、立柱、冲击锤、下限位横梁、荷载传感器、底座、带有刻度的加载杆，水准泡、冲击平台、位移计、配重、图像采集系统、动荷载实时采集系统和计算机。本发明加载系统量程小、灵敏度高，进行耦合动‑静态加载试验时对泥质弱胶结岩体结构变形控制程度高，延长结构变形过程，且实时记录耦合静力和动力作用下试验试样应力和变形规律，从而更好地揭示复杂应力状态下泥质弱胶结岩体力学性质，指导工程岩体支护设计。

Description

一种耦合动-静态加载试验系统

技术领域

本发明涉及一种试验系统，具体是一种耦合动-静态加载试验系统，属于力学试验设备技术领域。

背景技术

目前，常规单轴和三轴试验可得到岩土体的静力学性质，可以对工程岩体稳定性做出定量评价，但实际上工程岩体不仅受到上覆岩层自重和构造应力作用，还要受到远场爆破、机械振动以及近场开挖等动力扰动影响，因此，研究动荷载作用下岩土体的力学性质对客观评价其工程稳定性具有重要意义。而对于泥质弱胶结岩体，由于其强度低，结构性差，单轴极限荷载小于2MPa，微小的动力扰动都会造成结构损伤，常规试验仪器量程大，控制精度不满足试验强度要求，无法有效地研究其力学性质。

基于以上原因，有必要结合泥质弱胶结岩体物理及力学性质，开发一种小量程、高灵敏度的耦合动-静态加载试验装置。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种耦合动-静态加载试验系统，量程小、灵敏度高，能够实时记录静力和扰动应力耦合作用下试验试样应力和变形演化规律，以有效研究复杂应力条件下泥质弱胶结岩体工程稳定性。

本发明一种耦合动-静态加载试验系统，包括加载台、限位筒、上限位横梁、立柱、冲击锤、下限位横梁、荷载传感器、底座、带有刻度的加载杆，水准泡、冲击平台、位移计、配重、图像采集系统、动荷载实时采集系统和计算机；

其中，上限位横梁安装在立柱的上部，下限位横梁安装在立柱的下部，上限位横梁设有贯穿其的限位筒，且限位筒能够相对于上限位横梁上下移动，限位筒上方安装有加载台；下限位横梁上设有与限位筒在同一轴线上的限位通孔；加载杆上端穿过上限位横梁的限位筒与加载台连接，下端穿过下限位横梁的限位通孔，并连接有压头；

冲击锤套设在加载杆上，且能够在加载杆上竖向移动，冲击平台固定安装在加载杆下部，且位于下限位横梁上方，立柱垂直固定于底座上；

图像采集系统包括数码相机、固定支架以及图像处理模块，数码相机安装在固定支架上，其镜头对准试验试样，图像处理模块用于处理数码相机采集的图像信息；

动荷载实时采集系统包括动态数据采集仪和荷载传感器，荷载传感器和位移计均与动态数据采集仪相连，动态数据采集仪与计算机相连；其中，位移计安装在下限位横梁与压头之间，其探头与压头上表面接触，荷载传感器安装在底座上，位于压头正下方。

优选地，加载杆的刻度设于限位筒与冲击平台之间，且0刻度靠近冲击平台。

进一步，冲击锤与加载杆之间采用耦合接触方式，并涂抹有润滑剂。

进一步，还包括水准泡，水准泡垂直固定于底座上，底座为水平饼状。

进一步，立柱柱身设有螺纹，上限位横梁和下限位横梁左右两端通过螺母固定在立柱上。

进一步，动态数据采集仪为TST3826F动静态应变测试分析系统，荷载传感器为高精度动态膜片压向式平面荷重传感器，型号为BSHM-2。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明图像采集系统可以实时记录静力和动力作用下泥质弱胶结岩体试样变形规律，岩土工程数字照相量测软件系统可得出应力作用下试验试样变形云图，进而得出了试样在加载过程中的横向、纵向应变以及泊松比。图像采集系统还可以通过采集试验试样表面各测点的位移情况，有效地追踪试验试样表面裂隙起裂、扩展和汇聚等过程，从而更加有利于揭示动力作用下岩石变形破坏机理。

同时，本发明采用动态数据采集仪实时记录冲击和静力加载过程中位于试样底端的荷载传感器和试样顶端的位移计的电信号，得到试验试样冲击荷载及其对应的总轴向变形演化规律。

2)本发明加载系统量程小，灵敏度高，尤其适用于对泥质弱胶结岩体进行耦合动-静态加载试验，在对泥质弱胶结岩体试样进行动静加载试验时，对试验试样结构变形控制程度高，延长损伤结构变化过程，从而实现了对泥质弱胶结岩体扰动变形规律的研究。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明实施例的荷载标定示意图，其中，图(a)是标定曲线，图(b)是电信号-荷载曲线；

图3是本发明实施例的位移标定示意图，其中，图(a)是标定曲线，图(b)是电信号-位移曲线；

图中：1、加载台，2、限位筒，3、上限位横梁，4、立柱，5、冲击锤，6、下限位横梁，7、压头，8、荷载传感器，9、底座，10、加载杆，11、水准泡，12、图像采集系统， 13、冲击平台，14、位移计，15、配重，16、计算机，17、动态数据采集仪，18、固定支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种动静结合加载试验装置，包括加载台1、限位筒2、上限位横梁3、立柱4、冲击锤5、下限位横梁6、压头7、荷载传感器8、底座9、带有刻度的加载杆10，水准泡11、冲击平台13、位移计14、配重15、图像采集系统、动荷载实时采集系统和计算机16；

其中，上限位横梁3中心位置设有贯穿其的限位筒2，且限位筒2能够相对于上限位横梁3上下移动，限位筒2上方安装有加载台1；下限位横梁6上设有与限位筒2在同一轴线上的限位通孔，上限位横梁3安装在立柱4的上部，下限位横梁6安装在立柱4的下部，加载杆10上端穿过上限位横梁3的限位筒2与加载台1中心固定连接，下端穿过下限位横梁6的限位通孔，并固定连接压头7；冲击锤5套设在加载杆10上，且能够在加载杆10上来回移动，冲击平台13固定安装在加载杆10下部，位于下限位横梁6上方，用于限制冲击锤5向下运动，加载杆10的刻度设于限位筒2与冲击平台13之间，且0刻度靠近冲击平台13；水准泡11固定于水平饼状底座9上，用于确保底座9处于水平状态。

图像采集系统包括数码相机12、固定支架18以及用于处理数码相机采集的图像信息的图像处理模块，该图像处理模块采用岩土工程数字照相量测软件系统(图中未显示)，数码相机12安装在固定支架18上，数码相机12的镜头对准试样，实时记录试验试样在耦合静力和动力作用下的变形，利用数码相机12记录不同时刻试验试样表面各个像素点的形态，并利用岩土工程数字照相量测软件分析比较不同时刻相应像素点形态的变化，推算试验试样表面位移，得出试样变形云图，进而得出试验试样在受力过程中的横向和纵向应变以及泊松比。

动荷载实时采集系统包括动态数据采集仪17、荷载传感器8和计算机16，荷载传感器 8和位移计14均与动态数据采集仪17相连，动态数据采集仪17与计算机16相连；其中，位移计14安装在下限位横梁6与压头7之间，其探头与压头7上表面接触，用于感知压头 7位移，随压头7移动发生伸缩，记录试验试样在试验过程中的轴向位移，即轴向变形；荷载传感器8安装在底座9上，位于压头7正下方，用于记录静荷载和冲击荷载，试验试样放置在荷载传感器8与压头7之间。

动态数据采集仪17采用TST3826F动静态应变测试分析系统，包含实时采集、实时显示、实时分析、实时保存等模块，该系统最大采样频率20Hz，用于读取动荷载和静荷载信号。

荷载传感器8采用高精度动态膜片压向式平面荷重传感器，型号为BSHM-2，基本参数：外径58mm，高度26mm，输出灵敏度2.000mV/V，阻抗350Ω，激励电压5～12V，额定量程300kg。

为了避免因冲击锤5与加载杆10之间的摩擦作用引起动力损耗，冲击锤5与加载杆10 之间采用耦合接触方式，并涂抹有润滑剂。

为了便于调节上限位横梁3和下限位横梁6在立柱4上的位置，立柱4柱身设有螺纹，通过上限位横梁3和下限位横梁6左右两端的螺母，调整上限位横梁3和下限位横梁6的位置。

实验前，首先需要对荷载传感器8和位移计14进行标定，并测试动静组合加载试验系统的稳定性，荷载标定和位移标定曲线如图2和图3所示。由图2(a)和图3(a)可以看出，荷载传感器8和位移计14稳定性好，固定荷载或位移条件下数值波动率小于1％。由图 2(b)和图3(b)可以看出，实际荷载、位移与电信号之间呈线性关系，相关系数接近1，动态数据采集仪17根据读取的位移计14和荷载传感器8的电信号值可直接得出试验试样的实际荷载及其所对应的变形量。

本实施例：冲击锤5重量为2kg，加载杆10刻度量程为0-30cm，配重15每个质量为25kg，受承载结构强度限值，并保证本装置稳定性，试验系统可施加最大配重15为300kg，折合标准试样端面应力约1.5MPa，试验试样为泥质弱胶结岩体试样。

耦合动-静态加载试验施加荷载分两步：第一步，施加预应力(静力)；第二步，扰动(冲击)应力。

进行第一步荷载施加时，首先将试验试样放置在压头7与荷载传感器8之间，调平，对中，避免出现偏应力；然后，将配重15放置在加载台1上，对试验试样施加压载，试验试样受到压力作用后产生变形；不同配重15方案，即不同数量的配重15放置在加载台1上，试验试样受到不同预应力作用，从而产生不同程度的变形响应；

进行第二步荷载施加时，首先将试验试样放置在压头7与荷载传感器8之间，调平，对中，避免出现偏应力；将冲击锤5顺着加载杆10上提到一定高度(可通过加载杆10上的刻度得到冲击锤5在加载杆10上所处的高度)，松开冲击锤5，冲击锤5在重力作用下向下落至冲击平台13上，对试验试样施加冲击(扰动)荷载，试验试样受到冲击荷载后发生变形，调整冲击锤5下落的高度，可获得不同大小的冲击能，使试验试样受到不同的动力荷载，从而产生不同程度的变形响应。

在进行第一步和第二步荷载施加实验中，数码相机12实时记录试验试样在静力和动力作用下试验试样表面各测点的位置，利用岩土工程数字照相量测软件系统，比较不同时刻同一测点位置变化，进而推算试验试样变形规律，得到荷载作用下试样变形云图；数码相机12不仅可以实时记录试验试样表面各测点的位移，还可以通过采集试验试样表面各测点的位移情况，追踪试验试样表面裂隙起裂、扩展和汇聚等过程，更有利于揭示动力作用下岩石变形破坏机理。

同时，动态数据采集仪17实时读取位移计14和荷载传感器8的电信号，由于实际荷载、位移与电信号之间呈线性关系，相关系数接近1，因此，动态数据采集仪17根据读取的位移计14和荷载传感器8的电信号值即可得出试验试样的实际荷载及其应对的变形量，如表1所示，为预(静)应力荷载换算：

表1荷载换算

假设冲击过程中不存在能量损耗，即落锤单次下落产生的能量ΔW完全作用于试样，即：

ΔW＝F·t＝m·g·H (1)

式中，F为冲击力，t为冲击作用时间，ΔW为单次冲击能，m为落锤质量，g为重力加速度， H为落锤下落高度。

本发明通过对试验试样在耦合静力和动力作用下的加载试验，得出试验试样受力和变形规律，从而更好地揭示复杂应力状态下泥质弱胶结岩体力学性质，指导工程岩体支护设计，当然，本发明也可用于对其他软岩进行动静荷载加载试验。

Claims (6)

1.一种耦合动-静态加载试验系统，其特征在于，包括加载台(1)、限位筒(2)、上限位横梁(3)、立柱(4)、冲击锤(5)、下限位横梁(6)、荷载传感器(8)、底座(9)、带有刻度的加载杆(10)，水准泡(11)、冲击平台(13)、位移计(14)、配重(15)、图像采集系统、动荷载实时采集系统和计算机(16)；

其中，上限位横梁(3)安装在立柱(4)的上部，下限位横梁(6)安装在立柱(4)的下部，上限位横梁(3)设有贯穿其的限位筒(2)，且限位筒(2)能够相对于上限位横梁(3)上下移动，限位筒(2)上方安装有加载台(1)；下限位横梁(6)上设有与限位筒(2)在同一轴线上的限位通孔；加载杆(10)上端穿过上限位横梁(3)的限位筒(2)与加载台(1)连接，下端穿过下限位横梁(6)的限位通孔，并连接有压头(7)；

冲击锤(5)套设在加载杆(10)上，且能够在加载杆(10)上竖向移动，冲击平台(13)13固定安装在加载杆(10)下部，且位于下限位横梁(6)上方，立柱(4)垂直固定于底座(9)上；

图像采集系统包括数码相机(12)、固定支架(18)以及图像处理模块，数码相机(12)安装在固定支架(18)上，其镜头对准试验试样，图像处理模块用于处理数码相机(12)采集的图像信息；

动荷载实时采集系统包括动态数据采集仪(17)和荷载传感器(8)，荷载传感器(8)和位移计(14)均与动态数据采集仪(17)相连，动态数据采集仪(17)与计算机(16)相连；其中，位移计(14)安装在下限位横梁(6)与压头(7)之间，其探头与压头(7)上表面接触，荷载传感器(8)安装在底座(9)上，位于压头(7)正下方。

2.根据权利要求1所述的一种耦合动-静态加载试验系统，其特征在于，加载杆(10)的刻度设于限位筒(2)与冲击平台(13)之间，且0刻度靠近冲击平台(13)。

3.根据权利要求1或2所述的一种动静结合加载试验系统，其特征在于，冲击锤(5)与加载杆(10)之间采用耦合接触方式，并涂抹有润滑剂。

4.根据权利要求1所述的一种动静结合加载试验系统，其特征在于，还包括水准泡(11)，水准泡(11)垂直固定于底座(9)上，底座(9)为水平饼状。

5.根据权利要求4所述的一种耦合动-静态加载试验系统，其特征在于，立柱(4)柱身设有螺纹，上限位横梁(3)和下限位横梁(6)左右两端通过螺母安装在立柱(4)上。

6.根据权利要求1所述的一种耦合动-静态加载试验系统，其特征在于，动态数据采集仪(17)为TST3826F动静态应变测试分析系统，荷载传感器(8)为高精度动态膜片压向式平面荷重传感器，型号为BSHM-2。

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