CN111426571A - 一种多环境作用下岩石蠕变试验方法及装置 - Google Patents

一种多环境作用下岩石蠕变试验方法及装置 Download PDF

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CN111426571A CN202010045726.2A CN202010045726A CN111426571A CN 111426571 A CN111426571 A CN 111426571A CN 202010045726 A CN202010045726 A CN 202010045726A CN 111426571 A CN111426571 A CN 111426571A
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唐世斌
李佳明
张拥军
张永亮
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
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Abstract

一种多环境作用下岩石蠕变试验方法及装置，属于岩石力学试验技术领域。本发明采用的装置包括机架部分和试验部分。机架部分设有机架板，机架板底侧设有柱子，机架板底侧设有一体的大、小轮盘，大轮盘外周连有砝码。小轮盘外周与杠杆通过铰接链相连，杠杆另一端设有平衡砝码，机架板底侧设有轴a固定部件，杠杆通过轴a与轴a固定部件连接。试验部分设有底座，底座设在柱子a侧的机架板上表面，底座上设有环境箱，环境箱内装有岩石试样，岩石试样上方设有压头，底座侧面与LVDT架一侧相连，LVDT架另一侧与LVDT相连，LVDT顶端与压头底侧相连，压头上方设有荷载传感器，荷载传感器上方设有横梁。本发明运用杠杆原理和轮组传动原理共同放大力的倍数，通过砝码对岩石试样施加压力。

Description

一种多环境作用下岩石蠕变试验方法及装置
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，涉及一种岩石在持续压力作用下的多相 耦合蠕变试验方法及装置。
技术背景
自上个世纪30年代起，关于岩石蠕变特性的试验研究一直十分活跃。在岩 体工程中，露天矿边坡滑坡、地下矿隧道垮塌、地基失稳、核废料地质贮存库破 裂，以及矿柱岩爆等工程灾害中，存在大量由于岩石蠕变变形而产生的破坏。因 此，岩石蠕变特性的测试对岩体工程结构长期稳定性维护具有重要意义。岩石的 蠕变破坏受环境因素及荷载等级的大小影响显著，某些时候达到蠕变破坏的时间 可能需要几周、几月甚至更长的时间。由于实际的室内试验条件下的试验时间尺 度有限，采用一般的蠕变试验机耗时、耗能及不稳定等。现有的蠕变实验通常会 在恒定荷载下持载一定的时间后停止试验，不能开展长时间的岩石持荷蠕变实 验。随着岩石工程理论及实践地快速进步，在理论方面、室内实验方面及微观方 面，岩石蠕变研究都得到了很大进步，但复杂化环境下的蠕变实验研究却较少， 有限条件下的岩石室内蠕变试验并不能完全模拟实际工程环境，从而导致室内测 试结果与实际工程不符。
发明内容
针对以上问题，本发明运用杠杆原理和轮组传动原理共同放大力的倍数，使 用砝码对岩石试样施加长期稳定的压力。且环境系统可以模拟含水或溶液状态、 不同温度、不同围压等岩石的实际工程环境，可以对多相耦合、不同加载作用下 岩石试样蠕变特性展开研究，从而对岩石工程中施工、维护等阶段下围岩稳定及 安全问题进行分析和预测，进而对岩石力学蠕变理论进行丰富及完善。
本发明解决技术问题采用的装置包括机架部分和试验部分。机架部分设有矩 形机架板，机架板一侧设有4个柱子a，另一侧设有2个柱子b，柱子a和柱子 b顺次通过连接杆相连，使柱子a和柱子b对机架板的支撑更加稳固，机架板底 侧靠近柱子b的位置设有与机架板垂直的轮盘固定部件，轮盘固定部件的一侧平 行设置大轮盘和小轮盘，且大轮盘和小轮盘通过轴固定在轮盘固定部件上，轴经 过圆心连线与大轮盘垂直，大轮盘和小轮盘通过大螺栓连接，大轮盘和小轮盘可 以转动且两者转动角度保持一致，大轮盘外周与碳纤维绳的一端相连，碳纤维绳 另一端与砝码挂杆相连，砝码挂杆底端设有砝码托盘放置砝码。小轮盘外周与铰 接链一端相连，铰接链另一端与杠杆的一端相连，杠杆另一端设有平衡砝码，机 架板底侧靠近柱子a的位置设有与机架板垂直的轴a固定部件，杠杆通过轴a与 轴a固定部件连接。试验部分设有底座，底座设在柱子a侧的机架板上表面，底 座上设有环境箱，环境箱内装有岩石试样，岩石试样上方设有压头，底座侧面与 LVDT架一侧相连，LVDT架另一侧与LVDT相连，LVDT顶端与压头底侧相连， 压头上方设有荷载传感器，荷载传感器上方设有横梁，横梁两侧靠近端点的位置 设有2个螺栓，螺栓与横梁垂直，螺栓上端穿过横梁，螺栓上设有螺母a、螺母 b、螺母c、螺母d，其中螺母a设于横梁上表面，螺母b设于横梁下表面，螺栓 下端穿过机架板，螺母c设于机架板上表面，螺母d设于机架板下表面，机架板下方设有主轴，主轴与杠杆垂直且一端穿过杠杆，主轴另一端穿过螺栓。荷载传 感器和LVDT通过传感器数据线与采集仪电连接，采集仪与电脑电连接；环境箱 与温度控制器和围压控制器电连接。
进一步的，底座与环境箱接触面为半球面。
进一步的，LVDT为位移传感器。
本发明蠕变试验的步骤如下：
(1)将环境箱放在底座上，然后将岩石试样放入环境箱内中心位置，压头 放在岩石试样上，调节螺母b使横梁向下移动，带着荷载传感器压在岩石试样上， 向下转动螺母a，固定横梁。向下调动螺母d，再向上调动螺母c，螺母c与机架 板相距3mm左右即可，通过调节平衡砝码使杠杆平衡，最后再调动螺母d使它 与机架板下底面接触。
(2)打开采集仪和电脑显示荷载传感器和LVDT大小的界面，再将固定在 LVDT架上的LVDT顶在压头上，通过电脑显示的数据将LVDT调节到可测范围 内，调好后将应力和位移清零。向环境箱内加入蒸馏水或水溶液，同时通过温度 控制器和围压控制器调节好环境箱内的温度和围压。
(3)点击电脑开始采集，同时在把相应的砝码放在砝码托盘上，电脑显示 相应的应力数值。
(4)试验结束先结束电脑的数据采集，并保存数据，然后调节温度控制器 使环境箱内的温度为室温，调节围压控制器使环境箱内的围压为大气压，并逐个 卸掉砝码，向上拧动螺母a，再向上拧动螺母b，拿掉压头，清洗环境箱，最后 关掉采集仪、电脑以及相关电源。
有益效果：
1.运用杠杆原理和轮组传动原理共同放大力的倍数，通过砝码对岩石试样施 加压力。
2、代替试验机，不需要供电，长期稳定，适合岩石蠕变试验特点。
3、可以模拟含水或溶液状态、不同温度、不同围压等岩石的实际工程环境， 得到多相耦合、不同加载作用下岩石试样蠕变特性，使实际工程可以依赖于岩石 室内试验得到的蠕变参数。
4、试验装置应力可达到150MPa，且安全系数较高，可满足绝大多数岩石 试样。
5、试验操作简单、仪器价格低廉。
附图说明
图1为本发明涉及的装置结构示意图。
图2为本发明试验部分的结构示意图。
图3为本发明装置的主视图。
图4为本发明装置的左视图。
图5为本发明中轮盘装配主视图。
图6为本发明中轮盘装配左视图。
图7为本发明中杠杆主视图。
图8为传力系统误差曲线图。
图9为水中红砂岩进行单轴多级加载蠕变试验曲线图。
图10为应力和应变关系曲线图。
图11为机架板与柱子连接处结构示意图。
如图1.机架板，2.柱子a，3.柱子b，4.轮盘固定部件，5.轴a固定部件，6. 连接杆，7.大轮盘，8.小轮盘，9.大螺栓，10.铰接链，11.碳纤维绳，12.砝码挂杆， 13.砝码托盘，14.砝码，15.杠杆，16.主轴，17.轴a，18.平衡砝码，19.螺栓，20. 横梁，21.螺母a，22.螺母b，23.螺母c，24.螺母d，25.底座，26.环境箱，27.LVDT 架，28.LVDT，29.岩石试样，30.压头，31.荷载传感器，32.传感器数据线，33. 温度控制器，34.围压控制器，35.采集仪，36.电脑。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明解决技术问题采用的装置包括机架部分和试验部分。机架部分设有矩 形机架板1，机架板1一侧设有4个柱子a2，另一侧设有2个柱子b3，柱子a2 和柱子b3顺次通过连接杆6相连，使柱子a2和柱子b3对机架板1的支撑更加 稳固，机架板1底侧靠近柱子b3的位置设有与机架板1垂直的轮盘固定部件4， 轮盘固定部件4的一侧平行设置大轮盘7和小轮盘8，且大轮盘7和小轮盘8通 过轴固定在轮盘固定部件4上，轴经过圆心连线与大轮盘7垂直，大轮盘7和小 轮盘8通过大螺栓9连接，大轮盘7和小轮盘8可以转动且两者转动角度保持一 致，大轮盘7外周与碳纤维绳11的一端相连，碳纤维绳11另一端与砝码挂杆 12相连，砝码挂杆12底端设有砝码托盘13放置砝码14。小轮盘8外周与铰接 链10一端相连，铰接链10另一端与杠杆15的一端相连，杠杆15另一端设有平 衡砝码18，机架板1底侧靠近柱子a2的位置设有与机架板1垂直的轴a固定部 件5，杠杆15通过轴a17与轴a固定部件5连接。试验部分设有底座25，底座 25设在柱子a2侧的机架板1上表面，底座25上设有环境箱26，环境箱26内装 有岩石试样29，岩石试样29上方设有压头30，底座25侧面与LVDT架27一侧 相连，LVDT架27另一侧与LVDT28相连，LVDT28顶端与压头30底侧相连， 压头30上方设有荷载传感器31，荷载传感器31上方设有横梁20，横梁20两侧 靠近端点的位置设有2个螺栓19，螺栓19与横梁20垂直，螺栓19上端穿过横 梁20，螺栓19上设有螺母a21、螺母b22、螺母c23、螺母d24，其中螺母a21 设于横梁20上表面，螺母b22设于横梁20下表面，螺栓19下端穿过机架板1， 螺母c23设于机架板1上表面，螺母d24设于机架板1下表面，机架板1下方设 有主轴16，主轴16与杠杆15垂直且一端穿过杠杆15，主轴16另一端穿过螺栓 19。荷载传感器31和LVDT28通过传感器数据线32与采集仪35电连接，采集 仪35与电脑36电连接；环境箱26与温度控制器33和围压控制器34电连接。 底座25与环境箱26接触面为半球面。
实施例2
岩石试样的压力相关计算：
大轮盘和小轮盘半径比为10:1；杠杆比为15:1；杠杆和轮组可将力放大150 倍。
如:岩石试样直径为50mm，加砝码80kg。
岩石试样得到的压力为：
Figure BDA0002369332210000041
仪器设计相关计算原理：
1、40Cr钢调质直径≤100mm
屈服极限550MPa，安全系数1.4
许用正应力：
Figure BDA0002369332210000051
许用剪应力：
Figure BDA0002369332210000052
2、主轴：
(1)剪切强度：
Figure BDA0002369332210000053
所以d＞3.36cm
(2)弯曲强度：
Figure BDA0002369332210000054
所以
Figure BDA0002369332210000055
即：①l＝20cm时，d＞5.8cm；
②l＝25cm时，d＞6.24cm；
③l＝30cm时，d＞6.63cm；
④l＝40cm时，d＞7.3cm。
A为截面面积，F为剪切力，W为轴向抗扭截面模量；Mmax为最大弯曲力 矩；d为截面宽度，l为轴长。
3、轴a：
(1)剪切强度：
Figure BDA0002369332210000056
所以d＞3.3cm
(2)弯曲强度：
Figure BDA0002369332210000057
所以
Figure BDA0002369332210000058
即：①l＝5cm时，d＞4.494cm；
②l＝7cm时，d＞5.03cm；
③l＝8cm时，d＞5.26cm。
A为截面面积，F2为剪切力，W为轴向抗扭截面模量；Mmax为最大弯曲力 矩；d为截面宽度，l为轴长。
4、轮盘固定部件大螺栓连接强度：
Fa＝2.25KN；
45号钢[σ]＝253MPa；
d＝200mm,安全系数F≈2700
Fa为剪切力。
5、机架板与柱子连接处部件厚度：
Figure RE-GDA0002486559100000061
Figure BDA0002369332210000063
b1＝100mm；
Figure BDA0002369332210000064
所以a1取10mm即可。
Figure BDA0002369332210000065
b2＝100mm；
Figure BDA0002369332210000066
所以a2取5mm即可。
A1、A2为面积；a1、a2为厚度；b1、b2为宽度。
6、杠杆：
132.5-5＝127.5cm；
Figure BDA0002369332210000067
Figure BDA0002369332210000068
(21+6.5)×22×5＝3025cm3。
小孔：3.14×12×2＝6.28cm3；
大孔(两个)：
Figure BDA0002369332210000071
V＝4080+78.5+3025-6.28-460＝6717.3cm3；
m＝6717.3cm3×7.85g/cm3＝52.7kg；
主轴：v＝2106.7cm3,m＝16.5kg；
轴a：v＝311cm3,m＝2.5kg；
横梁：v＝2693cm3,m＝21.11kg；
杠杆：v＝804cm3,m＝6.3kg；
柱子a：v＝1248.8cm3,m＝9.8kg；
柱子b：v＝1268.7cm3,m＝10kg；
大轮盘：v＝6388.4cm3,m＝50.2kg；
轮盘固定部件：v＝553cm3,m＝4.4kg；
轴a固定部件：v＝941cm3,m＝7.4kg；
本发明的一种多环境作用下岩石蠕变试验的装置中柱子a2和柱子b3支撑着 机架板1，四个柱子a2主要支撑着试验区域，最大可达到30吨的重量，连接管 6将柱子a2和柱子b3连接，起稳定作用，机架板1下方为杠杆15，杠杆15左 端通过铰接链10连接着小轮盘8，轮盘固定部件4上端固定在机架板1，下端通 过轴承与小轮盘8连接，小轮盘8和大轮盘7通过大螺栓9固定为一体，大轮盘 7外周设有的凹槽内放入碳纤维绳11，一端固定在大轮盘7上另外一端固定在砝 码挂杆12上，碳纤维绳11受力后变形很小，砝码挂杆12的底端固定砝码托盘 13砝码14挂在砝码挂杆12上。杠杆15右侧以轴a17为支点，轴a17通过轴a 固定部件5固定在机架板1上，轴a17右侧为平衡砝码18，用来使杠杆15平衡， 轴a17左侧为主轴16，主轴16上固定两个螺栓19，螺栓19上固定螺母a21、 螺母b22、螺母c23、螺母d24，螺母a21和螺母b22固定在横梁20的位置，螺 母c23和螺母d24分别在机架板1上下，用来固定两个螺栓19。
试验区域的底座25固定在机架板1上，底座25上放置环境箱26，环境箱 26内中心放置岩石试样29上方，岩石试样29周围可加入蒸馏水或者水溶液， 调节温度控制器33控制环境箱26内的温度，围压控制器34控制环境箱26内的 围压，压头30放在岩石试样29，荷载传感器31固定在固定横梁20下面，通过 调节螺母a21和螺母b22使横梁20带动荷载传感器31，把荷载传感器31压在 压头30上，用来采集应力，LVDT架27下端固定在底座25周围，上端固定 LVDT28，LVDT28顶在压头30上，用来测岩石试样29变化的位移，LVDT28 和荷载传感器31通过传感器数据线32与采集仪35相连，采集仪35采集岩石试 样29变化的位移和应力，最终将采集数据上传到电脑36。
实施例3
试验时首先将环境箱26放在底座25上，底座25与环境箱26接触面是半球 面，受力时可自动调节平衡，将岩石试样29放入环境箱26内中心位置，压头 30放在岩石试样29上，调节螺母b22使横梁20向下移动，带着荷载传感器31 压在岩石试样29上，向下转动螺母a21，固定横梁20。向下调动螺母d24，再 向上调动螺母c23，螺母c23与机架板1相距3mm左右即可，通过调节平衡砝 码18使杠杆15平衡，最后再调动螺母d24使它与机架板1下底面接触。打开采 集仪35和电脑36显示荷载传感器31和LVDT28大小的界面，再将固定在LVDT 架27上的LVDT28顶在压头30上，通过电脑36显示的数据将LVDT28调节到 可测范围内，调好后将应力和位移清零。向环境箱26内加入蒸馏水或水溶液， 同时通过温度控制器33和围压控制器34调节好环境箱26内的温度和围压，点 击电脑36开始采集，同时在把相应的砝码14放在砝码托盘13上，即挂在砝码 挂杆12上，砝码挂杆12通过碳纤维绳11带动大轮盘7，大轮盘7带动小轮盘8， 小轮盘8通过铰接链10拉动杠杆15，在轴a17支点的作用下，支点左侧向下移 动，支点右侧平衡砝码18被抬起，杠杆15向下移动的同时主轴16也向下移动， 并拉着螺柱19向下移动，螺柱19通过螺母a21和螺母b22的作用带动着横梁 20向下移动，此时，力通过横梁20依次传到荷载传感器31、压头30、岩石试 样29，按实验方案增加砝码14，即增加岩石试样29的压力，直到电脑36显示 相应的应力数值为止(加砝码时先加大砝码再加小砝码进行微调)，等到岩石蠕 变破坏后试验结束。岩石试样29破坏时螺柱19、横梁20、荷载传感器31、压 头30、螺母a21、螺母b22、螺母c23、螺母d24一起向下移动，最终螺母c23 将卡在机架板1上。
试验结束先结束电脑36的数据采集，并保存数据，然后调节温度控制器33 使环境箱26内的温度为室温，调节围压控制器34使环境箱26内的围压为大气 压，并逐个卸掉砝码14，向上拧动螺母a21，再向上拧动螺母b22，螺母b22带 动横梁20、横梁20带动荷载传感器31向上移动，拿掉压头30，清洗环境箱26， 最后关掉采集仪35、电脑36以及相关电源。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描 述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实 施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落 在本发明所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种多环境作用下岩石蠕变试验装置，其特征在于，装置包括机架部分和试验部分；机架部分设有矩形机架板(1)，机架板(1)一侧设有柱子a(2)，另一侧设有柱子b(3)，柱子a(2)和柱子b(3)顺次通过连接杆(6)相连，使柱子a(2)和柱子b(3)对机架板(1)的支撑更加稳固，机架板(1)底侧靠近柱子b(3)的位置设有与机架板(1)垂直的轮盘固定部件(4)，轮盘固定部件(4)的一侧平行设置大轮盘(7)和小轮盘(8)，且大轮盘(7)和小轮盘(8)通过轴固定在轮盘固定部件(4)上，轴经过圆心连线与大轮盘(7)垂直，大轮盘(7)和小轮盘(8)通过大螺栓(9)连接，使大轮盘(7)和小轮盘(8)同步转动且两者转动角度保持一致，大轮盘(7)外周与碳纤维绳(11)的一端相连，碳纤维绳(11)另一端与砝码挂杆(12)相连，砝码挂杆(12)底端设有砝码托盘(13)放置砝码(14)；小轮盘(8)外周与铰接链(10)一端相连，铰接链(10)另一端与杠杆(15)的一端相连，杠杆(15)另一端设有平衡砝码(18)，机架板(1)底侧靠近柱子a(2)的位置设有与机架板(1)垂直的轴a固定部件(5)，杠杆(15)通过轴a(17)与轴a固定部件(5)连接；试验部分设有底座(25)，底座(25)设在柱子a(2)侧的机架板(1)上表面，底座(25)上设有环境箱(26)，环境箱(26)内装有岩石试样(29)，岩石试样(29)上方设有压头(30)，底座(25)一侧与LVDT架(27)一侧相连，LVDT架(27)另一侧与LVDT(28)相连，LVDT(28)顶端与压头(30)底侧相连，压头(30)上方设有荷载传感器(31)，荷载传感器(31)上方设有横梁(20)，横梁(20)两侧靠近端点的位置设有2个螺栓(19)，螺栓(19)与横梁(20)垂直，螺栓(19)上端穿过横梁(20)，螺栓(19)上设有螺母a(21)、螺母b(22)、螺母c(23)、螺母d(24)，其中螺母a(21)设于横梁(20)上表面，螺母b(22)设于横梁(20)下表面，螺栓(19)下端穿过机架板(1)，螺母c(23)设于机架板(1)上表面，螺母d(24)设于机架板(1)下表面，机架板(1)下方设有主轴(16)，主轴(16)与杠杆(15)垂直且一端穿过杠杆(15)，主轴(16)另一端穿过螺栓(19)；荷载传感器(31)和LVDT(28)通过传感器数据线(32)与采集仪(35)电连接，采集仪(35)与电脑(36)电连接；环境箱(26)与温度控制器(33)和围压控制器(34)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种多环境作用下岩石蠕变试验装置，其特征在于，柱子a(2)的个数为4个，柱子b(3)的个数为2个。
3.根据权利要求1所述的一种多环境作用下岩石蠕变试验装置，其特征在于，底座(25)与环境箱(26)接触面为半球面。
4.一种多环境作用下岩石蠕变试验的方法，其特征在于，该方法使用权利要求1所述的装置试验，步骤如下：
S1.将环境箱(26)放在底座(25)上，然后将岩石试样(29)放入环境箱(26)内中心位置，压头(30)放在岩石试样(29)上，调节螺母b(22)使横梁(20)向下移动，带着荷载传感器(31)压在岩石试样(29)上，向下转动螺母a(21)，固定横梁(20)；向下调动螺母d(24)，再向上调动螺母c(23)，使螺母c(23)靠近机架板(1)，通过调节平衡砝码(18)使杠杆(15)平衡，最后再调动螺母d(24)使它与机架板(1)下底面接触；
S2.打开采集仪(35)和电脑(36)显示荷载传感器(31)和LVDT(28)大小的界面，再将固定在LVDT架(27)上的LVDT(28)顶在压头(30)上，通过电脑(36)显示的数据将LVDT(28)调节到可测范围内，然后将应力和位移清零；向环境箱(26)内加入蒸馏水或水溶液中的一种，同时通过温度控制器(33)和围压控制器(34)调节好环境箱(26)内的温度和围压；
S3.点击电脑(36)开始采集，同时在把相应的砝码(14)放在砝码托盘(13)上，电脑(36)显示相应的应力数值；
S4.试验结束先结束电脑(36)的数据采集，并保存数据，然后调节温度控制器(33)使环境箱(26)内的温度为室温，调节围压控制器(34)使环境箱(26)内的围压为大气压，并逐个卸掉砝码(14)，向上拧动螺母a(21)，再向上拧动螺母b(22)，拿掉压头(30)，清洗环境箱(26)，最后关掉采集仪(35)、电脑(36)以及相关电源。
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