CN112326448A - 一种软岩流变测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软岩流变测试装置及测试方法，采用杠杆传力装置、加载装置以及量测装置形成杠杆加载测试结构，利用杠杆机架、加载杠杆和加力杠杆组成稳定的杠杆加载结构，利用加载装置放置待测试件，利用杠杆传力装置组成的杠杆结构，将重力载荷放大施加在待测试件上形成稳定的重力载荷测试结构，同时利用量测装置对待测试件进行环向和轴向压力变形数据采集，本发明结构简单，解决了传统流变仪在断电或电压不稳定条件下会引起流变试验的终止或者误差的问题，采用杠杆在加载过程中有利于力与力臂位移的协调；同时也降低了电对试验稳定性的影响，大大减少了试验过程产生的误差。

Description

一种软岩流变测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种软岩流变测试装置及测试方法，应用于岩土工程中岩土测试领域，为工程及相关研究提供岩土测试新仪器、新方法。

背景技术

岩石流变力学特性是岩土力学中一个重要的研究课题，与岩土工程长期稳定与安全紧密相关。许多重大的岩体工程建设均迫切需要了解岩石流变力学特性，以促进岩体工程建设的顺利实施，并确保岩体工程在长期运营过程中的安全与稳定，这就需要对岩石流变力学特性作进一步深入研究。岩石流变力学试验不仅是研究岩石流变力学特性的重要手段，更是保证岩土工程长期稳定的一个重要指标。

岩体的稳定性问题现在已经由常规的弹性应力分析发展到考虑塑性和流变性能的研究，尤其是流变的影响，近年来更是受到了国内外专家的重视。但是目前的岩石流变设备存在三大问题，其一是：目前的岩石流变仪大多是电力伺服和加载，而岩石流变试验周期较长，长期使用不但消耗较多能源，断电和电压不稳定都会引起流变试验的终止或者较大误差，导致试验失败。其二是：即使是软岩也需要较大的压力足以让岩石发生流变，这就需要受力杠杆加载力臂足够长。其三是：目前的岩石流变仪价格昂贵，操作复杂，通常只有大型实验室才能购置一台设备，而岩石流变试验周期较长，致使试验效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软岩流变测试装置及测试方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种软岩流变测试装置，包括杠杆传力装置、加载装置以及量测装置；

杠杆传力装置包括杠杆机架、加载杠杆和加力杠杆，加载杠杆和加力杠杆均转动设置于杠杆机架上，加载杠杆的一端通过二力杆与加力杠杆一端转动连接，加载杠杆与加力杠杆平行设置；加力杠杆的另一端设有砝码；

加载装置包括承台、球铰压头和球铰底座，承台上固定有竖向支架，竖向支架内设置有下压头和上压头，上压头设置于下压头上端，下压头和上压头之间用于放置待测试件，球铰底座放置于上压头上端，加载杠杆的另一端与球铰压头铰接，球铰压头在加载杠杆的作用下能够置与球铰底座上端面接触；

量测装置包括轴向应变监测器和环向应变监测器，轴向应变监测器设置于下压头和上压头之间，轴向应变监测器的一端与下压头上端接触，轴向应变监测器的另一端与上压头下端接触，环向应变监测器套设于待测试样四周。

进一步的，轴向应变监测器和环向应变监测器连接有数据采集仪。

进一步的，二力杆的两端通过铰接销钉分别与加力杠杆一端和加载杠杆的一端转动连接。

进一步的，杠杆机架上设有两个竖直平行设置的移动杆，加载杠杆与其中一个移动杆铰接，加力杠杆与另一个移动杆铰接。

进一步的，两个移动杆之间的距离可调。

进一步的，杠杆机架上端和下端分别设有多个活动铰支座，移动杆两端安装于同一竖直方向上的两个活动铰支座上。

进一步的，加载杠杆和加力杠杆之间设有多排传力杠杆，相邻两个传力杠杆不铰接在同一个移动杆上；多排传力杠杆中最上端一排的传力杠杆一端通过二力杆与加载杠杆一端铰接，多排传力杠杆中最下端一排的传力杠杆的一端通过二力杆与加力杠杆一端铰接，相邻两个传力杠杆的一端转动连接。

进一步的，待测试样四周设有至少三个轴向应变监测器，待测试样四周至少套设有三个环向应变监测器。

进一步的，球铰底座的上端设有用于放置球铰压头的凹槽，球铰压头在加载杠杆的作用下能够置于球铰底座上端的圆弧凹槽内。

一种软岩流变测试方法，包括以下步骤：

步骤1)、将待测试样放置在上压头和下压头之间，同时在待测试样周向设置环向应变监测器，在上压头和下压头之间设置轴向应变监测器，将轴向应变监测器和环向应变监测器连接数据采集仪；

步骤2)、在上压头上设置球铰底座，将与加载杠杆另一端铰接的球铰压头放置于球铰底座，然后在加力杠杆的另一端放置砝码，使球铰压头作用于球铰底座上的压力达到待测软岩所需荷载，然后通过数据采集仪实时采集环向应变监测器和轴向应变监测器的应力应变数据，用于待测试样软岩流变特性分析。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种软岩流变测试装置，采用杠杆传力装置、加载装置以及量测装置形成杠杆加载测试结构，利用杠杆机架、加载杠杆和加力杠杆组成稳定的杠杆加载结构，利用加载装置放置待测试件，利用杠杆传力装置组成的杠杆结构，将重力载荷放大施加在待测试件上形成稳定的重力载荷测试结构，同时利用量测装置对待测试件进行环向和轴向压力变形数据采集，本发明结构简单，解决了传统流变仪在断电或电压不稳定条件下会引起流变试验的终止或者误差的问题，采用杠杆在加载过程中有利于力与力臂位移的协调；同时也降低了电对试验稳定性的影响，大大减少了试验过程产生的误差。

进一步的，二力杆的两端通过铰接销钉分别与加力杠杆一端和加载杠杆的一端转动连接，减小了加力杠杆与加载杠杆之间的转动扰动，提高力传递的平稳性。

进一步的，杠杆机架上设有两个竖直平行设置的移动杆，加载杠杆与其中一个移动杆铰接，加力杠杆与另一个移动杆铰接，通过调节在加力杠杆上的砝码以及移动杆在杠杆机架的位置，即可同时改变力与力臂，从而改变荷载传递比，以实现不同载荷下软岩的流变试验，适用于多种不同载荷的实验，提高了本装置适用范围。

进一步的，杠杆机架上端和下端分别设有多个活动铰支座，移动杆两端安装于同一竖直方向上的两个活动铰支座上，有利于移动杆位置调节安装，提高了本装置的使用灵活性。

进一步的，加载杠杆和加力杠杆之间设有多排传力杠杆，采用多级杠杆在加载过程中有利于力与力臂位移的协调，适用于更大的载荷施加。

进一步的，球铰底座的上端设有用于放置球铰压头的凹槽，球铰压头在加载杠杆的作用下能够置于球铰底座上端的圆弧凹槽内，有利于定位加载。

本发明一种软岩流变测试方法，可满足多种材料的试验，解决了传统岩石流变仪在长期试验过程中，由于断电和电压不稳定条件引起流变试验的失败或者产生较大误差的问题，在满足岩石单轴压缩流变试验条件的情况下，可以大幅度降低试验机造价，提高岩石流变试验的试验效率以及试验稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中测试装置结构示意图。

图2是图1右视图。

图3是图1左视图。

图中：1、竖向支架，2、承台，3、下压头，4、待测试样，5、轴向应变监测器，6、上压头，7、球铰底座，8、球铰压头，9、加载杠杆，10、杠杆机架，11、活动铰支座，12、移动杆，13、铰接销钉，14、二力杆，15、固定铰支座，16、传力杠杆，17、加力杠杆，18、仪器支架，19、砝码，20、砝码托盘，21、调节螺栓，22、环向应变监测器，23、数据采集仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，一种软岩流变测试装置，包括杠杆传力装置、加载装置以及量测装置，

杠杆传力装置包括杠杆机架10、加载杠杆9和加力杠杆17，加载杠杆9和加力杠杆17均转动设置于杠杆机架10上，加载杠杆9的一端通过二力杆14与加力杠杆17一端转动连接，加载杠杆9与加力杠杆17平行设置；加力杠杆17的另一端连接有用于放置砝码19的砝码托盘20；

加载装置包括承台2、球铰压头8和球铰底座7，承台2上固定有竖向支架1，竖向支架1内设置有下压头3和上压头6，上压头6设置于下压头3上端，下压头3和上压头6之间用于放置待测试件4，球铰底座7放置于上压头6上端，球铰底座7的上端设有用于放置球铰压头8的凹槽，加载杠杆9的另一端与球铰压头8铰接，球铰压头8在加载杠杆9的作用下能够置于球铰底座7上端的圆弧凹槽内；来自加载杠杆9的荷载通过球铰压头8传递给球铰底座7，球铰底座7经上压头6施加到待测试样4上，使待测试样4产生压缩流变的现象；球铰底座7上端圆弧凹槽的圆弧角度为120°。

量测装置包括轴向应变监测器5和环向应变监测器22，轴向应变监测器5设置于下压头3和上压头6之间，轴向应变监测器5的一端与下压头3上端接触，轴向应变监测器5的另一端与上压头6下端接触，环向应变监测器22套设于待测试样四周；轴向应变监测器5用于监测待测试样的轴向位移以及监测待测试样4受到的荷载值；环向应变监测器22用于测量待测试样4的环向形变量。轴向应变监测器5和环向应变监测器22连接于数据采集仪23，实现数据的采集记录。

二力杆14的两端通过铰接销钉分别与加力杠杆17一端和加载杠杆9的一端转动连接。杠杆机架10上设有两个竖直平行设置的移动杆12，加载杠杆9与其中一个移动杆铰接，加力杠杆17与另一个移动杆铰接；加力杠杆17与加载杠杆9分别与一个移动杆铰接，形成杠杆结构，利用加力杠杆17向加载杠杆9提供压力；两个移动杆12之间的距离可调。如图1所示，加力杠杆17与移动杆12通过固定铰支座15转动连接。

如图1所示，杠杆机架10上端和下端分别设有多个活动铰支座11，移动杆12两端安装于同一竖直方向上的两个活动铰支座11上，通过调整移动杆12两端与活动铰支座11的固定安装，调整两个移动杆12之间的距离，从而可以调整加力杠杆17与加载杠杆9分别和移动杆铰接位置，调整杠杆两端长度，从而达到调节力臂的目的，通过加载砝码，可达到不同压力的目的。

杠杆传力装置采用多级杠杆传力结构，具体的，如图1所示，加载杠杆9和加力杠杆17之间设有多排传力杠杆16，相邻两个传力杠杆16不铰接在同一个移动杆12上，即，相邻两个传力杠杆16中一个传力杠杆16铰接在其中一个移动杆12上，另一个传力杠杆16铰接在另一个移动杆12上；多排传力杠杆16中最上端一排的传力杠杆16一端通过二力杆14与加载杠杆9一端铰接，多排传力杠杆16中最下端一排的传力杠杆16的一端通过二力杆14与加力杠杆17一端铰接；多排传力杠杆16位于两端之间的传力杠杆16一端与其相邻的上端传力杠杆通过二力杆14转动连接，另一端与其相邻的下端传力杠杆通过二力杆14转动连接，多排传力杠杆16首尾相连，形成杠杆组；具体的，多排传力杠杆16的数量为偶数。

具体的，待测试样4四周设有至少三个轴向应变监测器5，待测试样4四周至少套设有三个环向应变监测器22。

还包括仪器支架18，杠杆机架10和承台2均设置于仪器支架19上，便于安装和实验，有利于调整平面度；仪器支架18通过调节螺栓21固定于水平面。

本发明一种软岩流变测试装置，采用多级杠杆传力装置，加载装置以及量测装置组成，通过调节设在加力杠杆17上的砝码19的重量，对软弱岩体进行压缩流变试验，轴向应变监测器5和环向应变监测器22对待测试样4所受的荷载以及产生的变形量进行监测；载荷传递的比值与设定的杠杆排数以及移动杆12的位置有关，排数越多传递比越大，移动杆12的位置越靠近杠杆机架10两侧传递比越大(即两个移动杆12之间的距离越大传递比越大)，加载后，根据轴向应变监测器5中的力传感器信号输出值，调节砝码19以达到所需荷载。荷载通过传力杠杆16到达加载杠杆9，进而通过球铰压头8以及球铰底座7传递给上压头6，最终将载荷施加在待测试样4上，产生压缩流变，通过调节移动杆12的位置以及砝码19的重量采集试样在不同载荷条件下的流变信息。

具体来说，该流变试验的加载通过砝码19加载到加力杠杆17；在承台2，杠杆机架10和仪器支架18的四角设有调节螺栓21，使其构成自平衡机架，减少对安装平台的要求，使得安装调试操作简单，且易于满足相关要求。另外，多级可调杠杆传递系统，载荷传递比范围大，能够实现不同载荷下材料的流变试验。

基于所述一种软岩流变测试装置的软岩流变试验方法，具体包括以下步骤：

1、试验前准备：仪器支架下端四角的调节螺栓，使调节承台和杠杆机架处于平衡状态，根据岩样的抗压强度，调节杠杆传力装置上的移动杆位置，使测试仪器处于合适的量程中；

2、监测仪器调试：在待测试样上环向应变监测器的位置，将待测试样放置在上压头和下压头之间，具体放在上压头和下压头之间的中央位置，并将四个轴向应变监测器依次安置在待测试样的四周，环向应变监测器和轴向应变监测器的数据线连接数据采集仪。

3、开始试验：在砝码托盘上放置砝码，通过杠杆传力装置的放大作用，将荷载力传递给待测试样，依次放置砝码，达到流变试验所需要的荷载，利用数据采集仪记录环向应变监测器和轴向应变监测器的应力应变数据，处理数据，总结待测试样软岩流变特性。

本装置结构简单，解决了传统流变仪在断电或电压不稳定条件下会引起流变试验的终止或者误差的问题；采用多级杠杆在加载过程中有利于力与力臂位移的协调；结构简单，价格低廉，通过估算，购置一台常规岩石流变仪的价格可以购置四台以上该无源多级软岩流变试验机，试验机数量增加可以同时进行不同压力水平的平行试验，大幅度缩短试验周期，提高流变试验效率，同时也降低了电对试验稳定性的影响，大大减少了试验过程产生的误差。该流变仪通过无伺服、多级可变的杠杆传力装置进行加载，对软岩试样进行长时效压缩流变试验。通过调节在加力杠杆上的砝码以及移动杆在杠杆机架的位置，即可同时改变力与力臂，从而改变荷载传递比，以实现不同载荷下软岩的流变试验。本装置造价成本低廉、功能齐全、操作简便、加载稳定，可满足多种材料的试验，解决了传统岩石流变仪在长期试验过程中，由于断电和电压不稳定条件引起流变试验的失败或者产生较大误差的问题；同时多级杠杆也解决了由于加载荷载大而导致杠杆比例失调、不可操作的问题；本发明在满足岩石单轴压缩流变试验条件的情况下，可以大幅度降低试验机造价，提高岩石流变试验的试验效率以及试验稳定性，为研究软岩的低应力流变特性提供必要的解决方案。

Claims (10)

1.一种软岩流变测试装置，其特征在于，包括杠杆传力装置、加载装置以及量测装置；

杠杆传力装置包括杠杆机架(10)、加载杠杆(9)和加力杠杆(17)，加载杠杆(9)和加力杠杆(17)均转动设置于杠杆机架(10)上，加载杠杆(9)的一端通过二力杆(14)与加力杠杆(17)一端转动连接，加载杠杆(9)与加力杠杆(17)平行设置；加力杠杆(17)的另一端设有砝码(19)；

加载装置包括承台(2)、球铰压头(8)和球铰底座(7)，承台(2)上固定有竖向支架(1)，竖向支架(1)内设置有下压头(3)和上压头(6)，上压头(6)设置于下压头(3)上端，下压头(3)和上压头(6)之间用于放置待测试件(4)，球铰底座(7)放置于上压头(6)上端，加载杠杆(9)的另一端与球铰压头(8)铰接，球铰压头(8)在加载杠杆(9)的作用下能够置与球铰底座(7)上端面接触；

量测装置包括轴向应变监测器(5)和环向应变监测器(22)，轴向应变监测器(5)设置于下压头(3)和上压头(6)之间，轴向应变监测器(5)的一端与下压头(3)上端接触，轴向应变监测器(5)的另一端与上压头(6)下端接触，环向应变监测器(22)套设于待测试样四周。

2.根据权利要求1所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，轴向应变监测器(5)和环向应变监测器(22)连接有数据采集仪(23)。

3.根据权利要求1所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，二力杆(14)的两端通过铰接销钉分别与加力杠杆(17)一端和加载杠杆(9)的一端转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，杠杆机架(10)上设有两个竖直平行设置的移动杆(12)，加载杠杆(9)与其中一个移动杆铰接，加力杠杆(17)与另一个移动杆铰接。

5.根据权利要求4所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，两个移动杆(12)之间的距离可调。

6.根据权利要求4或5所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，杠杆机架(10)上端和下端分别设有多个活动铰支座(11)，移动杆(12)两端安装于同一竖直方向上的两个活动铰支座(11)上。

7.根据权利要求5所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，加载杠杆(9)和加力杠杆(17)之间设有多排传力杠杆(16)，相邻两个传力杠杆(16)不铰接在同一个移动杆(12)上；多排传力杠杆(16)中最上端一排的传力杠杆(16)一端通过二力杆(14)与加载杠杆(9)一端铰接，多排传力杠杆(16)中最下端一排的传力杠杆(16)的一端通过二力杆(14)与加力杠杆(17)一端铰接，相邻两个传力杠杆(16)的一端转动连接。

8.根据权利要求1所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，待测试样(4)四周设有至少三个轴向应变监测器(5)，待测试样(4)四周至少套设有三个环向应变监测器(22)。

9.根据权利要求1所述的一种软岩流变测试装置，其特征在于，球铰底座(7)的上端设有用于放置球铰压头(8)的凹槽，球铰压头(8)在加载杠杆(9)的作用下能够置于球铰底座(7)上端的圆弧凹槽内。

10.一种基于权利要求1所述的一种软岩流变测试装置的软岩流变测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、将待测试样放置在上压头和下压头之间，同时在待测试样周向设置环向应变监测器，在上压头和下压头之间设置轴向应变监测器，将轴向应变监测器和环向应变监测器连接数据采集仪；

步骤2)、在上压头上设置球铰底座，将与加载杠杆另一端铰接的球铰压头放置于球铰底座，然后在加力杠杆的另一端放置砝码，使球铰压头作用于球铰底座上的压力达到待测软岩所需荷载，然后通过数据采集仪实时采集环向应变监测器和轴向应变监测器的应力应变数据，用于待测试样软岩流变特性分析。

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