CN112763303A - 全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩石物理力学试验领域，提供了一种全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统与方法。其中，全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统包括反力框架，其由多块拼接式整板通过凸出结构拼接而成；反力框架的底部横梁上穿设有高度调整螺栓，高度调整螺栓用于支撑并调整试件的高度；蠕变加载机构，其安装在反力框架上，用于对试件施加恒定蠕变荷载；动静加载机构，其安装在反力框架上，用于对试件施加全应变率动静组合载荷，实现了深部地下工程围岩在多相多场复杂赋存条件下压缩、弯曲、剪切等物理力学特征精准分析的有益效果。

Description

全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统与方法
技术领域
本发明属于岩石物理力学试验领域，尤其涉及一种全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
深部地下空间开发已成为当前重要的科技前沿之一，例如核废料的深层地质处理深度已达数百至千米，核心防护工程多处于千米以深，秦岭隧道深达1640m，锦屏水电站引水隧洞埋深2525m。然而，随着工程建设深度的不断增加，在工程的设计、施工及运营等方面，出现了诸多亟需解决的深部工程技术难题。深部岩体常处于高地应力、高渗透压、高地温的复杂地质环境，且常受到开挖卸荷、断层破断、爆破振动等多应变率复杂动态扰动荷载作用，在多因素耦合作用下深部地下工程围岩极易失稳并发生变形，弹性区积聚的弹性能迅速释放，围岩承载力快速下降，从而发生剧烈的动力灾害，造成巨大经济损失及人员伤亡。
为防治此类动力灾害必须系统认识深部地下工程围岩物理力学特性及动力学响应特征，然而现有研究手段中现场监测危险单一，理论研究进入瓶颈，数值模拟困难失真。岩石室内力学试验具有参数可定量、过程可重复、数据可采集等优势，是开展深部地下工程围岩特性研究最方便、最可靠的手段。
为此，迫切需要研发一台可综合考虑深部地下工程围岩多相多场赋存环境及多应变率动静组合应力条件的岩石力学试验系统，突破岩石力学试验中峰后压力快速补偿、全应变率动静荷载耦合施加、静态荷载长期稳定施加等难题。
发明人发现，目前已研发了多种功能新颖的岩石加载试验系统，但存在以下问题：试验框架笨重，不方便拆装运移；功能相对单一，无法形成岩石多相多场赋存环境；无法开展单轴压缩、三轴压缩、剪切、弯曲等力学试验；无法实现静态、准静载、低频交变、不同能量冲击等全应变率动静荷载定量耦合施加；试件峰后不能快速进行压力补偿，无法模拟围岩弹性能释放过程；不能长期稳定施加恒定蠕变荷载，影响岩石蠕变特性研究。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统与方法，其能够在注水、充气及加温条件下对岩石试件进行静态、准静态、低频交变、振动及冲击等全应变率动静荷载的组合加载，并可在岩石破坏后对试件进行快速压力补偿，从而深入研究深部地下工程围岩的静载强度、动载强度及蠕变等物理力学特性，更好地指导深部地下工程安全施工与稳定运营。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其包括：
反力框架，其由多块拼接式整板通过凸出结构拼接而成；反力框架的底部横梁上穿设有高度调整螺栓，高度调整螺栓用于支撑并调整试件的高度；
蠕变加载机构，其安装在反力框架上，用于对试件施加恒定蠕变荷载；
动静加载机构，其安装在反力框架上，用于对试件施加全应变率动静组合载荷。
作为一种实施方式，所述动静加载机构包括冲击杆抬升机构和砝码抬升机构，冲击杆抬升机构用于施加低能量高频率的冲击荷载；砝码抬升机构用于施加高能量低频率的冲击荷载。
上述方案的优点在于，冲击杆抬升机构可施加的冲击荷载频率较高，所述冲击杆的质量较小，所以可以用来施加低能量高频率的冲击荷载；砝码抬升机构可施加的冲击荷载频率较低，所述冲击砝码的质量较大，所以可以用来施加高能量低频率的冲击荷载，此种机构首次应用于岩石力学试验系统领域，具有操作方便，伺服可控的优势。
作为一种实施方式，所述砝码施加机构包括电机、升降托盘、承载托盘、导向柱、钢丝绳及螺纹挂杆，所述电机用于带动所述螺纹挂杆转动，进而带动所述升降托盘沿所述导向柱垂直升降，使一定数量的砝码被举起；顶部未被托起的砝码通过所述钢丝绳悬挂于所述承载托盘，进而将砝码重力传递于杠杆结构。
上述方案的优点在于，砝码增减过程平稳可控，降低了所述砝码增减过程产生的微小波动影响，提高了试验精度。
作为一种实施方式，冲击杆抬升机构包括伺服电机、凸轮、冲击杆及弹簧，凸轮安装于伺服电机上，弹簧套设在冲击杆上，所述凸轮及冲击杆上均设置凸起结构；当凸轮转动到一定角度时，凸轮及冲击杆的凸起结构分离，冲击杆受重力作用下落进而对贯通冲击杆施加冲击荷载；冲击杆上升时，弹簧压缩，冲击杆下降时，弹簧快速回弹，加快冲击杆下落，以提高冲击荷载的最大施加频率。
作为一种实施方式，所述动静加载机构施加的冲击荷载通过贯通冲击杆作用于活性加载杆，再传递于试件；所述动静加载机构施加的静载及不同波形的动态荷载通过中空加载杆作用于活性加载杆，再传递于试件。
上述方案的优点在于，通过活性加载杆等机构实现的多种加载方式的动静耦合加载，此处具有极大创新性，真正实现了动静耦合加载。
作为一种实施方式，所述中空加载杆中间穿设有贯通冲击杆，所述活性加载杆与所述中空加载杆通过锥形销活性连接，防止冲击荷载反力向上传递于所述中空加载杆，保证冲击荷载向下传递于试件，从而实现动静耦合加载。
作为一种实施方式，所述蠕变加载机构包括两级杠杆结构和砝码施加机构；其中砝码施加机构中砝码重力通过两级杠杆结构进行放大，再通过动静加载机构中的活性加载杆传递于试件，以实现长期恒定蠕变荷载与其他多种加载方式之间无干扰耦合加载。
上述方案的优点在于，本实施例利用两级杠杆结构实现力的传递，提高了放大能力。
作为一种实施方式，两级杠杆结构的两端均安装有一套倾角传感器与调平机构，所述倾角传感器用于测量两级杠杆结构的倾角，并将倾角反馈给所述调平机构；所述调平机构用于带动两级杠杆结构旋转，使得两级杠杆结构保持水平，保证恒定静态荷载稳定精准施加。
上述方案的优点在于，可保证杠杆结构恒定水平，从而使蠕变荷载长期恒定。
作为一种实施方式，所述动静加载机构还包括多功能加载油缸、静态液压系统、动态液压系统和高压气源；多功能加载油缸安装在反力框架顶部横梁上，静态液压系统、动态液压系统和高压气源布置于反力框架周围且均与多功能加载油缸连接。
其中，静载液压系统可通过所述静态液压油管路与所述多功能加载油缸的所述油腔连接，为所述油腔提供静态高压油，从而输出静态荷载；
动载液压系统可通过所述动态液压油管路与所述多功能加载油缸的所述油腔连接，为所述油腔提供动态高压油，从而输出多种波形的动态荷载。
作为一种实施方式，所述多功能加载油缸内置气腔，所述高压气源用于向气腔充入高压气体，以实现在试件破坏后，通过高压气体快速膨胀对试件进行快速补压。
上述方案的优点在于，高压气源可通过所述高压气体管路与所述多功能加载油缸的所述气腔连接，在所述气腔内充入高压气体，加载过程中高压气体被所述油腔内的油压进一步压缩，从而使高压气体积累更多能量，当所述试件发生破坏时，所述试件承载力迅速下降，此时油压补充不及时，造成所述试件端部压力突降，这时所述气腔内的高压气体迅速膨胀做功，对所述试件端部及时补压，更好地模拟深部围岩弹性能释放过程。
本发明的第二个方面提供一种基于全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统的试验方法，其包括：
将试件安装在高度调整螺栓顶部，旋转高度调整螺栓来调节岩石试件的高度；
利用蠕变加载机构对岩石试件施加恒定蠕变荷载；
利用动静加载机构对试件施加全应变率动静组合载荷，开展岩石物理力学特性试验。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用多块拼接式整板通过凸出结构拼接反力框架，这样能够在保证强度及刚度的基础上，可灵活拆装，方便运移。
(2)本发明利用蠕变加载机构对试件施加恒定蠕变荷载，利用动静加载机构对试件施加全应变率动静组合载荷，可将多种加载设备相耦合，实现全应变率动静荷载定量耦合施加。
(3)本发明的蠕变加载机构的砝码重力通过杠杆结构进行放大，再通过动静加载机构中的活性加载杆传递于试件，能够实现长期恒定蠕变荷载与其他多种加载方式之间无干扰耦合加载。
(4)本发明的多功能加载油缸内置气腔，高压气源用于向气腔充入高压气体，可通过高压气体积聚膨胀能，快速对破坏后的试件进行压力补偿，真实模拟深部地下工程弹性区围岩弹性能迅速释放过程，更贴近于工程实际。
(5)本发明的动静加载机构包括多功能加载油缸、静态液压系统、动态液压系统、击杆抬升机构和砝码抬升机构，功能丰富，既可对试件进行注水、充气、加温，又可开展试件的压缩、弯曲、剪切等物理力学试验。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的试验系统三维视图1；
图2为本发明实施例的试验系统三维视图2；
图3为本发明实施例的多功能加载油缸三维剖视图；
图4为本发明实施例的冲击杆抬升机构主视图；
图5为本发明实施例的砝码抬升机构主视图；
图6为本发明实施例的静载状态下活性加载杆连接主视图；
图7为本发明实施例的冲击状态下活性加载杆连接主视图。
图8为本发明实施例的砝码施加机构主视图。
其中，1、反力框架，1-1、拼接式整板，1-2、凸出结构，1-3、基座，1-4、高度调整螺栓，1-5、试件，1-6、观察窗，1-7、杠杆布置孔，2、动静加载机构，2-1、多功能加载油缸，2-2、静态液压系统，2-3、动态液压系统，2-4、高压气源，2-5、冲击杆抬升机构，2-6、伺服电机，2-7、凸轮，2-8、冲击杆，2-9、安装支架，2-10、弹簧，2-11、冲击砝码，2-12、砝码抬升机构，2-13、砝码抓手，2-14、砝码导向装置，2-15、砝码限位释放槽，2-16、气腔，2-17、油腔，2-18、回程腔，2-19、密封圈，2-20、油缸前安装法兰，2-21、中空加载杆，2-22、贯通冲击杆，2-23、活性加载杆，2-24、第一锥形销，2-25、锥形孔，2-26、直线导轨，2-27、静态液压油管路，2-28、动态液压油管路，2-29、高压气体管路，3、蠕变加载机构，3-1、一级杠杆，3-2、二级杠杆，3-3、连接杆，3-4、旋转轴，3-5、砝码，3-6、调平机构，3-7、倾角传感器，3-8、电机，3-9、底座，3-10、升降托盘，3-11、承载托盘，3-12、导向柱，3-13、第二锥形销，3-14、钢丝绳，3-15、螺纹挂杆，3-16、砝码施加机构，4、恒容含瓦斯煤气固耦合物理力学参数试验装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
为了解决背景技术所提及的现有岩石加载试验系统存在以下局限性：试验框架笨重，不方便拆装运移；功能相对单一，无法形成岩石多相多场赋存环境；无法开展单轴压缩、三轴压缩、剪切、弯曲等力学试验；无法实现全应变率动静荷载定量耦合施加；试件峰后不能快速进行压力补偿，无法模拟围岩弹性能释放过程；不能长期稳定施加恒定蠕变荷载，影响岩石蠕变特性研究，这些技术问题，本发明提出了全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统。
下面以对试件进行全应变率动静组合加载及试件峰后压力快速补偿试验为例进行介绍全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统的具体技术方案：
如图1-图2所示，全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统，包括反力框架1、动静加载机构2及蠕变加载机构3。
其中反力框架1用于安装多种加载机构并为加载提供反力；动静加载机构2用于对试件施加全应变率组合载荷；蠕变加载机构3用于对试件施加恒定蠕变荷载。
如图1-图2所示，开展试验时首先开始组装全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统。选定试验系统安装位置，将多块拼接式整板1-1通过凸出结构1-2及螺栓组装成反力框架1的回形主体结构。这样方便所述反力框架整体拆装运输，并保证所述反力框架的强度及刚度。
将基座1-3安装于反力框架1的底部四角。基座能够保证所述反力框架的稳定性。高度调整螺栓1-4通过螺栓结构穿过反力框架1的底部横梁，试件1-5放于高度调整螺栓1-4顶部。这样可通过转动螺纹结构调整所述高度调整螺栓高度，从而调整所述试件的高度，使设备具有更好的适应性。
为了方便试验过程中从侧面观察试验过程，在反力框架1的左右两侧各布置一个观察窗1-6。反力框架1右上部设置杠杆布置孔1-7，使蠕变加载机构3的杠杆结构穿过反力框架1的竖梁。杠杆布置孔用于使杠杆结构穿过所述反力框架竖梁，实现恒定蠕变荷载施加。通过上述结构形成了试验系统的反力框架1，动静加载机构2及蠕变加载机构3均安装于反力框架1。
如图1-图7所示，动静加载机构2包括多功能加载油缸2-1、静态液压系统2-2、动态液压系统2-3、高压气源2-4、冲击杆抬升机构2-5、砝码抬升机构2-12、霍普金森杆、活性加载杆2-23、静态液压油管路2-27、动态液压油管路2-28和高压气体管路2-29。
其中多功能加载油缸2-1包括气腔2-16、油腔2-17、回程腔2-18、中空加载杆2-21、贯通冲击杆2-22、密封圈2-19、油缸前安装法兰2-20等结构，通过油缸前安装法兰2-20安装于反力框架1的顶部横梁。静态液压系统2-2、动态液压系统2-3及高压气源2-4布置于反力框架1周围，并均与多功能加载油缸2-1连接。冲击杆抬升机构2-5与砝码抬升机构2-13可替换安装于多功能加载油缸2-1的顶部。活性加载杆2-23通过锥形孔2-25及第一锥形销2-24安装于多功能加载油缸2-1的底部。
其中，静载液压系统2-2通过所述静态液压油管路2-27与所述多功能加载油缸2-1的所述油腔2-17连接，为所述油腔2-17提供静态高压油，从而输出静态荷载。所述动载液压系统2-3通过所述动态液压油管路2-28与所述多功能加载油缸2-1的所述油腔2-17连接，为所述油腔2-17提供动态高压油，从而输出多种波形的动态荷载。所述高压气源2-4通过所述高压气体管路2-29与所述多功能加载油缸2-1的所述气腔2-16连接，在所述气腔2-16内充入高压气体，加载过程中高压气体被所述油腔2-17内的油压进一步压缩，从而使高压气体积累更多能量，当所述试件1-5发生破坏时，所述试件承载力迅速下降，此时油压补充不及时，造成所述试件端部压力突降，这时所述气腔内的高压气体迅速膨胀做功，对所述试件1-5端部及时补压，更好地模拟深部围岩弹性能释放过程。所述回程腔与所述静载液压系统连接，通过油压使所述中空加载杆处于指定位置。所述多功能油缸2-1内部布置多道所述密封圈2-19，用于隔离所述油腔2-17、所述气腔2-16、所述回程腔2-18，防止油气混合。所述中空加载杆2-21为中空圆柱形结构，贯穿整个所述多功能油缸2-1，用于传递液压油及高压气体提供能静载及多种波形的动态荷载。所述贯通冲击杆2-22穿过所述中空加载杆2-21，所述贯通冲击杆2-22顶部高于所述中空加载杆2-21，用于传递所述冲击杆抬升机构2-5及所述砝码抬升机构2-12提供的多种冲击荷载。
如图1-图2所示，蠕变加载机构3包括一级杠杆3-1、二级杠杆3-2、连接杆3-3、旋转轴3-4、砝码3-5、调平机构3-6、倾角传感器3-7以及砝码施加机构3-16。一级杠杆3-1位于反力框架1的顶部，一端吊挂砝码3-5，另一端通过调平机构3-6及旋转轴3-4与反力框架1连接。二级杠杆3-2远离试件1-5的一端通过连接杆3-3与一级杠杆3-1连接，靠近试件1-5的一端通过调平机构3-6与反力框架1连接。这样能够保证杠杆保持水平，蠕变荷载保持竖直施加。二级杠杆3-2的肋板与活性加载杆2-23接触。倾角传感器3-7安装于调平机构3-6顶部的杠杆表面。
其中，一级杠杆和二级杠杆对所述砝码的重力进行二级扩力，可通过调整所述砝码的重量调整恒定蠕变荷载的大小。旋转轴用于保证杠杆自由旋转。所述二级杠杆为镂空结构，所述二级杠杆的肋板与所述活性加载杆接触，从而实现恒定蠕变荷载与所述动静加载机构施加的动静荷载相耦合，使其互不影响。
试验加载过程中所述倾角传感器实时测量杠杆的倾角，当杠杆不是水平状态时，所述倾角传感器将倾角反馈给所述调平机构的控制系统，控制系统通过分析计算后，控制所述调平机构的电机带动丝杠伸缩一定长度，从而带动杠杆绕旋转轴旋转一定角度后达到水平状态，保证恒定蠕变荷载精准施加。
此处需要说明的是，倾角传感器、调平机构和控制系统均为现有结构，本领域技术人员可根据实际情况来具体选择，此处不再累述。
通过上述步骤，完成了全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统的整体组装，然后开展试件1-5加载试验。
如图3-图7所示，将试件1-5放置于高度调整螺栓1-4顶部，转动高度调整螺栓1-4，使试件1-5位于指定高度。向多功能加载油缸2-1的回程腔2-18充入液压油，从而指定多功能加载油缸2-1的初始加载位置。利用高压气源2-4及高压气体管路2-29向多功能加载油缸2-1的气腔2-16充入高压气体。利用静态液压系统2-2及静态液压油管路2-27向多功能加载油缸2-1的油腔2-17充入静态高压油，或者利用动态液压系统2-3及静态液压油管路2-28向多功能加载油缸2-1的油腔2-17充入动态高压油，多道密封圈2-19用于隔离气腔2-16、油腔2-17及回程腔2-18。静态油压或者多种波形的动态油压通过中空加载杆2-21及活性加载杆2-23传递于试件1-5，同时由于油压作用，气腔2-16内的气体进一步压缩。由于试件1-5反力作用，此时活性加载杆2-23与中空加载杆2-21相接触，第一锥形销2-24从锥形孔2-25凸出来。
上述设备及机构实现了对试件1-5的静态及多种波形的动态加载。
如图4所示，根据试验方案，如果冲击加载方式为低能量高频率冲击加载，则选用冲击杆抬升机构2-5施加冲击荷载。冲击杆抬升机构2-5包括伺服电机2-6、凸轮2-7、冲击杆2-8、安装支架2-9及弹簧2-10。伺服电机2-6通过安装支架2-9安装于所述多功能加载油缸2-1顶部，凸轮2-7安装于所述伺服电机2-6，所述冲击杆2-8同心布置于所述贯通冲击杆2-22顶部，所述凸轮2-7及所述冲击杆2-8上均设置凸起结构。
根据试验方案冲击频率，设定伺服电机2-6的转动速度，通过伺服电机2-6带动凸轮2-7转动，并通过凸轮2-7上的凸起结构向上拨动冲击杆2-8的凸起结构，从而带动冲击杆2-8沿着安装支架2-9上的导向孔向上抬升。当凸轮2-7转动到一定角度时，二者的凸起结构相分离，冲击杆2-8受重力作用下落，从而对贯通冲击杆2-22施加冲击荷载，通过活性加载杆2-23将冲击荷载传递于试件1-5。冲击杆2-8上升时，弹簧2-10压缩，冲击杆2-8下降时，弹簧2-10快速回弹，从而加快冲击杆下落，提高冲击荷载的最大施加频率。该机构可施加的冲击荷载频率较高，所述冲击杆的质量较小，所以可以用来施加低能量高频率的冲击荷载。
如图5所示，根据试验方案，如果冲击加载方式为高能量低频率冲击加载，则选用砝码抬升机构2-12施加冲击荷载。砝码抬升机构2-12包括冲击砝码2-11、砝码抓手2-13、砝码导向装置2-14及砝码限位释放槽2-15，其中，砝码导向装置2-14为安装于所述多功能加载油缸2-1顶部的圆筒形结构，可用于保证冲击砝码沿垂直方向运动。通过砝码抓手2-13抓住冲击砝码2-11，并使冲击砝码2-11沿砝码导向装置2-14向上抬升，当砝码抓手2-13到达指定高度时，砝码限位释放槽2-15将撑开砝码抓手2-13，从而使砝码抓手2-13释放冲击砝码2-11，冲击砝码2-11受重力作用下落，从而对贯通冲击杆2-22施加冲击荷载，进而将冲击荷载传递于试件1-5。重复上述过程，可按指定频率多次施加冲击荷载。该机构可施加的冲击荷载频率较低，所述冲击砝码的质量较大，所以可以用来施加高能量低频率的冲击荷载。
根据试验方案，如果冲击加载方式为单次高能量冲击加载，将霍普金森杆安装于多功能加载油缸2-1的顶部，利用霍普金森杆对贯通冲击杆2-22施加单次高能量冲击荷载，并将冲击荷载传递于试件1-5，从而对试件1-5进行高应变率和超高应变率加载。
如图6-图7所示，由于静载作用锥形销端部凸出，活性加载杆2-23与中空加载杆2-21在一定范围内可相对活动。中空加载杆2-21及所述贯通冲击杆2-22底部连接所述活性加载杆2-22，所述活性加载杆2-22上布置多个锥形孔2-25，所述中空加载杆2-21上对应布置螺栓孔，所述中空加载杆与所述活性加载杆通过锥形销连接，由于锥形销较长，所述活性加载杆2-23与所述中空加载杆2-21在一定范围内可相对活动，所述贯通冲击杆2-22与所述活性加载杆2-23保持接触状态，试验时首先施加静载，所述活性加载杆2-23底端与所述试件1-5相接触，此时所述活性加载杆2-23与所述中空加载杆2-21接触，所述锥形销端部凸出。
当施加冲击荷载时，贯通冲击杆2-22将冲击荷载传递于活性加载杆2-23及试件1-5，试件1-5受冲击发生变形，活性加载杆2-23沿第一锥形销2-24向下运动，此时活性加载杆2-23与中空加载杆2-21分离，然后多功能加载油缸2-1内的高压气体迅速膨胀推动中空加载杆2-21伸出，活性加载杆2-23与中空加载杆2-21重新接触，并重新对试件1-5施加静载或者多种波形的动载。该过程中冲击荷载可直接向下传递于试件1-5，防止冲击荷载受反力作用传递于中空加载杆2-21。通过上述结构实现了对所述试件的动静耦合加载。
上述设备及机构实现了对试件1-5的不同频率及能量的动态冲击加载。
如图1-图2及图8所示，施加蠕变荷载时，根据所需荷载及蠕变加载机构3的杠杆长度计算所需砝码3-5的数量，并通过砝码施加机构3-16自动化平稳施加指定数量砝码3-5，具体操作为：初始阶段升降托盘3-10位于最底端，所有砝码3-5的重量均通过第二锥形销3-13及钢丝绳3-14传递于承载托盘3-11，进而通过万向节传递于一级杠杆3-1。通过安装在底座3-9上的电机3-8带动螺纹挂杆3-15转动，进而带动升降托盘3-10沿导向柱3-12垂直上升，当升降托盘3-10上升一定高度后，一定数量的砝码3-5放置于升降托盘3-10上，剩余一定数量的砝码3-5将重力作用于钢丝绳3-14及承载托盘3-11。
通过上述过程，准确平稳施加指定重量的砝码3-5，砝码3-5的重力经过二级扩力，通过二级杠杆3-2的肋板传递于活性加载杆2-23，进而传递于试件1-5。由于中空加载杆2-21、贯通冲击杆2-22及活性加载杆2-23的第一锥形销2-24连接结构，使恒定蠕变荷载与冲击荷载、静载、多种波形的动载互不干扰，实现耦合加载。试验时，试件1-5受荷载作用发生压缩变形，杠杆将发生旋转倾斜，此时砝码3-5的重力传递更加复杂，涉及到力的分解，增大恒定蠕变荷载施加误差。为此在一级杠杆3-1远离砝码3-5一端和二级杠杆3-2靠近试件1-5一端布置调平机构3-6和倾角传感器3-7，其中倾角传感器3-7实时测量杠杆倾角。当杠杆不是水平状态时，倾角传感器3-7将倾角反馈到调平机构3-6的控制系统进行计算分析，进而控制调平机构3-6的电机带动丝杠伸缩一定长度，从而带动杠杆绕旋转轴旋转一定角度后达到水平状态，从而保证恒定蠕变荷载精准施加。
上述设备及机构实现了对试件1-5的定量恒定蠕变加载。
其中，砝码施加机构的底座放置于地面，所述底座上固定安装所述电机，所述电机与所述螺纹挂杆连接，所述升降托盘通过螺纹与所述螺纹挂杆连接。所述一级杠杆与所述承载托盘通过万向节连接，所述承载托盘与所述升降托盘同轴布置，且所述承载托盘与所述升降托盘之间布置四根所述导向柱。所述承载托盘向下延伸两根所述钢丝绳，所述钢丝绳上等间隔布置多个所述锥形销，所述锥形销上活性吊挂多个所述砝码。当所述升降托盘位于最下端时，多个所述砝码的重力均通过所述钢丝绳传递于所述承载托盘，进而通过万向节传递于所述一级杠杆，最终传递于所述试件。需减少砝码施加数量时，利用所述电机带动所述螺纹挂杆转动，进而带动所述升降托盘沿所述导向柱垂直上升，当所述升降托盘上升一定高度后，将一定数量的所述砝码抬升，使所述砝码的重力无法传递于杠杆。需增加砝码施加数量时，只需将所述升降托盘下降，使更多所述砝码的重力传递于杠杆。所述砝码增减过程平稳可控，降低了所述砝码增减过程产生的微小波动影响，提高试验精度。
由于深部岩层的高脆性，当试件1-5发生破坏时，试件1-5的承载力迅速下降，压缩变形较快。由于液压油的不可压缩性，油腔2-17内的液压油补充较慢，中空加载杆2-21无法快速伸出补压，所以中空加载杆2-21加载出现临空现象，试件1-5端部压力突降。此时多功能加载油缸2-1的气腔2-16内的高压气体迅速膨胀做功，推动中空加载杆2-21快速伸出，对试件1-5端部快速进行压力补偿，从而真实模拟深部地下工程表面塑性区围岩发生破坏时，深部弹性区围岩弹性能迅速释放的过程，更贴近于深部地下工程围岩实际变形破坏情况。
如图1所示，拆除反力框架1上安装的高度调整螺栓1-4，然后在反力框架1上安装直线导轨2-26，并利用各种耦合接口将全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统与恒容含瓦斯煤气固耦合物理力学参数试验装置4、高温三轴加载渗流试验仪等多种科研仪器相结合，能够对试件进行注水、充气、加温等不同赋存环境模拟，然后按照上述步骤开展试件1-5的全应变率动静组合加载试验。全应变率动静组合加载多功能岩石力学试验系统能与岩石剪切试验夹具、岩石三点弯曲配件等试验仪器相结合，开展试件的压缩、弯曲、剪切等物理力学试验，进一步丰富试验功能。
此处需要说明的是，恒容含瓦斯煤气固耦合物理力学参数试验装置的结构可采用现有结构来实现，比如：装置由可视化围压加载室模块，气压控制模块，动力加载模块和恒容模块四部分组成；可视化围压加载室模块的加载室为外方内圆的钢筒式结构，三面开窗，窗口内嵌钢化高硼硅玻璃可实现试验过程的可视化，一面开口安装后门方便试件换取，并可在加载室内安装各类监测装置通过底板的传感器引线通道引出实现试验过程中试件各物理力学参数的实时监测。
通过上述系统，实现了试验系统框架灵活拆装运移、全应变率动静荷载定量耦合施加、试件峰后压力快速补偿、蠕变荷载长期定量精准施加。并可开展试件的注水、充气、加温、压缩、弯曲、剪切等物理力学特性试验，具有丰富的试验功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，包括：
反力框架，其由多块拼接式整板通过凸出结构拼接而成；反力框架的底部横梁上穿设有高度调整螺栓，高度调整螺栓用于支撑并调整试件的高度；
蠕变加载机构，其安装在反力框架上，用于对试件施加恒定蠕变荷载；
动静加载机构，其安装在反力框架上，用于对试件施加全应变率动静组合载荷。
2.如权利要求1所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述动静加载机构包括冲击杆抬升机构和砝码抬升机构，冲击杆抬升机构用于施加低能量高频率的冲击荷载；砝码抬升机构用于施加高能量低频率的冲击荷载。
3.如权利要求1所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述砝码施加机构包括电机、升降托盘、承载托盘、导向柱、钢丝绳及螺纹挂杆，所述电机用于带动所述螺纹挂杆转动，进而带动所述升降托盘沿所述导向柱垂直升降，使一定数量的砝码被举起；顶部未被托起的砝码通过所述钢丝绳悬挂于所述承载托盘，进而将砝码重力传递于杠杆结构；
或
冲击杆抬升机构包括伺服电机、凸轮、冲击杆及弹簧，凸轮安装于伺服电机上，弹簧套设在冲击杆上，所述凸轮及冲击杆上均设置凸起结构；当凸轮转动到一定角度时，凸轮及冲击杆的凸起结构分离，冲击杆受重力作用下落进而对贯通冲击杆施加冲击荷载；冲击杆上升时，弹簧压缩，冲击杆下降时，弹簧快速回弹，加快冲击杆下落，以提高冲击荷载的最大施加频率。
4.如权利要求1所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述动静加载机构施加的冲击荷载通过贯通冲击杆作用于活性加载杆，再传递于试件；所述动静加载机构施加的静载及不同波形的动态荷载通过中空加载杆作用于活性加载杆，再传递于试件。
5.如权利要求4所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述中空加载杆中间穿设有贯通冲击杆，所述活性加载杆与所述中空加载杆通过锥形销活性连接，防止冲击荷载反力向上传递于所述中空加载杆，保证冲击荷载向下传递于试件，从而实现动静耦合加载。
6.如权利要求1所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述蠕变加载机构包括两级杠杆结构和砝码施加机构；其中砝码施加机构中砝码重力通过两级杠杆结构进行放大，再通过动静加载机构中的活性加载杆传递于试件，以实现长期恒定蠕变荷载与其他多种加载方式之间无干扰耦合加载。
7.如权利要求6所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，两级杠杆结构的两端均安装有一套倾角传感器与调平机构，所述倾角传感器用于测量两级杠杆结构的倾角，并将倾角反馈给所述调平机构；所述调平机构用于带动两级杠杆结构旋转，使得两级杠杆结构保持水平，保证恒定静态荷载稳定精准施加。
8.如权利要求1所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述动静加载机构还包括多功能加载油缸、静态液压系统、动态液压系统和高压气源；多功能加载油缸安装在反力框架顶部横梁上，静态液压系统、动态液压系统和高压气源布置于反力框架周围且均与多功能加载油缸连接。
9.如权利要求8所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统，其特征在于，所述多功能加载油缸内置气腔，所述高压气源用于向气腔充入高压气体，以实现在试件破坏后，通过高压气体快速膨胀对试件进行快速补压。
10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的全应变率动静组合加载功能岩石力学试验系统的试验方法，其特征在于，包括：
将试件安装在高度调整螺栓顶部，旋转高度调整螺栓来调节岩石试件的高度；
利用蠕变加载机构对岩石试件施加恒定蠕变荷载；
利用动静加载机构对试件施加全应变率动静组合载荷，开展岩石物理力学特性试验。
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