CN113063665A - 岩石三轴蠕变试验装置及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了岩石三轴蠕变试验装置，属于试验器材技术领域。岩石三轴蠕变试验装置，包括：蠕变壳体、正压组件以及围压组件；蠕变壳体包括顶架以及承载试件的底座；围压组件包括设置在底座上的底环以及设置在底环和顶架之间的围压侧板，底环与围压侧板、顶架以及底座之间形成围压腔体；底座上开设有与围压腔体连通的油路孔，油路孔外接有连接器；正压组件设置在试件上方，并且向试件施加正压载荷。本发明通过各组件之间的配合方便对试件施加载荷进行蠕变实验，并且可在蠕变过程中移动蠕变壳体进行工业CT扫描，从而解决现有岩石蠕变试验装置使用不便的问题。
Description
技术领域
本发明涉及试验器材技术领域，具体涉及岩石三轴蠕变试验装置。
背景技术
随着地下工程的快速发展，硐室围岩的时效变形成为地下工程领域的研究热点。岩石蠕变是岩石时效变形的主要内容，探究岩石蠕变过程中的时效破裂特性可为地下工程岩体时效变形提供基础。
现阶段岩石蠕变主要采取单轴、三轴蠕变试验方法，试验多采用MTS压力伺服试验机。通过MTS试验机可以很好的获取岩石试样应力、应变等指标的变化特性。但由于蠕变实验耗时较长，尤其是采用全蠕变方案时，可耗时数月或数年。采用MTS压力伺服试验机做岩石蠕变实验会大大影响其他需要MTS试验机的常规实验的进程。此外，MTS试验机价格昂贵难以普及，体积庞大，难以携带，在科研和工程上都造成了许多不便。因此，现有技术中存在岩石蠕变试验装置使用不便的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供岩石三轴蠕变试验装置，以解决现有岩石蠕变试验装置使用不便的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
岩石三轴蠕变试验装置，包括：蠕变壳体、正压组件以及围压组件；
蠕变壳体包括顶架以及用于承载试件并与顶架连接的底座；
围压组件包括设置在底座上并位于试件外侧的底环、设置在顶架下方的围压上盖以及设置在底环和围压上盖之间的围压侧板，底环与围压上盖、围压侧板以及底座之间形成围压腔体；
底座上开设有与围压腔体连通的油路孔，油路孔外接有连接器；
正压组件设置在试件上方，并且可向试件施加正压载荷。
本发明可将岩石试件放置在底座上，试件上方设置有可施加正压载荷的正压组件，围压侧板设置在底环和围压上盖之间，使围压侧板的内侧形成密闭的围压腔体，油路孔通过连接器外接油管向围压腔体充油，从而对试件施加围压载荷；整体装置造价低廉，便于携带，方便整体移动蠕变壳体，从而解决现有岩石蠕变试验装置使用不便的问题。
进一步地，上述正压组件包括与贯穿围压上盖并与试件顶面接触的压头，分别设置在顶架上方的步进电机和减速箱，设置在减速箱和压头之间且贯穿顶架的滚珠丝杠。
本发明的步进电机和减速箱配合，通过滚珠丝杠将旋转运动转变为直线运动，有滚珠丝杠推动压头对试件的顶面进行挤压，从而向试件施加正压载荷。
进一步地，上述底座与试件接触的位置设有第一压力感应器，围压腔体远离试件的内壁面设有第二压力感应器，顶架上设有第一位移感应，围压上盖设有第二位移感应器，油路孔连接有流量计，围压上盖和底座分别开设有穿线孔。
本发明的第一压力感应器用于检测试件受到的正压载荷，第二压力感应器用于检测围压腔体内的油压，第一位移感应器和第二位移感应器分别用于检测滚珠丝杠和压头的位置变化，流量计用于检测油压添注的实时流量，穿线孔用于放置各个感应器的连接线路。
进一步地，上述顶架与底座通过拉杆连接，拉杆上设有与顶架顶面接触的限位块。
本发明的顶架与底座固定连接，并且在顶架的顶面设有限位块，用于对顶架进行限位，避免在围压载荷的作用下顶架的位置发生改变。
进一步地，上述围压上盖开设有与围压腔体连通的排气孔，排气孔外接有排气阀门。
本发明的排气孔用于排出围压腔体中的气体，并且当排气孔出油稳定时，则证明围压腔体中的气体全部排出，排气阀门用于控制排气孔的通断。
进一步地，上述围压上盖与压头连接的位置设有密封套筒，压头与密封套筒滑动配合。
本发明在压头贯穿围压上盖的位置设置密封套筒，避免压头与顶架直接接触，还能在在密封套筒磨损后方便更换。
进一步地，上述滚珠丝杠与压头接触的一端为球形。
本发明滚珠丝杠的端部为球形可减少滚珠丝杠旋转时与压头之间的摩擦力，从而使压头的轴向进给更加精确。
进一步地，上述压头与滚珠丝杠接触的一端通过弹簧与顶架连接。
本发明的压头通过弹簧与顶架连接，当卸下载荷时，滚珠丝杠向上移动，压头则可以在弹簧的拉力作用下向上移动复位。
岩石三轴蠕变试验系统，包括：岩石三轴蠕变试验装置、显示器、供油泵、工业CT扫描装置以及控制芯片，岩石三轴蠕变装置位于工业CT扫描装置的内侧，显示器和供油泵分别位于工业CT扫描装置的外侧，供油泵通过油管与油路孔连通，控制芯片分别与显示器、供油泵、工业CT扫描装置以及步进电机通信连接。
本发明的岩石三轴蠕变试验装置可整体放置在工业CT扫描装置中，从而可以在不卸下载荷的情况下对试件进行扫描，从而获得最贴近真是条件下的岩石蠕变数据；控制芯片用于写入程序，接收和发送电信号，并将各组件的电信号转换为数字信号在显示器上进行显示，从而方便实验人员通过显示器对步进电机和供油泵进行精准控制，从而得到完整的试验数据。
进一步地，上述顶架、底座、围压上盖以及围压侧板均为有机玻璃材质。
本发明的有机玻璃具备CT射线通过性较好的特点，避免对CT射线造成过多的阻挡屏蔽，从而保证在不取出试件的情况下通过工业CT扫描获取更精确的试验数据。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可将岩石试件放置在底座上，试件上方设置有可施加正压载荷的正压组件，围压侧板设置在底环和围压上盖之间，使围压侧板的内侧形成密闭的围压腔体，油路孔通过连接器外接油管向围压腔体充油，从而对试件施加围压载荷；整体装置造价低廉，便于携带，方便整体移动蠕变壳体，从而解决现有岩石蠕变试验装置使用不便的问题。
(2)本发明的岩石三轴蠕变试验装置可整体放置在工业CT扫描装置中，从而可以在不卸下载荷的情况下对试件进行扫描，从而获得最贴近真是条件下的岩石蠕变数据；控制芯片用于写入程序，接收和发送电信号，并将各组件的电信号转换为数字信号在显示器上进行显示，从而方便实验人员通过显示器对步进电机和供油泵进行精准控制，从而得到完整的试验数据。
附图说明
图1为本发明岩石三轴蠕变试验装置的结构示意图；
图2为本发明岩石三轴蠕变试验系统的结构示意图。
图中：10-蠕变壳体；11-顶架；12-底座；13-油路孔；14-连接器；15-穿线孔；16-排气孔；17-排气阀门；18-拉杆；19-限位块；20-围压组件；21-底环；22-围压上盖；23-围压侧板；24-围压腔体；30-正压组件；31-压头；32-步进电机；33-减速箱；34-滚珠丝杠；35-密封套筒；36-弹簧；37-凸台；40-试件；41-橡胶膜；50-显示器；51-供油泵；52-工业CT扫描装置；53-油管；61-第一压力感应器；62-第二压力感应器；63-第一位移感应器；64-第二位移感应器；65-流量计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
参照图1，岩石三轴蠕变试验装置，包括：蠕变壳体10、围压组件20以及正压组件30。
蠕变壳体10包括相互连接的顶架11和底座12，底座12中心凸起并且平整，用于放置试件40。蠕变壳体10的整体体积小巧，不占据空间，并且方便试验人员徒手搬运。其底座12直径约为260mm，蠕变壳体10的高度约为500mm，可将其整体放入到现有通用性的工业CT扫描装置52中进行扫描，扫描完成便可取出。顶架11通过拉杆18与底座12连接，并且拉杆18上设有与顶架11顶面接触的限位块19，限位块19用于对顶架11限位，避免其受到蠕变壳体10内部的油压冲击力后向上移动。
围压组件20包括设置在底座12上并位于试件40外侧的底环21、设置在顶架11下方的围压上盖22以及设置在底环21和围压上盖22之间的围压侧板23。底环21与底座12之间、围压测板23与底环21之间、围压侧板23与围压上盖22之间设有密封圈，从而保证密封连接。底环21与围压侧板23、围压上盖22以及底座12之间形成围压腔体24，围压腔体24为密闭空间。底座12上开设有与围压腔体24连通的油路孔13，油路孔13还外接有连接器14，可通过连接器14外接供油装置向围压腔体24内充油，从而对试件40施加围压载荷。
正压组件30从上至下分别包括：步进电机32、减速箱33、滚珠丝杠34以及压头31，步进电机32和减速箱33设置在顶架11的上方，滚珠丝杠34贯穿顶架11，滚珠丝杠34的两端分别于减速箱33和压头31接触。压头31贯穿围压上盖22，并且在与围压上盖22接触的位置设有密封套筒35，压头31与密封套筒35滑动配合，避免压头31与围压上盖22直接滑动造成围压上盖22的磨损，密封套筒35磨损后更方便更换。密封套筒35和围压上盖22之间设有密封圈，从而保证二者之间的密封连接。
步进电机32启动后通过减速箱33进行减速，再由滚珠丝杠34将旋转运动转换为直线运动，滚珠丝杠34对压头31进行挤压，使得压头31向试件40移动，并对试件40施加正压载荷。滚珠丝杠34与压头31接触的一端为球形，可减少滚珠丝杠34旋转时与压头31之间的摩擦力，从而使压头31的轴向进给更加精确。压头31与滚珠丝杠34接触的一端还通过弹簧36与顶架11连接，当卸下载荷时，滚珠丝杠34向上移动，压头31则可以在弹簧36的拉力作用下向上移动复位。压头31与试件40接触的一端设有凸台37，凸台37可增大压头31与试件40接触的表面积，还可以避免压头31向上移动时穿过密封套筒35。
底座12与试件40接触的位置设有与第一压力感应器61，用于检测试件40受到的正压载荷；围压腔体24远离试件40的内壁面设有第二压力感应器62，用于检测围压腔体24的内部油压；顶架11的底面靠近滚珠丝杠34的位置设有第一位移感应器63，用于检测滚珠丝杠34的位置变化；围压上盖22的底面靠近压头31的位置设有第二位移感应器64，用于检测压头31的位置变化；油路孔13连接有流量计65，用于检测油压添注的实时流量。
围压上盖22和底座12分别开设有穿线孔15，穿线孔15则用于放置各个感应器的连接线路。顶架11开设有与围压腔体24连通的排气孔16，排气孔16外接有排气阀门17，排气孔16用于将围压腔体24中的气体排出，并且当排气孔16中出油稳定时，则证明围压腔体24中的气体全部排出，排气阀门17用于控制排气孔16的通断。
试件40的外侧还设置有一层橡胶膜41，橡胶膜41可将试件40的四周包裹，并且在承受围压载荷和正压载荷时不会发生破损。橡胶膜可对试件40进行保护，避免试件40产生裂缝时会有液压油渗入到试件40内部，从而影响试验的准确性。
参照图2，岩石三轴蠕变试验系统，包括：岩石三轴蠕变试验装置、显示器50、供油泵51、工业CT扫描装置52以及控制芯片，岩石三轴蠕变试验装置位于工业CT扫描装置52的内侧，显示器50和供油泵51分别位于工业CT扫描装置52的外侧。供油泵51通过油管53与油路孔13连通，从而方便对围压腔体24内部充入液压油。在本发明的其他实施例中，也可以向围压腔体24的内部充水进行试验，从而可根据水的透明度高的特点便于对试件40进行实时观察。
控制芯片分别与显示器50、供油泵51、工业CT扫描装置52以及步进电机32通信连接,控制芯片为STM32-F407ZGT6型号的单片机，用于写入设备制造人员编写的控制程序，通过与各组件之间的通信连接进行接收和发送信号，从而实现对各组件的智能控制。控制芯片可将步进电机32和供油泵51的电信号转换为数字信号在显示器50上进行显示，从而方便实验人员通过显示器50对步进电机32和供油泵51进行精准控制，从而得到完成的试验应变数据。
控制芯片还分别于第一压力感应器61、第二压力感应器62、第一位移感应器63、第二位移感应器64以及流量计65通信连接，通过控制芯片的内部程序对采集到的检测数据进行计算，从而获取所需的试验数据，如试件40的体积变形量等。控制芯片将电信号转化为数字信号，从而在显示器50上进行显示各个感应器检测到的瞬时数值。
顶架11、底座12、围压上盖22以及围压侧板23均为有机玻璃材质，根据有机玻璃具备CT射线通过性较好的特点，从而避免对CT射线造成过多的阻挡屏蔽，保证在不取出试件40的情况下通过工业CT扫描装置52获取更精确的试验数据。在本发明的其他实施例中，顶架11、底座12、围压上盖22以及围压侧板23还可以是钢化玻璃、高强碳纤维等材质。
本发明的操作过程：(1)安装合适尺寸形状的试件40，并将围压侧板23安装在底环21上以形成密封的围压腔体24；(2)通过显示器50操作控制供油泵51向围压腔体24内充油；(3)当排气孔16均匀出油后，停止充油并关闭排气阀门17，充油完毕；(4)通过显示器50操作控制步进电机32，根据第一压力感应器61的反馈使压头31刚好与试件40接触；(5)重置所有感应器，并将蠕变壳体10放入到工业CT设备中进行扫描，得到未加载时的岩石裂缝损伤状态；(6)通过显示器50控制正压组件30对试件40施加正压载荷并记录各感应器的采集数据；(7)在合适时间后重新对蠕变壳体10进行工业CT扫描并获取实验数据；(8)蠕变完成后通过显示器50控制步进电机32复位，控制供油泵51进行回油；(9)拆卸围压侧板23，取出试件40。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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.岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，包括：蠕变壳体(10)、围压组件(20)以及正压组件(30)；
所述蠕变壳体(10)包括顶架(11)以及用于承载试件(40)并与所述顶架(11)连接的底座(12)；
所述围压组件(20)包括设置在所述底座(12)上并位于所述试件(40)外侧的底环(21)、设置在所述顶架(11)下方的围压上盖(22)以及设置在所述底环(21)和所述围压上盖(22)之间的围压侧板(23)，所述底环(21)与所述围压上盖(22)、所述围压侧板(23)以及所述底座(12)之间形成围压腔体(24)；
所述底座(12)上开设有与所述围压腔体(24)连通的油路孔(13)，所述油路孔(13)外接有连接器(14)；
所述正压组件(30)设置在所述试件(40)上方，并且可向所述试件(40)施加正压载荷。
2.根据权利要求1所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述正压组件(30)包括与贯穿所述围压上盖(22)并与所述试件(40)顶面接触的压头(31)，分别设置在所述顶架(11)上方的步进电机(32)和减速箱(33)，设置在所述减速箱(33)和所述压头(31)之间且贯穿所述顶架(11)的滚珠丝杠(34)。
3.根据权利要求2所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述底座(12)与所述试件(40)接触的位置设有第一压力感应器(61)，所述围压腔体(24)远离所述试件(40)的内壁面设有第二压力感应器(62)，所述顶架(11)上设有第一位移感应器(63)，所述围压上盖(22)设有第二位移感应器(64)，所述油路孔(13)连接有流量计(65)，所述围压上盖(22)和所述底座(12)分别开设有穿线孔(15)。
4.根据权利要求2所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述顶架(11)与所述底座(12)通过拉杆(18)连接，所述拉杆(18)上设有与所述顶架(11)顶面接触的限位块(19)。
5.根据权利要求4所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述围压上盖(22)开设有与所述围压腔体(24)连通的排气孔(16)，所述排气孔(16)外接有排气阀门(17)。
6.根据权利要求5所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述围压上盖(22)与所述压头(31)连接的位置设有密封套筒(35)，所述压头(31)与所述密封套筒(35)滑动配合。
7.根据权利要求6所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述滚珠丝杠(34)与所述压头(31)接触的一端为球形。
8.根据权利要求7所述的岩石三轴蠕变试验装置，其特征在于，所述压头(31)与所述滚珠丝杠(34)接触的一端通过弹簧(36)与所述顶架(11)连接。
9.岩石三轴蠕变试验系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的岩石三轴蠕变装置、显示器(50)、供油泵(51)、工业CT扫描装置(52)以及控制芯片，所述岩石三轴蠕变装置位于所述工业CT扫描装置(52)的内侧，所述显示器(50)和供油泵(51)分别位于所述工业CT扫描装置(52)的外侧，所述供油泵(51)通过油管(53)与所述油路孔(13)连通，所述控制芯片分别与所述显示器(50)、所述供油泵(51)、所述工业CT扫描装置(52)以及步进电机(32)通信连接。
10.根据权利要求9所述的岩石三轴蠕变试验系统，其特征在于，所述顶架(11)、所述底座(12)、所述围压上盖(22)以及所述围压侧板(23)均为有机玻璃材质。
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