CN113237760A - 一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，涉及岩石冲击加载试验技术领域，包括岩石试件和基座支架，岩石试件为正六面体方块，以岩石试件几何中心为原点建立的坐标系的X、Y和Z轴上分别设有射杆，射杆均与岩石试件贴合；还包括动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构、传感器单元和电液控制系统单元；电液控制系统单元分别与动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构连接，本发明可以实现在真三轴中实现动载和流体压力耦合作用，同时本发明的真三轴静载采用的反力架对试件施加静载，施加位置位于方形杆的端部，避免了动载监测受到静载作用的影响。

Description

一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置
技术领域
本发明属于岩石冲击加载试验技术领域，具体涉及一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置。
背景技术
深部岩体是水利水电、矿产资源开采及其他地下工程结构的主要载体，其受力特征对于工程结构具有重要的影响。当深部岩体进行工程开挖后，岩石的原有受力环境被改变，不仅三向受力特征发生了变化，还可能受到动载和瓦斯、水等流体压力的影响。深部工程岩体在动载和流体压力及静态应力环境变化情况下更加容易发生失稳，甚至出现严重的冲击地压等地质灾害。因而研制一种能够实现多场耦合作用的岩石试验装置对深部岩石特性研究具有十分重要的作用。
目前，在进行深部岩体在深部复杂敌地应力作用下破坏失稳机理的研究中，主要集中在真三轴试验的岩石破坏机理研究和真三轴冲击破坏机理的研究，如专利号CN205719826U公开了一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载试验装置；另一方面流固耦合的真三轴试验装置也得到大量的研究，如专利号CNCN2012102328613公开了一种多功能真三轴流固耦合压力室，实现了真三轴和流体耦合的试验研究。然而，岩石的受力环境往往是经受地应力静载和工程扰动的冲击动载以及岩石中的流体压力共同作用导致岩石破坏失稳，研究相关的破坏失稳机理尤为重要，因而急需研究一种能够实现流体、动载和真三轴静载的耦合岩石试验装置，因此，我们提出一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，包括岩石试件和基座支架，所述岩石试件为正六面体方块，方块边沿进过倒角处理后各面大小与方形入射杆的端面面积相等，以所述岩石试件几何中心为原点建立的坐标系的X、Y和Z轴上分别设有射杆，射杆均与岩石试件贴合；
还包括动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构、传感器单元和电液控制系统单元；
所述动载压力机构位于设置在X轴负向的方形入射杆远离岩石试件的一端，对方形射杆提供冲击载荷；
所述真三轴静载压力机构分别设在X、Y和Z轴正向设置的射杆端；
所述流体压力施加机构将岩石试件裹覆在内，流体压力施加机构通过持续注入一定量流体后岩石试件被完全裹覆，岩石试件受到一定流体压力；
所述电液控制系统单元分别与动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构连接。
作为本发明进一步的方案，所述动载压力机构包括：气枪和子弹，所述气枪固定在基座支架上，所述子弹通过气枪发射后撞击X轴方形入射杆的端面，所述X轴方形入射杆上设有动载传感器。
作为本发明进一步的方案，所述真三轴静载压力机构包括驱动油缸、反力板、平衡钢套管和反力杆和固紧螺母，所述油缸为中心有方形孔的环形油缸，油缸上的伸缩轴与对应的射杆上设置的压力板贴合，所述压力板与油缸之间通过四根反力杆连接，位于油缸和反力板之间的反力杆上套有平衡钢套管，通过平衡钢套管对第一反力板和第一油缸的位置进行固定。
作为本发明进一步的方案，所述的流体压力施加机构，包括：密封舱、密封舱封盖、密闭盖、和方形密封垫圈，密封舱为一面开口立方体仓，仓的其余三面均有一个方形通孔，射杆穿过通孔在密封舱内部与试件表面贴合，方形通孔外部还有内凹槽，凹槽内设有方形密封垫圈，所述密封盖通过螺栓与密封舱固定连接并将方形密封垫圈固定；
所述密封舱封盖设置在密封舱开口一侧，与其可拆卸连接，密封舱底部具有一个带有螺纹的流体压力接口。
作为本发明进一步的方案，在所述X轴方形入射杆和X轴方形透射杆之间安装有位移传感器对X向位移进行监测，在Y轴第二方形透射杆和Y轴第一方形透射杆之间安装有位移传感器监测Y向位移，在Z轴第一方形透射杆和Z轴第二方形透射杆之间安装有Z向位移传感器监测Z向位移。
作为本发明进一步的方案，任一所述油缸通过高压管线与电液伺服液压油泵相连接，气枪通过高压管线与高压气体储存单元相连接，位于X轴方形透射杆端的第三油缸通过高压管线与气泵相连接。
作为本发明进一步的方案，控制系统对电液伺服液压油泵进行控制实现真三轴加压，并控制气泵的气压状态。
本发明的有益效果：本专利通过结合真三轴和动载加载装置的技术和流体压力技术实现真三轴静载、动载和流体压力相互耦合的试验，填补了目前岩石试验在三场耦合作用下的不足；
相对于一般的真三轴动载试验装置，本发明可以实现在真三轴中实现动载和流体压力耦合作用，同时本发明的真三轴静载采用的反力架对试件施加静载，施加位置位于方形杆的端部，避免了动载监测受到静载作用的影响。
通过对深部岩石的多场耦合作用下的力学特性进行探究，从而对现场支护及工程建设提供多场耦合的作用下的必要相关设计参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是密封舱示意图；
图4是图1的左视图；
图5是图1的剖视图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～5，本发明实施例中，一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，包括岩石试件29和基座支架1，岩石试件29为正六面体方块，方块边沿进过倒角处理后各面大小与方形入射杆4的端面面积相等，以岩石试件29几何中心为原点建立的坐标系的X、Y和Z轴上分别设有射杆，射杆均与岩石试件29贴合；射杆包括，X轴的负向设置的方形入射杆4、Z轴的正向设置的第一方形透射杆12、Z轴的负向设置的第二方形透射杆16、X轴的正向设置的方形透射杆14、Y轴的负向设置的第二方形透射杆17、Y轴的正向设置的第一方形透射杆8，X轴和Y轴上设置的射杆均通过方杆固定座5固定安装在基座支架1上，
还包括动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构、传感器单元和电液控制系统单元；
动载压力机构位于设置在X轴负向的方形入射杆4远离岩石试件29的一端，对方形射杆4提供冲击载荷；
真三轴静载压力机构分别设在X、Y和Z轴正向设置的射杆端；
流体压力施加机构将岩石试件2裹覆在内；
电液控制系统单元分别与动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构连接。
具体地，动载压力机构包括：气枪2和子弹3，气枪2固定在基座支架1上，子弹3通过气枪2发射后撞击X轴方形入射杆4的端面，X轴方形入射杆4上设有动载传感器100。试验时，通过X轴的方形入射杆4上的动载传感器100获得冲击动载入射应变信号，通过X轴的方形透射杆14上的动载传感器100获得轴向透射应变信号，Y轴第一方形透射杆17和第二方形透射杆8上的动载传感器获得水平方向的透射应变信号，Z轴的第一方形透射杆12和第二方形透射杆16上的动载传感器获得竖向透射应变信号。
具体的，如图1和2所示，真三轴静载压力机构包括轴向水平静载压力单元，水平垂向静载压力单元，竖向压力施加单元，水平轴向静载压力单元由第一油缸15、第一反力板7、平衡钢套管13、反力杆18和固紧螺母33，第一油缸15为中心有方形孔的环形油缸，第一油缸15上的伸缩轴39与X轴向第二方形透射杆14上的焊接的压力板21贴合，第一反力板7与X轴向第一方形入射杆4上焊接的压力板21贴合，压力板21与第一油缸15之间通过四根反力杆18连接，位于第一油缸15和第一反力板7之间的反力杆上套有平衡钢套管13，通过平衡钢套管13对第一反力板7和第一油缸15的位置进行固定，
水平垂向静载压力单元包括第三油缸20、第二反力板40，平衡钢套管13、反力杆18和固紧螺母33，结构方式与轴向水平静载压力单元相似。
竖向静载压力单元包括第二油缸9、第三反力板41、平衡钢套管13、反力杆18和固紧螺母33，结构方式与轴向水平静载压力单元相似，值得注意的是，第三反力板41通过螺母与基座支架1通过螺栓与基座支架固定，的反力板四角处还具有四个方形通孔。
四个竖向方杆固定支架19通过第三反力板41上的通孔并与基座支架1通过螺栓进行固定，位于基座支架1上的第一限位板10和第二限位板11通过螺栓与竖向方杆固定支架紧固，对Z轴第一方形透射杆12的横向位移进行限制。
如图3所示，所述的流体压力施加机构包括：密封舱23、密封舱封盖28、密闭盖26、和方形密封垫圈31，密封舱23为一面开口立方体仓，仓的其余三面均有一个方形通孔，射杆穿过通孔在密封舱内部与试件29表面贴合，方形通孔外部还有内凹槽31，凹槽31内设有方形密封垫圈，密封盖26通过螺栓与密封舱23固定连接并将方形密封垫圈固定；
密封舱封盖28设置在密封舱23开口一侧，与其可拆卸连接，密封舱23底部具有一个带有螺纹的流体压力接口27。岩石试件29放入密封舱23后，射杆穿过通孔在密封舱内部与试件29表面贴合，依次安装密封舱封盖28、密闭盖26和方形密封垫圈31，密封舱23组装完成后进行气密性检查；电液伺服液压油泵32引出高压管线连接流体压力接口27，然后对密封舱23注入流体，电液控制系统单元控制流体注入和卸去；持续注入一定量流体后岩石试件29被完全裹覆，岩石试件29受到一定流体压力。
优选地，在X轴方形入射杆4和X轴方形透射杆14之间安装有位移传感器22对X向位移进行监测，在Y轴第二方形透射杆17和Y轴第一方形透射杆8之间安装有位移传感器25监测Y向位移，在Z轴第一方形透射杆12和Z轴第二方形透射杆16之间安装有Z向位移传感器24监测Z向位移。
如图1所示，任一油缸通过高压管线与电液伺服液压油泵32相连接，气枪2通过高压管线与高压气体储存单元33相连接，位于X轴方形透射杆14端的第三油缸20通过高压管线与气泵35相连接。
具体的，控制系统37对电液伺服液压油泵32进行控制实现真三轴加压，并控制气泵35的气压状态。
本发明的工作原理是：岩石试件29被放置在密封舱内23，通过流体压力施加机构将岩石试件29裹覆在内，受到一定的流体压力；同时真三轴静载压力机构通过轴向水平静载压力单元，水平垂向静载压力单元和竖向压力施加单元施加X、Y和Z轴三个方向上的静载，通过射杆将静载传递给岩石试件29，使岩石试件29处于真三轴应力状态下；根据有效应力原理(σ＝σ′+μ，σ为平面上法向总应力；σ′为平面上有效法向应力；μ为孔隙水压力)，试件真实的应力状态应为静载应力和流体压力耦合作用下的，两者的应力差值由电液控制系统单元综合控制；然后，动载压力机构进行开始进行动载冲击，子弹3通过气枪2发射后撞击X轴方形入射杆4的端面，入射波传播到岩石试件29界面后发生透射和反射，通过布置在X轴的方形入射杆4上的动载传感器100收集冲击动载入射应变信号，通过X轴的方形透射杆14上的动载传感器100获得轴向透射应变信号，收集Y、Z方形透射杆间动载传感器的透射应变信号；同时通过方形入射杆之间安装的位移传感器监测X、Y和Z向位移；改变静载、动载和流体压力等因素，进行多场耦合下深部岩体力学特性研究。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系为为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，包括岩石试件(29)和基座支架(1)，其特征在于，所述岩石试件(29)为正六面体方块，方块边沿进过倒角处理后各面大小与方形入射杆(4)的端面面积相等，以所述岩石试件(29)几何中心为原点建立的坐标系的X、Y和Z轴上分别设有射杆，射杆均与岩石试件(29)贴合；
还包括动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构、传感器单元和电液控制系统单元；
所述动载压力机构位于设置在X轴负向的方形入射杆(4)远离岩石试件(29)的一端，对方形射杆(4)提供冲击载荷；
所述真三轴静载压力机构分别设在X、Y和Z轴正向设置的射杆端；
所述流体压力施加机构将岩石试件(29)裹覆在内，流体压力施加机构通过持续注入一定量流体后岩石试件(29)被完全裹覆，岩石试件(29)受到一定流体压力；
所述电液控制系统单元分别与动载压力机构、真三轴静载压力机构、流体压力施加机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，其特征在于，所述动载压力机构包括：气枪(2)和子弹(3)，所述气枪(2)固定在基座支架(1)上，所述子弹(3)通过气枪(2)发射后撞击X轴方形入射杆(4)的端面，所述X轴方形入射杆(4)上设有动载传感器(100)。
3.根据权利要求1所述的一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，其特征在于，所述真三轴静载压力机构包括驱动油缸、反力板、平衡钢套管和反力杆(1)和固紧螺母，所述油缸为中心有方形孔的环形油缸，油缸上的伸缩轴与对应的射杆上设置的压力板(21)贴合，所述压力板(21)与油缸之间通过四根反力杆连接，位于油缸和反力板之间的反力杆上套有平衡钢套管，通过平衡钢套管对第一反力板和第一油缸的位置进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，其特征在于，所述的流体压力施加机构，包括：密封舱(23)、密封舱封盖(28)、密闭盖(26)、和方形密封垫圈(31)，密封舱(23)为一面开口立方体仓，仓的其余三面均有一个方形通孔，射杆穿过通孔在密封舱内部与试件(29)表面贴合，方形通孔外部还有内凹槽(31)，凹槽(31)内设有方形密封垫圈，所述密封盖(26)通过螺栓与密封舱(23)固定连接并将方形密封垫圈固定；
所述密封舱封盖(28)设置在密封舱(23)开口一侧，与其可拆卸连接，密封舱(23)底部具有一个带有螺纹的流体压力接口(27)。
5.根据权利要求1所述的一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，其特征在于，在所述X轴方形入射杆(4)和X轴方形透射杆(14)之间安装有位移传感器(22)对X向位移进行监测，在Y轴第二方形透射杆(17)和Y轴第一方形透射杆(8)之间安装有位移传感器(25)监测Y向位移，在Z轴第一方形透射杆(12)和Z轴第二方形透射杆(16)之间安装有Z向位移传感器(24)监测Z向位移。
6.根据权利要求1所述的一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，其特征在于，任一所述油缸通过高压管线与电液伺服液压油泵(32)相连接，气枪(2)通过高压管线与高压气体储存单元(33)相连接，位于X轴方形透射杆(14)端的第三油缸(20)通过高压管线与气泵(35)相连接。
7.根据权利要求1所述的一种多场耦合真三轴动静载荷岩石试验装置，其特征在于，控制系统(37)对电液伺服液压油泵(32)进行控制实现真三轴加压，并控制气泵(35)的气压状态。
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