CN117629771B - 一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置及方法，包括海水循环基础系统、基于弹簧的点荷载试验机测试系统及点荷载与离子浓度监测显示系统。本申请利用弹簧的弹性势能的特点设计了一种基于弹簧的点荷载试验机，通过点荷载试验间接实现岩石抗压强度及耐久性测试；本方案体积小、管道线路少、操作简单、耐腐蚀，可以实现边腐蚀边加载，模拟海水腐蚀原位岩石真实工况。

Description

一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置及方法
技术领域
本发明涉及海水腐蚀原位岩石加载试验技术领域，为海水腐蚀原位岩石过程中提供了一种可以进行疲劳强度测试的实验装置及方法。
背景技术
现如今，海底隧道凭借自身受天气干扰小、通行时间长、不影响航运等优势，正成为各个沿海地区公共交通建设的重点。然而，海底隧道在建设、运营过程中，海底隧道的覆岩层、围岩等承载体系长期受海水腐蚀作用的影响，导致隧道围岩的物理力学特性(例如孔隙率、强度、变形、弹性模量等)发生劣化、耐久性下降，进而对海底隧道的安全建造和长期健康运营具有潜在的威胁。因此，明确海水腐蚀对岩石强度劣化以及耐久性演化规律显得十分重要。
申请号为CN200920287593.9和CN201410778474.9的专利中分别提供了一种腐蚀环境下岩石单轴压缩测试装置和混凝土试样在应力作用下腐蚀试验的加载装置，二者均可实现试样边腐蚀边加载。本申请提供一种不同于现有技术的岩石点荷载试验装置及岩石点荷载试验方法，从而可以实现提供一种不同于现有技术的模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度的测试装置和测试方法。说明：条条大路通罗马，现有技术有现有技术的方法，本申请提供了另一种不同的方法而已，不一定需要解决现有技术的问题，其实际解决的问题可能一样，只不过本申请用了不同的解决方案。
发明内容
发明目的： 基于本发明的测试装置，可以开展模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试，用于研究模拟海水腐蚀作用下岩石、混凝土等固体材料的耐久性变化规律，进而为沿海地区隧道工程中岩石、混凝土等固体材料的强度特性和损伤破坏研究提供理论依据，为地下岩土工程的设计、施工、支护以及稳定性评估等提供理论基础和技术支持。
发明理论基础：岩石点荷载试验方法是一种通过岩石劈裂间接确定岩石强度的试验方法。适用于除砂砾岩等非均质性较大的岩石和单轴抗压强度不超过5MPa的极软岩外的各类岩石。岩石在经过海水腐蚀后，其物理力学性能将产生不同程度的劣化，因此开展模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试，可探究原位岩石海水腐蚀-应力加载耦合作用下的损伤劣化特性。模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试利用现有公式，结合本发明装置测得的点荷载，从而获得试样的疲劳强度，具体计算步骤如下。
现有研究对测试试样尺寸建议如下：
径向加载试验使用的岩芯，试样直径取30mm~70mm,长度为试样直径的1.4倍。
轴向加载试验使用的岩芯，试样直径取30mm~70mm，长度为试样直径的0.5~1.0倍。
不规则试样的最短边长b=30~80mm，加荷点间距D与最短边长b之比为0.5~1.0。本申请下述装置均以轴向加载为试例。加荷点间距D：加载点荷载两点之间的距离。
根据基于弹簧的点荷载试验机，其岩石点荷载疲劳强度指数如式(1)和(2)所示：
(1)
(2)
式中：I s 为未经修正的岩石点荷载疲劳强度指数，单位MPa; P为岩石破坏时的荷载，单位N；D e 为等价岩芯直径，单位mm；k为弹簧的劲度系数，单位为弹簧变形量，单位mm。
根据国际岩石力学学会(ISRM)规定，将直径为50mm的圆柱体试件测定的径向加载点荷载疲劳强度指标值确定为标准试验值I s(50)，其他尺寸试件的试验结果应根据不同情况进行修订。
(1)当试验数据较多时，且同一组试件中的等价岩芯直径具有多种尺寸而不等于50mm时，应根据实验结果绘制与破坏荷载P的关系曲线，并在曲线上查找/>为2500mm2时所对应的P 50值，岩石点荷载疲劳强度指数按式（3）修正：
(3)
式中：为等价岩芯直径为50mm的岩石点荷载疲劳强度指数，单位/>根据绘制/>关系曲线求得的/>为2500mm2时的荷载值，单位N。
(2)当试验数据较少且等价岩芯直径不为50mm时，岩石点荷载疲劳强度指数按式（4）修正：
(4)
式中：m为修正指数，可取0.40~0.45，或可根据同类岩石的经验值确定。
岩石点荷载疲劳强度试验可用于估算岩石饱和单轴抗压强度，原铁道部第二勘探设计院建立了岩石点荷载疲劳强度指标与岩石饱和单轴抗压强度换算关系：
(5)
式中：为通过岩石点荷载疲劳强度指标换算而成的岩石饱和单轴抗压强度，单位MPa。
综上所述，即可获得海水腐蚀原位岩石饱和单轴抗压强度与腐蚀时间之间的变化规律，从而确定海水腐蚀下原位岩石的疲劳强度随腐蚀时间的演化特征。
发明技术方案：本申请为一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置及方法，包括海水循环基础系统、基于弹簧的点荷载试验机测试系统及点荷载与离子浓度监测显示系统。海水循环基础系统包括圆柱形耐腐蚀容器及水循环模块，该系统为整个装置的基本骨架，用于放置基于弹簧的点荷载试验机测试系统，以及实现海水内循环；基于弹簧的点荷载试验机测试系统对试样进行点荷载加载，是实现原位岩石疲劳强度测试的加载装置；点荷载与离子浓度监测显示系统包括压力传感器、离子浓度监测传感器及显示屏，用于对点荷载大小以及海水离子浓度的实时监测，从而及时对其做出调整，确保试验过程中荷载大小以及离子浓度保持稳定。因此，通过各系统相互协作，从而实现对海水腐蚀原位岩石疲劳强度的测试。
本发明的有益效果是：
本申请利用弹簧的弹性势能的特点设计了一种基于弹簧的点荷载试验机，通过点荷载试验间接实现岩石抗压强度及耐久性测试；本方案体积小、管道线路少、操作简单、耐腐蚀，可以实现边腐蚀边加载，模拟海水腐蚀原位岩石真实工况。
通常海底伴随着地震、洋流等自然运动，导致海水始终处于被扰动状态，因此采用水循环装置模拟真实海水的流动状态。本申请利用弹簧的弹性势能特点设计了一种基于弹簧的点荷载试验机，作为耐久性测试系统。除此之外，使用点荷载传感器及离子浓度传感器，分别对耐久性试验测试过程中的点荷载及海水离子浓度做出实时监测，以便于在测试过程中及时调整，实现海水浓度与点荷载保持稳定，并且上述两个传感器将监测数据无线传输至显示屏，实现监测结果的实时显示。
(1)基于点荷载试验实现海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试。
本申请采用点荷载加载方法，利用点荷载试验既可用于规则试样，也可用于不规则试样，同时可实现径向加载、轴向加载、不规则块体加载的特点，很大程度上解决了海水腐蚀原位岩石真实工况要求试样任意形状这一难题。因此，不仅实现了海水腐蚀与应力加载同步进行，而且可模拟海水腐蚀原位岩石的真实工况。
(2)开发基于弹簧弹性势能加载的点荷载试验机。本申请采用基于弹簧弹性势能加载的点荷载试验机作为测试系统，通过左右支柱和上下挡板之间的机械传动内部控制弹簧长度，进而产生弹簧弹力充当点荷载，具有体积小、安装便携、操作简洁以及耐腐蚀等优点。
(3)基于点荷载试验间接实现海水腐蚀原位岩石疲劳强度、疲劳寿命等耐久性特征研究。基于本申请所提供的海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试研究，可通过高效便捷的岩石点荷载试验获取海水腐蚀原位岩石点荷载疲劳强度指标，然后通过业内公认的经验公式将海水腐蚀原位岩石点荷载疲劳强度指标转换为海水腐蚀原位岩石饱和单轴疲劳抗压强度，进而间接解决海水腐蚀原位岩石疲劳强度、疲劳寿命等耐久性问题。
附图说明
说明：附图中模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试加载方式为点荷载轴向加载。
图1 本发明一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置三维图；
图2 本发明一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置爆炸图；
图3 本发明一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置俯视图；
图4 本发明基于弹簧的点荷载试验机测试系统三维图；
图5A 本发明基于弹簧的点荷载试验机测试系统正视图；
图5B 本发明基于弹簧的点荷载试验机测试系统侧视图；
图5C 本发明基于弹簧的点荷载试验机测试系统俯视图；
图6 本发明点荷载试验机基础平台三维图；
图7A 本发明上、下压头三维图；
图7B 本发明上、下压头正视图；
图7C 本发明上、下压头俯视图；
图8A 本发明上挡板三维图；
图8B 本发明下挡板三维图；
图9 本发明上挡板插板工作原理图；
图10本发明支柱内剖三维图；
图11 本发明丝杆传动控制弹簧加载平台三维图；
图12A 本发明丝杆传动控制弹簧加载平台主视图；
图12B 本发明丝杆传动控制弹簧加载平台侧视图；
图12C 本发明丝杆传动控制弹簧加载平台俯视图；
图13本发明试样安装固定平台三维图。
图中标号对应部件名称如下(除试样、导管外，其余部件均为耐海水腐蚀材料制作)：
底部1、侧面2、顶盖3、卡座4、抽水泵5、导管6、离子浓度监测传输模块7、基于弹簧的点荷载试验机测试系统8(附图中仅画出1个用于展示说明)，上挡板9、上压头10、支柱11、弹簧12、试样13、试样夹14、下压头15(集成压力监测传输模块的压头)、下挡板16、显示屏17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本申请为“一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置及方法”，如图1、图2和图3所示，一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置包括海水循环基础系统、基于弹簧的点荷载试验机测试系统及点荷载与离子浓度监测显示系统。其各个系统内部构成情况、系统间的连接方式和关键结构工作原理如下：
海水循环基础系统构成了整个申请的基础框架，为其他装置提供了海水腐蚀及原位疲劳强度测试场所。海水循环基础系统包括圆柱形耐腐蚀容器和水循环模块；水循环模块包括两根规格一致的导管6以及抽水泵5；圆柱形耐腐蚀容器包括底部1、侧面2、顶盖3；
圆柱形耐腐蚀容器的底部1设有一圈中心对称的卡座4(图2中只设计8个用于展示)，用于与基于弹簧的点荷载试验机测试系统中的下挡板16连接固定，使海水循环基础系统在海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试过程中保持稳定，避免了由于环境扰动对试验过程的影响；圆柱形耐腐蚀容器的底部1具有一定的厚度，内部为中空结构，并在底部1的侧面开一圆孔，称之为底部圆孔，同时，在圆柱形耐腐蚀容器侧面再开一圆孔，称之为侧面圆孔，两处圆孔用于与水循环模块的两根导管6连接。为了模拟真实海水运动对原位岩石的影响，测试时海水水位应高于侧面圆孔，使用抽水泵5将海水从圆柱形耐腐蚀容器的底部1泵出，底部1的上表面设有若干个通孔，从而实现圆柱形耐腐蚀容器内海水内循环。海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试试验开始后，待所有结构安装完成，最后将圆柱形耐腐蚀容器顶盖3覆盖圆柱形耐腐蚀容器上端。
基于弹簧的点荷载试验机测试系统(图2中只画出1个用于展示)为本申请核心结构，如图4、图5A、图5B、图5C所示，可将其分为点荷载试验机基础平台、丝杆传动控制弹簧加载平台以及试样安装固定平台。
如图6所示，点荷载试验机基础平台是包括上压结构(上挡板9与上压头10)、下压结构(下挡板16与下压头15)。装置中涉及的上压头10与下压头15外观尺寸一致，均为一端圆锥、一端圆柱的结构，如图7A，图7B，图7C所示，其圆柱一端外侧加工成螺纹层，用于与上挡板9、下挡板16中心位置的螺纹凹槽拧合连接固定；不同的是，下压头15集成了压力监测传输模块，用于对疲劳强度测试过程中点荷载大小的监测与记录。上挡板9与下挡板16材质、外表面尺寸一致，如图8A和图8B所示，均为扁平矩形体结构，且中心位置均有圆柱形螺纹凹槽，用于与上压头10、下压头15拧合连接固定，同时在距离中心凹槽外侧较近处有一圈环形凹槽，该凹槽壁焊接有一圈按压式弹簧锁扣，呈螺旋状排布，按压弹簧12使其嵌入锁扣下方，从而将弹簧12首尾端与上挡板9、下挡板16连接固定。上挡板9、下挡板16不同之处在于，下挡板16靠近边缘两侧的圆柱形凹槽带有螺纹且未贯通，目的是与支柱11的螺纹端拧合连接固定，而上挡板9对应位置圆柱形凹槽直径较小，无螺纹且贯通，并且在上挡板9上侧切削出一个插板，图9为插板原理图，插板完全插入时可挡住上挡板9两侧的凹槽孔洞，抽出时对应孔洞露出，可使支柱11伸出，由此可实现弹簧12的拉伸及支柱11支持力的消失。试样13在海水腐蚀下的点荷载测试试验开始前，其上压结构及下压结构均已拼接完成。
丝杆传动控制弹簧加载平台是包括上压结构(上挡板9与上压头10)、支柱11、弹簧12、下压结构(下挡板16与下压头15)，如图11、图12A、图12B、图12C所示。装置中所使用的两根支柱材质、尺寸及工作原理完全一致，图10为支柱11内剖三维图，其下部为一粗杆，粗杆尾端为螺纹端，用于与下挡板16边缘凹槽拧合连接，粗杆内部中空，内置一丝杆结构，用于支柱11的伸长与缩短，即顺时针转动丝杆的转轮使支柱11伸长，逆时针旋转则支柱11缩短，与此同时，支柱11内的丝杆长度应略大于支柱11总长度的一半，且丝杆上端无螺纹，其直径与上挡板9两侧圆柱形凹槽直径相等。弹簧12上下两端与上、下挡板9、16之间的连接方式一致，按压弹簧12使其嵌入上、下挡板9、16环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，即可完成二者之间的连接固定。
试样安装固定平台是包括试样13及试样夹14，如图13所示。若直接开始点荷载耐久性测试试验，试样13与上压头10、下压头15的位置不确定，导致上压头10、下压头15尖端与试样13两端的压点可能并未对准，从而导致疲劳强度测试结果产生误差。因此设计一种可夹举试样13对准上压头10、下压头15的试样夹14，工作时试样夹14前端的夹具从弹簧12缝隙中伸入并夹举起试样13，之后调整试样夹14位置，使试样13两端压点对准上压头10、下压头15尖端，接着抽出上挡板9上侧的插板，使支柱11丝杆上端从上挡板9两侧凹槽中伸出，而后弹簧12回弹夹紧试样13，之后便可撤去试样夹14，从而完成试样13的安装固定。
点荷载与离子浓度监测显示系统是为了实现压力传感器及离子浓度传感器监测数据的及时反馈与可视化。真实海水在短时间内其离子浓度是稳定的，但在模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试试验中由于环境等因素，模拟海水的离子浓度可能会产生一定程度的变化，因此根据离子浓度监测结果及时作出调整。离子浓度监测传输模块7包括电池、离子浓度监测传感器及无线传输装置，电池提供电能，试验时将离子浓度监测传输模块7放置在圆柱形耐腐蚀容器底部中央位置，监测此处海水中Na+、Cl-、SO4 2-等主要离子浓度，同时通过模块中的无线传输装置将监测结果发送至显示屏17，从而实现离子浓度的实时观测。本申请所适用的原位岩石疲劳强度测试试验所需点荷载是由弹簧12提供的，为实时监测记录弹簧12弹力大小，压力监测传输模块集成在下压头15中，下压头15尖端作为与试样13的直接接触点，所测压力值较为准确。压力监测传输模块包括电池、压力传感器及无线传输装置，电池提供电能，海水腐蚀原位岩石疲劳强度试验过程弹簧12提供点荷载，下压头15中压力传感器监测压力值大小后由无线传输装置将监测结果发送至显示屏17，从而实现点荷载大小的实时观测。
综上所述，介绍了海水循环基础系统、基于弹簧的点荷载试验机测试系统及点荷载与离子浓度监测显示系统内部构成及工作原理。接下来描述整个装置的安装顺序。
首先是基于弹簧的点荷载试验机测试系统安装。步骤一：先将下挡板16与支柱11及下压头15之间通过螺纹拧合连接固定，再按压弹簧12使其一端嵌入下挡板16环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定。接着将已组装完成的结构横向悬空放置在操作台上，然后将试样13从弹簧12另一端放置在其内部。步骤二：先将上挡板9与上压头10拧合连接固定，再按压弹簧12使其另一端嵌入上挡板9环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定。步骤三：通过顺时针旋转支柱11中丝杆结构的转轮，实现支柱11的伸长，并同时确保支柱11伸长量相等，支柱11伸长后长度应略大于上压头10、下压头15与试样13高之和，从而使得弹簧12被拉长，产生弹力。步骤四：先将试样夹14前端的夹具从弹簧12间隙中伸入并夹举起试样13，之后调整试样夹14位置，使试样13两端压点对准上压头10、下压头15尖端，接着抽出上挡板9上侧的插板，使支柱11丝杆上端从上挡板9两侧凹槽中伸出，待弹簧12回弹夹紧试样后，即可撤去试样夹14，此时即为上压头10、下压头15对准点位夹紧试样13。这时由于支柱11丝杆上端从上挡板9两侧凹槽中伸出，导致其对上挡板9的支持力消失，试样13与上压头10、下压头15之间产生与弹簧12回弹力大小相等的抵抗力，为测试所需的点荷载。综上所述，基于弹簧的点荷载试验机测试系统安装完成。
将上述已完成安装的基于弹簧的点荷载试验机测试系统作为一个整体，并将其带入整个申请所述装置的安装中。先将上述安装完成的基于弹簧的点荷载试验机测试系统卡入圆柱形耐腐蚀容器底部的卡座4上，再将配制好的模拟海水注入圆柱形耐腐蚀容器中，海水水位应高于侧面水循环圆孔，而后启动水循环模块中的抽水泵5，待水流流动稳定后，开启离子浓度监测模块7、下压头15中的压力监测模块及显示屏17，最后将圆柱形耐腐蚀容器顶盖3覆盖在圆柱形耐腐蚀容器上端，从而开始模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试。
待模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试结束后，按如下操作进行装置拆解。先打开圆柱形耐腐蚀容器的顶盖3取出基于弹簧的点荷载试验机测试系统8，并对其进行拆解：使用镊子拨开上挡板9环形凹槽中的弹性卡扣，使弹簧12与上挡板9分离，接着卸下、上压结构，取出试样13碎块，再是用镊子拨开下挡板16环形凹槽中的弹性卡扣，取下弹簧12，其余部分通过旋转螺纹分离。接着关闭水循环模块、离子浓度监测模块7以及下压头15中的压力监测模块及数据显示屏17，再倒出圆柱形耐腐蚀容器内海水，最后开始下次原位岩石疲劳强度测试或对各个部件进行清洗保养。
最佳实施方案一：以深圳市西部海域海水为参考，取适量海水过滤后待用，待测砂岩试样来自我国云南地区红砂岩，现探究在模拟海水下原位砂岩试样的疲劳强度与疲劳寿命。现测试在一种点荷载加载下砂岩试样的疲劳强度，设立3个平行试验组，测试每个平行试样的疲劳强度(单位MPa)，则平均疲劳强度为。取其中一个砂岩试样进行模拟海水腐蚀原位砂岩疲劳强度测试，其余两个砂岩试样的疲劳强度测试过程与其一致。再探究不同点荷载加载下砂岩试样的疲劳寿命，即通过调节弹簧，获得不同大小的点荷载，记录在不同点荷载下砂岩试样发生劈裂破坏的时间，从而获得砂岩试样的疲劳寿命规律。
首先进行基于弹簧的点荷载试验机加载系统的安装：将下挡板16与支柱11及下压头15之间通过螺纹拧合连接固定，再按压弹簧12一端使其嵌入下挡板16环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定，接着将已组装完成的结构横向悬空放置在操作台上，然后将试样13从弹簧12另一端伸入。将上挡板9与上压头10拧合连接固定，再将支柱11的丝杆伸入上挡板9两侧圆柱形凹槽中，接着按压弹簧12另一端使其嵌入上挡板9环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定。通过顺时针旋转支柱11中丝杆结构的转轮，实现支柱11的伸长，弹簧12因此被拉长，产生弹力。先将试样夹14前端的夹具从弹簧12缝隙中伸入并夹举起试样13，调整试样夹14位置，使上、下压头10、15对准试样13两端的点荷载测试点位，再逆时针旋转支柱11上转轮至弹簧12长度与上、下压头10、15与试样13高之和相等，接着将上挡板9上侧的插板抽出，支柱11上端在上挡板9两侧凹槽中伸出，弹簧12回弹，使试样13与上、下压头10、15之间产生与弹簧12弹力大小相等的压力，即为模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试所需的点荷载。再将上述安装完成的基于弹簧的点荷载试验机测试系统卡入圆柱形耐腐蚀容器底部的卡座4，再将配制好的模拟海水注入圆柱形耐腐蚀容器中，启动水循环模块中的抽水泵5，待水流流动稳定后，开启离子浓度监测模块7、下压头15中的压力监测模块及数据显示屏17，最后将圆柱形耐腐蚀容器的顶盖3覆盖在圆柱形耐腐蚀容器上端。原位砂岩在海水腐蚀下产生一定程度劣化，并在弹簧12提供的点荷载加载下，砂岩试样将发生劈裂破坏，即完成模拟海水腐蚀原位砂岩疲劳强度测试，同时记录试样发生破坏时的点荷载大小P 1 。
现需要将砂岩试样破坏时的点荷载P 1 换算成疲劳强度，计算步骤如下：
首先是计算砂岩试样的点荷载疲劳强度指数，如下式：
式中：I s1 为未经修正的砂岩试样点荷载疲劳强度指数，单位MPa; P 1 为砂岩试样破坏时的点荷载，单位N；D e1 为砂岩试样的等价岩芯直径，单位mm。
其次是对未经修正的砂岩试样点荷载疲劳强度指数进行修正：
根据国际岩石力学学会(ISRM)规定，将直径为50mm的圆柱体试件测定的径向加载点荷载疲劳强度指标值确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果应根据不同情况进行修订。
(1)当试验数据较多时，且同一组试件中的等价岩芯直径具有多种尺寸而不等于50mm时，应根据实验结果绘制与破坏荷载P的关系曲线，并在曲线上查找/>为2500mm2时所对应的P 50值，岩石点荷载疲劳强度指数按下式修正：
式中：为等价岩芯直径为50mm的岩石点荷载疲劳强度指数，单位为根据绘制/>-P关系曲线求得的/>为2500mm2时的荷载值，单位N。
(2)当试验数据较少且等价岩芯直径不为50mm时，岩石点荷载疲劳强度指数按下式修正：
式中：m为修正指数，可取0.40~0.45，或可根据同类岩石的经验值确定。
再使用修正后的点荷载疲劳强度指数换算为砂岩试样饱和单轴抗压强度，如下式：
式中：为通过岩石点荷载疲劳强度指标换算而成的岩石饱和单轴抗压强度。
最后按照相同的计算步骤换算出其余两个砂岩试样在海水腐蚀下的原位疲劳强度值，接着取平均值/>，即为该种砂岩在一种点荷载加载下模拟海水腐蚀下的原位疲劳强度/>，并记录此点荷载加载发生破坏的时间T1。再重复上述试验步骤开展不同点荷载加载下模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试，并获得不同疲劳强度/>同时记录发生破坏的时间T2、T3、······、Tn(单位d)，即疲劳寿命。因此，可发现不同点荷载加载下疲劳强度与疲劳寿命的规律。
最佳实施方案二：以深圳市西部海域海水为参考，取适量海水过滤后待用，待测试样为砂岩、花岗岩、大理岩，现探究在模拟海水腐蚀下三种岩石试样的疲劳强度、疲劳寿命大小。每种岩石试样在相同点荷载下加载，设立3个平行试验组，测试每个平行试样的疲劳强度(单位MPa)与疲劳寿命T1、T2、T3(单位d)，则平均疲劳强度为/3、平均疲劳强度为 T=( T1+ T2+ T3)/3。再比较砂岩、花岗岩、大理岩的疲劳强度/>与疲劳寿命Ts、Th、Td的大小关系，从而分析在海底隧道建设运营过程中哪种岩石耐疲劳性较差。
以花岗岩试样为例进行模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试：
首先进行基于弹簧的点荷载试验机加载系统的安装：将下挡板16与支柱11及下压头15之间通过螺纹拧合连接固定，再按压弹簧12一端使其嵌入下挡板16环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定，接着将已组装完成的结构横向悬空放置在操作台上，然后将试样13从弹簧12另一端伸入。将上挡板9与上压头10拧合连接固定，再将支柱11的丝杆伸入上挡板9两侧圆柱形凹槽中，接着按压弹簧12另一端使其嵌入上挡板9环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定。通过顺时针旋转支柱11中丝杆结构的转轮，实现支柱11的伸长，弹簧12因此被拉长，产生弹力。先将试样夹14前端的夹具从弹簧12缝隙中伸入并夹举起试样13，调整试样夹14位置，使上、下压头10、15对准试样13两端的点荷载测试点位，再逆时针旋转支柱11上转轮至弹簧12长度与上、下压头10、15与试样13高之和相等，接着将上挡板9上侧的插板抽出，支柱11上端在上挡板9两侧凹槽中伸出，弹簧12回弹，使试样13与上、下压头10、15之间产生与弹簧12弹力大小相等的压力，即为模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试所需的点荷载。再将上述安装完成的基于弹簧的点荷载试验机测试系统卡入圆柱形耐腐蚀容器底部的卡座4，再将配制好的模拟海水注入圆柱形耐腐蚀容器中，启动水循环模块中的抽水泵5，待水流流动稳定后，开启离子浓度监测模块7、下压头15中的压力监测模块及数据显示屏17，最后将圆柱形耐腐蚀容器的顶盖3覆盖在圆柱形耐腐蚀容器上端。原位花岗岩在海水腐蚀下产生一定程度劣化，并在弹簧12提供的点荷载加载下，花岗岩试样将发生劈裂破坏，即完成模拟海水腐蚀原位砂岩疲劳强度测试，同时记录试样发生破坏时的点荷载大小P 1 。
现需要将砂岩试样破坏时的点荷载P 1 换算成疲劳强度 ，计算步骤如下：
首先是计算砂岩试样的点荷载疲劳强度指数，如下式：
式中：I s1 为未经修正的砂岩试样点荷载疲劳强度指数，单位MPa; P 1 为砂岩试样破坏时的点荷载，单位N；D e1 为砂岩试样的等价岩芯直径，单位mm。
其次是对未经修正的砂岩试样点荷载疲劳强度指数进行修正：
根据国际岩石力学学会(ISRM)规定，将直径为50mm的圆柱体试件测定的径向加载点荷载疲劳强度指标值确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果应根据不同情况进行修订。
(1)当试验数据较多时，且同一组试件中的等价岩芯直径具有多种尺寸而不等于50mm时，应根据实验结果绘制与破坏荷载P的关系曲线，并在曲线上查找为2500mm2时所对应的P 50 值，岩石点荷载疲劳强度指数按下式修正：
式中：为等价岩芯直径为50mm的岩石点荷载疲劳强度指数，单位MPa；为根据绘制-P关系曲线求得的为2500mm2时的荷载值，单位N。
(2)当试验数据较少且等价岩芯直径不为50mm时，岩石点荷载疲劳强度指数按下式修正：
式中：m为修正指数，可取0.40~0.45，或可根据同类岩石的经验值确定。
再使用修正后的点荷载疲劳强度指数换算为砂岩试样饱和单轴抗压强度，如下式：
式中： 为通过岩石点荷载疲劳强度指标换算而成的岩石饱和单轴抗压强度。
最后按照相同的计算步骤换算出其余两个砂岩试样在海水腐蚀下的原位疲劳强度值，接着取平均值/>，即为花岗岩试样在点荷载加载下模拟海水腐蚀下的原位疲劳强度 ，并记录此点荷载加载发生破坏的时间Th。再重复上述试验步骤开展点荷载加载下模拟海水腐蚀原位砂岩、大理岩疲劳强度测试，并获得砂岩、大理岩的疲劳强度/>，同时记录发生破坏的时间，即疲劳寿命Ts、Td。因此，比较砂岩、花岗岩、大理岩的疲劳强度/>与疲劳寿命Ts、Th、Td的大小关系。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置，其特征在于：
包括海水循环基础系统和基于弹簧的点荷载试验机测试系统；
海水循环基础系统包括圆柱形耐腐蚀容器和水循环模块；水循环模块包括两根规格一致的导管（6）以及抽水泵（5）；圆柱形耐腐蚀容器包括底部（1）和侧面（2）；圆柱形耐腐蚀容器的底部（1）设有卡座（4），用于与基于弹簧的点荷载试验机测试系统中的下挡板（16）连接固定，圆柱形耐腐蚀容器的底部（1）具有一定的厚度，内部为中空结构，并在底部（1）的侧面设有圆孔，称之为底部圆孔，圆柱形耐腐蚀容器的侧面（2）也设有圆孔，称之为侧面圆孔，两处圆孔用于与水循环模块的两根导管（6）连接，抽水泵（5）将海水从圆柱形耐腐蚀容器的底部（1）泵出，底部（1）的上表面设有若干个通孔，从而实现圆柱形耐腐蚀容器内海水内循环；
基于弹簧的点荷载试验机测试系统包括上挡板（9）、上压头（10）、两根支柱（11）、弹簧（12）、下压头（15）、下挡板（16），还包括试样（13）及试样夹（14），上压头（10）的一端用于与上挡板（9）连接固定，下压头（15）的一端用于与下挡板（16）连接固定；下压头（15）集成了压力监测传输模块，用于对疲劳强度测试过程中点荷载大小的监测与记录，弹簧（12）首尾端分别与上挡板（9）、下挡板（16）连接固定；上挡板（9）与下挡板（16）均为扁平矩形体结构，且上挡板（9）与下挡板（16）的中心位置分别与上压头（10）、下压头（15）连接固定，支柱（11）一端与下挡板（16）固定连接，支柱（11）一端与上挡板（9）的连接方式为：上挡板（9）对应位置圆柱形凹槽无螺纹且贯通，并且在上挡板（9）上侧切削出一个插板，插板完全插入时能够挡住上挡板（9）两侧的凹槽孔洞，抽出时对应孔洞露出，使支柱（11）伸出，由此实现弹簧（12）的拉伸及支柱（11）支持力的消失；
支柱（11）下部为一粗杆，用于与下挡板（16）固定连接，粗杆内部中空，内置一丝杆结构，用于支柱（11）的伸长与缩短，支柱（11）内的丝杆长度应略大于支柱（11）总长度的一半，且丝杆上端无螺纹，其直径与上挡板（9）两侧圆柱形凹槽直径相等；按压弹簧（12）使其嵌入上挡板（9）、下挡板（16）环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定；
还包括点荷载与离子浓度监测显示系统，其包括集成压力监测传输模块的下压头（15）、离子浓度监测传输模块（7）、无线传输模块及显示屏（17），无线传输模块用于监测数据传输，点荷载试验机工作时产生的点荷载经过集成压力监测传输模块的下压头（15）测量后传输至显示屏（17），离子浓度监测传输模块（7）将离子浓度测量后也传输至显示屏（17）；
还包括顶盖（3），顶盖（3）覆盖圆柱形耐腐蚀容器的侧面（2）的上端，所述上压头（10）与下压头（15）外观尺寸一致，均为一端圆锥、一端圆柱的结构，其圆柱一端外侧加工成螺纹层，用于与上挡板（9）、下挡板（16）中心位置的螺纹凹槽拧合连接固定；
上挡板（9）与下挡板（16）中心位置均设有圆柱形螺纹凹槽，用于与上压头（10）、下压头（15）拧合连接固定；
上挡板（9）与下挡板（16）距离圆柱形螺纹凹槽外侧处有一圈环形凹槽，该环形凹槽的凹槽壁焊接有一圈按压式弹簧锁扣，呈螺旋状排布，按压弹簧（12）使其嵌入锁扣下方，从而将弹簧（12）首尾端与上挡板（9）、下挡板（16）连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置，其特征在于：下挡板（16）靠近边缘两侧设有圆柱形螺纹凹槽，且凹槽未贯通，用于与支柱（11）的螺纹端拧合连接固定。
3.一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试方法，其特征在于：其利用权利要求1或2所述的一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试装置，
首先是基于弹簧的点荷载试验机测试系统安装：
步骤一：先将下挡板（16）与两个支柱（11）及下压头（15）连接固定，再按压弹簧（12）使其一端嵌入下挡板（16）环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定；接着将已组装完成的结构横向悬空放置在操作台上，然后将试样（13）从弹簧（12）另一端放置在其内部；
步骤二：先将上挡板（9）与上压头（10）连接固定，再按压弹簧（12）使其另一端嵌入上挡板（9）环形凹槽中的按压式弹簧锁扣下方，完成二者之间的连接固定；
步骤三：通过旋转支柱（11）中丝杆结构的转轮，实现支柱（11）的伸长，并同时确保支柱（11）伸长量相等，支柱（11）伸长后长度应略大于上压头（10）、下压头（15）与试样（13）高之和，从而使得弹簧（12）被拉长，产生弹力；
步骤四：先将试样夹（14）前端的夹具从弹簧（12）间隙中伸入并夹举起试样（13），之后调整试样夹（14）位置，使试样（13）两端压点对准上压头（10）、下压头（15）尖端，接着抽出上挡板（9）上侧的插板，使支柱（11）丝杆上端从上挡板（9）两侧凹槽中伸出，待弹簧（12）回弹夹紧试样后，即撤去试样夹（14），此时即为上压头（10）、下压头（15）对准点位夹紧试样（13）；这时由于支柱（11）丝杆上端从上挡板（9）两侧凹槽中伸出，导致其对上挡板（9）的支持力消失，试样（13）与上压头（10）、下压头（15）之间产生与弹簧（12）回弹力大小相等的抵抗力，为测试所需的点荷载；基于弹簧的点荷载试验机测试系统安装完成；
将已完成安装的基于弹簧的点荷载试验机测试系统作为一个整体，并将其带入整个装置的安装中；先将上述安装完成的基于弹簧的点荷载试验机测试系统卡入圆柱形耐腐蚀容器底部的卡座（4）上，再将配制好的模拟海水注入圆柱形耐腐蚀容器中，海水水位应高于侧面水循环圆孔，而后启动水循环模块中的抽水泵（5），待水流流动稳定后，开启离子浓度监测传输模块（7）、下压头（15）中的压力监测模块及显示屏（17），从而开始模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试。
4.根据权利要求3所述的一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试方法，其特征在于：将圆柱形耐腐蚀容器顶盖（3）覆盖在圆柱形耐腐蚀容器上端，开始测试。
5.根据权利要求3所述的模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试方法，其特征在于：待模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试结束后，按如下操作进行装置拆解：取出基于弹簧的点荷载试验机测试系统（8），并对其进行拆解：拨开上挡板（9）环形凹槽中的弹性卡扣，使弹簧（12）与上挡板（9）分离，从而卸下上挡板（9），接着取出试样（13）碎块，再是拨开下挡板（16）环形凹槽中的弹性卡扣，取下弹簧（12），其余部分分离；接着关闭水循环模块、离子浓度监测传输模块（7）以及下压头（15）中的压力监测模块及数据显示屏（17）。
6.根据权利要求3所述的一种模拟海水腐蚀原位岩石疲劳强度测试方法，其特征在于：还包括以下步骤：倒出圆柱形耐腐蚀容器内海水，最后开始下次原位岩石疲劳强度测试或对各个部件进行清洗保养。
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