巖石流變擾動效應三軸實驗設備的製作方法
2023-12-02 18:32:21 2
本實用新型涉及一種巖石流變擾動效應三軸實驗設備。
背景技術：
流變特性，是巖石的固有屬性之一，實驗研究巖石在靜載荷長期作用下，其破壞形式與時間之間的關係，從而獲得流變力學參數，建立流變本構模型，可以更好的為隧道、採礦等地下巷道支護工程服務。
考慮現實工程中部分巷道周圍的巖體不僅只受長期靜載荷作用，當礦車經過，或者爆破掘進時，這些巖體就會受到應力波的衝擊。且距離巷道一定範圍內的巖體大部分已經接近或者超過強度極限狀態，此時受外部應力波的影響非常敏感，很容易出現巖體崩裂的現象。針對這方面的研究，目前國內還沒有可行的實驗系統進行室內模擬實驗，現有的研究大部分都集中在巖石受靜載荷作用下的流變實驗，對於外加的擾動荷載，基本沒有涉及。
單就現有的巖石流變儀，大部分採用液壓伺服原理，通過輸油油壓給巖石一個恆定的靜荷載，其缺點非常明顯，要實現幾個月甚至幾年的長期加載，保持其油壓的穩定性是很困難的，油壓系統會逐漸失穩，如果電力系統斷電，其實驗就被迫中斷。而且其擴力加載系統擴力倍數較小，然後其載荷承載有限，故實際操作起來只能模擬載荷偏小的流變實驗。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種巖石流變擾動效應三軸實驗設備，適用於各種試件進行壓力實驗，且結構簡單、成本低、測量精確。
上述的目的通過以下的技術方案實現：
一種巖石流變擾動效應三軸實驗設備，其組成包括：砝碼、鏈條、轉盤、油缸、靜態傳感器15，實驗臺上設置機架1，所述的機架1的上端左側設置齒輪Ⅰ2與齒輪Ⅱ，所述的齒輪Ⅰ2與齒輪Ⅱ之間通過傳動軸3相連接，所述的傳動軸3的外側還連接傳動轉盤Ⅰ4與傳動轉盤Ⅱ，所述的傳動轉盤Ⅰ4上纏繞傳動鏈條Ⅰ5，所述的傳動鏈條Ⅰ5的底端連接託盤Ⅰ6，所述的託盤Ⅰ6上擺放重力砝碼7；
所述的傳動轉盤Ⅱ上纏繞傳動鏈條Ⅱ，所述的傳動鏈條Ⅱ的底端連接託盤Ⅱ，所述的託盤Ⅱ上也擺放重力砝碼7；
所述的齒輪Ⅰ2嚙合齒條Ⅰ8，所述的齒條Ⅰ8的底部固定連接伸縮軸Ⅰ9，所述的伸縮軸Ⅰ9的底端插入油缸Ⅰ10內，所述的油缸Ⅰ10通過管線連接液壓泵11與油缸Ⅱ12；
所述的油缸Ⅱ12內裝入伸縮軸Ⅱ13，所述的伸縮軸Ⅱ13的頂面設置承壓板14，所述的承壓板14的頂面設置靜態傳感器15，所述的靜態傳感器15的頂面放置找平球面垛Ⅰ16，所述的找平球面垛Ⅰ16上懸空找平球面垛Ⅱ17，所述的找平球面垛Ⅱ17的頂端擺放試件18，所述的試件18的上端設置衝擊動態傳感器19，所述的衝擊動態傳感器19套在傳力板20的底端，所述的傳力板20的一端底面設置位移計21，所述的傳力板20的上端設置傳力連杆22，所述的傳力連杆22的頂端穿過衝擊砝碼23的中心，所述的傳力連杆22的頂端穿過卡槽38連接在頂座（41）上，所述的頂座（41）固定設置在頂板（42）上，所述的頂板（42）固定連接在機架1，所述的衝擊砝碼23放置在卡槽38上。
所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，所述的試件18的外表面包裹熱縮管，所述的熱縮管的外表面兩端分別套有金屬環，所述的試件18、熱縮管與金屬環組成的整體放入三軸壓力箱24的凹槽26內，所述的三軸壓力箱24的頂端設置加壓塊25，所述的三軸壓力箱24的底端右側開有進口27，所述的三軸壓力箱24的底端左側開有出口28，所述的三軸壓力箱24的左側設置凸柱29，所述的凸柱29上開有傳感器走線口，所述的凸柱29上開有進油口30。
所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，所述的加壓塊25上螺紋連接抬起環31，所述的三軸壓力箱24上螺紋連接抬起環31。
有益效果：
1.本實用新型採用外置重力機械加載的補壓原理，避免了因斷電或漏油而造成的壓力下降，在長時間的實驗周期中，保證了壓力的穩定。
2.本實用新型的流變儀上配有兩個傳動轉盤，採用槓桿原理，有效的增加其擴力加載倍數，擴力比可達到1:100。
3.本實用新型為滿足單三軸實驗衝擊砝碼下落高度的不同，特製多種不同高度的傳力連杆，傳力連杆下端表面進行拋光處理，與表面拋光後的傳力板進行非剛性搭接，從而減小衝擊砝碼下落時重力勢能損耗，較完整的轉化為對試件的衝擊載荷；同時設置一套自動找平球面垛，保證裝置能夠穩定承受軸向壓力，避免錯位失穩。
4.本實用新型為精確測量擾動能量的大小，基於衝擊砝碼重力勢能轉化為衝擊能量的原理，設計一套衝擊傳感器和衝擊位移採集系統裝置。
5.本實用新型研製出了一套圍壓加載設備，其三軸壓力箱，油壓泵以及手動補壓裝置，可以長期為實驗提供穩定的圍壓值。
附圖說明：
附圖1是本實用新型的巖石流變擾動儀的結構示意圖。
附圖2是附圖1的局部放大示意圖。
附圖3是本實用新型的三軸壓力箱的結構示意圖。
附圖4是附圖2的局部放大示意圖。
附圖5是本實用新型的油壓泵的結構示意圖。
附圖6是本實用新型的巖石流變擾動儀三軸的結構示意圖。
附圖7是附圖6的局部放大示意圖。
具體實施方式：
實施例1
一種巖石流變擾動效應三軸實驗設備，其組成包括：砝碼、鏈條、轉盤、油缸、靜態傳感器15，實驗臺上設置機架1，所述的機架1的上端左側設置齒輪Ⅰ2與齒輪Ⅱ，所述的齒輪Ⅰ2與齒輪Ⅱ之間通過傳動軸3相連接，所述的傳動軸3的外側還連接傳動轉盤Ⅰ4與傳動轉盤Ⅱ，所述的傳動轉盤Ⅰ3設置在齒輪Ⅰ2的外側，所述的傳動轉盤Ⅱ設置在齒輪Ⅱ的外側，所述的傳動軸3插入機架1的轉動通口內，所述的傳動轉盤Ⅰ4上纏繞傳動鏈條Ⅰ5，所述的傳動鏈條Ⅰ5的底端連接託盤Ⅰ6，所述的託盤Ⅰ6上擺放重力砝碼7；
所述的傳動轉盤Ⅱ上纏繞傳動鏈條Ⅱ，所述的傳動鏈條Ⅱ的底端連接託盤Ⅱ，所述的託盤Ⅱ上也擺放重力砝碼7；
所述的齒輪Ⅰ2嚙合齒條Ⅰ8，所述的齒條Ⅰ8的底部固定連接伸縮軸Ⅰ9，所述的伸縮軸Ⅰ9的底端插入油缸Ⅰ10內，所述的油缸Ⅰ10通過管線連接液壓泵11與油缸Ⅱ12；
所述的油缸Ⅱ12內裝入伸縮軸Ⅱ13，所述的伸縮軸Ⅱ13的頂面設置承壓板14，所述的承壓板14的頂面設置靜態傳感器15，所述的靜態傳感器15的頂面放置找平球面垛Ⅰ16，所述的找平球面垛Ⅰ16上懸空找平球面垛Ⅱ17，所述的找平球面垛Ⅱ17的頂端擺放試件18，所述的試件18的上端設置衝擊動態傳感器19，所述的衝擊動態傳感器19套在傳力板20的底端，所述的傳力板20的一端底面設置位移計21，所述的傳力板20的上端設置傳力連杆22，所述的傳力連杆22的頂端穿過衝擊砝碼23的中心，所述的傳力連杆22的頂端穿過卡槽38連接在頂座（41）上，所述的頂座（41）固定設置在頂板（42）上，所述的頂板（42）固定連接在機架1，所述的衝擊砝碼23放置在卡槽38上。
所述的找平球面垛Ⅰ28的頂端開有球形凹槽，所述的找平球面垛Ⅱ15的底端設置球形凸起，所述的球形凸起配合球形凹槽使用，所述的找平球面垛Ⅰ28與找平球面垛Ⅱ15之間分離設置。
實施例2
實施例1所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，所述的試件18的外表面包裹熱縮管，所述的熱縮管的外表面兩端分別套有金屬環，所述的試件18、熱縮管與金屬環組成的整體放入三軸壓力箱24的凹槽26內，所述的三軸壓力箱24的頂端設置加壓塊25，所述的三軸壓力箱24的底端右側開有進口27，所述的進口23可為進水口或進氣口，所述的三軸壓力箱24的底端左側開有出口28，所述的出口24可為出水口或出氣口，所述的三軸壓力箱24的左側設置凸柱29，所述的凸柱29上開有傳感器走線口，所述的凸柱29上開有進油口30，進油口就在三軸箱外部，水平高度跟進口23一樣。
實施例3
實施例2所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，所述的加壓塊25上螺紋連接抬起環31，所述的三軸壓力箱24上螺紋連接抬起環31。
實施例4
實施例1所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，進行單軸實驗時，先將各部件按照各位置組裝成巖石流變擾動儀，再將試件18上貼好靜態電阻應變片，同時將靜態電阻應變片連接在靜態電阻應變儀上，將試件18放置在靜態傳感器15上，記錄靜態傳感器15的初始讀數，打開液壓泵11，將通過伸縮軸Ⅱ13將承壓板14上升至一定高度，使試件18的上表面與傳力板20緊密接觸；
將預先準備好的實驗設計的第一量級重量的重力砝碼7疊放在託盤上，觀察靜態傳感器15的讀數，調整重力砝碼7的量級，達到實驗載荷要求。
實施例5
實施例1和2所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，進行三軸試驗時，先將試件18、熱縮管與金屬環組成的整體外部貼有橫縱向靜態電阻應變片，再將貼有橫縱向靜態電阻應變片的整體放置於三軸壓力箱24的底部凹槽26處，將橫縱向靜態電阻應變片的導線通過三軸壓力箱24的兩測傳感線出口28伸出，並連接到靜態電阻應變儀上，密封后，完成箱體作業；
再將完成密封的三軸壓力箱24放入找平球面垛Ⅱ17的上表面，更換長度適中的傳力連杆22，將傳力板20放置在三軸壓力箱24的頂端的加壓塊25的頂面，打開液壓泵11，上升承壓板14，使傳力板20與加壓塊25緊密接觸，在託盤Ⅰ6上疊加實驗設計要求的重力砝碼7，從而使傳力板20對三軸壓力箱24施加軸壓；
三軸壓力箱24的進油口30連接進油管32，進油管32連接在油壓泵33上，打開油壓泵33的進油閥34，待油壓表35轉動後，立刻關閉進油閥34，依靠手動補壓泵36進行補壓，直到滿足實驗圍壓要求，油壓穩定後讀取油壓表35上的數據，並隨時間記錄靜態電阻應變儀的應變量；
油壓泵33上包括油壓表35、進油閥34、出油開關37、洩油閥38、分流閥39與手動補壓泵36，所述的油壓表33、進油閥34、出油開關37、洩油閥38依次排列在油壓泵33的上端，所述的手動補壓泵36通過油通管40連接油壓泵33，所述的分流閥39與進油管32均設置在油通管40上。
實施例6
實施例1所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，進行單軸擾動載荷加載實驗時，根據所要施加衝擊載荷的量級，需要更換不同規格的傳力連杆22，傳力連杆22的上端可以與機架1上部進行機械錨固，傳力連杆22的下端的可以與傳力板20自由搭接，傳力板20的底端放置試件18，試件18擺放在找平球面垛Ⅱ17上；
在傳力板20的側面吸附擾動荷載傳感器，所述的擾動荷載傳感器帶有磁性，可直接吸附在上，荷載傳感器的另一端通過數據線與擾動荷載採集儀相連；
當擾動開始，首先打開傳力連杆22的上端卡槽38，衝擊砝碼23立刻沿傳力連杆22自由下落，衝擊砝碼23的重力勢能轉化為衝擊載荷，讀取衝擊瞬間擾動荷載採集儀的數據，並將擾動荷載採集儀記錄下來，再重新將衝擊砝碼23設置於卡槽38中，準備下一次衝擊，並記錄讀數，重複數次。
實施例7
實施例1所述的巖石流變擾動效應三軸實驗設備，進行三軸擾動載荷加載實驗時，根據所要施加衝擊載荷的量級，需要更換不同規格的傳力連杆22，傳力連杆22的上端可以與機架1上部進行機械錨固，傳力連杆22的下端可以與傳力板20自由搭接，傳力板20的底端放置三軸壓力箱24，三軸壓力箱24擺放在找平球面垛Ⅱ17上；
在傳力板20側面吸附擾動荷載傳感器，荷載傳感器的另一端通過數據線與擾動荷載採集儀相連；
當擾動開始，首先打開傳力連杆22的上端卡槽38，衝擊砝碼23立刻沿傳力連杆22自由下落，衝擊砝碼23的重力勢能轉化為衝擊載荷，讀取衝擊瞬間擾動荷載採集儀的數據，並被擾動荷載採集儀記錄下來，再重新將衝擊砝碼23設置於卡槽38中，準備下一次衝擊，並記錄讀數，重複數次。
巖石流變擾動效應的實驗設備具體的特點：
1、流變擾動效應實驗儀主要包括機架和試驗臺，軸壓加載系統通過擴力裝置和傳力連杆，可對試驗臺上的試件施加恆定荷載，所述的擴力裝置固定與機架上，組件包括曲軸、偏心輪、槓桿、滑輪組、齒輪，最後通過加載砝碼施加恆定軸向荷載。
2、擾動加載系統選擇操作性比較高的衝擊擾動加載裝置，將衝擊砝碼置於傳力連杆上，衝擊砝碼沿傳力連杆自由下落實現對試件施加衝擊擾動荷載。
3、鑑於衝擊擾動載荷是通過振動能量波的形式傳播到試件上，因此所述的擾動加載系統還包括振動裝置，通過振動能量波實現對試件的擾動。
4、針對巖石流變擾動效應三軸實驗，在有了恆定的軸壓加載系統後，還需要對試件施加圍壓荷載，故研製出了三軸壓力箱，將試塊置於三軸壓力箱內，所述軸壓加載系統和擾動加載系統通過三軸壓力箱實現對試件施加恆定荷載和擾動荷載，且三軸壓力箱對試件施加圍壓荷載。
5、圍壓系統採用的三軸壓力箱，內置固定試件裝置及氣體或液體循環迴路系統，充氣體或者液體均可保證其圍壓載荷。密閉壓力箱的頂部設有與外部想通並可與箱體相對滑動的加壓塊，外部軸向荷載可通過加壓塊作用與試塊。
理論原理：
與巖體實際受力情況不同的是，該室內實驗在圍壓相等情況下進行，即假三軸，第二主應力與第三主應力相等（σ2=σ3）。但其在三軸應力下的破壞機理仍與工程實際受力擾動破壞相似。
大量已有研究表明巖石所受外力大小介於長期強度和單軸抗壓強度σc之間時，外界擾動對其內部結構破壞越敏感。故三軸流變擾動實驗開始前，需對巖石進行不同圍壓狀態下三軸蠕變實驗，實驗結果得到不同圍壓下對應的長期強度值（Ｓ∞），找出圍壓和長期強度之間的定性關係，然後選取適當的圍壓值和對應的長期強度進行三軸流變擾動實驗。進行三軸流變擾動實驗時，將擾動衝擊時間點分為巖石未達到長期強度之前和達到長期強度之後，以便對兩種巖石蠕變狀態受擾動衝擊作比較。同時在進行擾動衝擊時，可改變擾動衝擊次數（N）以及衝擊砝碼的質量（m），衝擊高度（h）三個變量，從而改變每一次衝擊力（F）和衝擊作用時間（t）值，並記錄每次衝擊造成的宏觀位移（u）,進一步研究相同衝擊次數和相同衝擊高度下，不同質量衝擊砝碼對巖石的擾動效果，相同質量衝擊砝碼和相同衝擊高度在不同擾動次數下對巖石擾動效果，以及相同質量衝擊砝碼和相同衝擊次數下，不同衝擊高度對巖石擾動效果。從而找出變量之間的定量關係。
鑑於衝擊擾動加載是一種能量形式的轉換，即衝擊砝碼自由落體後的重力勢能轉換為對試件的衝擊能量。因此設置衝擊動態傳感器、位移計及配套採集儀，精確讀取每一次衝擊擾動的衝擊力（F）和衝擊作用時間（t）,最後通過理論換算即可得到每一次衝擊擾動能量∆W，即∆W=F*t。
巖石三軸蠕變實驗原理：
該實驗為了得到巖石在不同圍壓下的長期強度，將取樣打磨好的巖石試件9貼好靜態電阻應變片放置於三軸壓力箱21內，連接油壓泵32施加實驗設計的圍壓值，並通過手動補壓泵38對其補壓，使其圍壓長時間穩定不變。
將三軸壓力箱21放置於流變儀試驗臺上，通過擴力裝置對其施加軸向壓力，將擬施加的最大載荷按單軸抗壓強度分為若干級，由小到大逐級加載，每級荷載持續時間定為倆天；每級加載完，立即讀取瞬時應變值，此後1小時內，按5分鐘，10分鐘，15分鐘，30分鐘的間隔記錄應變值，再往後為1小時，2小時，4小時，8小時讀取。
當靜態應變儀上蠕變曲線的應變增量（∆ε）隨時間變化較小且有上升趨勢時，表明巖石試件9已經達到長期強度，開始進入穩定蠕變階段，此時記下軸向應力值A，並停止加載。採用二分法，對A值進行優化，即取A級應力的低一級荷載值B。重新取樣再次進行上述蠕變實驗，第一級荷載大小設計為略小於值(A+B)/2，第二級荷載略大於該值，第一次加載直接加載到設計值，蠕變兩天後，加載下一級設計值。
觀察蠕變曲線，若兩階段都處於衰減趨勢，則加大荷載設計值，使之越來越接近A，若蠕變曲線逐漸上升，則減小荷載設計值，使之越來越接近B值。若一個衰減，一個上升，則大致確定(A+B)/2即為長期強度值。改變圍壓值，重複以上實驗，即可得到巖石在不同圍壓下對應的長期強度。
巖石三軸流變擾動實驗原理：
在以上實驗的基礎上，選取適當的兩組圍壓及長期強度值，重複以上操作，在圍壓穩定不變的情況下，直接對三軸壓力箱施加與長期強度值相等的軸壓，經過一段時間蠕變後，觀察蠕變曲線，當曲線隨時間變化趨於穩定時，開始進行衝擊擾動加載，並記錄衝擊次數(N)、衝擊砝碼質量（m）、衝擊高度（h）、衝擊力（F）、衝擊作用時間（t）、位移（u）、應變增量(∆ε)，最後通過上述理論換算，得出巖石在穩定蠕變階段下受衝擊擾動能量(∆W)和衝擊次數(N)產生應變增量(∆ε)的本構關係。當蠕變曲線隨時間變化呈上升趨勢時，重複以上過程，得出巖石在加速蠕變階段下受衝擊擾動能量(∆W)和衝擊次數(N)產生應變增量(∆ε)的本構關係。
單軸和三軸實驗過程中，擾動荷載加載和採集過程：
單軸擾動：衝擊動態傳感器套置在傳力連杆上，旁邊設有一個位移計，待蠕變時間達到實驗要求後，開始進行擾動荷載加載，打開卡槽，衝擊砝碼自由下落，衝擊動態傳感器，記錄一瞬間衝擊動態傳感器採集儀讀數，以及對應位移計讀數，整個過程即為一次衝擊。改變衝擊砝碼重量、傳力連杆長度（衝擊砝碼下落高度）、衝擊次數，來達到不同實驗設計要求。
三軸擾動：擾動加載過程基本跟上述單軸過程一樣，三軸箱放置在下承壓板上，靜態傳感器放在三軸箱上面即可。
當然，上述說明並非是對本實用新型的限制，本實用新型也並不僅限於上述舉例，本技術領域的技術人員在本實用新型的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本實用新型的保護範圍。