专利名称：材料流变扰动效应实验系统及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种材料流变及其扰动效应实验技术，尤其涉及一种测试岩石流变参数的压力实验系统及应用该系统的实验方法。
背景技术：
流变特性，是岩石的固有属性之一，对岩石进行实验测试，获得岩石的流变力学参数，可以很好地为工程服务。目前的岩石流变实验均是在静载荷下进行的。
但是，工程实践中的相当一部分岩体，例如硐室围岩不仅要承受静载荷，而且还要承受动载荷的作用。这些随机的扰动载荷包括爆破，矿车震动，邻近的巷道施工扰动以及一些随机的应力波冲击。特别在深部开采条件下，工程岩体承受的静载荷已经相当大，峒室附近一定范围内岩体已经处于或接近强度极限状态，此时岩石的流变特性将对上述的随机的扰动作用相当敏感，而目前的实验装置对岩石在静载流变状态下受到扰动载荷的特性尚不能进行试验研究。
单就岩石流变实验而言，目前的流变试验装置有的是液压伺服试验装置，但是由于流变试验本身是一个长时间的工作环境，长时间加载情况下液压系统会不稳定、压力会降低，这时需要人工进行续加压，加载过程中载荷会有波动；而且液压伺服要消耗大量的电能，需要长期稳定的连续电源做保障，要实现几个月乃至几年的长期连续加载十分困难；而且这种装置的造价很昂贵，成本高。
进行岩石流变实验，也有的用弹簧加载，但其载荷有限；也有的是重力加载、通过动滑轮的组合进行扩力传动的，试验成本低，但是试验装置结构繁杂，扩力倍数较小，测试精度较低。
目前，现在还没有简单有效地进行岩石流变扰动效应实验测试的方法与仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、测试精确的材料流变扰动效应实验系统及实验方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明的材料流变扰动效应实验系统，包括机架、试验台，机架上设有恒载加载系统，所述的恒载加载系统可对试验台上的试件施加恒定载荷，所述的恒加载系统包括加载装置、扩力装置和传力连杆，所述扩力装置设于机架上，所述加载装置通过扩力装置和传力连杆实现对试件施加恒定载荷。
所述的扩力装置包括曲轴或偏心轮或杠杆或滑轮组或齿轮；所述的加载装置通过加载砝码施加恒定荷载。
所述的压力实验系统还包括扰动加载系统，所述的扰动加载系统可对试件施加扰动载荷。
所述的扰动加载系统包括冲击扰动加载装置，所述冲击扰动加载装置包括设于传力连杆上并可沿传力连杆自由滑动的冲击砝码，冲击砝码沿传力连杆自由下落实现对试件施加冲击扰动载荷。
所述的扰动加载系统还包括爆破扰动加载装置，所述爆破扰动加载装置包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体之间设有扰动爆破腔，所述扰动爆破腔内可装入爆炸物，爆炸物爆炸可实现对试件施加爆破扰动载荷。
所述的扰动加载系统还包括振动装置，所述的振动装置通过振动实现对试件施加扰动载荷。
所述的压力实验系统还包括围压加载系统，所述的围压加载系统可对试件施加围压载荷。
所述的围压加载系统包括三轴压力箱，所述试块置于三轴压力箱内，所述恒载加载系统和/或扰动加载系统通过三轴压力箱实现对试件施加恒定载荷和/或扰动载荷，且三轴压力箱对试件施加围压载荷。
所述的三轴压力箱包括密闭箱体，密闭箱体内设有环形胶囊，所述试块置于环形胶囊形成的环形空间内，环形胶囊内充入气体和/或液体后可实现对试件施加围压载荷；所述密闭箱体还设有与外部相通并可与密闭箱体相对滑动的加压块，外部载荷可通过加压块作用于试块。
本发明的材料流变扰动效应实验方法，通过上述材料流变扰动效应实验系统可以实现对试件进行下述至少一种实验单轴流变实验；单轴流变扰动实验；三轴流变试验；三轴流变扰动实验。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的材料流变扰动效应实验系统及实验方法，由于包括恒加载系统，通过重力加载装置、曲轴扩力装置和传力连杆可实现对试件施加恒定载荷，结构简单、加载稳定、传力比大；又由于还包括扰动加载系统，可通过冲击扰动加载装置和爆破扰动加载装置实现对试件施加冲击扰动载荷及爆破扰动载荷；
又由于还包括围压加载系统，可通过三轴压力箱对试件施加围压载荷。三轴压力箱包括密闭箱体，密闭箱体内设有环形胶囊，试块置于环形胶囊形成的环形空间内，环形胶囊内充入液体后可实现对试件施加围压载荷，可很方便的实现对试件进行三轴加压。
通过上述压力实验系统可以实现对试块进行单轴流变实验、单轴流变扰动实验、三轴流变试验、三轴流变扰动实验。结构简单、成本低、测试精确，适用于对各种材料试件进行流变扰动效应试验，尤其适用于对岩石试件进行流变扰动效应实验。
图1为本发明压力实验装置的立面结构示意图；图2为本发明压力实验装置的侧面结构示意图；图3为本发明压力实验装置的平面结构示意图；图4为三轴压力箱的结构示意图一；图5为三轴压力箱的结构示意图二；图6为三轴箱内环形胶囊结构形成过程参考图。
图中1、底座板，2、托盘，3、加载砝码，4、链条，5、转盘，6、传力连杆，7、曲轴，8、机架，9、上端盖板，10、导向板，11、底座，12、升降螺栓，13、实验台，14、冲击砝码，15、小托盘，16、压头，17、承压板，18、试件，19、压力传感器，20、扰动爆破腔，21、机械锁紧机构，22、后端锁紧螺栓，23、前端锁紧螺栓，24、爆破扰动加载装置，25、加压块，26、千分表，27、三轴箱底座，28、上压力表，29、下压力表，30、胶囊，31密闭箱体。
具体实施例方式
本发明的材料流变扰动效应实验系统较佳的具体实施方式
如图1、图2、图3所示，包括机架8、试验台13，机架8上设有恒加载系统，所述的恒加载系统可对试验台13上的试件18施加恒定载荷，所述的恒加载系统包括加载装置、扩力装置和传力连杆6，所述扩力装置设于机架8上，所述加载装置通过扩力装置和传力连杆6实现对试件18施加恒定载荷。
所述的加载装置包括重力加载砝码3，所述的扩力装置包括曲轴7，也可以采用偏心轮或杠杆或滑轮或齿轮扩力。
具体是由底座板1、机架8构成压力实验系统的主框架，机架8设于底座板1上。实验台13设在底座11上，底座11可以在升降螺栓12作用下可以实现机械升降调整实验台13的高度，使试验空间来适应试件的高度，试件18与实验台13之间设有压力传感器19，试件18上设有承压板17。
恒加载系统中，加载装置由托盘2，重力加载砝码3，链条4构成。链条4通过特制螺栓连接，同时缠绕在转盘5上，加载时将重力加载砝码3按顺序罗列在托盘2上，同时观察试验台13上的压力传感器19的显示值，通过调整砝码3的量级达到试验所要求的载荷；扩力装置由转盘5、曲轴7构成，并通过传力连杆6将载荷传递到试件18上，曲轴7与转盘5通过特制螺栓连接在一起，曲轴扩力装置根据杠杆原理设计，通过曲轴来实现扩力，扩力比可达到50倍以上，可以在加载比较小的砝码重量时就能获得较大的加载力；曲轴7通过和传力连杆6连接，实现加载力的传递，传力连杆6下端接有压头16，压头16与承压板17连接就可以将载荷施加到试验试件18上。为了使传力连杆6的轴向方向与垂直方向一直，保证加载力垂直施加到试件18上，在机架8的中部装有导向板10，压头16通过导向板10保持垂直方向。
加载装置也可以不通过重力加载而通过其它方式加载；扩力装置也可以不用曲轴扩力，而用偏心轮或杠杆或滑轮或齿轮等扩力方式扩力，或者用这些扩力方式的组合，也可以用其它的扩力方式。
在加载时，为防止瞬时冲击，本发明还设有机构锁紧装置21，包括前端锁紧螺栓23和后端锁紧螺栓22，先将锁紧装置21调至锁紧状态，将重力加载砝码3罗列到托盘5上，然后松开锁紧装置21，这样重力载荷就通过曲轴扩力传力系统施加到试验试件18上。
所述的压力实验系统还包括扰动加载系统，所述的扰动加载系统可对试件18施加扰动载荷。
所述的扰动加载系统包括冲击扰动加载装置，所述冲击扰动加载装置包括设于传力连杆6上并可沿传力连杆自由滑动的冲击砝码14，冲击砝码14沿传力连杆6自由下落实现对试件18施加冲击扰动载荷。
具体是在压头16上方的合适位置装有小托盘15，冲击砝码14罗列在小托盘15上，当需要施加冲击载荷时，根据所要施加冲击载荷的量级，将一定质量的冲击砝码14组合在一起沿着传力连杆6提升到一定高度，让其自由落体，重力势能转化成冲击载荷。
所述的扰动加载系统还包括爆破扰动加载装置24，所述爆破扰动加载装置24包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体之间设有扰动爆破腔20，所述扰动爆破腔20内可装入爆炸物，爆炸物爆炸可实现对试件施加爆破扰动载荷。
具体是在实验台13的上方预设扰动爆破腔20，通过在里面引爆雷管模拟爆破振动，爆破扰动加载装置24采用分体式结构，可以使爆破振动很好地传到试件上。
所述的扰动加载系统还可以包括振动装置通过振动实现对试件18施加扰动载荷。也可以通过其它的扰动装置施加扰动载荷。
所述的压力实验系统还包括围压加载系统，所述的围压加载系统可对试件18施加水平方向的围压载荷。
所述的围压加载系统包括三轴压力箱，所述试块18置于三轴压力箱内，所述恒载加载系统、扰动加载系统通过三轴压力箱实现对试件施加恒定载荷及扰动载荷，三轴压力箱对试件18施加围压载荷。
如图4、图5所示，所述的三轴压力箱包括密闭箱体31，密闭箱体31内设有环形胶囊30，所述试块置于环形胶囊30形成的环形空间内，环形胶囊30内充入气体后可实现对试件18施加水平方向的围压载荷，环形胶囊30内也可以充入液体或气液混合物或其它介质。所述密闭箱体31还设有与外部相通并可与密闭箱体31相对滑动的加压块25，外部载荷可通过加压块25作用于试块18。
如图6所示，是环形胶囊30的制作过程。
具体三轴箱还可以设有三轴箱底座27，千分表26，上压力表28和下压力表29组成。三轴试验时，将三轴箱放到工作台13上，将试验试件18放到三轴箱腔内，然后通过底座升降螺栓12调节实验台13的高度，使三轴箱加压块25与承压板17接触，此时外接油源通过接口向环形胶囊30内供油，调节围压到试验要求水平，重力荷载通过曲轴扩力传力系统施加到三轴箱的加压块25上，加压块25向下运动对试件施加载荷，此时的试件变形通过三轴箱上的千分表26读出，轴向载荷可以通过上部压力表28读出，围压可以通过下部压力表29读出。
本发明的材料流变扰动效应实验方法，通过上述材料流变扰动效应实验系统可以实现对试块18进行下述至少一种实验单轴流变实验；单轴流变扰动实验；三轴流变试验；三轴流变扰动实验。
本发明试验过程的简单介绍如下在对试验试件18进行实验之前，先将静态电阻应变片在岩石试件18上贴好，同时连接到电测静态电阻应变仪上，此时要把初读数记录下来。
转动转盘5，通过带动曲轴7和传力连杆6将承压板17升高，目的给承压板17足够的行程空间，保证在此行程范围内试验可以完成。
调整机构锁紧装置21，将机构锁紧，将试验试件18放到压力传感器19上，通过调整升降螺栓12实现实验工作台13的升降，使试验试件18与上承压板17轻微接触，并通过敲动压力传感器19的压头进行调平。
将预定加载砝码3按顺序罗列在托盘2上，松开机构锁紧装置21，载荷即可施加到试件18上，通过压力传感器19的显示读数调整加载砝码3的量级，达到实验要求的载荷。
根据试验时间通过静态电阻应变仪读出各个时间的应变量。
根据所要施加冲击载荷的量级，将一定质量的冲击砝码14组合在一起沿着传力连杆6提升到一定高度，让其自由落体，重力势能转化成冲击载荷。同时可以在扰动爆破腔20内引爆一定量级的雷管施加爆破震动扰动。
进行三轴试验时，将三轴箱放到工作台13上，将试验试件18放到三轴箱腔内，然后通过底座升降螺栓12调节实验台13的高度，使三轴箱上的加压块25与承压板17接触，此时外接油源通过接口向环形胶囊30腔内供油，调节围压到试验要求水平，重力荷载通过曲轴扩力传力系统施加到三轴箱上的加压块25上，加压块25向下运动对试件施加载荷，此时的试件18变形通过三轴箱上的千分表26读出；进行单轴试验时，可以将三轴箱取下。
三轴箱使用新式环形胶囊进行岩石三轴流变实验，可以将对岩石试件施加围压的油液(气体)密封在胶囊内，压力油液(压力气体)不直接接触岩石试件，就不会进入岩石试件内部。这样既实现了对压力油液(压力气体)的有效密闭，又防止了压力油液(压力气体)进入岩石试件。
可以使用气压罐施加围岩。这样，一是供压稳定，二是易于密封，三是省去了机械动力便于长期实验(例如几个月或一年以上的时间)。
本发明的性能特点及较佳的参数是重力机械式加载，偏心轮扩力，扩力比可达50倍以上；在承压板上施加重力冲击载荷，同时可以在扰动爆破腔内引爆小量级雷管模拟爆破扰动；恒定载荷6×104kg；围压载荷10MPa；扰动冲击砝码重量5-20kg；外观尺寸1000×1260×1820mm3；工作台面尺寸300×300mm2。
本发明采用重力加载，大直径偏心轮曲轴扩力系统，扩力比达50倍，能够保持施加载荷在任意长时间内稳定，克服了电液伺服等加载波动对变形的影响，使流变试验结果更符合“应力为常量”的条件。
在研究静载流变的同时，通过施加随机扰动载荷，试验研究岩石的流变扰动特性。随机扰动载荷的施加有两种方式一是通过将套在传力连杆上的一定质量的砝码提升到一定高度，让其自由落体冲击承压板，承压板将扰动载荷传递给岩石试件。二是通过预设的爆破腔内引爆雷管等爆炸物来模拟爆破扰动。通过扰动载荷的施加和试验试件所表现出来的响应研究岩石的流变扰动特性。
还可以利用三轴箱进行岩石的三轴试验，可以完成常规三轴压缩试验和三轴静荷载流变实验，以及三轴流变扰动特性的试验研究。该三轴箱由环形胶囊，外包密闭箱体组成。三轴箱外接油源，通过压力罐加压，液压油充满环形胶囊腔体并对放在腔内的岩石试件施加围压，减少了磨擦阻力的影响，而且可以通过压力瓶调节至试验需要的压力并保持长期稳定。
结构简单、成本低、测试精确，适用于对各种试件进行压力试验，尤其适用于对岩石试件进行压力实验。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种材料流变扰动效应实验系统，包括机架、试验台，机架上设有恒载加载系统，所述的恒载加载系统可对试验台上的试件施加恒定载荷，其特征在于，所述的恒加载系统包括加载装置、扩力装置和传力连杆，所述扩力装置设于机架上，所述加载装置通过扩力装置和传力连杆实现对试件施加恒定载荷。
2.根据权利要求1所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的扩力装置包括曲轴或偏心轮或杠杆或滑轮组或齿轮；所述的加载装置通过加载砝码施加恒定荷载。
3.根据权利要求1所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的压力实验系统还包括扰动加载系统，所述的扰动加载系统可对试件施加扰动载荷。
4.根据权利要求3所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的扰动加载系统包括冲击扰动加载装置，所述冲击扰动加载装置包括设于传力连杆上并可沿传力连杆自由滑动的冲击砝码，冲击砝码沿传力连杆自由下落实现对试件施加冲击扰动载荷。
5.根据权利要求3或4所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的扰动加载系统还包括爆破扰动加载装置，所述爆破扰动加载装置包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体之间设有扰动爆破腔，所述扰动爆破腔内可装入爆炸物，爆炸物爆炸可实现对试件施加爆破扰动载荷。
6.根据权利要求3或4所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的扰动加载系统还包括振动装置，所述的振动装置通过振动实现对试件施加扰动载荷。
7.根据权利要求1或3所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的压力实验系统还包括围压加载系统，所述的围压加载系统可对试件施加围压载荷。
8.根据权利要求7所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的围压加载系统包括三轴压力箱，所述试块置于三轴压力箱内，所述恒载加载系统和/或扰动加载系统通过三轴压力箱实现对试件施加恒定载荷和/或扰动载荷，且三轴压力箱对试件施加围压载荷。
9.根据权利要求8所述的材料流变扰动效应实验系统，其特征在于，所述的三轴压力箱包括密闭箱体，密闭箱体内设有环形胶囊，所述试块置于环形胶囊形成的环形空间内，环形胶囊内充入气体和/或液体后可实现对试件施加围压载荷；所述密闭箱体还设有与外部相通并可与密闭箱体相对滑动的加压块，外部载荷可通过加压块作用于试块。
10.一种材料流变扰动效应实验方法，其特征在于，通过上述材料流变扰动效应实验系统可以实现对试件进行下述至少一种实验单轴流变实验；单轴流变扰动实验；三轴流变试验；三轴流变扰动实验。
全文摘要
本发明公开了一种材料流变扰动效应实验系统及实验方法，包括恒载加载系统，通过加载装置、曲轴扩力装置和传力连杆实现对试件施加恒定载荷；还包括扰动加载系统，通过冲击扰动加载装置和爆破扰动加载装置实现对试件施加冲击扰动载荷及爆破扰动载荷；还包括围压加载系统，通过三轴压力箱对试件施加围压载荷。三轴压力箱包括密闭箱体，密闭箱体内设有环形胶囊，可实现对试件施加围压载荷。通过上述材料流变扰动效应实验系统可以实现对试件进行单轴流变实验、单轴流变扰动实验、三轴流变试验、三轴流变扰动实验。结构简单、成本低、测试精确，适用于对各种材料试件进行流变扰动试验，尤其适用于对岩石试件进行长时间流变扰动实验。
文档编号G01N3/313GK1948945SQ20061011401
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月24日 优先权日2006年10月24日
发明者高延法, 崔希海, 范庆忠 申请人:中国矿业大学(北京)