岩石流变扰动效应三轴实验设备的制作方法

本实用新型涉及一种岩石流变扰动效应三轴实验设备。

背景技术：

流变特性，是岩石的固有属性之一，实验研究岩石在静载荷长期作用下，其破坏形式与时间之间的关系，从而获得流变力学参数，建立流变本构模型，可以更好的为隧道、采矿等地下巷道支护工程服务。

考虑现实工程中部分巷道周围的岩体不仅只受长期静载荷作用，当矿车经过，或者爆破掘进时，这些岩体就会受到应力波的冲击。且距离巷道一定范围内的岩体大部分已经接近或者超过强度极限状态，此时受外部应力波的影响非常敏感，很容易出现岩体崩裂的现象。针对这方面的研究，目前国内还没有可行的实验系统进行室内模拟实验，现有的研究大部分都集中在岩石受静载荷作用下的流变实验，对于外加的扰动荷载，基本没有涉及。

单就现有的岩石流变仪，大部分采用液压伺服原理，通过输油油压给岩石一个恒定的静荷载，其缺点非常明显，要实现几个月甚至几年的长期加载，保持其油压的稳定性是很困难的，油压系统会逐渐失稳，如果电力系统断电，其实验就被迫中断。而且其扩力加载系统扩力倍数较小，然后其载荷承载有限，故实际操作起来只能模拟载荷偏小的流变实验。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种岩石流变扰动效应三轴实验设备，适用于各种试件进行压力实验，且结构简单、成本低、测量精确。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种岩石流变扰动效应三轴实验设备，其组成包括：砝码、链条、转盘、油缸、静态传感器15，实验台上设置机架1，所述的机架1的上端左侧设置齿轮Ⅰ2与齿轮Ⅱ，所述的齿轮Ⅰ2与齿轮Ⅱ之间通过传动轴3相连接，所述的传动轴3的外侧还连接传动转盘Ⅰ4与传动转盘Ⅱ，所述的传动转盘Ⅰ4上缠绕传动链条Ⅰ5，所述的传动链条Ⅰ5的底端连接托盘Ⅰ6，所述的托盘Ⅰ6上摆放重力砝码7；

所述的传动转盘Ⅱ上缠绕传动链条Ⅱ，所述的传动链条Ⅱ的底端连接托盘Ⅱ，所述的托盘Ⅱ上也摆放重力砝码7；

所述的齿轮Ⅰ2啮合齿条Ⅰ8，所述的齿条Ⅰ8的底部固定连接伸缩轴Ⅰ9，所述的伸缩轴Ⅰ9的底端插入油缸Ⅰ10内，所述的油缸Ⅰ10通过管线连接液压泵11与油缸Ⅱ12；

所述的油缸Ⅱ12内装入伸缩轴Ⅱ13，所述的伸缩轴Ⅱ13的顶面设置承压板14，所述的承压板14的顶面设置静态传感器15，所述的静态传感器15的顶面放置找平球面垛Ⅰ16，所述的找平球面垛Ⅰ16上悬空找平球面垛Ⅱ17，所述的找平球面垛Ⅱ17的顶端摆放试件18，所述的试件18的上端设置冲击动态传感器19，所述的冲击动态传感器19套在传力板20的底端，所述的传力板20的一端底面设置位移计21，所述的传力板20的上端设置传力连杆22，所述的传力连杆22的顶端穿过冲击砝码23的中心，所述的传力连杆22的顶端穿过卡槽38连接在顶座（41）上，所述的顶座（41）固定设置在顶板（42）上，所述的顶板（42）固定连接在机架1，所述的冲击砝码23放置在卡槽38上。

所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，所述的试件18的外表面包裹热缩管，所述的热缩管的外表面两端分别套有金属环，所述的试件18、热缩管与金属环组成的整体放入三轴压力箱24的凹槽26内，所述的三轴压力箱24的顶端设置加压块25，所述的三轴压力箱24的底端右侧开有进口27，所述的三轴压力箱24的底端左侧开有出口28，所述的三轴压力箱24的左侧设置凸柱29，所述的凸柱29上开有传感器走线口，所述的凸柱29上开有进油口30。

所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，所述的加压块25上螺纹连接抬起环31，所述的三轴压力箱24上螺纹连接抬起环31。

有益效果：

1.本实用新型采用外置重力机械加载的补压原理，避免了因断电或漏油而造成的压力下降，在长时间的实验周期中，保证了压力的稳定。

2.本实用新型的流变仪上配有两个传动转盘，采用杠杆原理，有效的增加其扩力加载倍数，扩力比可达到1:100。

3.本实用新型为满足单三轴实验冲击砝码下落高度的不同，特制多种不同高度的传力连杆，传力连杆下端表面进行抛光处理，与表面抛光后的传力板进行非刚性搭接，从而减小冲击砝码下落时重力势能损耗，较完整的转化为对试件的冲击载荷；同时设置一套自动找平球面垛，保证装置能够稳定承受轴向压力，避免错位失稳。

4.本实用新型为精确测量扰动能量的大小，基于冲击砝码重力势能转化为冲击能量的原理，设计一套冲击传感器和冲击位移采集系统装置。

5.本实用新型研制出了一套围压加载设备，其三轴压力箱，油压泵以及手动补压装置，可以长期为实验提供稳定的围压值。

附图说明：

附图1是本实用新型的岩石流变扰动仪的结构示意图。

附图2是附图1的局部放大示意图。

附图3是本实用新型的三轴压力箱的结构示意图。

附图4是附图2的局部放大示意图。

附图5是本实用新型的油压泵的结构示意图。

附图6是本实用新型的岩石流变扰动仪三轴的结构示意图。

附图7是附图6的局部放大示意图。

具体实施方式：

实施例1

一种岩石流变扰动效应三轴实验设备，其组成包括：砝码、链条、转盘、油缸、静态传感器15，实验台上设置机架1，所述的机架1的上端左侧设置齿轮Ⅰ2与齿轮Ⅱ，所述的齿轮Ⅰ2与齿轮Ⅱ之间通过传动轴3相连接，所述的传动轴3的外侧还连接传动转盘Ⅰ4与传动转盘Ⅱ，所述的传动转盘Ⅰ3设置在齿轮Ⅰ2的外侧，所述的传动转盘Ⅱ设置在齿轮Ⅱ的外侧，所述的传动轴3插入机架1的转动通口内，所述的传动转盘Ⅰ4上缠绕传动链条Ⅰ5，所述的传动链条Ⅰ5的底端连接托盘Ⅰ6，所述的托盘Ⅰ6上摆放重力砝码7；

所述的传动转盘Ⅱ上缠绕传动链条Ⅱ，所述的传动链条Ⅱ的底端连接托盘Ⅱ，所述的托盘Ⅱ上也摆放重力砝码7；

所述的齿轮Ⅰ2啮合齿条Ⅰ8，所述的齿条Ⅰ8的底部固定连接伸缩轴Ⅰ9，所述的伸缩轴Ⅰ9的底端插入油缸Ⅰ10内，所述的油缸Ⅰ10通过管线连接液压泵11与油缸Ⅱ12；

所述的油缸Ⅱ12内装入伸缩轴Ⅱ13，所述的伸缩轴Ⅱ13的顶面设置承压板14，所述的承压板14的顶面设置静态传感器15，所述的静态传感器15的顶面放置找平球面垛Ⅰ16，所述的找平球面垛Ⅰ16上悬空找平球面垛Ⅱ17，所述的找平球面垛Ⅱ17的顶端摆放试件18，所述的试件18的上端设置冲击动态传感器19，所述的冲击动态传感器19套在传力板20的底端，所述的传力板20的一端底面设置位移计21，所述的传力板20的上端设置传力连杆22，所述的传力连杆22的顶端穿过冲击砝码23的中心，所述的传力连杆22的顶端穿过卡槽38连接在顶座（41）上，所述的顶座（41）固定设置在顶板（42）上，所述的顶板（42）固定连接在机架1，所述的冲击砝码23放置在卡槽38上。

所述的找平球面垛Ⅰ28的顶端开有球形凹槽，所述的找平球面垛Ⅱ15的底端设置球形凸起，所述的球形凸起配合球形凹槽使用，所述的找平球面垛Ⅰ28与找平球面垛Ⅱ15之间分离设置。

实施例2

实施例1所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，所述的试件18的外表面包裹热缩管，所述的热缩管的外表面两端分别套有金属环，所述的试件18、热缩管与金属环组成的整体放入三轴压力箱24的凹槽26内，所述的三轴压力箱24的顶端设置加压块25，所述的三轴压力箱24的底端右侧开有进口27，所述的进口23可为进水口或进气口，所述的三轴压力箱24的底端左侧开有出口28，所述的出口24可为出水口或出气口，所述的三轴压力箱24的左侧设置凸柱29，所述的凸柱29上开有传感器走线口，所述的凸柱29上开有进油口30，进油口就在三轴箱外部，水平高度跟进口23一样。

实施例3

实施例2所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，所述的加压块25上螺纹连接抬起环31，所述的三轴压力箱24上螺纹连接抬起环31。

实施例4

实施例1所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，进行单轴实验时，先将各部件按照各位置组装成岩石流变扰动仪，再将试件18上贴好静态电阻应变片，同时将静态电阻应变片连接在静态电阻应变仪上，将试件18放置在静态传感器15上，记录静态传感器15的初始读数，打开液压泵11，将通过伸缩轴Ⅱ13将承压板14上升至一定高度，使试件18的上表面与传力板20紧密接触；

将预先准备好的实验设计的第一量级重量的重力砝码7叠放在托盘上，观察静态传感器15的读数，调整重力砝码7的量级，达到实验载荷要求。

实施例5

实施例1和2所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，进行三轴试验时，先将试件18、热缩管与金属环组成的整体外部贴有横纵向静态电阻应变片，再将贴有横纵向静态电阻应变片的整体放置于三轴压力箱24的底部凹槽26处，将横纵向静态电阻应变片的导线通过三轴压力箱24的两测传感线出口28伸出，并连接到静态电阻应变仪上，密封后，完成箱体作业；

再将完成密封的三轴压力箱24放入找平球面垛Ⅱ17的上表面，更换长度适中的传力连杆22，将传力板20放置在三轴压力箱24的顶端的加压块25的顶面，打开液压泵11，上升承压板14，使传力板20与加压块25紧密接触，在托盘Ⅰ6上叠加实验设计要求的重力砝码7，从而使传力板20对三轴压力箱24施加轴压；

三轴压力箱24的进油口30连接进油管32，进油管32连接在油压泵33上，打开油压泵33的进油阀34，待油压表35转动后，立刻关闭进油阀34，依靠手动补压泵36进行补压，直到满足实验围压要求，油压稳定后读取油压表35上的数据，并随时间记录静态电阻应变仪的应变量；

油压泵33上包括油压表35、进油阀34、出油开关37、泄油阀38、分流阀39与手动补压泵36，所述的油压表33、进油阀34、出油开关37、泄油阀38依次排列在油压泵33的上端，所述的手动补压泵36通过油通管40连接油压泵33，所述的分流阀39与进油管32均设置在油通管40上。

实施例6

实施例1所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，进行单轴扰动载荷加载实验时，根据所要施加冲击载荷的量级，需要更换不同规格的传力连杆22，传力连杆22的上端可以与机架1上部进行机械锚固，传力连杆22的下端的可以与传力板20自由搭接，传力板20的底端放置试件18，试件18摆放在找平球面垛Ⅱ17上；

在传力板20的侧面吸附扰动荷载传感器，所述的扰动荷载传感器带有磁性，可直接吸附在上，荷载传感器的另一端通过数据线与扰动荷载采集仪相连；

当扰动开始，首先打开传力连杆22的上端卡槽38，冲击砝码23立刻沿传力连杆22自由下落，冲击砝码23的重力势能转化为冲击载荷，读取冲击瞬间扰动荷载采集仪的数据，并将扰动荷载采集仪记录下来，再重新将冲击砝码23设置于卡槽38中，准备下一次冲击，并记录读数，重复数次。

实施例7

实施例1所述的岩石流变扰动效应三轴实验设备，进行三轴扰动载荷加载实验时，根据所要施加冲击载荷的量级，需要更换不同规格的传力连杆22，传力连杆22的上端可以与机架1上部进行机械锚固，传力连杆22的下端可以与传力板20自由搭接，传力板20的底端放置三轴压力箱24，三轴压力箱24摆放在找平球面垛Ⅱ17上；

在传力板20侧面吸附扰动荷载传感器，荷载传感器的另一端通过数据线与扰动荷载采集仪相连；

当扰动开始，首先打开传力连杆22的上端卡槽38，冲击砝码23立刻沿传力连杆22自由下落，冲击砝码23的重力势能转化为冲击载荷，读取冲击瞬间扰动荷载采集仪的数据，并被扰动荷载采集仪记录下来，再重新将冲击砝码23设置于卡槽38中，准备下一次冲击，并记录读数，重复数次。

岩石流变扰动效应的实验设备具体的特点：

1、流变扰动效应实验仪主要包括机架和试验台，轴压加载系统通过扩力装置和传力连杆，可对试验台上的试件施加恒定荷载，所述的扩力装置固定与机架上，组件包括曲轴、偏心轮、杠杆、滑轮组、齿轮，最后通过加载砝码施加恒定轴向荷载。

2、扰动加载系统选择操作性比较高的冲击扰动加载装置，将冲击砝码置于传力连杆上，冲击砝码沿传力连杆自由下落实现对试件施加冲击扰动荷载。

3、鉴于冲击扰动载荷是通过振动能量波的形式传播到试件上，因此所述的扰动加载系统还包括振动装置，通过振动能量波实现对试件的扰动。

4、针对岩石流变扰动效应三轴实验，在有了恒定的轴压加载系统后，还需要对试件施加围压荷载，故研制出了三轴压力箱，将试块置于三轴压力箱内，所述轴压加载系统和扰动加载系统通过三轴压力箱实现对试件施加恒定荷载和扰动荷载，且三轴压力箱对试件施加围压荷载。

5、围压系统采用的三轴压力箱，内置固定试件装置及气体或液体循环回路系统，充气体或者液体均可保证其围压载荷。密闭压力箱的顶部设有与外部想通并可与箱体相对滑动的加压块，外部轴向荷载可通过加压块作用与试块。

理论原理：

与岩体实际受力情况不同的是，该室内实验在围压相等情况下进行，即假三轴，第二主应力与第三主应力相等（σ2=σ3）。但其在三轴应力下的破坏机理仍与工程实际受力扰动破坏相似。

大量已有研究表明岩石所受外力大小介于长期强度和单轴抗压强度σc之间时，外界扰动对其内部结构破坏越敏感。故三轴流变扰动实验开始前，需对岩石进行不同围压状态下三轴蠕变实验，实验结果得到不同围压下对应的长期强度值（Ｓ∞），找出围压和长期强度之间的定性关系，然后选取适当的围压值和对应的长期强度进行三轴流变扰动实验。进行三轴流变扰动实验时，将扰动冲击时间点分为岩石未达到长期强度之前和达到长期强度之后，以便对两种岩石蠕变状态受扰动冲击作比较。同时在进行扰动冲击时，可改变扰动冲击次数（N）以及冲击砝码的质量（m），冲击高度（h）三个变量，从而改变每一次冲击力（F）和冲击作用时间（t）值，并记录每次冲击造成的宏观位移（u）,进一步研究相同冲击次数和相同冲击高度下，不同质量冲击砝码对岩石的扰动效果，相同质量冲击砝码和相同冲击高度在不同扰动次数下对岩石扰动效果，以及相同质量冲击砝码和相同冲击次数下，不同冲击高度对岩石扰动效果。从而找出变量之间的定量关系。

鉴于冲击扰动加载是一种能量形式的转换，即冲击砝码自由落体后的重力势能转换为对试件的冲击能量。因此设置冲击动态传感器、位移计及配套采集仪，精确读取每一次冲击扰动的冲击力（F）和冲击作用时间（t）,最后通过理论换算即可得到每一次冲击扰动能量∆W，即∆W=F*t。

岩石三轴蠕变实验原理：

该实验为了得到岩石在不同围压下的长期强度，将取样打磨好的岩石试件9贴好静态电阻应变片放置于三轴压力箱21内，连接油压泵32施加实验设计的围压值，并通过手动补压泵38对其补压，使其围压长时间稳定不变。

将三轴压力箱21放置于流变仪试验台上，通过扩力装置对其施加轴向压力，将拟施加的最大载荷按单轴抗压强度分为若干级，由小到大逐级加载，每级荷载持续时间定为俩天；每级加载完，立即读取瞬时应变值，此后1小时内，按5分钟，10分钟，15分钟，30分钟的间隔记录应变值，再往后为1小时，2小时，4小时，8小时读取。

当静态应变仪上蠕变曲线的应变增量（∆ε）随时间变化较小且有上升趋势时，表明岩石试件9已经达到长期强度，开始进入稳定蠕变阶段，此时记下轴向应力值A，并停止加载。采用二分法，对A值进行优化，即取A级应力的低一级荷载值B。重新取样再次进行上述蠕变实验，第一级荷载大小设计为略小于值(A+B)/2，第二级荷载略大于该值，第一次加载直接加载到设计值，蠕变两天后，加载下一级设计值。

观察蠕变曲线，若两阶段都处于衰减趋势，则加大荷载设计值，使之越来越接近A，若蠕变曲线逐渐上升，则减小荷载设计值，使之越来越接近B值。若一个衰减，一个上升，则大致确定(A+B)/2即为长期强度值。改变围压值，重复以上实验，即可得到岩石在不同围压下对应的长期强度。

岩石三轴流变扰动实验原理：

在以上实验的基础上，选取适当的两组围压及长期强度值，重复以上操作，在围压稳定不变的情况下，直接对三轴压力箱施加与长期强度值相等的轴压，经过一段时间蠕变后，观察蠕变曲线，当曲线随时间变化趋于稳定时，开始进行冲击扰动加载，并记录冲击次数(N)、冲击砝码质量（m）、冲击高度（h）、冲击力（F）、冲击作用时间（t）、位移（u）、应变增量(∆ε)，最后通过上述理论换算，得出岩石在稳定蠕变阶段下受冲击扰动能量(∆W)和冲击次数(N)产生应变增量(∆ε)的本构关系。当蠕变曲线随时间变化呈上升趋势时，重复以上过程，得出岩石在加速蠕变阶段下受冲击扰动能量(∆W)和冲击次数(N)产生应变增量(∆ε)的本构关系。

单轴和三轴实验过程中，扰动荷载加载和采集过程：

单轴扰动：冲击动态传感器套置在传力连杆上，旁边设有一个位移计，待蠕变时间达到实验要求后，开始进行扰动荷载加载，打开卡槽，冲击砝码自由下落，冲击动态传感器，记录一瞬间冲击动态传感器采集仪读数，以及对应位移计读数，整个过程即为一次冲击。改变冲击砝码重量、传力连杆长度（冲击砝码下落高度）、冲击次数，来达到不同实验设计要求。

三轴扰动：扰动加载过程基本跟上述单轴过程一样，三轴箱放置在下承压板上，静态传感器放在三轴箱上面即可。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。