一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变试验机及试验方法与流程

本发明属于材料力学性能测试领域，具体涉及一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变试验机及试验方法。

背景技术：

在材料力学领域，蠕变是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。固体材料在长期承受低于材料的屈服应力的情况下，可能会发生蠕变。通过对材料施加压力，并且随着时间的推移，蠕变阶段一般情况下大致分为衰减、稳定、加速三个阶段。而在动力扰动作用下的岩石蠕变是指围岩的应力状态处于岩石强度极限应力内，围岩会产生一定的蠕变变形。与此同时，在发生蠕变的过程中突发随机的动力扰动荷载的岩石蠕变。这种随机的动力扰动效应会使围岩的蠕变变形产生很大的影响。

并且深部岩石所处的环境复杂，不仅仅只是所受应力的作用，而且还会受到高温以及地下水的溶蚀和离子的腐蚀作用。现在的蠕变持久试验机，其主要用于金属、非金属材料的拉伸、压缩持久、蠕变、松弛试验以及低周疲劳和蠕变疲劳试验，按结构和原理分为机械式、电子式两种。由于电子式试验机测力系统的温度漂移和标定值漂移无法彻底消除，所以往往不能够进行长时间蠕变测试，而现有机械式的蠕变试验机虽然采用杠杆式的结构，但同时对试件施加动荷载、静荷载、高温和化学腐蚀作用的机械式蠕变试验机未见报道。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变试验机及试验方法，该试验机制作简单，操作便利，可以实现对试件长时间的多场耦合分级加载观察，采用本发明的试验机进行试验可以较真实地还原在自然环境下岩石的蠕变过程及受到动力扰动后的变形特征，并一定程度上提高了杠杆蠕变试验机的准确性。本发明的技术方案为：

第一个方面，本发明提供一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变试验机，包括主体钢结构和蠕变测试装置，所述主体钢结构包括支撑柱，焊接于所述支撑柱底部的支撑底座和与所述支撑柱垂直铰接的主梁；所述支撑柱顶部垂直固定连接一方形连接杆，所述方形连接杆的另一端通过螺栓活动连接一直管，所述直管可沿水平线旋转；所述直管上套设扰动套筒板；所述主梁可沿与所述支撑柱的垂直铰接处在竖直平面内转动；所述主梁远离所述支撑柱的一端设有逐级加载托盘，所述逐级加载托盘上放置砝码，用于提供初始力矩；

所述岩石蠕变试验机还包括固定承台，所述固定承台内设置有可沿所述固定承台内壁上下伸缩的活动承台；所述活动承台上部连接腐蚀槽，待测岩石试件放置于所述腐蚀槽内中心位置；所述腐蚀槽内还设有恒温加热器。

进一步地，所述扰动套筒板为方形空心结构，所述扰动套筒板通过螺栓调节在所述直管上的套设高度。

进一步地，所述固定承台的内壁和所述活动承台的外壁上分别设置有相互咬合的阶梯状螺纹齿，所述相互咬合的阶梯状螺纹齿用于调节所述活动承台在所述固定承台上的上下伸缩高度。

进一步地，所述支撑底座底部设有固定支座，侧部设有用于增加所述支撑底座抗弯作用的加筋肋。

进一步地，所述主梁采用钢材q235c制成。

进一步地，所述腐蚀槽采用304白钢制作，以防止水的溶蚀和离子的腐蚀作用。

进一步地，所述岩石蠕变试验机还包括应变采集器，所述应变采集器通过数据传输线与所述待测岩石试件连接，用于采集岩石试件水平方向和竖直方向形变。

第二个方面，本发明提供一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变方法，是采用上述岩石蠕变试验机，包括以下步骤：

(1)调节活动承台的高度并将待测岩石试件放置于腐蚀槽中，待测岩石试件的上表面与主梁下表面接触，将待测岩石试件通过数据传输线与应变采集器连接，在腐蚀槽中加入腐蚀溶液并通过恒温加热器控制腐蚀槽内的温度；

(2)根据测试的恒应力要求，将相应重量的砝码逐级加载于逐级加载托盘上，利用杠杆原理传送力矩对岩石试件施压直至达到恒应力要求，岩石试件在恒应力、恒温度、腐蚀溶液的作用下发生分级加载蠕变；

(3)与此同时在直管上套设不同重量的扰动套筒板作为冲击砝码，通过松动扰动套筒板使其在一定高度下进行自由落体冲击，进行不同恒应力条件下的扰动干扰测试；

(4)采集岩石试件的水平和竖向应变数据，并绘制出不同恒应力的不同动力扰动力作用下岩石试件的蠕变规律曲线图。

本发明的岩石蠕变试验机在功能上，不但可以测试岩石在动力扰动作用下的蠕变变形的特征，建立了岩石蠕变本构模型，分析岩石在蠕变过程中出现的蠕变损伤和蠕变硬化特征。而且能更好的模拟深部岩石在高温，化学溶液腐蚀作用下的蠕变演化过程，分析蠕变力学特性规律。而且可以通过右侧托盘进行逐级加载形成长时间的分级加载蠕变试验。在构造上，在传统杠杆式蠕变试验机基础上增加了承压区活动承台，可以通过升降活动承台高度，控制承压区高度以适应不同高度的试件。而在活动承台上的腐蚀槽设计可以使试件同时进行温度、腐蚀、应力三场耦合蠕变试验。并且在进行测试时，当试件发生蠕变时，其夹具采用杠杆主梁的下表面，随着试件的蠕变变形而紧贴着旋转移动加载，解决夹具无法根据材料的蠕变量进行调节的问题，减少杠杆失衡的可能性，通过足够长的主梁杠杆下表平面，使得进一步进行测试时，其测试的数据准确性提高。即与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

(1)在本发明中，蠕变过程中用于控制待测试件的夹具采用杠杆主梁的下表面以及腐蚀槽的内底面，随着试件的蠕变变形，主梁的下表面紧贴着试件上表面移动加载，解决夹具无法根据材料的蠕变量进行调节的问题，减少杠杆失衡的可能性。

(2)本发明的试验机通过足够长的主梁杠杆下表平面，使得进一步进行测试时，其测试的数据准确性提高，而且可保证长时间对试件的蠕变观测。

(3)采用本发明的试验机进行试验可以较真实地还原在自然环境下岩石的蠕变过程及受到动力扰动后的变形特征，可以进行多场耦合的蠕变试验，并观测试件的化学反应现象和采集应变数据。

(4)本发明在动力扰动方面，可以通过套设不同质量的扰动套筒板及调节其在直管上套设高度来双调节冲击力的大小。

附图说明

图1为本发明实施例的基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变试验机结构的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4是本发明实施例的活动承台的结构示意图；

图5为本发明实施例的扰动套筒板的结构示意图。

其中：1、支撑底座，2、固定支座，3、底座加筋肋，4、支撑柱，5、连接支撑柱和主梁的活动轴承，6、主梁，7、方形连接杆，8、方形连接杆和直管之间的活动螺栓，9、直管，10、扰动套筒板，11、逐级加载托盘，12、固定承台，13、活动承台固定扣，14、活动承台，15、圆形承压板，16、腐蚀槽，17、恒温加热器，18、活动承台上的阶梯状螺纹齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

图1～3示出本发明具体实施例的一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变试验机的结构示意图，包括主体钢结构和蠕变测试装置，主体钢结构包括支撑柱4，焊接于支撑柱4底部的支撑底座1和与支撑柱4垂直铰接的主梁6，主梁采用钢材q235c制成。支撑柱4顶部垂直固定连接一方形连接杆7，方形连接杆7的另一端通过螺栓8活动连接一直管9，该直管9可沿水平线旋转，目的是方便其上套设的扰动套筒板10取出，扰动套筒板10为方形空心结构(如图5所示)，扰动套筒板10通过螺栓调节在所述直管9上的套设高度，可以随时通过套设高度或者套筒板的质量来双重调节冲击力大小。并且为了使扰动套筒板下滑冲击更加精准，直管上面刻有高度尺寸数据，通过扰动套筒板两侧的螺栓随时调节扰动冲击高度，通过套设不同质量的扰动套筒板改变扰动套筒板的质量，然后松动螺栓，让扰动套筒板顺利下滑形成不同的扰动冲击力，以供实验所需。

支撑底座1底部4个角上焊接有固定支座2，固定支座通过螺栓稳固于地面上；支撑底座1侧部设有用于增加支撑底座1抗弯作用的加筋肋3，加筋肋3位于底座长边两侧，各有一条。

主梁6可沿与支撑柱4的垂直铰接处在竖直平面内转动；并且主梁6远离支撑柱4的一端设有逐级加载托盘11，逐级加载托盘11上放置砝码，用于提供初始力矩。为了使主梁的两端形成一定的载荷转化配比，固定承台设置的位置接近于主梁的后端部，在本实施例的方案中，利用逐级加载托盘的分级砝码实现主梁的左右两端保持平衡，这样，其左右两端即可实现不同的载荷配比，例如当逐级加载托盘加载100kg的祛码时，其主梁的后端可实现6893n的载荷，当逐级加载托盘不加载祛码时，通过主梁自重形成的测试区恒应力为392.7n，本实施例的方案具有较大的载荷转化配比，在力矩传输的作用下，实现了一边很小的重量可以传输很大的应力到测试区，其测试数据的核算更加方便。

本实施例的岩石蠕变试验机还包括固定承台12，固定承台12内设置有可沿固定承台内壁上下伸缩的活动承台14，活动承台14的结构如图4所示，固定承台12的内壁和活动承台14的外壁上分别设置有相互咬合的阶梯状螺纹齿18，该相互咬合的阶梯状螺纹齿用于调节活动承台在固定承台上的上下伸缩高度，并且是通过逆时针旋转活动承台来升高其高度，通过顺时针旋转活动承台来降低其高度，阶梯状螺纹齿结构可以提高承载力，活动承台上还设有固定扣13，起到卡死活动承台的作用。活动承台14上部焊接一块圆形承压板15，圆形承压板15上设置腐蚀槽16，待测岩石试件放置于腐蚀槽16内中心位置；腐蚀槽16内还设有恒温加热器17，起控制腐蚀溶液温度的作用。腐蚀槽采用304白钢制作，可以防止水的溶蚀和离子的腐蚀作用。本实施例的岩石蠕变试验机在不进行试验时，通过调节活动承台的高度使圆形承压板支撑主梁，并通过固定扣固定活动承台；进行试验时，松开固定扣，顺时针旋转活动承台下降其高度，安放腐蚀槽，将试件竖直放置于腐蚀槽内部上表面和压力接触面之间，然后逆时针旋转活动承台上升其高度，调整至将试件上表面与主梁下表面接触即可。

本实施例的岩石蠕变试验机还包括应变采集器，应变采集器通过数据传输线与待测岩石试件连接，用于采集岩石试件水平和竖向应变。

本发明具体实施例还提供一种基于多场耦合的动力扰动岩石蠕变方法，是采用上述岩石蠕变试验机，包括以下步骤：

(1)先松动活动承台上的固定扣，然后顺时针旋转活动承台，使其高度至适合待测岩石试件的放置高度，将待测岩石试件放置于腐蚀槽中，再调节活动承台使试件上表面与主梁下表面接触，并将待测岩石试件通过数据传输线与应变采集器连接，在腐蚀槽中加入腐蚀溶液并通过恒温加热器控制腐蚀槽内的温度，可实现1～120℃的岩石蠕变试验；

(2)根据测试的恒应力要求，将相应重量的砝码逐级加载于逐级加载托盘上，利用杠杆原理传送力矩对岩石试件施压直至达到恒应力要求，岩石试件在恒应力、恒温度、腐蚀溶液的作用下发生分级加载蠕变；

(3)与此同时在直管上套设不同重量的扰动套筒板作为冲击砝码，通过松动扰动套筒板使其在一定高度下进行自由落体冲击，进行不同恒应力条件下的扰动干扰；通过不断改变主梁右侧砝码重量及通过不断改变扰动套筒板的重量和冲击高度来实现分级加载的动力扰动效果；

(4)通过应变采集器采集岩石试件的水平和竖向应变数据，并绘制出不同恒应力的不同动力扰动力作用下岩石试件的蠕变规律曲线图。

本实施例的蠕变试验机具有可以对岩石进行多场耦合作用下的蠕变测试试验，并且可以通过应变采集器观测应变变化情况进行分级加载研究，而且可保证长时间对试件的蠕变测试，特别适用于长时间不间断的试件蠕变测试需求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。