一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统与测试方法与流程

本发明涉及岩石或者砼的力学性能的测试技术，更具体地说，涉及一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统，以及一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试方法。

背景技术：

岩石作为构成地壳的主要物质之一，与当前的地下工程、水力工程及重大深部工程建设密切相关。进行岩石的力学特性以及破坏特性的研究，了解岩石材料的特征，有助于指导工程实际建设。而岩石力学强度是岩石材料一项最基本的性质，研究岩石力学强度，不断改进研究岩石力学的技术手段，对于促进岩石力学的发展有重大意义。

深部岩体的开采与利用常涉及到强烈的地质作用，强烈的动力作用会破坏矿产资源所处的应力环境，影响深部岩体的物理力学特性以及稳定性。动荷载作用下的岩土本身积聚的高应力能量释放常引发重大的灾害。因此，研究动荷载状态下的岩石的变形破坏及力学特性具有重大意义。

现有技术中常用的岩石强度测试系统主要由轴压系统、围压系统和控制系统组成，工作原理是通过轴向系统对试样施加轴向压力，通过压力室对试样施加围压，同时通过控制系统使试样的上、下端面移动，进而模拟出处岩石试样在各种复杂工况下的力学特性及破坏模式。

现有技术的岩石强度测试系统虽然可以模拟出不同工况下的岩石破坏特性，但是没有考虑围压和动荷载两者协同作用对岩石的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统，以及一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试方法，满足轴向荷载保持一定水平，利用动载局部作用杆对岩石试样进行轴向的动力局部作用，从而提高对岩石力学强度的研究水平。

本发明的技术方案如下：

一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统，包括主加载框架、轴压系统、动载局部作用围压系统，动载局部作用围压系统设置有动载局部作用压力室、动载局部作用杆，动载局部作用压力室包括压力室主体、橡皮套筒、上压块、下压块，橡皮套筒设置于压力室主体的内壁，与压力室主体围成油压腔，压力室主体开设有与油压腔相通的进油口，岩石试样设置在橡皮套筒内，上压块、下压块分别从压力室主体的上端、下端穿入，与岩石试样的上表面、下表面相抵；动载局部作用杆的一端与轴压系统连接，另一端与上压块连接，轴压系统通过动载局部作用杆向岩石试样施加动力局部载荷。

作为优选，压力室主体包括压力室套筒、压力室上盖、压力室下盖，压力室上盖、压力室下盖分别密封设置于压力室套筒的上端开口与下端开口；压力室上盖、压力室下盖分别开设有通孔，上压块、下压块分别从压力室上盖、压力室下盖的通孔穿入。

作为优选，轴压系统包括加载顶油缸、加载底油缸、位移传感器、动载力传感器，加载顶油缸设置在主加载框架顶部，加载底油缸设置在主加载框架的底座上，位于动载局部作用压力室的下方，位移传感器设置于动载顶油缸上，用于采集轴向位移数据，动载力传感器设置于加载顶油缸的输出端，用于采集动力局部荷载的大小。

作为优选，动载局部作用围压系统包括动载局部作用加载框架、动载局部作用压力室、动载局部作用杆、负荷传感器，动载局部作用加载框架安装于加载顶油缸的输出端，动载局部作用杆穿设于动载局部作用加载框架，一端与加载顶油缸的输出端连接，另一端与上压块连接，负荷传感器设置于动载局部作用加载框架下表面，用于采集轴向荷载数据。

作为优选，动载局部作用围压系统还包括动载局部作用小车，动载局部作用小车通过滑轨与主加载框架滑动连接；设置为一体的动载局部作用加载框架、动载局部作用压力室、动载局部作用杆安装于动载局部作用小车上。

作为优选，还包括不带动力局部载荷作用的围压室、通过滑轨与主加载框架滑动连接的常规测试小车；使用围压室时，将设置为一体的动载局部作用加载框架、动载局部作用压力室、动载局部作用杆从主加载框架解除连接，并将动载局部作用小车推出，然后将安装有围压室的常规测试小车推入，将围压室与主加载框架连接。

一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试方法，使用所述的岩石强度测试系统，步骤如下：

1)试样安装：

在岩石试样表面贴上用于检测轴向变形的应变片，装入动载局部作用压力室内，将动载局部作用加载框架、动载局部作用压力室、动载局部作用杆安装于主加载框架上；

2)轴向加载及动荷载加载：

先将动载局部作用压力室内充满油，然后控制并施加一级围压，保持恒定；接着施加轴向荷载并记录数据，当加载到目标轴向荷载时，控制加载动力局部荷载。

作为优选，试验完成后进行拆卸：将动载局部作用杆提升至初始位置，卸轴压至约0.5MPa，卸围压至0MPa，将加载底油缸下降至初始位置。

作为优选，进一地，步骤1)中，将动载局部作用压力室安装于动载局部作用小车上，将动载局部作用杆与上压块连接，推入动载局部作用小车，连接数据线及油管，完成试样安装；

步骤2)中，动力局部荷载以一定的频率或幅度作用于岩石试样，并且在施加动力局部荷载时逐渐卸除轴向荷载或者围压；

步骤3)中，将动载局部作用小车推出，缷下岩石试样，试验完成。

作为优选，动力局部荷载所施加的最大荷载为300KN，最高频率为70Hz；动力局部荷载的波形为正弦波、三角波或方波。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统与测试方法，与常规的岩石强度测试系统相比，效果极为明显。本发明满足轴向荷载保持一定水平，利用动载局部作用杆对岩石试样进行轴向的动力局部作用，从而提高对岩石力学强度的研究水平。本发明满足常规岩石强度测试系统同步施加高频率的动力局部荷载的要求，并且可以实现动力局部荷载及围压同步加载伺服控制、试验数据自动采集。

本发明所述的系统稳定、可靠性较高，值得在进行深部岩石力学性质研究的实验室中推广应用。

附图说明

图1是带动力局部荷载的岩石强度测试系统主体结构的剖视图；

图2是带动力局部荷载的岩石强度测试系统主体结构的俯视图；

图3是动载局部作用压力室的结构剖视图；

图中：10是主加载框架，11是底座，20是动载顶油缸，21是位移传感器，22是动载力传感器，23是加载底油缸，30是动载局部作用压力室，301是上压块，302是下压块，303是橡皮套筒，304是压力室套筒，305是进油口，306是压力室上盖，307是压力室下盖，31是动载局部作用杆，32是动载局部作用加载框架，33是负荷传感器，34是动载局部作用小车，40是岩石试样。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术无法满足轴向动荷载与围压同步控制功能的缺失，提供一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统与测试方法，满足轴向荷载保持一定水平，利用动载局部作用杆对岩石试样进行轴向的动力局部作用，从而提高对岩石力学强度的研究水平。

如图1、图2所示，所述的带动力局部载荷作用的岩石强度测试系统，包括主加载框架10(本实施例中，最大负荷为200kN)、轴压系统、动载局部作用围压系统，轴压系统用于提供轴压，动载局部作用围压系统用于同时实现围压与局部载荷作用。

轴压系统包括加载顶油缸20(本实施例中，最大输出为300kN)、加载底油缸23、位移传感器21、动载力传感器22(本实施例中，最大量程为500kN)，加载顶油缸20设置在主加载框架10顶部，加载底油缸23设置在主加载框架10的底座11上，位于动载局部作用压力室30的下方，通过伺服油源提供一定的力或位移进行轴向加载，施加的荷载大小可由负荷传感器33反馈至计算机。位移传感器21设置于动载顶油缸20上，用于采集轴向位移数据并通过数据传输导线将位移数据传输至电子计算机，动载力传感器22设置于加载顶油缸20的输出端，用于采集动力局部荷载的大小并进行监测。

动载局部作用围压系统包括动载局部作用加载框架32、动载局部作用压力室30、动载局部作用杆31、负荷传感器33(本实施例中，最大量程为2000kN)。如图3所示，动载局部作用压力室30包括压力室主体、橡皮套筒303、上压块301、下压块302，橡皮套筒303设置于压力室主体的内壁，与压力室主体围成油压腔，压力室主体开设有与油压腔相通的进油口305，岩石试样设置在橡皮套筒303内，上压块301、下压块302分别从压力室主体的上端、下端穿入，与岩石试样的上表面、下表面相抵；动载局部作用杆31的一端与轴压系统连接，另一端与上压块301连接，轴压系统通过动载局部作用杆31向岩石试样施加动力局部载荷。压力室主体包括压力室套筒304、压力室上盖306、压力室下盖307，压力室上盖306、压力室下盖307分别密封设置于压力室套筒304的上端开口与下端开口；压力室上盖306、压力室下盖307分别开设有通孔，上压块301、下压块302分别从压力室上盖306、压力室下盖307的通孔穿入。

动载局部作用加载框架32安装于加载顶油缸20的输出端，动载局部作用杆31穿设于动载局部作用加载框架32，一端与加载顶油缸20的输出端连接，另一端与上压块301连接，负荷传感器33设置于动载局部作用加载框架32下表面，用于采集轴向荷载数据并通过数据传输导线将荷载数据传输至电子计算机。

为了实现本发明的多用功能，即实现常规的岩石强度测试与本发明所述的带动力局部载荷作用的岩石强度测试，而对应于两种测试目的，需要两套测试装置。本发明中，包括轴压系统、带动力局部载荷作用的动载局部作用围压系统，还包括不带动力局部载荷作用的围压室。动载局部作用围压系统还包括动载局部作用小车34，动载局部作用小车34通过滑轨与主加载框架10滑动连接；设置为一体的动载局部作用加载框架32、动载局部作用压力室30、动载局部作用杆31安装于动载局部作用小车34上。围压室设置在通过滑轨与主加载框架10滑动连接的常规测试小车上。

不带动力局部载荷作用的围压室与带动力局部载荷作用的动载局部作用围压系统共用主加载框架10与轴压系统的加载底油缸23，通过滑动动载局部作用小车34或常规测试小车，实现功能切换。使用时，可根据实施需求安装不带动力局部载荷作用的围压室，或者带动力局部载荷作用的动载局部作用围压系统。假如当前安装的是动载局部作用围压系统，需要换装围压室，则将设置为一体的动载局部作用加载框架32、动载局部作用压力室30、动载局部作用杆31从主加载框架10解除连接，并将动载局部作用小车34推出，然后将安装有围压室的常规测试小车推入，将围压室与主加载框架10连接。反之同理。

本发明还提供一种带动力局部载荷作用的岩石强度测试方法，使用所述的岩石强度测试系统，步骤如下：

1)试样安装：

在岩石试样表面贴上用于检测轴向变形的应变片，装入动载局部作用压力室30内，将动载局部作用加载框架32、动载局部作用压力室30、动载局部作用杆31安装于主加载框架10上。

具体地，步骤1)中，在岩石试样表面贴上用于检测轴向变形的应变片，将岩石试样侧壁套上橡皮套筒303，然后将橡皮套筒303置于压力室套筒304内，装入上压块301并拧紧压力室上盖306、压力室下盖307。将动载局部作用压力室30安装于动载局部作用小车34上，将动载局部作用杆31与上压块301连接，即将动载局部作用杆31插入上压块301的孔中；推入动载局部作用小车34，连接数据线及油管，完成试样安装。

2)轴向加载及动荷载加载：

先将动载局部作用压力室30内充满油，然后控制并施加一级围压，保持恒定；接着施加轴向荷载并记录数据，当加载到目标轴向荷载时，控制加载动力局部荷载。进一步地，动力局部荷载以一定的频率或幅度作用于岩石试样，并且在施加动力局部荷载时逐渐卸除轴向荷载或者围压。其中，动力局部荷载所施加的最大荷载为300KN，最高频率为70Hz；动力局部荷载的波形为正弦波、三角波或方波。

3)试验完成后进行拆卸：

将动载局部作用杆31提升至初始位置，卸轴压至约0.5MPa，卸围压至0MPa，将加载底油缸23下降至初始位置。将动载局部作用小车34推出，缷下岩石试样，试验完成。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。