利用流体垫层均化缺陷岩样加载力的装置及方法与流程

本发明涉及岩样加载试验领域，尤其是一种利用流体垫层均化缺陷岩样加载力的装置及方法。

背景技术

现有的加载方式分为刚性非均化加载和柔性均化加载两种形式，刚性非均化加载装置加载时只适用于加载面平整的试块，针对加载面有缺陷的试块，需要将岩样表面不平整部分切割掉才能实现加载，加载时无法使其加载力均匀化，导致试块加载过程中提前破坏、力学响应存在较大误差或测取数据存在误差，而切割加载这种方式所需要的成本高，操作复杂。在国外，一些著名大学(如mit等)的实验室采用的材料试验机也都是刚性边界加载试验机,而这种设备在对非均质材料进行的刚性边界加载方式下，其内部应力分布是不均匀的，无法精确地反映客观实际。

而目前的柔性均化加载一般都是气压加载和液体加载，但气压加载和液体加载装置复杂，加载过程中不易控制其气密性，而且加载极限值低，不能满足实验需求，容易导致实验失真。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用流体垫层均化缺陷岩样加载力的装置及方法，可以解决用液压加载压力均匀性偏差较大、柔性囊加载行程偏小、荷载强度偏小等问题的问题，利用流体垫层的流动性填充试块不平整受力面，使得加载时均化荷载，使加载面应力均匀、受力均匀，使测得的力学参数和岩土试验结果的准确性更接近真实值。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种利用流体垫层均化缺陷岩样加载力的装置，包括铺设于缺陷岩样试块加载面上的垫层，缺陷岩样试块加载面为凸凹不平的加载面，垫层外表面和缺陷岩样试块加载面凸凹缺陷处完全贴合，垫层上设置有振动板，将上述缺陷岩样试块、垫层及振动板组成的整体放置于反力框架上，振动板与液压千斤顶相配合。

垫层中，碳纤维布制成的外层套体内填充有贴合填充物。

贴合填充物为细砂或金属小球或一定级配的碎石土。

外层套体上表面设置有保护网。

细砂为直径小于0.1cm的细砂，金属小球的直径为3-5mm，碎石土的级配碎石颗粒级配不均匀系数cu不得小于15，力求碎石骨料从大到小均匀，使结构致密，孔隙减小。

一种利用上述装置进行缺陷岩样加载的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：制作垫层的外层套体：采用碳纤维布缝制成适合缺陷岩样试块的尺寸，且保留填充材料开口的外层套体，用铁丝编制成大小可以配合垫层使用的保护网，将保护网放置在外层套体的表面并在外层套体的四个角用连接铁丝将其和外层套体连接成一个整体；

步骤2：填充贴合填充物：从外层套体的填充材料开口向外层套体内填充金属小球或一定级配的碎石土形成贴合填充物，填充完成后使填充材料开口闭合，制得垫层；

步骤3：制备反力框架，将缺陷岩样试块放置于反力框架上，并将步骤2预制好的垫层放置到缺陷岩样试块上，在垫层上放置振动板，垫层带有保护网的一面朝上；

步骤4：在液压千斤顶的刚性压头上覆盖柔性橡胶层，并在柔性橡胶层上涂覆润滑油，以减小端部界面约束力和表面摩阻力，再将液压千斤顶的刚性压头放置在振动板上进行加载，使液压千斤顶的刚性压头紧压振动板；

步骤5：启动振动板，待垫层的外表面和缺陷岩样试块加载面凸凹缺陷处完全贴合后再利用液压千斤顶进行缺陷岩样加卸载，以获取各项力学参数及力学响应。

本发明方法的另一种方案为：

一种利用上述装置进行缺陷岩样加载的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：制作垫层的外层套体：采用碳纤维布缝制成适合缺陷岩样试块的尺寸，且保留填充材料开口的外层套体，用铁丝编制成大小可以配合垫层使用的保护网，将保护网放置在外层套体的表面并在外层套体的四个角用连接铁丝将其和外层套体连接成一个整体；

步骤2：填充贴合填充物：从外层套体的填充材料开口向外层套体内填充一定质量比例的细砂和水形成贴合填充物后，使填充材料开口闭合时留一定的开口形成抽水口，在抽水口的出口内安装塞体以及闭合栓使抽水口闭合，制得垫层；

步骤3：制备反力框架，将缺陷岩样试块放置于反力框架上，并将步骤2预制好的垫层放置到缺陷岩样试块上，在垫层上放置振动板，垫层带有保护网的一面朝上；

步骤4：在液压千斤顶刚性压头上覆盖柔性橡胶层，并在柔性橡胶层上涂覆润滑油，以减小端部界面约束力和表面摩阻力，再将液压千斤顶刚性压头放置在振动板上进行加载，使液压千斤顶的刚性压头紧压振动板；

步骤5：启动振动板，待垫层的外表面和缺陷岩样试块加载面凸凹缺陷处完全贴合后，静置一定时间，使砂和水分离，关闭振动板，打开抽水口的闭合栓，取出塞体，使用小型抽水泵连接到抽水口处进行抽水操作，将垫层内部的水抽完，停止抽水，在抽水口的出口内安装塞体以及闭合栓使抽水口闭合；

步骤6：启动振动板，再利用液压千斤顶进行缺陷岩样加卸载，以获取各项力学参数及力学响应。

步骤3中，振动板设置于垫层外部上表面或设置于垫层内部与垫层形成一个整体。

本发明提供的利用流体垫层均化缺陷岩样加载力的装置及方法，有益效果如下：

1、利用垫层填充材料的流动性，及沙土液化的方法填充有缺陷试块的不平整受力面，使垫层外表面和缺陷试样加载面缺陷处完全贴合，从而达到优化均化荷载的效果，使加载面应力均匀、均匀受力。

2、有效地解决了用液压加载压力均匀性偏差较大、柔性囊加载行程偏小、荷载强度偏小等问题，使测得的力学参数和岩土试验结果的准确性更接近真实值。

3、垫层具有很好的弹性变形、塑性变形、屈服、颈缩等力学响应，填充不平整受力面，使实验中测得的各项力学响应更接近真实值。

4、液压千斤顶刚性压头覆有柔性橡胶层并涂一层润滑油，具有很好的空间转动和变形传力性能，减小端部界面约束力和表面摩阻力，可更好地满足对具有不平整及倾斜表面模型进行柔性加载的要求，提高岩土试验结果的准确性，可反映岩样真实的变形性能。

5、垫层填充材料有多种选择，具有足够的强度，使得均化荷载的同时有效传递上覆集中力大小，达到应力保真的效果。

6、将砂土液化原理运用于该装置，为加载方式提供了一种新途径和方法，且所用装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于室内外各种加卸载装置，对受力面不平整的试块在不破坏其自身结构的条件下进行加载实验，还可用于各种科研研究，应用范围极广，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图，此种结构垫层内填充的为细砂且振动板布置在垫层外侧；

图2为本发明装置的结构示意图，此种结构垫层内填充的为细砂且振动板布置在垫层内侧；

图3为本发明装置中贴合填充物采用金属小球的示意图；

图4为本发明装置中贴合填充物采用碎石土的示意图；

图5为本发明装置中所用保护网的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-5所示，一种利用流体垫层均化缺陷岩样加载力的装置，包括铺设于缺陷岩样试块1加载面上的垫层2，缺陷岩样试块1加载面为凸凹不平的加载面，垫层2外表面和缺陷岩样试块1加载面凸凹缺陷处完全贴合，垫层2上设置有振动板6，将上述缺陷岩样试块1、垫层2及振动板6组成的整体放置于反力框架8上，振动板6与液压千斤顶7相配合。

垫层2中，碳纤维布制成的外层套体内填充有贴合填充物，碳纤维布为强度级别为高强ⅰ级，产品型号为ⅰ-200强度≥3400mpa的高强度碳纤维布，具有低渗透、高强度、耐磨的特点，使水不易从高强碳纤维布包裹膜中流出，同时对加载试块起到保护作用，且能够承受足够大的力，加载过程中不会被破坏。

贴合填充物为细砂9或金属小球10或一定级配的碎石土11。

外层套体上表面设置有保护网4。

细砂9为直径小于0.1cm的细砂；

金属小球10采用铁、钢材、合金等刚度强度较大的金属制作，金属小球10的直径为3-5mm（此尺寸流动性最佳），更易均匀分布在垫层内，大幅度提高均化荷载的效果，采用刚度、强度较大的铁、钢、合金制作金属小球，使金属小球有足够的强度，使得均化荷载的同时有效传递上覆集中力大小，达到应力保真的效果；

碎石土11的级配碎石颗粒级配不均匀系数cu不得小于15，力求碎石骨料从大到小均匀，使结构致密，孔隙减小。

保护网4优选为铁丝网，对垫层2起到保护作用，使加载时垫层能够均匀受力，防止受力不均匀破坏垫层2，配合垫层2使用，增加均化荷载的效果，且铁丝对高强碳纤维布的破会较小，减小水在未达到所需效果前的流失。

振动板6能通过振动使垫层2里的贴合填充物更密实的贴合在缺陷岩样试块1的不均匀表面缺陷处，加快对凸凹处填充，使垫层2外表面和岩样试块1的加载面凸凹处完全贴合，提高填充效率，节省时间。

振动板6通过导线与电源3连接。

反力框架8协助液压千斤顶7作为载荷测试系统，具有操作简单，检测迅速方便同时也具有降低检测费用等优点。

实施例二

一种利用上述装置进行缺陷岩样加载的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：制作垫层2的外层套体：采用碳纤维布缝制成适合缺陷岩样试块1的尺寸，且保留填充材料开口的外层套体，用铁丝编制成大小可以配合垫层使用的保护网4，将保护网4放置在外层套体的表面并在外层套体的四个角用连接铁丝5将其和外层套体连接成一个整体；

步骤2：填充贴合填充物：从外层套体的填充材料开口向外层套体内填充金属小球10或一定级配的碎石土11形成贴合填充物，填充完成后使填充材料开口闭合，制得垫层2；

步骤3：制备反力框架8，将缺陷岩样试块1放置于反力框架8上，并将步骤2预制好的垫层2放置到缺陷岩样试块1上，在垫层2上放置振动板6，垫层2带有保护网4的一面朝上；

步骤4：在液压千斤顶7的刚性压头上覆盖柔性橡胶层13，并在柔性橡胶层13上涂覆润滑油，以减小端部界面约束力和表面摩阻力，再将液压千斤顶7的刚性压头放置在振动板6上进行加载，使液压千斤顶7的刚性压头紧压振动板6；

步骤5：启动振动板6，待垫层2的外表面和缺陷岩样试块1加载面凸凹缺陷处完全贴合后再利用液压千斤顶7进行缺陷岩样加卸载，以获取各项力学参数及力学响应。

步骤2中，当贴合填充物为金属小球时，在填充前使用润滑剂与金属小球混合，使其表面更加光滑。

实施例三

一种利用上述装置进行缺陷岩样加载的方法，当所述方法包括以下步骤：

步骤1：制作垫层2的外层套体：采用碳纤维布缝制成适合缺陷岩样试块1的尺寸，且保留填充材料开口的外层套体，用铁丝编制成大小可以配合垫层使用的保护网4，将保护网4放置在外层套体的表面并在外层套体的四个角用连接铁丝5将其和外层套体连接成一个整体；

步骤2：填充贴合填充物：从外层套体的填充材料开口向外层套体内填充一定质量比例1：3的细砂9和水形成贴合填充物后，使填充材料开口闭合时留一定的开口形成抽水口12，在抽水口12的出口内安装塞体以及闭合栓使抽水口12闭合，制得垫层2；

步骤3：制备反力框架8，将缺陷岩样试块1放置于反力框架8上，并将步骤2预制好的垫层2放置到缺陷岩样试块1上，在垫层2上放置振动板6，垫层2带有保护网4的一面朝上；

步骤4：在液压千斤顶刚性压头7上覆盖柔性橡胶层13，并在柔性橡胶层13上涂覆润滑油，以减小端部界面约束力和表面摩阻力，再将液压千斤顶刚性压头7放置在振动板6上进行加载，使液压千斤顶7的刚性压头紧压振动板6；

步骤5：启动振动板6，待垫层2的外表面和缺陷岩样试块1加载面凸凹缺陷处完全贴合后，关闭振动板6，静置一定时间，打开抽水口12的闭合栓，取出塞体，使用小型抽水泵连接到抽水口12处进行抽水操作，将垫层2内部的水抽完，停止抽水，在抽水口12的出口内安装塞体以及闭合栓使抽水口12闭合；

,步骤6：启动振动板6再利用液压千斤顶7进行缺陷岩样加卸载，以获取各项力学参数及力学响应。

上述步骤中，利用振动板6砂土液化原理使得垫层内的饱和砂达到液化，具有较大的流动性，可使垫层2外表面和加载面缺陷处完全贴合，当垫层2外表面和加载面缺陷处完全贴合后，静置一定时间，使砂和水分离，再用小型抽水泵连接抽水口12处进行抽水操作，抽水口简化了实验步骤，使得抽水后仍具有足够高的强度。

上述实施例二和实施例三中，步骤3中，振动板6设置于垫层2外部上表面或设置于垫层2内部与垫层2形成一个整体，使得填充物填充更密实，如图1和图2所示。同样也可用其他振动方法，如使用自带振动效果的加载装置，将试块整体放在振动台上进行振动操作，减少了实验装置，方便实验操作。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。