一种摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机及试验方法与流程

本发明属于岩石力学特性测试领域，具体涉及一种摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机及试验方法。

背景技术：

凿岩爆破作为金属矿床开采过程中最主要破岩方式，爆破过程中产生的爆破应力波会对周边的巷道、围岩、断层等产生冲击扰动。矿山岩体中存在大量的节理、裂隙、断层及软弱夹层等结构面，这些结构面的存在很大程度上控制着岩体的稳定性，结构面受到地应力的长期作用处于蠕变状态，当结构面遭受爆破应力波的扰动后会改变其蠕变状态，因此随着多次爆破扰动，结构面的剪切蠕变状态会发生变化，进而产生断层活化。因此进行动态扰动后的剪切蠕变实验对于探索爆破应力波诱致的断层滑移具有重大意义。但现有剪切试验机只能做蠕变试验或冲击加载，尚未将剪切蠕变与动态扰动结合起来，难以满足实验室研究的需要。

技术实现要素：

本发明提供一种摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机及试验方法，通过蓄能器控制使岩石试样处于剪切蠕变状态，然后利用摆锤进行切向的动态冲击，研究切向动态扰动产生的切向动载荷对岩石试样剪切蠕变状态的影响，进而研究动态扰动诱致的岩石剪切蠕变失稳机理。

本发明的技术方案如下：

一种摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，包括蓄能器、加载系统和摆锤，所述蓄能器为所述加载系统提供稳定压力，所述加载系统使岩石试样处于剪切蠕变状态，所述摆锤通过所述加载系统对岩石试样进行切向的动态冲击。

进一步地，所述的摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述加载系统包括箱体、水压缸一、顶块、剪切盒、垂直定位螺栓、外侧垂直定位螺母、内侧垂直定位螺母、导轨、滑块、移动垫块、水压缸二、剪切垫块、水平定位螺栓、内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母，水压缸一设置在所述箱体的底面上，所述顶块安装在水压缸一的缸柱上，所述剪切盒包括上部和下部，所述剪切盒放置在所述顶块上，剪切盒上部与剪切盒下部之间用于放置岩石试样；垂直定位螺栓通过外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母安装在所述箱体的顶板上；所述箱体的相对的两个侧壁的内侧分别设有一对平行的竖向的t型槽，所述导轨的两端分别设有t型端头，一对所述导轨的t型端头分别安装在所述箱体的t型槽内；所述滑块与一对所述导轨滑动连接在一起，移动垫块与所述滑块连接在一起；水压缸二设置在所述箱体的侧壁上，水压缸二的缸柱用于顶在剪切盒上部的侧面；剪切垫块放置在所述顶块上，与剪切盒下部贴紧放置；所述箱体的侧壁设有两条平行的竖向的通槽，一对水平定位螺栓通过内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母安装在所述通槽中。

进一步地，所述的摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述蓄能器设置在稳压箱内，所述蓄能器通过注水管一与水压缸一相连，注水管一上设有减压阀一；所述蓄能器通过注水管二与水压缸二相连，注水管二上设有减压阀二；所述蓄能器设有注水管三，注水管三上设有注水阀，水泵通过注水管三向所述蓄能器注水；减压阀一通过连接管一与背压阀一相连，背压阀一设有排水管一；减压阀二通过连接管二与背压阀二相连，背压阀二设有排水管二；所述稳压箱上设有水槽一，排水管一及排水管二的出口端设置在水槽一内。

进一步地，所述的摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述箱体旁设有水槽二，水压缸一设有排水管三，水压缸二设有排水管四，排水管三及排水管四的出口端设置在水槽二内。

进一步地，所述的摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述摆锤通过传力结构对岩石试样进行切向的动态冲击，所述传力结构包括钢杆、可调支座和冲击套筒，冲击套筒套装在一对水平定位螺栓的头部上；可调支座包括底座、支架和调高螺栓，所述支架通过调高螺栓安装在所述底座上；所述钢杆放置在所述支架上，所述摆锤击打所述钢杆，所述钢杆击打冲击套筒。

进一步地，所述的摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中还包括信息采集系统，所述信息采集系统包括电脑、应变仪、压力传感器一、压力传感器二、应变片和传输线，压力传感器一安装在水压缸一的缸柱上，压力传感器二安装在水压缸二的缸柱上，所述应变片粘贴在所述钢杆上，所述应变片、压力传感器一及压力传感器二通过所述传输线与所述应变仪相连，所述应变仪通过所述传输线与所述电脑相连。

一种摆锤冲击岩石剪切蠕变试验方法，利用上述摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，包括如下步骤：

1)在减压阀一、减压阀二关闭的前提下，将水泵与注水管三连接，打开注水阀，高压水通过注水管三进入蓄能器，直到蓄能器上的压力表的示数达到15mp，关闭注水阀，将水泵与注水管三断开连接，移除水泵，蓄能工作完成；

2)将岩石试样放入剪切盒中，将剪切盒放到顶块的中心位置；首先垂直方向上调整水压缸一的缸柱的高度，使水压缸二的缸柱中心与剪切盒上部在同一高度；随后水平方向上使滑块沿导轨移动，使移动垫块位于剪切盒中央上方；其后导轨的t型端头沿箱体的t型槽移动，使移动垫块与剪切盒上部贴合；之后通过调节外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母，使得垂直定位螺栓顶紧滑块，使移动垫块与剪切盒上部紧密接触；

3)将剪切垫块放置在顶块上，与剪切盒下部贴紧放置；松开内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母，使水平定位螺栓、内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母沿所述通槽移动，直至水平定位螺栓与剪切垫块在同一水平面上，使水平定位螺栓顶紧剪切垫块，直至剪切垫块与剪切盒下部紧密接触，随后拧紧内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母，试样放置完成；

4)开启减压阀一，蓄能器内的高压水通过注水管一进入到水压缸一内，水压缸一的缸柱上升，通过压力传感器一向岩石试样施加作用力，压力传感器一将信息传递给应变仪，应变仪的数据在电脑上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀一，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀一连接的背压阀一，将减压阀一的高压水放出一部分，进而使水压缸一内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀一，直至压力降到目标压力值；

5)开启减压阀二，蓄能器内的高压水通过注水管二进入到水压缸二内，水压缸二的缸柱上升，通过压力传感器二向岩石试样施加作用力，压力传感器二将信息传递给应变仪，应变仪的数据在电脑上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀二，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀二连接的背压阀二，将减压阀二的高压水放出一部分，进而使水压缸二内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀二，直至压力降到目标压力值；压力施加完成；

6)将冲击套筒套到水平定位螺栓上，调整调高螺栓使钢杆和冲击套筒紧密接触；松开外侧水平定位螺母，利用摆锤冲击钢杆，进而冲击冲击套筒作用到岩石试样上面，对岩石试样施加切向冲击载荷；通过所述应变片测试施加在岩石试样上的动态载荷。

本发明的工作原理是通过注水系统将蒸馏水注入到蓄能器，蓄能器为加载装置提供稳定压力，进而使岩石试样处于剪切蠕变状态，在该状态下利用摆锤冲击施加扰动载荷，用信息采集系统采集和记录实验过程中的正应力、剪应力和剪切位移等数据，分析剪切动载对剪切蠕变状态改变的影响规律。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机不仅可以进行剪切蠕变试验也可以使岩石处于剪切蠕变状态后进行切向的动态加载试验，研究动态剪切荷载对岩石剪切蠕变失稳的影响。

2、本发明能够利用摆锤和钢杆进行动态冲击可以测试施加在岩石试样上的应力波形，分析剪切蠕变下应力波形对岩石失稳破裂的影响。

附图说明

图1摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机结构示意图；

图2为蓄能器部分连接关系图；

图3为加载系统结构细节图。

图中：1--电脑；2—摆锤；3—钢杆；4—水压缸一；5—压力传感器一；6—剪切垫块；7—内侧水平定位螺母；8—水平定位螺栓；9—外侧水平定位螺母；10—冲击套筒；11--注水管一；12—排水管三；13—水槽二；14—排水管四；15—水压缸二；16—注水管二；17—剪切盒；18—底座；19—调高螺栓；20—注水阀；21—注水管三；22—减压阀一；23—减压阀二；24—稳压箱；25—水泵；26—蓄能器；27—垂直定位螺栓；28—连接管二；29—背压阀二；30—排水管二；31—水槽一；32--内侧垂直定位螺母；33—滑块；34—t型槽；35—导轨；36—移动垫块；37—岩石试样；38—顶块；39—压力传感器二；40—传输线。

具体实施方式

如图1-3所示，一种摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机，包括蓄能器26、加载系统、摆锤2和信息采集系统，所述蓄能器26为所述加载系统提供稳定压力，所述加载系统使岩石试样处于剪切蠕变状态，所述摆锤2通过所述加载系统对岩石试样进行切向的动态冲击。

所述加载系统包括箱体、水压缸一4、顶块38、剪切盒37、垂直定位螺栓27、外侧垂直定位螺母、内侧垂直定位螺母32、导轨35、滑块33、移动垫块36、水压缸二15、剪切垫块6、水平定位螺栓8、内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9，水压缸一4设置在所述箱体的底面上，所述顶块38安装在水压缸一4的缸柱上，所述剪切盒17包括上部和下部，所述剪切盒17放置在所述顶块38上，剪切盒上部与剪切盒下部之间用于放置岩石试样37；垂直定位螺栓27通过外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母32安装在所述箱体的顶板上；所述箱体的相对的两个侧壁的内侧分别设有一对平行的竖向的t型槽34，所述导轨35的两端分别设有t型端头，一对所述导轨35的t型端头分别安装在所述箱体的t型槽34内；所述滑块33与一对所述导轨35滑动连接在一起，移动垫块36与所述滑块33连接在一起；水压缸二15设置在所述箱体的侧壁上，水压缸二15的缸柱用于顶在剪切盒上部的侧面；剪切垫块6放置在所述顶块38上，与剪切盒下部贴紧放置；所述箱体的侧壁设有两条平行的竖向的通槽，一对水平定位螺栓8通过内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母8安装在所述通槽中。

所述蓄能器26设置在稳压箱24内，所述蓄能器26通过注水管一11与水压缸一4相连，注水管一11上设有减压阀一22；所述蓄能器26通过注水管二16与水压缸二15相连，注水管二16上设有减压阀二23；所述蓄能器26设有注水管三21，注水管三21上设有注水阀20，水泵25通过注水管三21向所述蓄能器26注水；减压阀一22通过连接管一与背压阀一相连，背压阀一设有排水管一；减压阀二23通过连接管二28与背压阀二29相连，背压阀二29设有排水管二30；所述稳压箱24上设有水槽一31，排水管一及排水管二30的出口端设置在水槽一31内。

所述箱体旁设有水槽二13，水压缸一4设有排水管三12，水压缸二15设有排水管四14，排水管三及排水管四14的出口端设置在水槽二13内。

所述摆锤2通过传力结构对岩石试样37进行切向的动态冲击，所述传力结构包括钢杆3、可调支座和冲击套筒10，冲击套筒10套装在一对水平定位螺栓8的头部上；可调支座包括底座18、支架和调高螺栓19，所述支架通过调高螺栓19安装在所述底座18上；所述钢杆3放置在所述支架上，所述摆锤2击打所述钢杆3，所述钢杆3击打冲击套筒10。

所述信息采集系统包括电脑1、应变仪、压力传感器一5、压力传感器二39、应变片和传输线40，压力传感器一5安装在水压缸一4的缸柱上，压力传感器二39安装在水压缸二15的缸柱上，所述应变片粘贴在所述钢杆3上，所述应变片、压力传感器一5及压力传感器二39通过所述传输线40与所述应变仪相连，所述应变仪通过所述传输线40与所述电脑1相连。

一种利用上述摆锤冲击岩石剪切蠕变试验机施行的摆锤冲击岩石剪切蠕变试验方法，包括如下步骤：

1)在减压阀一22、减压阀二23关闭的前提下，将水泵25与注水管三21连接，打开注水阀20，高压水通过注水管三21进入蓄能器26，直到蓄能器26上的压力表的示数达到15mp，关闭注水阀20，将水泵25与注水管三21断开连接，移除水泵25，蓄能工作完成；

2)将岩石试样37放入剪切盒17中，将剪切盒17放到顶块38的中心位置；首先垂直方向上调整水压缸一4的缸柱的高度，使水压缸二15的缸柱中心与剪切盒上部在同一高度；随后水平方向上使滑块33沿导轨35移动，使移动垫块36位于剪切盒17中央上方；其后导轨35的t型端头沿箱体的t型槽34移动，使移动垫块36与剪切盒上部贴合；之后通过调节外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母32，使得垂直定位螺栓27顶紧滑块33，使移动垫块36与剪切盒上部紧密接触；

3)将剪切垫块6放置在顶块38上，与剪切盒下部贴紧放置；松开内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9，使水平定位螺栓8、内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9沿所述通槽移动，直至水平定位螺栓8与剪切垫块6在同一水平面上，使水平定位螺栓8顶紧剪切垫块6，直至剪切垫块6与剪切盒下部紧密接触，随后拧紧内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9，试样放置完成；

4)开启减压阀一22，蓄能器26内的高压水通过注水管一11进入到水压缸一4内，水压缸一4的缸柱上升，通过压力传感器一5向岩石试样37施加作用力，压力传感器一5将信息传递给应变仪，应变仪的数据在电脑1上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀一22，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀一22连接的背压阀一，将减压阀一22的高压水放出一部分，进而使水压缸一4内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀一，直至压力降到目标压力值；

5)开启减压阀二23，蓄能器26内的高压水通过注水管二16进入到水压缸二15内，水压缸二15的缸柱上升，通过压力传感器二39向岩石试样37施加作用力，压力传感器二39将信息传递给应变仪，应变仪的数据在电脑1上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀二23，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀二23连接的背压阀二29，将减压阀二23的高压水放出一部分，进而使水压缸二15内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀二29，直至压力降到目标压力值；压力施加完成；

6)将冲击套筒10套到水平定位螺栓8上，调整调高螺栓19使钢杆3和冲击套筒10紧密接触；松开外侧水平定位螺母9，利用摆锤2冲击钢杆3，进而冲击冲击套筒10作用到岩石试样37上面，对岩石试样37施加切向冲击载荷；通过所述应变片测试施加在岩石试样37上的动态载荷。