基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置的制作方法

本实用新型涉及亚临界裂纹扩展研究用实验设备技术领域，尤其涉及一种基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置。

背景技术：

本部分的描述仅提供与本实用新型公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

亚临界裂纹扩展是岩石力学的一个主要问题，是核废料地下处置、地下能源的开采与储存、地震机制研究及岩土工程的长期稳定性评价所面临的一个基本问题。

根据参考文献[1]披露的内容，目前，亚临界裂纹扩展常用实验研究方法可分为直接法和间接法。其中，常用的直接法以利用双扭试件对亚临界裂纹扩展进行研究的双扭实验为代表，其可以对裂纹扩展速率和应力强度因子进行精确测量。而间接法如巴西圆盘劈裂法，基于对应力强度因子的测量值计算出裂纹扩展速率，反应的是断裂时间内的平均断裂行为。双扭法在60年代由outwater和kies等人提出，由于其相对简单的设计和丰富的适应性改进空间而广为应用。

根据参考文献[2]和[3]披露的内容，自20世纪七八十年代由anderson、swanson等学者将双扭实验法应用于岩石材料中亚临界裂纹扩展规律和断裂韧度的研究之后，不少学者在不同环境下对不同岩性的样品进行了研究。但是由于实验条件以及岩石本身的组成、结构的多样性，现在对岩石亚临界破裂的认识远远不够，仍然需要更多的实验。

参阅参考文献[1]可知，目前对岩石亚临界裂纹扩展特性研究并没有专门的实验装置，现阶段一般只能使用电液伺服实验机上的某个附加模块。如知名美国instron公司提供的拉力机。通常，这些电液伺服实验机对实验材料没有针对性，笨重、庞大且异常昂贵。

参考文献：

[1]周义.流体作用下致密砂岩的亚临界裂纹扩展规律研究[d].中国石油大学(北京),2017.

[2]anderson,o.l.,grew,p.c.stresscorrosiontheoryofcrackpropagationwithapplicationstogeophysics.reviewofgeophysics,1977.

[3]swanson,p.l.,subcriticalcrackgrowthandothertime-andenvironment-dependentbehaviorincrustalrocks:journalofgeophysicalresearch:solidearth,1984.

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本实用新型的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

基于前述的现有技术缺陷，本实用新型实施例提供了一种基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置，适用并针对岩石这一实验材料，将实验装置小型化，且操作方便，简便易行。

为了实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案。

一种基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置，包括：

第一支撑台；

样品台，设在所述第一支撑台上，用于供待测试岩石放置；

设在所述第一支撑台上方的第二支撑台，所述第二支撑台设有贯穿其上下表面的穿孔，所述穿孔与所述样品台对应；

竖直立板，设在所述第二支撑台上；

电机，设在所述竖直立板上，输出轴垂直向下延伸；

丝杆，与所述电机的输出轴连接；

贴合设置在所述竖直立板外侧壁上的滑块板，所述滑块板设有丝孔，所述丝杆旋合在所述丝孔中；

设在所述滑块板上的压杆，所述压杆穿过所述穿孔，并与所述样品台对应；

位移传感器，设在所述滑块板上，用于检测所述压杆沿轴向的位移；

压力传感器，设在所述压杆的下端面，用于检测所述压杆对所述供待测试岩石加载的压力载荷；

数据采集单元，与所述位移传感器和压力传感器信号连接；

处理单元，与所述数据采集单元信号连接。

优选地，所述样品台的上表面向下凹陷形成有用于盛放液体的凹槽，所述凹槽的中部向上凸起形成供所述供待测试岩石放置的四个凸点。

优选地，所述压杆的下端活动套设有对准所述四个凸点的压头，所述压头呈上端开口的空心壳体状，所述压头的内径大于所述压杆的外径；所述压力传感器设在所述压杆的下端与所述压头的内底壁之间。

优选地，所述处理单元还与所述电机连接，用于控制所述电机操作。

优选地，所述竖直立板中设有安装槽，所述电机收纳固定在所述安装槽中。

优选地，所述竖直立板设置所述滑块板的外侧壁上设有沿竖直方向延伸的滑轨，所述滑块板面对所述竖直立板的表面设有滑槽，所述滑轨嵌设在所述滑槽中。

由此可见，本实用新型实施例的基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置，通过设置相互旋合的丝杆和具有丝孔的滑块板，通过电机驱动的作用，并结合丝杆与丝孔的旋合作用，将电机输出轴的旋转运动转换为滑块板在竖直立板上沿轴向的直线运动，进而带动与滑块板连接的压杆运动，从而实现对待测试岩石的压力加载。相较于现有技术对岩石进行加载的电液伺服实验机而言，本实施例基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置体积大大缩小，且操作方便，简便易行。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施例，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施例在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。在附图中：

图1为本实用新型一个非限制性实施例的基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置的结构示意图；

图2为图1中压杆下端、压头、样品台的局部放大结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置，其包括：

第一支撑台1；

样品台2，设在第一支撑台1上，用于供待测试岩石3放置；

设在第一支撑台1上方的第二支撑台4，第二支撑台4设有贯穿其上下表面的穿孔41，穿孔41与样品台2对应；

竖直立板5，设在第二支撑台4上；

电机6，设在竖直立板5上，输出轴垂直向下延伸；

丝杆7，与电机6的输出轴连接；

贴合设置在竖直立板5外侧壁上的滑块板8，滑块板8设有丝孔81，丝杆7旋合在丝孔81中；

设在滑块板8上的压杆9，压杆9穿过穿孔41，并与样品台2对应；

位移传感器10，设在滑块板8上，用于检测压杆9沿轴向的位移；

压力传感器11，设在压杆9的下端面，用于检测压杆9对供待测试岩石3加载的压力载荷；

数据采集单元(未示出)，与位移传感器10和压力传感器11信号连接；

处理单元(未示出)，与数据采集单元信号连接。在本实施例中，第一支撑台1和第二支撑台4均呈板状，第二支撑台4可通过多个支撑立柱12固定在第一支撑台1上，并被架离高于第一支撑台1。

结合图2所示，样品台2大致呈矩形板状。在一个实施例中，样品台2的上表面可向下凹陷形成有用于盛放液体的凹槽21，凹槽21的中部向上凸起形成供待测试岩石3放置的四个凸点22。四个凸点22呈矩形或方形排布，支撑待测试岩石3的四个角点。如此，可通过在凹槽21中盛放液体，将待测试岩石3淹没，以模拟研究不同环境情况下的亚临界裂纹扩展实验。

在本实施例中，凹槽21中盛放液体包括无腐蚀性的液体例如水，也可以包括具有腐蚀性的液体例如酸液或碱液。为使本装置具有更佳的适用性，以模拟研究不同类型的液体淹没情况下的亚临界裂纹扩展实验，样品台2可由抗压性较好、不易腐蚀的pvc材料制成。

继续参阅图2所示，进一步地，压杆9的下端可活动套设有对准至少两个凸点22的压头13，压头13呈上端开口的空心壳体状，其内径大于压杆9的外径。这样，压头13套设在压杆9下端后，两者之间可实现活动。压力传感器11设在压杆9的下端与压头13的内底壁之间，从而压杆9下压时，放置在样品台2上的待测试岩石3对压头13施加的反作用力传递至压力传感器11上，从而压杆9对待测试岩石3的加载应力被压力传感器11测得。

如图1所示，竖直立板5中设有安装槽51，电机6收纳固定在安装槽51中。为防止对丝杆7的旋转形成阻挡或干涉，安装槽51大致呈竖直长条状，将丝杆7也收纳在其中。进一步地，竖直立板5设置滑块板8的外侧壁上可设有沿竖直方向延伸的滑轨，滑块板8面对竖直立板5的表面设有滑槽，滑轨嵌设在滑槽中。如此，电机6驱动丝杆7在丝孔81中旋转，借助丝杆7与丝孔81的配合作用，可驱动滑块板8在竖直立板5的外侧壁上沿竖直方向上下移动。并且，借助滑轨和滑槽的配合，可对滑块板8在竖直立板5上的上下移动起导向和限位作用。

在本实施例中，电机6可以为采用步进电机6，其与电源连接。电源可向电机6提供操作所需电能，其既可以为直流电源，也可以为交流电源，既可以是220v的市电，也可以是安全电压，取决于电机6的类型和对供电的要求，本实施例对此不作限定。

进一步地，电机6可以与处理单元连接，由处理单元对其进行控制。具体的，处理单元可连接有操作设备例如键盘、鼠标等，其可基于用户的触发操作而生成控制信号，继而控制电机6开启、关闭、正转或反转等。

由此可见，本实用新型实施例的基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置，通过设置相互旋合的丝杆7和具有丝孔81的压杆9滑块板8，通过电机6驱动的作用，并结合丝杆7与丝孔81的旋合作用，将电机6输出轴的旋转运动转换为滑块板8在竖直立板5上沿轴向的直线运动，进而带动与滑块板8连接的压杆9运动，从而实现对待测试岩石3的压力加载。相较于现有技术对岩石进行加载的电液伺服实验机而言，本实施例基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置体积大大缩小，且操作方便，简便易行。

本实用新型实施例的基于双扭实验测量岩石亚临界裂纹扩展特性的装置的工作原理如下：

电机6驱动丝杆7旋转，通过丝杆7与丝孔81的旋合作用，压杆9被驱动穿过设在第二支撑台4上的穿孔41向下运动。至压杆9下端的压头13压在待测试岩石3上，继续加载，至待测试岩石3发生亚临界破裂时，保持位移。当应力逐渐趋于平稳，再次加压，直到待测试岩石3试件破裂完成时，控制电机6反转，驱动压杆9向上运动，取下岩样试件。

在此过程中，压力传感器11可检测到压杆9对待测试岩石3施加的加载应力，位移传感器10通过检测滑块板8压杆9的向下位移量来反映待测试岩石3的形变量。与位移传感器10和压力传感器11信号连接的数据采集单元可对压力传感器11检测到的应力加载阶段和应力释放阶段的载荷p、位移传感器10检测到的形变量与时间数据进行采集，并将上述数据提供给处理单元。处理单元基于上述数据，生成应力加载阶段和应力释放阶段的载荷p与时间的对应关系曲线，并计算断裂韧度和裂纹扩展速度。

在本实施例中，处理单元可连接显示单元例如显示器，用于将生成的应力加载阶段和应力释放阶段的载荷p与时间的对应关系曲线进行显示。

需要说明的是，处理单元基于应力加载阶段和应力释放阶段的载荷p、位移传感器10检测到的形变量与时间数据，生成载荷p与时间的对应关系曲线和计算断裂韧度和裂纹扩展速度，是比较公知的技术，本实施例对此不作赘述。

在本实施例中，处理单元可以按任何适当的方式实现。具体的，例如，处理单元可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该微处理器或处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，plc)和嵌入微控制单元(microcontrollerunit，mcu)的形式，上述模块的例子包括但不限于以下微控制单元：arc625d、atmelat91sam、microchippic18f26k20以及siliconelabsc8051f320。本领域技术人员也应当知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现所述处理单元的功能以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制单元等形式来实现相同功能。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。