用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置及方法，包括水力耦合实验装置和分离式霍普金森压杆装置；水力耦合实验装置用于模拟深部岩石所处的原位高围压、高渗透水压的赋存环境；分离式霍普金森压杆装置用于对试样提供动态冲击加载条件。本发明专利技术通过轴压、围压和水压装置，模拟不同地应力和水压力条件下试样的水力耦合环境；结合分离式霍普金森压杆装置，从而实现不同水力耦合下对试样的动态加载。该功能的实现为深部富含渗渗透水压环境下围岩动态破坏机理试验提供有力的装置支撑，成果可为实际工程提供可信的水力耦合条件下岩石动态压缩试验参数，供围岩支护方案设计及相关科研工作提供参考。

【技术实现步骤摘要】
用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置及方法
本专利技术具体涉及一种用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置和方法。
技术介绍
随着地下工程往“大、长、深、群”方向发展，工程建设面临着活动断裂、强烈地震、高地应力、高地温、高水压等复杂地质环境。同时，在施工过程中，围岩及工程结构面临着强扰动，如开挖卸荷、爆破震动等影响，使得围岩或地下工程结构出现不同程度的损伤，而且在高水压作用下会出现一系列施工地质灾害问题。因此，了解水力耦合和动态作用下深部岩石的物理力学性能，是深部地质工程和岩土工程学科前沿的关键科学问题和亟待解决的重大课题。目前关于水力耦合作用下岩石力学性质的研究主要为实验研究。成都理工大学采用MTS815型程控伺服刚性试验机，在饱和试样底端加载水压，同时进行了三轴实验；长江科学院研制了用于复杂裂隙岩体的水力耦合现场三轴试验系统，采用水压加载系统将水密试验舱注满水，水经透水钢板渗入岩体试件，调控压力水管路阀门，使水密试验舱内形成预设的稳定水压，在此基础上进行三轴实验。但是以上实验技术均是研究静态或准静态条件下岩石的力学性质，对于动态力学性质研究的很少。针对目前深部岩石工程水力耦合环境中岩石动态力学测试的复杂性，本专利技术提出了一种用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置和方法。通过本专利技术能够实现不同地应力条件和不同水压条件共同作用下岩石动态力学性能的测试，为确定深部水力耦合环境下岩石力学性能、优化施工方法等提供准确可信的实验参数，供工程设计和科研参考。
技术实现思路
<br>针对以上问题，本专利技术提出了一种用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置和方法，实现不同地应力条件和不同渗透水压条件共同作用下岩石动态力学性能的测试。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术为通过室内实验手段研究水力耦合条件下深部岩石在动态荷载作用后的力学性能参数提供强有力的技术和理论支撑，成果可为实际工程提供准确可信的实验参数，供工程设计和科研参考。本专利技术的一种用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，包括水力耦合实验装置和分离式霍普金森压杆装置；水力耦合实验装置用于模拟深部岩石所处的原位高围压、高渗透水压的赋存环境；分离式霍普金森压杆装置用于对试样提供动态冲击加载条件。所述水力耦合实验装置，包括入射撞杆、透射撞杆、入射立板、透射立板、油缸；入射立板与导轨支架分别和平台固定相连；透射立板位于入射立板与导轨支架之间；导轨支架与入射立板之间固定有两根水平的导轨，透射立板的圆孔滑动安装在导轨上；入射立板与透射立板中心处均设置通孔，所述的入射撞杆滑动穿过入射立板，透射撞杆滑动穿过透射立板，并且入射撞杆的工作端、透射撞杆的工作端位置相对并且位于入射立板与透射立板之间；样品放置在入射撞杆的工作端与透射撞杆的工作端之间；入射立板与透射立板之间安装有油缸；入射撞杆和透射撞杆内部中心设置有注水孔，注水孔将液体导入到样品处；样品的外部设有密封装置。进一步的，入射立板与透射立板的内侧设置有与油缸内径和外径尺寸相同的环形凹槽，使得油缸与入射立板以及透射立板镶嵌配合；入射立板上设置有注油孔和排气孔，注油孔通过油管与油泵相连；当入射立板、透射立板、油缸夹紧后，油泵与油管通过注油孔向油缸内部注入液压油，油缸内的空气通过排气孔被排出，直至液压油充满油缸，进而油缸内的压力增加，实现对样品进行预加围压加载。进一步的，入射撞杆上的注水孔一端从入射撞杆位于油缸外部位置打通，通过水管与伺服水压机相连；另一端从入射撞杆位于油缸内部位置打通。透射撞杆上的注水孔一端从透射撞杆的外侧面处打通，通过水管与伺服水压机相连；另一端从透射撞杆的底面处打通。其中，所述的密封装置，包括设在样品的两端面的密封瓦-和密封圈-，包裹在样品侧面有热缩管；注水孔中的液体通过密封瓦-注入样品内，热缩管和密封圈-可以保证样品、密封瓦-以及入射撞杆和透射撞杆之间的密封性。优选的，所述分离式霍普金森压杆装置，包括依次位于同一水平直线上的子弹的发射位置、入射杆、透射杆、轴向预加载装置；入射杆、透射杆、轴向预加载装置均通过支座固定于平台上；所述轴向预加载装置通过油管与油泵相连；入射杆和透射杆上均设有应变片，应变片依次连接动态应变仪以及示波器，用于采集杆件上的应力波信号；所述水力耦合实验装置安装在入射杆和透射杆之间；入射杆与入射撞杆对接，透射撞杆与透射杆对接；子弹被发射之后，与入射杆发生对心碰撞从而产生一列压缩应力波，该应力波沿入射杆传播至入射撞杆后，再传递到样品上，进而继续向透射撞杆和透射杆继续传播；所述轴向预加载装置用于提供预加载轴向应力，所提供的预加载轴向应力通过透射杆传递到透射撞杆上，进而传递到样品上，以实现对样品进行轴向应力的预加载。本专利技术的一种用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的方法，利用上述的装置，包括以下步骤：步骤1，将分离式霍普金森压杆装置与水力耦合实验装置装配完备；步骤2，将经过充分饱和的样品设置与密封装置内，并夹持于入射撞杆与透射撞杆之间，装载完成后，将透射立板再次沿着导轨向入射一侧移动，与油缸紧密接触，将入射立板、油缸、透射立板固定并夹紧；步骤3，通过油压驱动轴向预加载装置从而对样品施加轴向预应力；先对样品施加小于1MPa的轴向预应力后使得油压保持，然后同步调节水力耦合实验装置的油缸、轴向预加载装置，共同将压力施加到预定的压力值，施加压力过程中始终保持油缸内的压力与轴向预加载装置中的压力同步增加，且轴向预加载装置中的压力始终比油缸内的压力大，最终实现对样品施加大小为σ0i的轴向预应力和围压；步骤4，轴压及围压施加完成后，水体通过注水孔向样品施加预定水压pi，且保持稳定；步骤5，完成以上步骤后，即可通过分离式霍普金森杆对样品进行动态加载；实验数据通过应变片被捕捉，通过动态应变仪放大后在示波器上显示，将实验数据存盘，并进行数据处理；步骤6，实验完成后，首先关闭注水孔，卸除轴压，卸除围压；步骤7，打开水力耦合试验装置，拆除密封装置，取出岩石样品；步骤8，重复实验步骤2—步骤7，进行下一组实验。步骤5所述的数据处理，包括以下步骤：(1)将存盘的原始实验数据并导出，记录好实验所施加的围压σ0i和预定水压pi；(2)实验数据处理前必须校核力平衡，将试样入射杆(2)端面和透射杆(4)端面的力时程曲线相比较，达到力平衡后，实验才有效；其中入射杆(2)端面的加载力F1为：F1＝A0E0(εi+εr)透射杆(4)端面的加载力F2为：F2＝A0E0εt式中：εi，εr分别是入射杆(2)上应变片(7)测得的应变，εt为透射杆(4)上应变片(7)测得。A0为入射杆(2)的横截面面积，E0为入射杆(2)的弹性模量。(3)加载率的确定样品(3-6)的应力为：σ＝A0E0(εi+εr+εt)/(2As)其中As为样品(3-6)的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，其特征在于，包括水力耦合实验装置和带轴压的分离式霍普金森压杆装置；水力耦合实验装置用于模拟深部岩石所处的原位高围压、高渗透水压的赋存环境；带轴压的分离式霍普金森压杆装置用于对试样提供动态冲击加载条件和轴向加载。/n

【技术特征摘要】
1.用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，其特征在于，包括水力耦合实验装置和带轴压的分离式霍普金森压杆装置；水力耦合实验装置用于模拟深部岩石所处的原位高围压、高渗透水压的赋存环境；带轴压的分离式霍普金森压杆装置用于对试样提供动态冲击加载条件和轴向加载。


2.根据权利要求1所述的用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，其特征在于，所述水力耦合实验装置，包括入射撞杆(3-1)、透射撞杆(3-2)、入射立板(3-7)、透射立板(3-8)、油缸(3-9)；
入射立板(3-7)与导轨支架(3-12)分别和平台(14)固定相连；透射立板(3-8)位于入射立板(3-7)与导轨支架(3-12)之间；导轨支架(3-12)与入射立板(3-7)之间固定有两根水平的导轨(3-13)，透射立板(3-8)的圆孔滑动安装在导轨(3-13)上；
入射立板(3-7)与透射立板(3-8)中心处均设置通孔，所述的入射撞杆(3-1)滑动穿过入射立板(3-7)，透射撞杆(3-2)滑动穿过透射立板(3-8)，并且入射撞杆(3-1)的工作端、透射撞杆(3-2)的工作端位置相对并且位于入射立板(3-7)与透射立板(3-8)之间；样品(3-6)放置在入射撞杆(3-1)的工作端与透射撞杆(3-2)的工作端之间；
入射立板(3-7)与透射立板(3-8)之间安装有油缸(3-9)；
入射撞杆(3-1)和透射撞杆(3-2)内部中心设置有注水孔(15)，注水孔(15)将液体导入到样品(3-6)处；
样品(3-6)的外部设有密封装置。


3.根据权利要求2所述的用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，其特征在于，所述的入射立板(3-7)与透射立板(3-8)的内侧设置有与油缸(3-9)内径和外径尺寸相同的环形凹槽，使得油缸(3-9)与入射立板(3-7)以及透射立板(3-8)镶嵌配合；
入射立板(3-7)上设置有注油孔(3-10)和排气孔(3-11)，注油孔(3-10)通过油管(12)与油泵(13)相连；当入射立板(3-7)、透射立板(3-8)、油缸(3-9)夹紧后，油泵(13)与油管(12)通过注油孔(3-10)向油缸(3-9)内部注入液压油，油缸(3-9)内的空气通过排气孔(3-11)被排出，直至液压油充满油缸(3-9)，进而油缸(3-9)内的压力增加，实现对样品(3-6)进行预加围压加载。


4.根据权利要求2所述的用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，其特征在于，所述的密封装置，包括设在样品(3-6)的两端面的密封瓦(3-4)和密封圈(3-3)，包裹在样品(3-6)侧面有热缩管(3-5)；注水孔(15)中的液体通过密封瓦(3-4)注入样品(3-6)内，热缩管(3-5)和密封圈(3-3)可以保证样品(3-6)、密封瓦(3-4)以及入射撞杆(3-1)和透射撞杆(3-2)之间的密封性。


5.根据权利要求1到4任一项所述的用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置，其特征在于，所述分离式霍普金森压杆装置，包括依次位于同一水平直线上的子弹(1)的发射位置、入射杆(2)、透射杆(4)、轴向预加载装置(5)；入射杆(2)、透射杆(4)、轴向预加载装置(5)均通过支座(6)固定于平台(14)上；所述轴向预加载装置(5)通过油管(12)与油泵(13)相连；
入射杆(2)和透射杆(4)上均设有应变片(7)，应变片(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏开文，徐颖，吴帮标，姚伟，赵格立，王帅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12