复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统，包括刚性框架，在刚性框架内部有实验空间，其底部滑动设置水平滑移承压板，水平滑移承压板上依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块，刚性框架顶部安装轴向液压驱动器，轴向液压驱动器活塞端部依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块；刚性框架的正面、背面、左面和右面各自水平安装一组切向液压驱动器，切向液压驱动器活塞端部连接切向加载活塞，切向加载活塞另一端依次刚性连接测力计和切向加载块。本实用新型专利技术能够模拟在地下岩体中节理面的应力场状态，并进行超声动力实验。

【技术实现步骤摘要】
复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统
本技术属于岩土工程岩石力学实验、测试
，特别是涉及一种复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统。
技术介绍
岩石节理对岩体中的应力波传播具有显著的影响，而岩石节理本身复杂力学性质和在地质上的多样性导致不同类型岩石节理的应力波透射性质有所不同，因此岩石节理的应力波透射性质研究具有显著的意义。岩石节理的应力波透射研究对于研究节理对应力波传播影响特征和反演节理自身的力学性质具有重要的作用，其研究成果广泛的应用在岩土工程地震响应分析、地质物探等领域。而根据大量的岩石节理力学实验发现，岩石节理自身的力学性质和岩石节理上所受到的应力的状态是密切相关的，且力学性质随应力状态呈非线性变化趋势；又因为在实际工程地质结构中，岩体中地应力场是客观存在的，而且导致原岩体中节理面存在一定的初始应力；然而在岩石节理的取样室内实验中，初始应力往往是忽略的。因此研究岩石节理的应力波传播规律应该要考虑岩石节理的受力状态。目前用于岩石节理实验的主要有霍普金森压杆实验和岩石节理超声实验。霍普金森压杆为一维脉冲应力波实验装置，为发展年代最为久远的仪器，并经历过几次较大的革新，可以用来对应力脉冲在岩石节理中的反射、透射行为进行模拟和实验。其特点是应力波幅值高，能量密度较高，测试数值的获取也相对较为精细。其节理岩样围压可以是零，也可以通过添加三轴压力室，模拟岩石在具有围压情形下的应力波反射、透射行为。霍普金森压杆实验的缺陷在于不能够通过试验机的加载来自由改变岩石节理面上的应力状态，且不容易控制应力波波形。岩石节理超声实验一般是对节理岩样施加低振幅高频振动荷载，与霍普金森压杆实验相比，超声实验一般不能体现出节理的动态非线性性质。但是由于是施加高频振动荷载，因此更方便通过波谱分析节理的应力波传播特性和节理的本身力学性质。岩石节理超声实验的缺陷与霍普金森压杆实验类似，岩石节理超声实验不能够通过试验机的加载来自由改变岩石节理面上的应力状态。因此，如何解决上述现有技术存在的缺陷成为了该领域技术人员努力的方向。
技术实现思路
本技术的目的就是提供一种复杂应力下岩石节理超声实验装置及其控制系统，解决了岩石节理在复杂应力状态下的超声实验，通过伺服液压加载系统对节理岩样进行多轴复合加载，得以实现岩石节理面上的任意应力状态，从而解决上述现有技术的不足之处。本技术的目的通过下述技术方案来实现：一种复杂应力下岩石节理超声实验装置，包括刚性框架、轴向加载块、切向加载块、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器、测力计、水平滑移承压板、位移计、切向加载活塞、切向液压驱动器和轴向液压驱动器；所述刚性框架内部中间竖直设置实验空间，该实验空间底部为水平面，该水平面上滑动设置水平滑移承压板，水平滑移承压板上由下至上依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块，在刚性框架顶部对应水平滑移承压板竖直安装轴向液压驱动器，轴向液压驱动器活塞垂直伸入实验空间，在轴向液压驱动器活塞端部由上至下依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块；所述刚性框架的正面、背面、左面和右面对应各自水平安装一组切向液压驱动器，每一组切向液压驱动器包括上下平行设置的2个切向液压驱动器，切向液压驱动器活塞端部连接切向加载活塞的一端，切向加载活塞的另一端依次刚性连接测力计和切向加载块，所有轴向加载块和切向加载块共同构成一个矩形加载空间。进一步，所述实验空间底部水平面上安装滚珠板，水平滑移承压板设置在滚珠板上。进一步，所述轴向液压驱动器活塞与测力计之间刚性连接隔振器，水平滑移承压板与测力计之间刚性连接隔振器。进一步，所述刚性框架内安装与切向加压活塞滑动配合的活塞导轨。进一步，所述刚性框架上还安装有用于测量切向加载块和轴向加载块位移的位移测量装置。进一步，所述位移测量装置为拉绳位移计，该位移计固定在刚性框架内侧，位移计的拉绳通过固定销固定在轴向加载或切向加载块上。进一步，所述矩形加载空间内放置节理岩样，节理岩样由中间含有节理的两块岩块组成，岩样轴线与轴向加载轴线共线，且节理岩样侧壁四周包裹有缓冲密封层。进一步，所述节理岩样外表面均匀涂覆有粘性胶体物质。所述粘性胶体物质可以采用凡士林、水玻璃或硅胶。一种用于上述复杂应力下岩石节理超声实验装置的控制系统，包括数据采集转换仪、控制信号转换放大装置、实验数据处理与储存系统以及安装有实验软件系统的计算机终端；所述数据采集转换仪用于接收位移测量装置、测力计、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器传递来的电信号，并将电信号转换成计算机能识别的数字信号；计算机终端接收数据采集转换仪传递而来的数字信号，通过实验软件系统对接收到的信号进行处理分析，将所需的实验数据经过实验数据处理与储存系统处理后进行存储，并针对实验装置的监测信号做出反馈控制信息，计算机终端将反馈控制信息发送至控制信号转换放大装置，根据反馈控制信息控制信号转换放大装置分别控制各个伺服液压油泵或超声信号激发系统做出响应，所述伺服液压油泵用于驱动切向液压驱动器和轴向液压驱动器，超声信号激发系统用于控制切向超声振动换能器和轴向超声振动换能器。与现有技术相比，本技术的有益效果在于：结构简单，设计合理，能够任意控制加载节理岩样中节理面上的复杂应力状态，并模拟在地下岩体中节理面的应力场状态，并进行超声动力实验。附图说明图1是节理岩样受力解析图；图2是岩块受力分析图；图3是本技术实验装置前后方向的纵剖面结构示意图；图4是本技术实验装置左右方向的纵剖面结构示意图；图5是本技术实验装置的局部放大图；图6是本技术实验装置的位移监测原理示意图；图7是节理试样加载原理示意图；图8是本技术控制系统原理图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本技术作进一步的说明。本复杂应力下岩石节理超声实验装置的实现原理如下：如图1所示，一种复杂应力下岩石节理超声实验装置是以轴截面为正方形的岩样作为基本试样，试件中部有水平节理面存在，并将岩样一分为二。岩样的力学参数、节理面的形态、节理面的充填情况可根据具体需要所选择，其即可以是自然节理的采样或复刻，也可以是为了研究的目的而人工设计产生。节理岩样的受力如图1所示，节理面上下岩块受力是由单独的加载机构实现，能独立控制加载。而由于试件上下端面受力应当平衡，因此上下端面中其中一个端面轴向位移受到约束，另一端轴向主动施加荷载。对于岩样节理上下两个岩块1、2，其四周受到前后左右四个作用力，若在节理面的平均面上建立坐标系o-xyz，则岩样(岩块1、2)的各个面上施加的荷载命名为f1x,f'1x，f1y,f'1y，f2x,f'2x，f2y,f'2y和f1z,f2z，且设作用力方向均以试样的作用面外法向方向为正。因此我们可以通过简单的受力平衡关系得出节理面上的应力大小为：其中：A为节理面在平均面上的投影面积(或是节理岩样的轴截面面积)，f1x为岩块1上切向x轴正向加载力；f′1x为岩块1上切向x轴逆向加载力；f1y为岩块1上切向y轴正向加载力；f′1y为岩块1上切向y轴逆向加载力；f2x为岩块2上的切向x轴正向加载力；f′2x为岩块2上的切向x轴逆向加载力；f2y为岩块2上的切向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂应力下岩石节理超声实验装置，其特征在于：包括刚性框架、轴向加载块、切向加载块、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器、测力计、水平滑移承压板、位移计、切向加载活塞、切向液压驱动器和轴向液压驱动器；所述刚性框架内部中间竖直设置实验空间，该实验空间底部为水平面，该水平面上滑动设置水平滑移承压板，水平滑移承压板上由下至上依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块，在刚性框架顶部对应水平滑移承压板竖直安装轴向液压驱动器，轴向液压驱动器活塞垂直伸入实验空间，在轴向液压驱动器活塞端部由上至下依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块；所述刚性框架的正面、背面、左面和右面对应各自水平安装一组切向液压驱动器，每一组切向液压驱动器包括上下平行设置的2个切向液压驱动器，切向液压驱动器活塞端部连接切向加载活塞的一端，切向加载活塞的另一端依次刚性连接测力计和切向加载块，所有轴向加载块和切向加载块共同构成一个矩形加载空间。

【技术特征摘要】
2016.09.18 CN 20162105992011.一种复杂应力下岩石节理超声实验装置，其特征在于：包括刚性框架、轴向加载块、切向加载块、切向超声振动换能器、轴向超声振动换能器、测力计、水平滑移承压板、位移计、切向加载活塞、切向液压驱动器和轴向液压驱动器；所述刚性框架内部中间竖直设置实验空间，该实验空间底部为水平面，该水平面上滑动设置水平滑移承压板，水平滑移承压板上由下至上依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块，在刚性框架顶部对应水平滑移承压板竖直安装轴向液压驱动器，轴向液压驱动器活塞垂直伸入实验空间，在轴向液压驱动器活塞端部由上至下依次刚性连接测力计、轴向超声振动换能器、切向超声振动换能器和轴向加载块；所述刚性框架的正面、背面、左面和右面对应各自水平安装一组切向液压驱动器，每一组切向液压驱动器包括上下平行设置的2个切向液压驱动器，切向液压驱动器活塞端部连接切向加载活塞的一端，切向加载活塞的另一端依次刚性连接测力计和切向加载块，所有轴向加载块和切向加载块共同构成一个矩形加载空间。2.根据权利要求1所述的复杂应力下岩石节理超声实验装置，其特征在于：所述实验空间底部水平面上安装滚珠板，水平滑移承压板设置在滚珠板上。3.根据权利要求2所述的复杂应力下岩石节理超声实验装置，其特征在于：所述轴向液压驱动器活塞与测力计之间刚性连接隔振器，水平滑移承压板与测力计之间刚性连接隔振器。4.根据权利要求3所述的复杂应力下岩石节理超声实验装置，其特征在于：所述刚性框架内安装与切向加压活塞滑动配合的活塞导轨。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘传正，崔鹏，张建经，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：新型
国别省市：四川,51