一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机及方法技术

本发明专利技术公开了一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机及方法，适用于岩体在不同地震动作用下的宏观变形、细观损伤实时跟踪测量，包括MTS竖向压力机、门型支承框架、竖向承压台、刚性工作平台、刚性压头、MTS侧向压力机、密闭防辐射试验箱、试验箱支承杆、宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机、强聚光灯、定位杆、数据处理器、终端服务器及若干线路。本发明专利技术可以实现不同地震动作用下，岩体不同尺度上的全场应变测量，为岩体宏细观力学参数确定和动力损伤识别提供室内试验技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及岩石动力学室内试验
，具体涉及一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机及方法。
技术介绍
近年来，我国基础设施建设发展迅速，随着各类长大交通(水工)隧道(隧洞)、大规模地下建筑(群)等工程相继建成并投入使用，涌现出大量与地下工程相关的岩石力学问题，尤其对于处在高烈度区的地下工程而言，则还要解决岩石动力学问题，需要对受扰动岩体的动力学行为进行研究，借此掌握地下结构的地震动力响应及变形破坏机理。岩体介质往往具有非均质性、非连续性、各向异性等特征，其力学特性有很大一部分取决于裂隙间的相互作用以及局部损伤弱化区的分布规律。岩体(包括外部和内部)宏观裂隙和细观损伤的形成、演化及相互作用过程，对其本身的受力、变形及破坏行为都有着重要的影响。岩体介质渐进破坏机理是评价工程岩体宏观力学参数的依据，也是预测地下工程在地震中围岩稳定性的基础，是岩石(动)力学重要的组成部分。因此，研究岩体在地震动作用下的宏细观(外部和内部)多尺度行为，对于深刻揭示岩体介质损伤—变形—破坏机理、预测结构失效模式以及指导地下工程抗震设计，都具有十分重要的意义。根据对各期刊、文献以及已申请专利的检索，发现与岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机功能类似的设备鲜有报道。高春华等(地震模拟振动台技术在中国的发展[J].土木工程学报，2014，47(8)：9-19.)对地震模拟动力系统的研发进展进行了系统详尽的介绍，其中并没有提到有关于将光学测量系统和X射线探伤设备应用到地震动试验机上的先例。刘永禄(数字图像测量技术在岩土工程试验中的应用研究[D].大连：大连理工大学，2008.)主要介绍了包括光学手段在内的数字图像技术在岩体宏细观变形精确测量领域的发展，然而通篇未涉及该技术在岩体动力学试验中的应用。目前，在已检索的各期刊及文献内，均未见关于岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机及方法，它可以在不同模拟地震动作用下，测量岩体不同尺度上的全场应变，为岩体宏细观力学参数确定和动力损伤识别提供室内试验技术支持。本专利技术采用的技术方案如下：一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，包括一个密闭防辐射试验箱，在所述的密闭防辐射试验箱的顶面外侧设有一个伸入其内部，且对其内部试样施加向下压力的竖向压力机；在密闭防辐射试验箱的两个相对的侧面外侧设有伸入其内部，且对其内部试样施加水平压力的侧向压力机；在所述的密闭防辐射试验箱内部的同一侧还设有宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机以及聚光照明装置；所述的竖向压力机、侧向压力机、宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机与信号处理装置相连，所述的信号处理装置与终端服务器相连。所述的试验机可同时跟踪测量岩体宏观和细观不同尺度(100μm-10cm)的全场应变和损伤，既涉及岩体表面，又可深入到岩体内部，其效果相当于在试样表面贴上数以万计不同方位的高精度应变片，又在试样内部埋入无数个应变监测器。所用试样一般被要求加工成正六面体，六个表面在试验前均需要经过细致的抛光处理，面朝光学相机镜头的表面需涂上散斑；光滑平整的表面有利于试样与刚性压头之间的均匀传力，散斑可作为试样表面各点的位置标识，作为参考点协助光学相机监测位移。进一步的，所述的竖向压力机安装在门型支承框架的横梁上，竖向压力机的机身穿过密闭防辐射试验箱顶部对试样实施压力，机身与密闭防辐射试验箱的接口用固体防辐射胶密封。进一步的，所述的竖向压力机、侧向压力机的端部安装有刚性压头，安装方式采用球形连接。进一步的，所述的侧向压力机共有两个，对称安装在门型支承框架的左右立柱上，两个侧向压力机的机身对称穿过密闭防辐射试验箱左侧部和右侧部，机身与密闭防辐射试验箱的接口用固体防辐射胶密封。进一步的，所述的宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机和聚光照明装置分别由四根定位杆支撑；定位杆下端与刚性工作平台刚性连接，中段穿过密闭防辐射试验箱，与密闭防辐射试验箱的接口用固体防辐射胶密封。进一步的，所述的密闭防辐射试验箱通过试验箱支承杆固定在刚性工作平台上。进一步的，三个所述的压力机各自独立控制，其内部运动活塞可同时以各自预设的速度或加速度移动，对试样表面施加任意动荷载，这其中，能涉及到的动荷载参数包括幅值、频率、波形等等。进一步的，还包括预制的垫块和托块，所述的垫块和托块放置在密闭防辐射试验箱，来延伸试验机的功能范围，使之可以服务于不同尺寸试样的双轴动力试验。利用上述装置进行试验的方法如下：1)试验开始前，操控压力机，使压力机内部的运动活塞各自以极缓慢的速度移动，直至刚性压头与试样表面接触，对其施加一个初始静压力，借此模拟地下围岩所承受的初始地应力；2)施加动荷载前，保持刚性压头与试样表面的接触，使试样始终不发生空间刚体位移，依次调节宏观光学相机、细观光学相机和CT扫描机的机身位置，使试样出现在各相机拍照视野中央，然后调节各自镜头的焦距和光圈，以便采集最佳质量的图像；3)施加动荷载，压力机提供的不同动荷载组合可在试样内部生成任意形态特征的应力波，正交的应力波经一系列干涉和叠加，又形成复杂的应力场，借此模拟各种地震动作用下围岩各点的应力状态；4)试验过程中，待试样表面毫米级的宏观位移(裂缝)和微米级的细观位移(裂纹)分别被宏观光学相机和细观光学相机采集，内部损伤则被CT扫描机捕捉后；及时处理试验数据。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和效果：1.试验机可同时跟踪测量岩体宏观和细观不同尺度(100μm-10cm)的全场应变和损伤，既涉及岩体表面，又可深入到岩体内部，其效果相当于在试样表面贴上数以万计不同方位的高精度应变片，又在试样内部埋入无数个应变监测器；2.试验机可在双轴条件下，对试样施加任意组合动荷载，满足任意模拟地震动作用下岩体力学特性及变形破坏研究的要求；其中，能涉及到的动荷载参数包括幅值、频率、波形等等，试验机提供的动荷载频率范围为0—15Hz，能完全覆盖实际地震动的频率；3.通过试验机的动力系统可以构造试样各点的应力状态，通过试验机的光学与射线测量系统可以跟踪试样各点的位移信息(后续可转化为各点的应变信息)，两系统间可实现信号同步，获得试样任意位置在同一时间点上对应的应力和应变信息，从而建立时间—位置—应力—应变四者的关系；4.试验机使用灵活，可适用于多种特殊情况，比如，三个压力机可以为试样提供静荷载，使试验机可以服务于各类双轴静力学试验；侧向压力机不启动，只开启竖向压力机，使试验机可以服务于单轴试验；光学与射线测量系统不启动，只开启动力系统，使试验机可以用于常规的双轴动力试验，等等；5.试验机通用性好、可靠性高、精度高(宏观[cm]应变测量精度达到10-6，细观[μm]应变测量精度达到10-4)，可满足现代岩石地震动力分析要求。附图说明图1为垫块、托块位置关系示意图；图2为一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机主视图；图3为一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机俯视图。其中：1—MTS竖向压力机，2—门型支承框架，3—竖向承压台，4—刚性工作平台，5—刚性压头，6—MTS侧向压力机，7—密闭防辐射试验箱，8—试验箱支承杆，9—宏观光学相机，10—细观光学相机，11—C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，其特征在于：包括一个密闭防辐射试验箱，在所述的密闭防辐射试验箱的顶面外侧设有一个伸入其内部，且对其内部试样施加向下压力的竖向压力机；在密闭防辐射试验箱的两个相对的侧面外侧设有伸入其内部，且对其内部试样施加水平压力的侧向压力机；在所述的密闭防辐射试验箱内部的同一侧还设有宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机以及聚光照明装置；所述的竖向压力机、侧向压力机、宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机与信号处理装置相连，所述的信号处理装置与终端服务器相连。

【技术特征摘要】
1.一种岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，其特征在于：包括一个密闭防辐射试验箱，在所述的密闭防辐射试验箱的顶面外侧设有一个伸入其内部，且对其内部试样施加向下压力的竖向压力机；在密闭防辐射试验箱的两个相对的侧面外侧设有伸入其内部，且对其内部试样施加水平压力的侧向压力机；在所述的密闭防辐射试验箱内部的同一侧还设有宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机以及聚光照明装置；所述的竖向压力机、侧向压力机、宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机与信号处理装置相连，所述的信号处理装置与终端服务器相连。2.如权利要求1所述的岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，其特征在于：所述的竖向压力机安装在门型支承框架的横梁上，竖向压力机的机身穿过密闭防辐射试验箱顶部对试样实施压力，机身与密闭防辐射试验箱的接口用固体防辐射胶密封。3.如权利要求1所述的岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，其特征在于：两个所述的侧向压力机对称安装在门型支承框架的左右立柱上，两个侧向压力机的机身对称穿过密闭防辐射试验箱左侧部和右侧部，机身与密闭防辐射试验箱的接口用固体防辐射胶密封。4.如权利要求1所述的岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，其特征在于：所述的竖向压力机、侧向压力机的端部安装有刚性压头，安装方式采用球形连接。5.如权利要求1所述的岩体宏细观损伤联合跟踪的仿地震动试验机，其特征在于：所述的宏观光学相机、细观光学相机、CT扫描机和聚光照明装置分别由四根定位杆支撑；定位杆下端与刚性工作平台刚性连接，中段穿过密闭防辐射试验箱，与密闭防辐射试验箱的接口用固体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫忠，马少森，赵武胜，杨典森，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37