一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置及方法制造方法及图纸

一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置及方法，装置的压力室设有一个竖向作动器和两个水平对置作动器，岩样通过试样支座置于竖向作动器下方压力室内侧底部，试样支座上对称设有两个下支点滚柱，竖向作动器上设有上支点滚柱，上支点滚柱位于两个下支点滚柱正中间上方。方法为：制备岩石试样，加工人工裂缝；对试样进行水饱和处理；将饱水试样放置到下支点滚柱上，人工裂缝居中朝下；通过两个水平对置作动器对试样施加水平夹紧力；封闭压力室，注水并施加水压，模拟地下饱水压力环境；通过竖向作动器对试样施加下压力；采集数据并保存。当无需模拟地下饱水压力环境时，仅通过三个作动器对饱水试样施加应力，通过显微镜同步观察裂缝扩展过程。

An experimental device and method of rock three-point bending coupled with multi axial loading and water saturation

【技术实现步骤摘要】
一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置及方法
本专利技术属于岩石断裂力学实验
，特别是涉及一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置及方法。
技术介绍
1920年，英国物理学家Griffith基于玻璃中裂纹产生规律的试验研究，发现材料内部缺陷决定材料的强度，其建立的脆性材料断裂理论，为断裂力学奠定了理论基础，断裂力学的研究范围也由金属材料逐步拓展到岩石材料。岩石材料与金属材料最大的不同是岩石内部存在大量天然缺陷，且是由多相矿物组成，深部岩体断裂是在外部板块构造应力、工程爆破开挖扰动应力等外力作用，加之内部缺陷裂纹扩展、破裂，表现出的mm级到km级别的断裂，而地壳中的岩石是处在三维应力(σ1≥σ2≥σ3)状态下，有时地下水压力也共同作用在岩石上，地下岩石工程设计仅仅依靠岩石强度指标是不够的。岩石破坏实验主要有静力加载破坏、流变破坏和动力冲击破坏等，这些破坏均与内部裂纹密度和裂纹扩展率有关，岩石断裂力学研究是岩石工程设计的一个基础方向，过去岩石材料断裂韧度试验技术一直参照金属材料断裂韧度测试装置和方法，简言之，将试样放在有一定距离的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向试样施加向下的载荷，试样的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，试样将于中点处发生拉伸断裂。但是，现有的三点弯实验均是在一维受力条件下完成的，完全没有考虑地下岩石的三维受力状态以及地下水的耦合作用，由于岩石材料的断裂韧度实验结果是在一维条件下获得的，其在解释地下岩石三维断裂机制时具有局限性。
技术实现思路
>针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置及方法，能够有效模拟岩石在三维应力下与地下水的耦合状态，并在该状态下进行三点弯实验，使实验结果更加真实可靠，不但可以为深部隧道工程、深部页岩气开发工程、深部金属矿开采过程中的岩体断裂失稳提供实验数据解释，同时也可为地震诱发原因提供解释依据。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，包括压力室、第一作动器、第二作动器、第三作动器及试样支座；所述第一作动器竖直设置在压力室顶部，所述试样支座竖直固装在第一作动器正下方的压力室内侧底部，所述第二作动器和第三作动器水平对称设置在压力室的左右两侧；在所述试样支座顶端固装有下支点滚柱限位台，在下支点滚柱限位台上表面开设有若干条下支点滚柱限位槽，若干下支点滚柱限位槽平行等间距分布，在下支点滚柱限位槽对称放置有第一下支点滚柱和第二下支点滚柱，岩石试样放置在第一下支点滚柱和第二下支点滚柱上；在所述第一作动器的活塞杆端部固装有第一测力传感器，在第一测力传感器底端固连有第一承压垫块，在第一承压垫块下表面开设有上支点滚柱限位槽，在上支点滚柱限位槽设有上支点滚柱，上支点滚柱与岩石试样顶靠接触，上支点滚柱位于第一下支点滚柱和第二下支点滚柱的中间点正上方；在所述第二作动器的活塞杆端部固装有第二测力传感器，在第二测力传感器侧面固连有第二承压垫块，在第二承压垫块侧面固连有第一橡胶垫，第一橡胶垫与岩石试样顶靠接触；在所述第三作动器的活塞杆端部固装有第三测力传感器，在第三测力传感器侧面固连有第三承压垫块，在第三承压垫块侧面固连有第二橡胶垫，第二橡胶垫与岩石试样顶靠接触；在所述压力室底部开设有进排水口，在压力室顶部开设有进排气口。所述压力室的前后两侧均设有密封门，每个密封门上均安装有透明观察窗，密封门采用整体可拆卸式结构。一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验方法，采用了所述的多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，包括如下步骤：步骤一：制备岩石试样，在岩石试样的一个表面中间位置向内加工一条人工裂缝；同时，在第一承压垫块与试样支座之间竖直安装一根LVDT位移传感器；步骤二：将加工有人工裂缝的岩石试样浸入蒸馏水中，直到岩石试样达到水饱和状态；步骤三：将处于水饱和状态的岩石试样送入压力室并放置到第一下支点滚柱和第二下支点滚柱上，使人工裂缝朝下并处在第一下支点滚柱和第二下支点滚柱的正中间；步骤四：采用位移控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆同步伸出，直到第一橡胶垫和第二橡胶垫与岩石试样侧表面顶靠接触在一起，完成岩石试样的对中夹持，再以力控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆对岩石试样施加水平夹紧力；步骤五：将密封门安装回压力室上，完成压力室的封闭，再将进排水口与供水水源接通，向压力室内进行注水，注水过程中，压力室内的空气由进排气口排出，当进排气口有水流出后，说明压力室内的水已经注满，此时封闭进排气口，最后完成压力室内水压施加，以模拟地下饱水压力环境；步骤六：采用位移控制方式驱动第一作动器的活塞杆下伸，直到上支点滚柱与岩石试样上表面顶靠接触在一起，再以位移控制方式使第一作动器的活塞杆对岩石试样施加下压力；步骤七：在计算机中观测应力-位移曲线，当应力-位移曲线达到峰值后，再持续加载一段时间，之后停止加载，并将采集的实验数据进行保存；步骤八：先采用位移控制方式驱动第一作动器的活塞杆上移，使上支点滚柱与岩石试样上表面相分离，完成下压力的卸载；再以位移控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆同步回撤，使第一橡胶垫和第二橡胶垫与岩石试样侧表面相分离，完成水平夹紧力的卸载；步骤九：先将压力室内水压进行卸载，再将封闭的进排气口打开，最后将压力室中的水通过进排水口全部排出；步骤十：将密封门从压力室上拆下，取出岩石试样，观察岩石试样上裂缝拓展情况；同时，对采集的数据进行分析和计算，获取岩石试样的断裂韧度和抗拉强度。一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验方法，采用了所述的多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，当无需模拟地下饱水压力环境时，包括如下步骤：步骤一：制备岩石试样，在岩石试样的一个表面中间位置向内加工一条人工裂缝；同时，在第一承压垫块与试样支座之间竖直安装一根LVDT位移传感器；步骤二：将加工有人工裂缝的岩石试样浸入蒸馏水中，直到岩石试样达到水饱和状态；步骤三：将处于水饱和状态的岩石试样送入压力室并放置到第一下支点滚柱和第二下支点滚柱上，使人工裂缝朝下并处在第一下支点滚柱和第二下支点滚柱正中间；步骤四：采用位移控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆同步伸出，直到第一橡胶垫和第二橡胶垫与岩石试样侧表面顶靠接触在一起，完成岩石试样的对中夹持，再以力控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆对岩石试样施加水平夹紧力；步骤五：在岩石试样前方布设一台超景深三维显微镜，超景深三维显微镜通过显微镜支架直接固连在压力室上，显微镜支架与超景深三维显微镜之间设有水平双向滑台；移动超景深三维显微镜，使超景深三维显微镜的镜头正对岩石试样的人工裂缝；步骤六：采用低速位移控制方式驱动第一作动器的活塞杆下伸，直到上支点滚柱与岩石试样上表面顶靠接触在一起，再以位移控制方式使第一作动器的活塞杆对岩石试样施加下压力，记录下LVDT位移传感器所测数据；同时，通过超景深三维显微镜同步观察岩石试样的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，其特征在于：包括压力室、第一作动器、第二作动器、第三作动器及试样支座；所述第一作动器竖直设置在压力室顶部，所述试样支座竖直固装在第一作动器正下方的压力室内侧底部，所述第二作动器和第三作动器水平对称设置在压力室的左右两侧；在所述试样支座顶端固装有下支点滚柱限位台，在下支点滚柱限位台上表面开设有若干条下支点滚柱限位槽，若干下支点滚柱限位槽平行等间距分布，在下支点滚柱限位槽对称放置有第一下支点滚柱和第二下支点滚柱，岩石试样放置在第一下支点滚柱和第二下支点滚柱上；在所述第一作动器的活塞杆端部固装有第一测力传感器，在第一测力传感器底端固连有第一承压垫块，在第一承压垫块下表面开设有上支点滚柱限位槽，在上支点滚柱限位槽设有上支点滚柱，上支点滚柱与岩石试样顶靠接触，上支点滚柱位于第一下支点滚柱和第二下支点滚柱的中间点正上方；在所述第二作动器的活塞杆端部固装有第二测力传感器，在第二测力传感器侧面固连有第二承压垫块，在第二承压垫块侧面固连有第一橡胶垫，第一橡胶垫与岩石试样顶靠接触；在所述第三作动器的活塞杆端部固装有第三测力传感器，在第三测力传感器侧面固连有第三承压垫块，在第三承压垫块侧面固连有第二橡胶垫，第二橡胶垫与岩石试样顶靠接触；在所述压力室底部开设有进排水口，在压力室顶部开设有进排气口。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，其特征在于：包括压力室、第一作动器、第二作动器、第三作动器及试样支座；所述第一作动器竖直设置在压力室顶部，所述试样支座竖直固装在第一作动器正下方的压力室内侧底部，所述第二作动器和第三作动器水平对称设置在压力室的左右两侧；在所述试样支座顶端固装有下支点滚柱限位台，在下支点滚柱限位台上表面开设有若干条下支点滚柱限位槽，若干下支点滚柱限位槽平行等间距分布，在下支点滚柱限位槽对称放置有第一下支点滚柱和第二下支点滚柱，岩石试样放置在第一下支点滚柱和第二下支点滚柱上；在所述第一作动器的活塞杆端部固装有第一测力传感器，在第一测力传感器底端固连有第一承压垫块，在第一承压垫块下表面开设有上支点滚柱限位槽，在上支点滚柱限位槽设有上支点滚柱，上支点滚柱与岩石试样顶靠接触，上支点滚柱位于第一下支点滚柱和第二下支点滚柱的中间点正上方；在所述第二作动器的活塞杆端部固装有第二测力传感器，在第二测力传感器侧面固连有第二承压垫块，在第二承压垫块侧面固连有第一橡胶垫，第一橡胶垫与岩石试样顶靠接触；在所述第三作动器的活塞杆端部固装有第三测力传感器，在第三测力传感器侧面固连有第三承压垫块，在第三承压垫块侧面固连有第二橡胶垫，第二橡胶垫与岩石试样顶靠接触；在所述压力室底部开设有进排水口，在压力室顶部开设有进排气口。


2.根据权利要求1所述的一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，其特征在于：所述压力室的前后两侧均设有密封门，每个密封门上均安装有透明观察窗，密封门采用整体可拆卸式结构。


3.一种多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验方法，采用了权利要求1所述的多轴加载与饱水耦合式岩石三点弯实验装置，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：制备岩石试样，在岩石试样的一个表面中间位置向内加工一条人工裂缝；同时，在第一承压垫块与试样支座之间竖直安装一根LVDT位移传感器；
步骤二：将加工有人工裂缝的岩石试样浸入蒸馏水中，直到岩石试样达到水饱和状态；
步骤三：将处于水饱和状态的岩石试样送入压力室并放置到第一下支点滚柱和第二下支点滚柱上，使人工裂缝朝下并处在第一下支点滚柱和第二下支点滚柱的正中间；
步骤四：采用位移控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆同步伸出，直到第一橡胶垫和第二橡胶垫与岩石试样侧表面顶靠接触在一起，完成岩石试样的对中夹持，再以力控制方式驱动第二作动器和第三作动器的活塞杆对岩石试样施加水平夹紧力；
步骤五：将密封门安装回压力室上，完成压力室的封闭，再将进排水口与供水水源接通，向压力室内进行注水，注水过程中，压力室内的空气由进排气口排出，当进排气口有水流出后，说明压力室内的水已经注满，此时封闭进排气口，最后完成压力室内水压施加，以模拟地下饱水压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：张希巍，张晓俊，夏昌，周晃，石磊，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21