脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，該裝置由雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)、應(yīng)力?應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成，可模擬某些情況下地層中的圍壓狀態(tài)及地下洞室施工過程中的單邊開挖卸載工況；通過應(yīng)力?應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)對巖樣的整體應(yīng)力應(yīng)變水平進(jìn)行記錄；通過自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對局部單邊卸載的速率進(jìn)行控制與反饋；通過聲發(fā)射系統(tǒng)、便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)對單邊卸載區(qū)域和其影響域內(nèi)產(chǎn)生的裂縫的起裂、擴(kuò)展及開閉合特性進(jìn)行全程監(jiān)測，觀察并分析裂縫的形成及擴(kuò)展機(jī)理，為研究由于開挖卸載所引起的洞室邊墻劈裂破壞提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
【專利說明】
脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國大型水利水電、核電地下工程及隧道與邊坡工程的開發(fā)建設(shè)，在工程實(shí) 踐中遇到了大量的高陡邊坡及大型地下洞室的開挖問題。從本質(zhì)上而言，開挖卸荷即是地 應(yīng)力集中釋放的過程，相較于加載條件，其狀態(tài)下巖體力學(xué)特性有著顯著區(qū)別。尤其對于大 面積卸荷，由于地應(yīng)力釋放量大、卸荷量級高、影響范圍廣，使得工程巖體表現(xiàn)出復(fù)雜的力 學(xué)特征。鑒于卸荷作用而導(dǎo)致的巖體變形破壞現(xiàn)象的普遍存在性，巖體卸荷力學(xué)特性已成 為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。
[0003] 傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)方法通常是將天然巖體制成滿足一定標(biāo)準(zhǔn)的試件或基于相似性 原理建立相應(yīng)物理模型，并通過記錄外荷施加過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化及宏觀尺度下的破壞 模式來分析其實(shí)驗(yàn)過程中的力學(xué)行為。后來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，又以聲發(fā)射等手段對宏 觀破裂過程加以印證。上述方法最大的優(yōu)點(diǎn)是在對稱荷載的作用下將試件或模型的變形過 程定量地描述出來，以獲得巖體力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系曲線，進(jìn)而從宏觀層次上把握研究對 象的力學(xué)特性。
[0004] 目前，在室內(nèi)試驗(yàn)方面，關(guān)于巖體卸荷力學(xué)特性的研究已經(jīng)展開，但其大都依托于 傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備及方法，即在多軸加載試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，采用巖樣對稱面同時(shí)卸載的方 法。該種處理忽視了實(shí)際巖體開挖工程中的單邊卸載工況，沒有從細(xì)觀層次考慮卸載情況 下巖樣的破壞機(jī)理，具有一定的局限性，需要我們研制一種脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊 卸載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，目的在于克 服傳統(tǒng)巖樣卸載試驗(yàn)裝置的缺陷與不足。根據(jù)礦物地質(zhì)賦存條件下的地應(yīng)力狀態(tài)，公開一 種可模擬地下洞室施工過程中局部單邊開挖卸載工況且能夠滿足對由單邊卸載所引起巖 體宏細(xì)觀破壞行為進(jìn)行監(jiān)測的的先進(jìn)、高效、直觀、可靠和安全的試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法。
[0006] 本發(fā)明為解決上述傳統(tǒng)卸載試驗(yàn)裝置的不足采用以下技術(shù)方案：
[0007] 脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，包括雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系 統(tǒng)、應(yīng)力_應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式圖像采集 及分析系統(tǒng);應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式 圖像采集及分析系統(tǒng)分別與雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)連接，應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)與自 動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；
[0008] 所述的雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)，通過三路加載系統(tǒng)的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)對巖樣 雙軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)的模擬;雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)包括矩形雙向反力架，雙向反力 架的上梁、右梁和左梁上分別設(shè)有上部伺服油缸、右側(cè)伺服油缸和左側(cè)伺服油缸，雙向反力 架的下梁上設(shè)有下部支撐桿，上部伺服油缸和下部支撐桿同軸，右側(cè)伺服油缸和左側(cè)伺服 油缸同軸，上部伺服油缸、右側(cè)伺服油缸、左側(cè)伺服油缸和下部支撐桿的自由端分別設(shè)有上 部傳壓板、右側(cè)傳壓板、左側(cè)局部傳壓板和下部承壓板，左側(cè)局部傳壓板嵌套于左側(cè)承壓板 的中部，上部傳壓板、右側(cè)傳壓板、左側(cè)承壓板和下部承壓板圍成壓力室，巖樣被夾在壓力 室內(nèi)，通過不斷減小左側(cè)局部傳壓板上壓力的方式實(shí)現(xiàn)巖樣單邊卸載；
[0009] 所述的應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，用于記錄巖樣應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化，并將采集到的 數(shù)據(jù)傳送給自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)于左側(cè)伺服油缸的活 塞桿出口處的水平向壓力傳感器、設(shè)于下部支撐桿下端的豎向壓力傳感器、設(shè)于左側(cè)伺服 油缸的活塞桿與左側(cè)局部傳壓板連接處的局部壓力傳感器和粘貼于巖樣表面的應(yīng)變片；
[0010] 所述的自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過輸入加卸載過程的控制程序，自動(dòng)控制 雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)對巖樣施加荷載，并接收應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)采集到的巖樣 應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的數(shù)據(jù)；
[0011]所述的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測巖樣內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展演化參數(shù);聲發(fā)射 監(jiān)測系統(tǒng)由聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置組成，在壓力室周圍的上部傳壓板和下部承壓板 上預(yù)留有聲發(fā)射探頭的布置點(diǎn)，利用聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置監(jiān)測巖樣的聲發(fā)射變 化，并進(jìn)行三維聲發(fā)射定位；
[0012] 所述的便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)，通過對比巖樣卸載影響區(qū)域表面相同標(biāo)記點(diǎn) 不同時(shí)間序列上的位置差異獲得其實(shí)時(shí)全場應(yīng)變，以分析裂紋的貫通趨勢;便攜式圖像采 集及分析系統(tǒng)由圖像采集設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備及圖像分析軟件組成。
[0013] 雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)在水平和豎直兩個(gè)方向上的最大應(yīng)力均可達(dá) 200MPa〇
[0014]巖樣尺寸規(guī)格為：150 X 150 X 150mm，且在其表面噴灑有黑色與白色相間的油漆。 [0015]所述的左側(cè)局部傳壓板尺寸規(guī)格為:70X70X 10mm。
[0016] 上部傳壓板、右側(cè)傳壓板和左側(cè)局部傳壓板均采用萬向頭連接的方式與各活塞桿 連接。
[0017] 聲發(fā)射探頭的數(shù)量為八組，且采用四邊形對位布置的方式設(shè)置。
[0018] 圖像采集設(shè)備采用兩組高速(XD鏡頭。
[0019]自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用面板式的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)顯示。
[0020] 脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，采用如權(quán)利要求1所述 的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，包括以下步驟：
[0021] 步驟一，首先對巖樣一側(cè)自由面進(jìn)行噴漆處理，在其另一側(cè)粘貼應(yīng)變片并將引出 導(dǎo)線與應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)連接，將處理之后的巖樣放置于下部承壓板之上擺正，調(diào)整水平 軸和反力架上梁，使上部傳壓板、右側(cè)傳壓板、左側(cè)承壓板和下部承壓板與巖樣緊密接觸， 進(jìn)行預(yù)加載，檢測各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；
[0022]步驟二，通過上部傳壓板、右側(cè)傳壓板分別對巖樣施加豎向Fv及水平向荷載Fh，同 時(shí)通過左側(cè)局部傳壓板施加局部荷載，大小為$Fh，以使得荷載在左側(cè)加載面上均勻分布， a 其中a為左側(cè)承壓板邊長，b為左側(cè)局部傳壓板邊長；
[0023] 步驟三，維持巖樣的雙向應(yīng)力狀態(tài)直至應(yīng)力、應(yīng)變值穩(wěn)定，通過減小左側(cè)局部傳壓 板所傳遞的荷載來達(dá)到對巖樣左側(cè)面局部區(qū)域的單邊卸載，卸載的速度通過雙軸伺服控制 實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)進(jìn)行控制；以聲發(fā)射探頭、聲發(fā)射處理裝置和圖像采集設(shè)備記錄卸載過程 中巖樣的聲發(fā)射現(xiàn)象及其影響范圍內(nèi)裂紋的擴(kuò)展趨勢；
[0024] 步驟四，對各系統(tǒng)中所捕捉到的整個(gè)加卸載過程中應(yīng)力、應(yīng)變、起裂和裂紋擴(kuò)展演 化參數(shù)的特征信息進(jìn)行分析，研究單邊卸載區(qū)域和其影響域內(nèi)裂縫的起裂和開閉合特性， 以及裂縫的形成及擴(kuò)展機(jī)理。
[0025] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明可模擬巖 樣在多軸應(yīng)力條件下的單邊卸載，捕捉整個(gè)加卸載過程中應(yīng)力、應(yīng)變、起裂和裂紋擴(kuò)展演化 參數(shù)的特征信息，以便于模擬地下洞室施工過程中局部單邊開挖工況，從而進(jìn)一步分析由 單邊卸載所引起巖體破壞過程中的宏細(xì)觀力學(xué)行為，為地下工程的穩(wěn)定性研究提供理論支 持。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明的雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明的左側(cè)局部傳壓板與左側(cè)承壓板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 其中，1-雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)；2-應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng);3-自動(dòng)化控制及 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);4-聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng);5-便攜式圖像采集及分析系統(tǒng);6-雙向反力架;7-上部 伺服油缸;8-右側(cè)伺服油缸;9-左側(cè)伺服油缸；10-水平向壓力傳感器；11-豎向壓力傳感器； 12-局部壓力傳感器；13-上部傳壓板；14-右側(cè)傳壓板；15-左側(cè)局部傳壓板；16-左側(cè)承壓 板;17-下部承壓板;18-聲發(fā)射探頭;19-巖樣。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0031] 如圖1-3所示，脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，包括雙軸伺服控制實(shí) 時(shí)加卸載系統(tǒng)、應(yīng)力_應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和便攜 式圖像采集及分析系統(tǒng);應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系 統(tǒng)和便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)分別與雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)連接，應(yīng)力_應(yīng)變監(jiān) 測系統(tǒng)與自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；
[0032] 所述的雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)，通過三路加載系統(tǒng)的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)對巖樣 雙軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)的模擬;雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)包括矩形雙向反力架，雙向反力 架的上梁、右梁和左梁上分別設(shè)有上部伺服油缸、右側(cè)伺服油缸和左側(cè)伺服油缸，雙向反力 架的下梁上設(shè)有下部支撐桿，上部伺服油缸和下部支撐桿同軸，右側(cè)伺服油缸和左側(cè)伺服 油缸同軸，上部伺服油缸、右側(cè)伺服油缸、左側(cè)伺服油缸和下部支撐桿的自由端分別設(shè)有上 部傳壓板、右側(cè)傳壓板、左側(cè)局部傳壓板和下部承壓板，左側(cè)局部傳壓板嵌套于左側(cè)承壓板 的中部，該種布置方式既保證了巖樣周邊圍壓的施加，又能夠有效進(jìn)行局部單邊卸載;上部 傳壓板、右側(cè)傳壓板、左側(cè)承壓板和下部承壓板圍成壓力室，巖樣被夾在壓力室內(nèi)，通過不 斷減小左側(cè)局部傳壓板上壓力的方式實(shí)現(xiàn)巖樣單邊卸載;其中，雙向反力架、上部傳壓板、 右側(cè)傳壓板、左側(cè)局部傳壓板和下部承壓板均采用大剛度致密材料，保證結(jié)構(gòu)的可靠性；
[0033] 所述的應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，用于記錄巖樣應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化，并將采集到的 數(shù)據(jù)傳送給自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)于左側(cè)伺服油缸的活 塞桿出口處的水平向壓力傳感器、設(shè)于下部支撐桿下端的豎向壓力傳感器、設(shè)于左側(cè)伺服 油缸的活塞桿與左側(cè)局部傳壓板連接處的局部壓力傳感器和粘貼于巖樣表面的應(yīng)變片；
[0034] 所述的自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過輸入加卸載過程的控制程序，自動(dòng)控制 雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)對巖樣施加荷載，并接收應(yīng)力_應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)采集到的巖樣 應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的數(shù)據(jù)；
[0035] 所述的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測巖樣內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展演化參數(shù);聲發(fā)射 監(jiān)測系統(tǒng)由聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置組成，在壓力室周圍的上部傳壓板和下部承壓板 上預(yù)留有聲發(fā)射探頭的布置點(diǎn)，利用聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置監(jiān)測巖樣的聲發(fā)射變 化，并進(jìn)行三維聲發(fā)射定位；
[0036] 所述的便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)，通過對比巖樣卸載影響區(qū)域表面相同標(biāo)記點(diǎn) 不同時(shí)間序列上的位置差異獲得其實(shí)時(shí)全場應(yīng)變，以分析裂紋的貫通趨勢;便攜式圖像采 集及分析系統(tǒng)由圖像采集設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備及圖像分析軟件組成。
[0037] 雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)在水平和豎直兩個(gè)方向上的最大應(yīng)力均可達(dá) 200MPa〇
[0038]巖樣尺寸規(guī)格為：150X150X 150mm，且在其表面噴灑有黑色與白色相間的油漆。 [0039]所述的左側(cè)局部傳壓板尺寸規(guī)格為:70 X 70 X 10mm。
[0040] 上部傳壓板、右側(cè)傳壓板和左側(cè)局部傳壓板均采用萬向頭連接的方式與各活塞桿 連接，試驗(yàn)過程中傳壓板底部采用了萬向頭的連接方式，克服加卸載過程中巖樣表面局部 不平整的影響，以獲取更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0041] 聲發(fā)射探頭的數(shù)量為八組，且采用四邊形對位布置的方式設(shè)置。
[0042] 圖像采集設(shè)備采用兩組高速(XD鏡頭。
[0043]自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用面板式的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)顯示。
[0044] 脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，采用如權(quán)利要求1所述 的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，包括以下步驟：
[0045] 步驟一，首先對巖樣一側(cè)自由面進(jìn)行噴漆處理，在其另一側(cè)粘貼應(yīng)變片并將引出 導(dǎo)線與應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)連接，將處理之后的巖樣放置于下部承壓板之上擺正，調(diào)整水平 軸和反力架上梁，使上部傳壓板、右側(cè)傳壓板、左側(cè)承壓板和下部承壓板與巖樣緊密接觸， 進(jìn)行預(yù)加載，檢測各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；
[0046] 步驟二，通過上部傳壓板、右側(cè)傳壓板分別對巖樣施加豎向Fv及水平向荷載Fh，同 時(shí)通過左側(cè)局部傳壓板施加局部荷載，大小為$Fh，以使得荷載在左側(cè)加載面上均勻分布， a 其中a為左側(cè)承壓板邊長，b為左側(cè)局部傳壓板邊長；
[0047] 步驟三，維持巖樣的雙向應(yīng)力狀態(tài)直至應(yīng)力、應(yīng)變值穩(wěn)定，通過減小左側(cè)局部傳壓 板所傳遞的荷載來達(dá)到對巖樣左側(cè)面局部區(qū)域的單邊卸載，卸載的速度通過雙軸伺服控制 實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)進(jìn)行控制；以聲發(fā)射探頭、聲發(fā)射處理裝置和圖像采集設(shè)備記錄卸載過程 中巖樣的聲發(fā)射現(xiàn)象及其影響范圍內(nèi)裂紋的擴(kuò)展趨勢；
[0048]步驟四，對各系統(tǒng)中所捕捉到的整個(gè)加卸載過程中應(yīng)力、應(yīng)變、起裂和裂紋擴(kuò)展演 化參數(shù)的特征信息進(jìn)行分析，研究單邊卸載區(qū)域和其影響域內(nèi)裂縫的起裂和開閉合特性， 以及裂縫的形成及擴(kuò)展機(jī)理。
[0049] 試驗(yàn)結(jié)束后，采用自動(dòng)的加卸載程序即可將系統(tǒng)所施加荷載全部卸除，將巖樣取 下以近距離觀察其整體破壞模式。
[0050] 以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括雙軸伺服控制實(shí)時(shí) 加卸載系統(tǒng)（1 )、應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(2)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng) (4)和便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)(5);應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)（2)、自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)（3)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)(4)和便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)(5)分別與雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加 卸載系統(tǒng)（1)連接，應(yīng)力_應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(2)與自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)連接； 所述的雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)（1)，通過三路加載系統(tǒng)的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)對巖樣 (19)進(jìn)行雙軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)的模擬;雙軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)（1)包括矩形雙向反力 架(6)，雙向反力架(6)的上梁、右梁和左梁上分別設(shè)有上部伺服油缸(7)、右側(cè)伺服油缸(8) 和左側(cè)伺服油缸(9)，雙向反力架(6)的下梁上設(shè)有下部支撐桿，上部伺服油缸(7)和下部支 撐桿同軸，右側(cè)伺服油缸（8)和左側(cè)伺服油缸（9)同軸，上部伺服油缸（7)、右側(cè)伺服油缸 (8)、左側(cè)伺服油缸(9)和下部支撐桿的自由端分別設(shè)有上部傳壓板(13)、右側(cè)傳壓板（14)、 左側(cè)局部傳壓板（15)和下部承壓板（17)，左側(cè)局部傳壓板（15)嵌套于左側(cè)承壓板（16)的中 部，上部傳壓板（13)、右側(cè)傳壓板（14)、左側(cè)承壓板（16)和下部承壓板（17)圍成壓力室，巖 樣（19)被夾在壓力室內(nèi)，通過不斷減小左側(cè)局部傳壓板(15)上壓力的方式實(shí)現(xiàn)巖樣單邊卸 載； 所述的應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(2)，用于記錄巖樣（19)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化，并將采集到 的數(shù)據(jù)傳送給自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3);應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)（2)包括設(shè)于左側(cè)伺服 油缸(9)的活塞桿出口處的水平向壓力傳感器（10)、設(shè)于下部支撐桿下端的豎向壓力傳感 器（11)、設(shè)于左側(cè)伺服油缸(9)的活塞桿與左側(cè)局部傳壓板（15)連接處的局部壓力傳感器 (12)和粘貼于巖樣(19)表面的應(yīng)變片； 所述的自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)，通過輸入加卸載過程的控制程序，自動(dòng)控制雙 軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)（1)對巖樣（19)施加荷載，并接收應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(2)采集 到的巖樣(19)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的數(shù)據(jù)； 所述的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)(4)，用于監(jiān)測巖樣（19)內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展演化參數(shù);聲發(fā) 射監(jiān)測系統(tǒng)(4)由聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置組成，在壓力室周圍的上部傳壓板（13)和 下部承壓板(17)上預(yù)留有聲發(fā)射探頭（18)的布置點(diǎn)，利用聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射處理裝置監(jiān) 測巖樣(19)的聲發(fā)射變化，并進(jìn)行三維聲發(fā)射定位； 所述的便攜式圖像采集及分析系統(tǒng)（5)，通過對比巖樣（19)卸載影響區(qū)域表面相同標(biāo) 記點(diǎn)不同時(shí)間序列上的位置差異獲得其實(shí)時(shí)全場應(yīng)變，以分析裂紋的貫通趨勢;便攜式圖 像采集及分析系統(tǒng)(5)由圖像采集設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備及圖像分析軟件組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于:雙 軸伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)（1)在水平和豎直兩個(gè)方向上的最大應(yīng)力均可達(dá)200MPa。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于:巖 樣（19)尺寸規(guī)格為：150X150 X 150mm，且在其表面噴灑有黑色與白色相間的油漆。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于:所 述的左側(cè)局部傳壓板(15)尺寸規(guī)格為:70 X 70 X 10mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于:上 部傳壓板(13)、右側(cè)傳壓板(14)和左側(cè)局部傳壓板(15)均采用萬向頭連接的方式與各活塞 桿連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于:聲 發(fā)射探頭(18)的數(shù)量為八組，且采用四邊形對位布置的方式設(shè)置。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于：圖 像采集設(shè)備采用兩組高速CCD鏡頭。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置，其特征在于：自 動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)采用面板式的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)顯示。9. 脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，采用如權(quán)利要求1所述的 脆性巖體雙軸應(yīng)力狀態(tài)下單邊卸載試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，其特征在于:包括以下步驟： 步驟一，首先對巖樣（19)一側(cè)自由面進(jìn)行噴漆處理，在其另一側(cè)粘貼應(yīng)變片并將引出 導(dǎo)線與應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)（2)連接，將處理之后的巖樣（19)放置于下部承壓板（17)之上擺 正，調(diào)整水平軸和反力架上梁，使上部傳壓板（13)、右側(cè)傳壓板（14)、左側(cè)承壓板（16)和下 部承壓板(17)與巖樣緊密接觸，進(jìn)行預(yù)加載，檢測各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)； 步驟二，通過上部傳壓板(13)、右側(cè)傳壓板(14)分別對巖樣(19)施加豎向Fv及水平向荷 載Fh，同時(shí)通過左側(cè)局部傳壓板（15)施加局部荷載，，以使得荷載在左側(cè)加載 面上均勻分布，其中a為左側(cè)承壓板(16)邊長，b為左側(cè)局部傳壓板(15)邊長； 步驟三，維持巖樣（19)的雙向應(yīng)力狀態(tài)直至應(yīng)力、應(yīng)變值穩(wěn)定，通過減小左側(cè)局部傳壓 板(15)所傳遞的荷載來達(dá)到對巖樣（19)左側(cè)面局部區(qū)域的單邊卸載，卸載的速度通過雙軸 伺服控制實(shí)時(shí)加卸載系統(tǒng)（1)進(jìn)行控制；以聲發(fā)射探頭、聲發(fā)射處理裝置和圖像采集設(shè)備記 錄卸載過程中巖樣的聲發(fā)射現(xiàn)象及其影響范圍內(nèi)裂紋的擴(kuò)展趨勢； 步驟四，對各系統(tǒng)中所捕捉到的整個(gè)加卸載過程中應(yīng)力、應(yīng)變、起裂和裂紋擴(kuò)展演化參 數(shù)的特征信息進(jìn)行分析，研究單邊卸載區(qū)域和其影響域內(nèi)裂縫的起裂和開閉合特性，以及 裂縫的形成及擴(kuò)展機(jī)理。
【文檔編號】G01N3/02GK106053238SQ201610395869
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】李昂, 邵國建, 蘇靜波, 孫陽, 朱秦, 丁勝勇, 師后蓋, 劉旭, 沈澤懿
【申請人】河海大學(xué)