專利名稱：材料流變擾動效應實驗系統及實驗方法
技術領域：
本發明涉及一種材料流變及其擾動效應實驗技術，尤其涉及一種測試巖石流變參數的壓力實驗系統及應用該系統的實驗方法。
背景技術：
流變特性，是巖石的固有屬性之一，對巖石進行實驗測試，獲得巖石的流變力學參數，可以很好地為工程服務。目前的巖石流變實驗均是在靜載荷下進行的。
但是，工程實踐中的相當一部分巖體，例如硐室圍巖不僅要承受靜載荷，而且還要承受動載荷的作用。這些隨機的擾動載荷包括爆破，礦車震動，鄰近的巷道施工擾動以及一些隨機的應力波沖擊。特別在深部開采條件下，工程巖體承受的靜載荷已經相當大，峒室附近一定范圍內巖體已經處于或接近強度極限狀態，此時巖石的流變特性將對上述的隨機的擾動作用相當敏感，而目前的實驗裝置對巖石在靜載流變狀態下受到擾動載荷的特性尚不能進行試驗研究。
單就巖石流變實驗而言，目前的流變試驗裝置有的是液壓伺服試驗裝置，但是由于流變試驗本身是一個長時間的工作環境，長時間加載情況下液壓系統會不穩定、壓力會降低，這時需要人工進行續加壓，加載過程中載荷會有波動；而且液壓伺服要消耗大量的電能，需要長期穩定的連續電源做保障，要實現幾個月乃至幾年的長期連續加載十分困難；而且這種裝置的造價很昂貴，成本高。
進行巖石流變實驗，也有的用彈簧加載，但其載荷有限；也有的是重力加載、通過動滑輪的組合進行擴力傳動的，試驗成本低，但是試驗裝置結構繁雜，擴力倍數較小，測試精度較低。
目前，現在還沒有簡單有效地進行巖石流變擾動效應實驗測試的方法與儀器。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單、成本低、測試精確的材料流變擾動效應實驗系統及實驗方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的
本發明的材料流變擾動效應實驗系統，包括機架、試驗臺，機架上設有恒載加載系統，所述的恒載加載系統可對試驗臺上的試件施加恒定載荷，所述的恒加載系統包括加載裝置、擴力裝置和傳力連桿，所述擴力裝置設于機架上，所述加載裝置通過擴力裝置和傳力連桿實現對試件施加恒定載荷。
所述的擴力裝置包括曲軸或偏心輪或杠桿或滑輪組或齒輪；所述的加載裝置通過加載砝碼施加恒定荷載。
所述的壓力實驗系統還包括擾動加載系統，所述的擾動加載系統可對試件施加擾動載荷。
所述的擾動加載系統包括沖擊擾動加載裝置，所述沖擊擾動加載裝置包括設于傳力連桿上并可沿傳力連桿自由滑動的沖擊砝碼，沖擊砝碼沿傳力連桿自由下落實現對試件施加沖擊擾動載荷。
所述的擾動加載系統還包括爆破擾動加載裝置，所述爆破擾動加載裝置包括上殼體和下殼體，上殼體和下殼體之間設有擾動爆破腔，所述擾動爆破腔內可裝入爆炸物，爆炸物爆炸可實現對試件施加爆破擾動載荷。
所述的擾動加載系統還包括振動裝置，所述的振動裝置通過振動實現對試件施加擾動載荷。
所述的壓力實驗系統還包括圍壓加載系統，所述的圍壓加載系統可對試件施加圍壓載荷。
所述的圍壓加載系統包括三軸壓力箱，所述試塊置于三軸壓力箱內，所述恒載加載系統和/或擾動加載系統通過三軸壓力箱實現對試件施加恒定載荷和/或擾動載荷，且三軸壓力箱對試件施加圍壓載荷。
所述的三軸壓力箱包括密閉箱體，密閉箱體內設有環形膠囊，所述試塊置于環形膠囊形成的環形空間內，環形膠囊內充入氣體和/或液體后可實現對試件施加圍壓載荷；所述密閉箱體還設有與外部相通并可與密閉箱體相對滑動的加壓塊，外部載荷可通過加壓塊作用于試塊。
本發明的材料流變擾動效應實驗方法，通過上述材料流變擾動效應實驗系統可以實現對試件進行下述至少一種實驗單軸流變實驗；單軸流變擾動實驗；三軸流變試驗；三軸流變擾動實驗。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的材料流變擾動效應實驗系統及實驗方法，由于包括恒加載系統，通過重力加載裝置、曲軸擴力裝置和傳力連桿可實現對試件施加恒定載荷，結構簡單、加載穩定、傳力比大；又由于還包括擾動加載系統，可通過沖擊擾動加載裝置和爆破擾動加載裝置實現對試件施加沖擊擾動載荷及爆破擾動載荷；
又由于還包括圍壓加載系統，可通過三軸壓力箱對試件施加圍壓載荷。三軸壓力箱包括密閉箱體，密閉箱體內設有環形膠囊，試塊置于環形膠囊形成的環形空間內，環形膠囊內充入液體后可實現對試件施加圍壓載荷，可很方便的實現對試件進行三軸加壓。
通過上述壓力實驗系統可以實現對試塊進行單軸流變實驗、單軸流變擾動實驗、三軸流變試驗、三軸流變擾動實驗。結構簡單、成本低、測試精確，適用于對各種材料試件進行流變擾動效應試驗，尤其適用于對巖石試件進行流變擾動效應實驗。
圖1為本發明壓力實驗裝置的立面結構示意圖；圖2為本發明壓力實驗裝置的側面結構示意圖；圖3為本發明壓力實驗裝置的平面結構示意圖；圖4為三軸壓力箱的結構示意圖一；圖5為三軸壓力箱的結構示意圖二；圖6為三軸箱內環形膠囊結構形成過程參考圖。
圖中1、底座板，2、托盤，3、加載砝碼，4、鏈條，5、轉盤，6、傳力連桿，7、曲軸，8、機架，9、上端蓋板，10、導向板，11、底座，12、升降螺栓，13、實驗臺，14、沖擊砝碼，15、小托盤，16、壓頭，17、承壓板，18、試件，19、壓力傳感器，20、擾動爆破腔，21、機械鎖緊機構，22、后端鎖緊螺栓，23、前端鎖緊螺栓，24、爆破擾動加載裝置，25、加壓塊，26、千分表，27、三軸箱底座，28、上壓力表，29、下壓力表，30、膠囊，31密閉箱體。
具體實施例方式
本發明的材料流變擾動效應實驗系統較佳的具體實施方式
如圖1、圖2、圖3所示，包括機架8、試驗臺13，機架8上設有恒加載系統，所述的恒加載系統可對試驗臺13上的試件18施加恒定載荷，所述的恒加載系統包括加載裝置、擴力裝置和傳力連桿6，所述擴力裝置設于機架8上，所述加載裝置通過擴力裝置和傳力連桿6實現對試件18施加恒定載荷。
所述的加載裝置包括重力加載砝碼3，所述的擴力裝置包括曲軸7，也可以采用偏心輪或杠桿或滑輪或齒輪擴力。
具體是由底座板1、機架8構成壓力實驗系統的主框架，機架8設于底座板1上。實驗臺13設在底座11上，底座11可以在升降螺栓12作用下可以實現機械升降調整實驗臺13的高度，使試驗空間來適應試件的高度，試件18與實驗臺13之間設有壓力傳感器19，試件18上設有承壓板17。
恒加載系統中，加載裝置由托盤2，重力加載砝碼3，鏈條4構成。鏈條4通過特制螺栓連接，同時纏繞在轉盤5上，加載時將重力加載砝碼3按順序羅列在托盤2上，同時觀察試驗臺13上的壓力傳感器19的顯示值，通過調整砝碼3的量級達到試驗所要求的載荷；擴力裝置由轉盤5、曲軸7構成，并通過傳力連桿6將載荷傳遞到試件18上，曲軸7與轉盤5通過特制螺栓連接在一起，曲軸擴力裝置根據杠桿原理設計，通過曲軸來實現擴力，擴力比可達到50倍以上，可以在加載比較小的砝碼重量時就能獲得較大的加載力；曲軸7通過和傳力連桿6連接，實現加載力的傳遞，傳力連桿6下端接有壓頭16，壓頭16與承壓板17連接就可以將載荷施加到試驗試件18上。為了使傳力連桿6的軸向方向與垂直方向一直，保證加載力垂直施加到試件18上，在機架8的中部裝有導向板10，壓頭16通過導向板10保持垂直方向。
加載裝置也可以不通過重力加載而通過其它方式加載；擴力裝置也可以不用曲軸擴力，而用偏心輪或杠桿或滑輪或齒輪等擴力方式擴力，或者用這些擴力方式的組合，也可以用其它的擴力方式。
在加載時，為防止瞬時沖擊，本發明還設有機構鎖緊裝置21，包括前端鎖緊螺栓23和后端鎖緊螺栓22，先將鎖緊裝置21調至鎖緊狀態，將重力加載砝碼3羅列到托盤5上，然后松開鎖緊裝置21，這樣重力載荷就通過曲軸擴力傳力系統施加到試驗試件18上。
所述的壓力實驗系統還包括擾動加載系統，所述的擾動加載系統可對試件18施加擾動載荷。
所述的擾動加載系統包括沖擊擾動加載裝置，所述沖擊擾動加載裝置包括設于傳力連桿6上并可沿傳力連桿自由滑動的沖擊砝碼14，沖擊砝碼14沿傳力連桿6自由下落實現對試件18施加沖擊擾動載荷。
具體是在壓頭16上方的合適位置裝有小托盤15，沖擊砝碼14羅列在小托盤15上，當需要施加沖擊載荷時，根據所要施加沖擊載荷的量級，將一定質量的沖擊砝碼14組合在一起沿著傳力連桿6提升到一定高度，讓其自由落體，重力勢能轉化成沖擊載荷。
所述的擾動加載系統還包括爆破擾動加載裝置24，所述爆破擾動加載裝置24包括上殼體和下殼體，上殼體和下殼體之間設有擾動爆破腔20，所述擾動爆破腔20內可裝入爆炸物，爆炸物爆炸可實現對試件施加爆破擾動載荷。
具體是在實驗臺13的上方預設擾動爆破腔20，通過在里面引爆雷管模擬爆破振動，爆破擾動加載裝置24采用分體式結構，可以使爆破振動很好地傳到試件上。
所述的擾動加載系統還可以包括振動裝置通過振動實現對試件18施加擾動載荷。也可以通過其它的擾動裝置施加擾動載荷。
所述的壓力實驗系統還包括圍壓加載系統，所述的圍壓加載系統可對試件18施加水平方向的圍壓載荷。
所述的圍壓加載系統包括三軸壓力箱，所述試塊18置于三軸壓力箱內，所述恒載加載系統、擾動加載系統通過三軸壓力箱實現對試件施加恒定載荷及擾動載荷，三軸壓力箱對試件18施加圍壓載荷。
如圖4、圖5所示，所述的三軸壓力箱包括密閉箱體31，密閉箱體31內設有環形膠囊30，所述試塊置于環形膠囊30形成的環形空間內，環形膠囊30內充入氣體后可實現對試件18施加水平方向的圍壓載荷，環形膠囊30內也可以充入液體或氣液混合物或其它介質。所述密閉箱體31還設有與外部相通并可與密閉箱體31相對滑動的加壓塊25，外部載荷可通過加壓塊25作用于試塊18。
如圖6所示，是環形膠囊30的制作過程。
具體三軸箱還可以設有三軸箱底座27，千分表26，上壓力表28和下壓力表29組成。三軸試驗時，將三軸箱放到工作臺13上，將試驗試件18放到三軸箱腔內，然后通過底座升降螺栓12調節實驗臺13的高度，使三軸箱加壓塊25與承壓板17接觸，此時外接油源通過接口向環形膠囊30內供油，調節圍壓到試驗要求水平，重力荷載通過曲軸擴力傳力系統施加到三軸箱的加壓塊25上，加壓塊25向下運動對試件施加載荷，此時的試件變形通過三軸箱上的千分表26讀出，軸向載荷可以通過上部壓力表28讀出，圍壓可以通過下部壓力表29讀出。
本發明的材料流變擾動效應實驗方法，通過上述材料流變擾動效應實驗系統可以實現對試塊18進行下述至少一種實驗單軸流變實驗；單軸流變擾動實驗；三軸流變試驗；三軸流變擾動實驗。
本發明試驗過程的簡單介紹如下在對試驗試件18進行實驗之前，先將靜態電阻應變片在巖石試件18上貼好，同時連接到電測靜態電阻應變儀上，此時要把初讀數記錄下來。
轉動轉盤5，通過帶動曲軸7和傳力連桿6將承壓板17升高，目的給承壓板17足夠的行程空間，保證在此行程范圍內試驗可以完成。
調整機構鎖緊裝置21，將機構鎖緊，將試驗試件18放到壓力傳感器19上，通過調整升降螺栓12實現實驗工作臺13的升降，使試驗試件18與上承壓板17輕微接觸，并通過敲動壓力傳感器19的壓頭進行調平。
將預定加載砝碼3按順序羅列在托盤2上，松開機構鎖緊裝置21，載荷即可施加到試件18上，通過壓力傳感器19的顯示讀數調整加載砝碼3的量級，達到實驗要求的載荷。
根據試驗時間通過靜態電阻應變儀讀出各個時間的應變量。
根據所要施加沖擊載荷的量級，將一定質量的沖擊砝碼14組合在一起沿著傳力連桿6提升到一定高度，讓其自由落體，重力勢能轉化成沖擊載荷。同時可以在擾動爆破腔20內引爆一定量級的雷管施加爆破震動擾動。
進行三軸試驗時，將三軸箱放到工作臺13上，將試驗試件18放到三軸箱腔內，然后通過底座升降螺栓12調節實驗臺13的高度，使三軸箱上的加壓塊25與承壓板17接觸，此時外接油源通過接口向環形膠囊30腔內供油，調節圍壓到試驗要求水平，重力荷載通過曲軸擴力傳力系統施加到三軸箱上的加壓塊25上，加壓塊25向下運動對試件施加載荷，此時的試件18變形通過三軸箱上的千分表26讀出；進行單軸試驗時，可以將三軸箱取下。
三軸箱使用新式環形膠囊進行巖石三軸流變實驗，可以將對巖石試件施加圍壓的油液(氣體)密封在膠囊內，壓力油液(壓力氣體)不直接接觸巖石試件，就不會進入巖石試件內部。這樣既實現了對壓力油液(壓力氣體)的有效密閉，又防止了壓力油液(壓力氣體)進入巖石試件。
可以使用氣壓罐施加圍巖。這樣，一是供壓穩定，二是易于密封，三是省去了機械動力便于長期實驗(例如幾個月或一年以上的時間)。
本發明的性能特點及較佳的參數是重力機械式加載，偏心輪擴力，擴力比可達50倍以上；在承壓板上施加重力沖擊載荷，同時可以在擾動爆破腔內引爆小量級雷管模擬爆破擾動；恒定載荷6×104kg；圍壓載荷10MPa；擾動沖擊砝碼重量5-20kg；外觀尺寸1000×1260×1820mm3；工作臺面尺寸300×300mm2。
本發明采用重力加載，大直徑偏心輪曲軸擴力系統，擴力比達50倍，能夠保持施加載荷在任意長時間內穩定，克服了電液伺服等加載波動對變形的影響，使流變試驗結果更符合“應力為常量”的條件。
在研究靜載流變的同時，通過施加隨機擾動載荷，試驗研究巖石的流變擾動特性。隨機擾動載荷的施加有兩種方式一是通過將套在傳力連桿上的一定質量的砝碼提升到一定高度，讓其自由落體沖擊承壓板，承壓板將擾動載荷傳遞給巖石試件。二是通過預設的爆破腔內引爆雷管等爆炸物來模擬爆破擾動。通過擾動載荷的施加和試驗試件所表現出來的響應研究巖石的流變擾動特性。
還可以利用三軸箱進行巖石的三軸試驗，可以完成常規三軸壓縮試驗和三軸靜荷載流變實驗，以及三軸流變擾動特性的試驗研究。該三軸箱由環形膠囊，外包密閉箱體組成。三軸箱外接油源，通過壓力罐加壓，液壓油充滿環形膠囊腔體并對放在腔內的巖石試件施加圍壓，減少了磨擦阻力的影響，而且可以通過壓力瓶調節至試驗需要的壓力并保持長期穩定。
結構簡單、成本低、測試精確，適用于對各種試件進行壓力試驗，尤其適用于對巖石試件進行壓力實驗。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種材料流變擾動效應實驗系統，包括機架、試驗臺，機架上設有恒載加載系統，所述的恒載加載系統可對試驗臺上的試件施加恒定載荷，其特征在于，所述的恒加載系統包括加載裝置、擴力裝置和傳力連桿，所述擴力裝置設于機架上，所述加載裝置通過擴力裝置和傳力連桿實現對試件施加恒定載荷。
2.根據權利要求1所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的擴力裝置包括曲軸或偏心輪或杠桿或滑輪組或齒輪；所述的加載裝置通過加載砝碼施加恒定荷載。
3.根據權利要求1所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的壓力實驗系統還包括擾動加載系統，所述的擾動加載系統可對試件施加擾動載荷。
4.根據權利要求3所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的擾動加載系統包括沖擊擾動加載裝置，所述沖擊擾動加載裝置包括設于傳力連桿上并可沿傳力連桿自由滑動的沖擊砝碼，沖擊砝碼沿傳力連桿自由下落實現對試件施加沖擊擾動載荷。
5.根據權利要求3或4所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的擾動加載系統還包括爆破擾動加載裝置，所述爆破擾動加載裝置包括上殼體和下殼體，上殼體和下殼體之間設有擾動爆破腔，所述擾動爆破腔內可裝入爆炸物，爆炸物爆炸可實現對試件施加爆破擾動載荷。
6.根據權利要求3或4所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的擾動加載系統還包括振動裝置，所述的振動裝置通過振動實現對試件施加擾動載荷。
7.根據權利要求1或3所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的壓力實驗系統還包括圍壓加載系統，所述的圍壓加載系統可對試件施加圍壓載荷。
8.根據權利要求7所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的圍壓加載系統包括三軸壓力箱，所述試塊置于三軸壓力箱內，所述恒載加載系統和/或擾動加載系統通過三軸壓力箱實現對試件施加恒定載荷和/或擾動載荷，且三軸壓力箱對試件施加圍壓載荷。
9.根據權利要求8所述的材料流變擾動效應實驗系統，其特征在于，所述的三軸壓力箱包括密閉箱體，密閉箱體內設有環形膠囊，所述試塊置于環形膠囊形成的環形空間內，環形膠囊內充入氣體和/或液體后可實現對試件施加圍壓載荷；所述密閉箱體還設有與外部相通并可與密閉箱體相對滑動的加壓塊，外部載荷可通過加壓塊作用于試塊。
10.一種材料流變擾動效應實驗方法，其特征在于，通過上述材料流變擾動效應實驗系統可以實現對試件進行下述至少一種實驗單軸流變實驗；單軸流變擾動實驗；三軸流變試驗；三軸流變擾動實驗。
全文摘要
本發明公開了一種材料流變擾動效應實驗系統及實驗方法，包括恒載加載系統，通過加載裝置、曲軸擴力裝置和傳力連桿實現對試件施加恒定載荷；還包括擾動加載系統，通過沖擊擾動加載裝置和爆破擾動加載裝置實現對試件施加沖擊擾動載荷及爆破擾動載荷；還包括圍壓加載系統，通過三軸壓力箱對試件施加圍壓載荷。三軸壓力箱包括密閉箱體，密閉箱體內設有環形膠囊，可實現對試件施加圍壓載荷。通過上述材料流變擾動效應實驗系統可以實現對試件進行單軸流變實驗、單軸流變擾動實驗、三軸流變試驗、三軸流變擾動實驗。結構簡單、成本低、測試精確，適用于對各種材料試件進行流變擾動試驗，尤其適用于對巖石試件進行長時間流變擾動實驗。
文檔編號G01N3/313GK1948945SQ20061011401
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月24日 優先權日2006年10月24日
發明者高延法, 崔希海, 范慶忠 申請人:中國礦業大學(北京)