專利名稱：一種用于巖土流變試驗的壓力室的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于巖土流變試驗的壓力室。
背景技術：
巖土流變特性主要包括蠕變特性與力松弛特性，研究巖土流變特性，對于巖土工程質量控制、安全運行和軟巖支護以及巖土力學研究十分重要，特別是對深部巖土工程和巖土力學更為重要。對巖土流變特性的研究主要集中在研究巖土破壞機理，以促進對于巖土工程質量控制、安全運行和軟巖支護水平的提高。目前，對巖土流變的試驗主要采用三軸流變儀，該流變儀可對巖土的徑向與軸向施加壓力，但是徑向壓力與軸向壓力之間相互干涉，因此軸向壓力與徑向壓力不能獨立。在巖土實際破壞過程中，巖土張拉及剪向應力是巖土破壞的主要原因，巖土張拉過程中，軸向受力小于徑向受力，而現在的三軸流變儀只能實現巖土試件的軸向受力大于徑向受力，因為用傳統三軸流變儀做三軸試驗時，整個試件承受壓力室內部的工作油壓力(習慣稱之為靜水壓-《阿基米德定律》)，試件軸向壓力除了軸向加載系統施加的壓力外還包括壓力室內部壓力，當軸向加載系統壓力為零時，試件軸向仍承受壓力室內部的工作油壓力，無法實現試件的徑向壓力大于軸向壓力，因此無法模擬巖土張拉時承受的應力場，這就使得巖土流變試驗結果的參考價值大打折扣。另外，巖土蠕變試驗每組試驗至少需要5個試件，每個試件試驗少則幾十個小時，多則數百甚至上千個小時，一組試驗做完往往需要數月，不僅延誤工程需要數據的取得，而且消耗相當大的人力和財力。使用多套試驗設備同時進行試驗，雖然可以降低試驗完成的周期，但每套試驗設備都需要配備供油系統、動力系統及試驗臺，這些都需要很高的制造成本，從而大大提高了巖土流變試驗的成本，且極大地浪費能源，既不經濟也不環保。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種可模擬諸如巖土張拉等多種情況下承受的應力場的巖土流變試驗設備。為實現上述目的，本發明的技術方案如下一種用于巖土流變試驗的壓力室，包括軸向壓力室與環形壓力室，所述軸向壓力室包括依次層疊設置的上壓力室、試件室與下壓力室，所述試件室內裝有巖土試件，所述環形壓力室、上壓力室與下壓力室中均輸入壓力可調的油液，所述環形壓力室環繞在所述軸向壓力室徑向周圍，所述軸向壓力室由一彈性護套的內部空間構成。進一步，所述彈性護套為耐高溫高壓的氟橡膠材料。進一步，所述彈性護套包括套體、上安裝面與下安裝面，所述套體為環形，所述上安裝面與下安裝面分別位于所述套體的兩個端面，且垂直于所述套體中心線的外表面為平面。
進一步，所述上安裝面的外側還連接有向下延伸的上外環，所述下安裝面的外側還連接有向上延伸的下外環。
進一步，所述環形壓力室內還設置有用于給所述環形壓力室內油液加熱的加熱套。本發明的有益效果在于，本發明與現有技術相比，本發明采用彈性護套將壓力室中的環形壓力室與軸向壓力室隔離開來，使得壓力室中的巖土試件的軸向壓力與徑向壓力絕對隔離，從而使得該試件室中的巖土試件承受的軸向壓力與徑向壓力之間相互獨立，可以通過各自施加壓力，實現巖土試件的徑向壓力與軸向壓力之間不同數值對比，以模擬巖土張拉等多種不同情況下的應力場，從而使得巖土流變試驗應用場合更加廣泛，試驗結果的參考價值更大，可大大提高巖土流變試驗的應用水平。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明圖I為本發明一種用于巖土流變試驗的壓力室結構示意圖；圖2為本發明一種用于巖土流變試驗的壓力室中彈性護套結構示意圖；圖3為本發明一種用于巖土流變試驗的壓力室在試驗臺上的使用狀態示意圖；圖4為本發明一種用于巖土流變試驗的壓力室進行流變試驗的工作原理示意圖；圖5為本發明一種用于巖土流變試驗的壓力室的試驗設備整體結構示意圖。
具體實施例方式體現本發明特征與優點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明及附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。巖土流變試驗方法是通過對設置于壓力室中的巖土試件進行施壓以模擬巖土不同的應力場環境，再通過檢測巖土試件在上述環境下的變化參數以對實際巖土在不同應力場環境下的變化情況作出評價。本發明中，位于壓力室中的巖土試件的軸向壓力與徑向壓力絕對隔離，從而使得該軸向壓力與徑向壓力之間相互獨立。在巖土試件承受的徑向壓力大于軸向壓力時，可用于模擬實際巖土承受張拉時的應力場。巖土試件的變化參數包括應力、應變、側壓及溫度，其中應變包括軸向應變與徑向應變。另外，還可通過壓力室對巖土試件進行加熱，以模擬實際巖土的不同溫度環境。再者，為節約試驗時間，巖土試件與壓力室數量相同，均為2個以上，且各巖土試件同時進行試驗。在本實施例中，巖土試件與壓力室數量均為5個。圖I所示為本實施例中壓力室I的結構。壓力室I包括軸向壓力室12和環形壓力室13。軸向壓力室12包括上壓力室121、試件室120和下壓力室122。本實施例中，巖土試件8可選用煤礦或其他礦山軟巖等地質材料，巖土試件8裝在試件室120內。環形壓力室13為密封油囊，油囊中填充壓力可調的油液，上壓力室121與下壓力室122均為墊塊，通過油液調節壓力。其中，環形壓力室13為環狀柱體，環繞在軸向壓力室12徑向周圍。如圖4所示，環形壓力室13連通供能系統5，由供能系統5向環形壓力室13提供壓力油液，對裝在試件室120內的巖土試件8進 行徑向施壓，油液壓力范圍為0-60MPa，可進行加壓、卸壓、保壓和重置，最大徑向變形量為10毫米。上壓力室121壓靠在試件室120上部，下壓力室122頂靠在試件室120下部，上壓力室121與下壓力室122均連通供能系統5，由供能系統5提供壓力油液，共同對裝在試件室120內的巖土試件8進行軸向施壓。本實施例中，軸向力最大可達到600KN，最大位移量為200毫米。
本實施例中，一彈性護套11的內部空間構成軸向壓力室12。彈性護套11結構如圖2所示，套體110為環形結構，套體110上下兩端徑向向外延伸，分別形成上安裝面111與下安裝面112，上安裝面111與下安裝面112上垂直于套體110的外表面為平面，以方便進行固定安裝。彈性護套11采用氟橡膠材料，具有耐高壓、高溫的作用。彈性護套11將試件室120中的巖土試件8的軸向壓力與徑向壓力分隔開來，使得巖土試件8的軸向壓力與徑向壓力各自獨立設置，既可以軸向壓力大于等于徑向壓力，也可軸向壓力小于徑向壓力。在施加徑向壓力的同時，軸向壓力可變小，甚至為零，可模擬巖土的張拉情況，研究巖土在承受張拉時隨時間變化的各項參數變化，直至破壞。上安裝面111與下安裝面112的外側延伸有相對的軸向外環邊，分別為上外環113與下外環114，上外環113與下外環114可輔助上安裝面111與下安裝面112進行安裝，還可提高套體110強度。巖土試件8裝在彈性護套11內，軸向壓力室I內被巖土試件8占據的空間為試件室120。上墊塊123的下端密封地伸入彈性護套11頂部內，從而在上墊塊123的下端面與巖土試件8的上端面之間形成一密封的空間，該空間為上壓力室121，上壓力室121的液壓管路穿過上墊塊123。下墊塊124的上端密封地伸入彈性護套11底部內，從而在下墊塊124的上端面與巖土試件8的下端面之間形成一密封的空間，該空間為下壓力室122，下壓力室122的液壓管路穿過下墊塊124。環形壓力室13形成在上端蓋131、下端蓋132和筒體130與彈性護套11共同限定的空間。筒體130為兩端開口的筒狀結構，上端蓋131與下端蓋132分別密封筒體130兩端開口，并與密封筒體130螺紋連接。環形壓力室13的頂部還設置有壓蓋133和上擋塊134。環形壓力室13底部還設置有下擋塊135。筒體130、上擋塊134、彈性護套11與下端蓋132之間均密封接觸，形成密封的環形壓力室13。壓蓋133安裝在上端蓋131和彈性護套14的上安裝面141之間。在環形壓力室13內還安裝有加熱套15，加熱套15為封閉的環形結構，安裝在上擋塊134和下擋塊135之間。加熱套15位于環形壓力室13的壓力油液中，可直接對環形壓力室13中的油液進行加熱，由于油液的對流作用，加熱速度快且油液升溫均勻，可減少能源損耗，提高溫度控制的精度。加熱套15通過密封的加熱接頭與外界電源相連，該加熱接頭可耐油液腐蝕，并與油液絕緣。采用加熱套15，可使試件室10中溫度最高達到IOO0C -150。。。另外，在壓力室I下部還安裝有橡膠墊16，該橡膠墊16固定安裝在下墊塊132的下端面上，用于緩解軸向力的沖擊。壓力室I除了對巖石試件8施加壓力與熱量外，還可根據需要施加孔隙水、氣等，用于模擬更多地下巖土環境。本實施例中，如圖3所示，一個試驗臺2上共安裝5個壓力室5個壓力室可設置相同的試驗條件和目的，也可根據試驗需要分別設置不同的試驗條件和目的。5個壓力室I可以同時對5份不同巖土試件8分別進行流變試驗，大大縮短流變試驗周期，提高試驗速度。試驗臺2用于支撐壓力室1，包括上橫梁21、下橫梁22、立柱23與底座24。上橫梁21與下橫梁22各為一件，5個壓力室I并聯安裝在上橫梁21與下橫梁22之間。立柱23用于連接上橫梁21與下橫梁22，每個壓力室I周圍四個角部各安裝一個立柱23，共計12個立柱23，與5個單獨的流變儀相比節約了 8個立柱，大大降低了制作成本。底座24安裝在下橫梁22下部，用于支撐上橫梁21、壓力室I、下橫梁22與立柱23。另外，軸向環境系統3安裝在上橫梁21上，徑向環境系統4安裝在底座24內，均通過液壓管路、電路、水管與氣管等連通壓力室I。軸向環境系統3與徑向環境系統4分別改變巖土試件8的軸向與徑向的應力場與溫度場等環境，以模擬實際巖土的地下環境。如圖4與圖5所示，本實施例的巖土流變試驗設備包括壓力室I、試驗臺2、軸向環境系統3、徑向環境系統4、供能系統5、檢測系統6與控制及分析系統7。壓力室I與試驗臺2如前介紹，在此不再贅言。軸向環境系統3調節壓力室 I中的軸向壓力等軸向上的環境參數，徑向環境系統4調節壓力室I中的徑向壓力等徑向上的環境參數。供能系統5提供本設備所需能源，包括供油模塊51、供電模塊52、供氣模塊53與供水模塊54四個部分。供油模塊51中采用低噪音油泵、不銹鋼油箱及高精密濾油器，可保證油路清潔，由于5個壓力室I共用一個油箱，可大大降低油箱制作成本，且減少油箱占用空間。供能系統5中的供電模塊52中采用大容量不間斷電源，供氣模塊53與供油模塊51中采用氣液增壓泵及蓄能器等，可避免意外斷電給試驗帶來的影響。其中，不間斷電源功率可達到2KW，氣液增壓泵最大工作氣壓可達到0. 69MPa，最大輸出油壓可達到30MPa。如圖5所示，檢測系統6包括位移傳感器61、力傳感器62、徑向壓力傳感器63、溫度傳感器64及環向引伸計。其中，環向引伸計僅用在無壓力室的單軸試驗中，上述的位移傳感器61、力傳感器62、徑向壓力傳感器63、溫度傳感器64及環向引伸計測試壓力室I中巖土試件8的各項參數，并將該參數發送到控制及分析系統7。其中，位移傳感器61可測試巖土試件8的軸向應變；力傳感器62可測試巖土試件8的軸向應力；徑向壓力傳感器63可測試巖土試件8的徑向應力；溫度傳感器64可測試巖土試件8的溫度變化；環形引伸計可測試巖土試件8的徑向應變。控制及分析系統7是本設備的大腦，一方面控制及分析系統7采集檢測系統6發送來的數據，進行分析評價；另一方面控制及分析系統7生成控制指令，并將該指令分別發送到供能系統5、軸向環境系統3與徑向環境系統4中,控制供能系統5、軸向環境系統3與徑向環境系統4動作，以向壓力室I中輸送合適的壓力油液、電、氣與水等。控制及分析系統7采用可視化操作，并設置獨立的操作平臺。試驗數據以Microsoft Office Excel方式存儲調用，可以以應力、軸向應變、徑向應變、側壓、溫度和有效時間中的任意兩個參數為坐標繪制圖形，對試驗結果進行曲線分析，局部放大，還可編制和打印試驗報告。控制及分析系統7的控制軟件采用美國NI公司的LabVIEW軟件，并在該軟件基礎上進一步開發形成。采用LabVIEW軟件編程不僅具有開發潛力，方便進行一機多控，而且大大降低成本。本發明的有益效果在于，本發明與現有技術相比，本發明采用彈性護套11將壓力室I中的環形壓力室13與軸向壓力室12隔離開來，使得壓力室I中的巖土試件8的軸向壓力與徑向壓力絕對隔離，從而使得該試件室120中的巖土試件8承受的軸向壓力與徑向壓力之間相互獨立，可以通過各自施加壓力，實現巖土試件8的徑向壓力與軸向壓力之間不同數值對比，以模擬巖土張拉等多種不同情況下的應力場，從而使得巖土流變試驗應用場合更加廣泛，試驗結果的參考價值更大，可大大提高巖土流變試驗的應用水平。本發明的技術方案已由優選實施例揭示如上。本領域技術人員應當意識到在不脫離本發明所附的權利要求所揭示的本發明的范圍和精神的情況下所作的更動與潤飾，均屬本發明的 權利要求的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于巖土流變試驗的壓力室，包括軸向壓力室與環形壓力室，所述軸向壓力室包括依次層疊設置的上壓力室、試件室與下壓力室，所述試件室內裝有巖土試件，所述環形壓力室、上壓力室與下壓力室中均輸入壓力可調的油液，所述環形壓力室環繞在所述軸向壓力室徑向周圍，其特征在于，所述軸向壓力室由一彈性護套的內部空間構成。
2.如權利要求I所述的用于巖土流變試驗的壓力室，其特征在于，所述彈性護套為耐高溫高壓的氟橡膠材料。
3.如權利要求2所述的用于巖土流變試驗的壓力室，其特征在于，所述彈性護套包括套體、上安裝面與下安裝面，所述套體為環形，所述上安裝面與下安裝面分別位于所述套體的兩個端面，且垂直于所述套體中心線的外表面為平面。
4.如權利要求I所述的用于巖土流變試驗的壓力室，其特征在于，所述上安裝面的外側還連接有向下延伸的上外環，所述下安裝面的外側還連接有向上延伸的下外環。
5.如權利要求1-4任一所述的用于巖土流變試驗的壓力室，其特征在于，所述環形壓力室內還設置有用于給所述環形壓力室內油液加熱的加熱套。
全文摘要
一種用于巖土流變試驗的壓力室，包括軸向壓力室與環形壓力室，所述軸向壓力室包括依次層疊設置的上壓力室、試件室與下壓力室，所述試件室內裝有巖土試件，所述環形壓力室、上壓力室與下壓力室中均輸入壓力可調的油液，所述環形壓力室環繞在所述軸向壓力室徑向周圍，所述軸向壓力室由一彈性護套的內部空間構成。本發明采用彈性護套將壓力室中的環形壓力室與軸向壓力室隔離開來，使得壓力室中的巖土試件的軸向壓力與徑向壓力絕對隔離，從而使得該試件室中的巖土試件承受的軸向壓力與徑向壓力之間相互獨立。
文檔編號G01N3/02GK102621006SQ20121009106
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者何滿潮, 王炯, 趙健 申請人:中國礦業大學(北京)