巖石裂紋擴展模擬試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明提出一種巖石裂紋擴展模擬試驗裝置及試驗方法，在巖石裂紋擴展模擬試驗裝置中，上承壓板的下表面固定連接擠壓頭，巖石試樣放置于下承壓板的上表面，巖石試樣的上方開設有凹槽，凹槽的底部的巖石試樣開設有預制裂紋，上擠壓板的一端與下擠壓板的一端固定連接，上擠壓板和下擠壓板的固定連接處鉸接滑輪，于巖石試樣的外表面設置有聲發射檢波器，聲發射檢波器信號連接計算機，加載端作用于上承壓板，加載端信號連接計算機。本發明的有益效果為：巖石試樣制作簡單，試驗簡單，試驗成本較低；可以根據巖石試樣的受力情況施加平穩可控的壓裂荷載，使巖石試樣產生定向裂紋,可準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試樣裂紋擴展之間的關系。
【專利說明】
巖石裂紋擴展模擬試驗裝置及試驗方法
技術領域
[0001]本發明涉及巖石力學試驗技術領域，特別是涉及一種巖石裂紋擴展模擬試驗裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002]巖石內部微裂紋的孕育、擴展是影響巖石宏觀變形破壞的主要細觀力學因素。由于巖石內部含有較多的微裂紋，在外力的作用下，微裂紋端部會形成應力集中，微裂紋開始擴展為拉裂紋并逐漸連接貫通，最終導致了巖石的破壞。因此，拉破壞是導致巖石發生破壞的根本原因之一。巖石裂紋擴展過程的觀測研究對巖石裂紋擴展模型及本構關系建立、巖石變形破壞機制分析和巖石工程穩定性評價都具有重要意義。目前，現有技術多采用直接拉伸法或巴西劈裂法對巖石裂紋擴展進行研究，直接拉伸法的試樣制作難度較高，采用較少。而在巴西圓盤劈裂試驗過程中，由于試驗過程受多種條件因素的影響，如壓板與巴西盤之間的墊板(條)剛度及強度大小、墊板尺寸及形狀等，得到的結果有時不能獲取分析問題所需的足夠信息，甚至不能反映問題的本質。
[0003]公開號為CNl 04819898A的中國專利文獻公開了一種米動巖石裂隙擴展試驗裝置與試驗方法，該裝置采用注水加壓的方法使巖石試件產生裂紋，但無法測試干燥或原生狀態下巖石裂紋的擴展。公開號為CN105319138A的中國專利文獻公開了一種用于進行巖石壓裂試驗的設備及方法，該裝置主要通過電壓施加裝置對流體施加特定電壓，從而將流體擊穿以對巖石樣品進行壓裂，但該方法在對巖石樣品進行壓裂的過程中無法準確控制施加載荷的大小，難以細致觀察巖石裂紋的起裂和擴展過程。公告號為CN205209884U的中國專利文獻公開了一種巖石亞臨界裂紋擴展實驗簡易裝置，該裝置主要通過剛球體加載壓裂巖石試件“V”型切口，該裝置無法根據巖石試件受力情況平穩的對加載過程進行控制，無法準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試件裂紋擴展之間的關系，而且帶有“V”型切口的巖石試件制作困難，試驗條件要求苛刻，不利于降低試驗成本。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種巖石裂紋擴展模擬試驗裝置及試驗方法，巖石試樣制作簡單，試驗簡單，降低試驗成本，模擬巖石裂紋擴展過程，根據巖石試樣的受力情況施加平穩可控的壓裂荷載，使巖石試樣產生定向裂紋，可準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試樣裂紋擴展之間的關系，對研究巖石裂紋模型及本構關系建立、巖石變形斷裂機制分析等具有重要意義。
[0005]本發明提供一種巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，包括上承壓板、擠壓頭、巖石試樣、下承壓板、上擠壓板、下擠壓板、滑輪、聲發射檢波器、加載端和計算機，上承壓板的下表面固定連接上粗下銳的擠壓頭，巖石試樣放置于下承壓板的上表面，巖石試樣的上方開設有凹槽，凹槽的底部的巖石試樣開設有預制裂紋，上擠壓板的一端與下擠壓板的一端固定連接，上擠壓板和下擠壓板的固定連接處鉸接滑輪，于凹槽左右兩側的巖石試樣的上表面分別鋪設兩塊上擠壓板，于凹槽內部的左右兩側的巖石試樣的側表面分別鋪設兩塊下擠壓板，于巖石試樣的外表面設置有聲發射檢波器，聲發射檢波器信號連接計算機，加載端作用于上承壓板，加載端信號連接計算機。
[0006]進一步的，凹槽的橫截面為矩形。
[0007]進一步的，預制裂紋的橫截面為矩形。
[0008]進一步的，于巖石試樣的外側表面以巖石試樣的中間豎直線為對稱軸對稱設置聲發射檢波器。
[0009]進一步的，于巖石試樣的外側表面的上部的左右兩側對稱設置兩個聲發射檢波器，于巖石試樣的外側表面的下部的左右兩側對稱設置兩個聲發射檢波器。
[0010]進一步的，巖石試樣的上方開設有若干個凹槽，若干個凹槽的底部的巖石試樣均開設有預制裂紋，上承壓板的下表面固定連接有與凹槽數量對應的若干個擠壓頭。
[0011]進一步的，擠壓頭的橫截面為三角形。
[0012]進一步的，擠壓頭、上擠壓板和下擠壓板由高強度纖維材料制成。
[0013]本發明還提供一種巖石裂紋擴展模擬試驗方法，應用上述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，包括以下步驟:
[0014]步驟一、將巖石試樣放置于下承壓板上，于凹槽左右兩側的巖石試樣的上表面和凹槽內部的左右兩側的巖石試樣的側表面鋪設上擠壓板和下擠壓板，于巖石試樣的外表面設置聲發射檢波器；
[0015]步驟二、計算機控制加載端對上承壓板施加軸向應力，擠壓頭經兩滑輪之間的縫隙繼續下移至巖石試樣完全破壞，通過聲發射檢波器記錄聲發射特征信號數據。
[0016]進一步的，步驟二中，在巖石試樣破壞過程中，通過高速相機記錄巖石試樣破壞過程的圖像數據。
[0017]與現有技術相比，本發明的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置及試驗方法具有以下特點和優點:
[0018]1、本發明的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，巖石試樣制作簡單，試驗簡單，試驗成本較低；
[0019]2、本發明的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，模擬巖石裂紋擴展過程中，可以根據巖石試樣的受力情況施加平穩可控的壓裂荷載，使巖石試樣產生定向裂紋，可準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試樣裂紋擴展之間的關系；
[0020]3、本發明的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，對研究巖石裂紋模型及本構關系建立、巖石變形斷裂機制分析等具有重要意義；
[0021]4、本發明的巖石裂紋擴展模擬試驗方法，試驗操作簡單，便于平穩精確控制對巖石試樣施加壓裂荷載，使巖石試樣產生定向裂紋，精確記錄聲發射特征信號數據和巖石試樣破壞過程的圖像數據，以準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試樣裂紋擴展之間的關系O
[0022]結合附圖閱讀本發明的【具體實施方式】后，本發明的特點和優點將變得更加清楚。
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發明實施例1中巖石裂紋擴展模擬試驗裝置的結構示意圖；
[0025]圖2為本發明實施例2中巖石裂紋擴展模擬試驗裝置的結構示意圖；
[0026]其中，
[0027]11、上承壓板，12、下承壓板，2、擠壓頭，31、上擠壓板，32、下擠壓板，33、滑輪，4、巖石試樣，41、凹槽，42、預制裂紋，43、裂紋，5、聲發射檢波器，6、信號電纜，7、計算機。
【具體實施方式】
[0028]實施例1
[0029]如圖1所示，本實施例提供一種巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，上承壓板11的下表面固定連接上粗下銳的由高強度纖維材料制成的擠壓頭2，本實施例中的擠壓頭2的橫截面為三角形，可以便于擠壓頭2從兩滑輪33之間的縫隙里繼續向下擠壓。巖石試樣4放置于下承壓板12的上表面，巖石試樣4的上方開設有凹槽41，凹槽41的底部的巖石試樣4開設有預制裂紋42，預制裂紋42可以保證裂紋43擴展沿著一定方向進行，有利于觀察記錄裂紋43的擴展過程。上擠壓板31和下擠壓板32也由高強度纖維材料制成，當然，擠壓頭2、上擠壓板31和下擠壓板32也可以由高強度鋼材制成。上擠壓板31的一端與下擠壓板32的一端固定連接，上擠壓板31和下擠壓板32的固定連接處鉸接滑輪33，于凹槽41左右兩側的巖石試樣4的上表面分別鋪設兩塊上擠壓板31，于凹槽41內部的左右兩側的巖石試樣4的側表面分別鋪設兩塊下擠壓板32。加載端作用于上承壓板11，加載端經信號電纜6信號連接計算機7，計算機7控制加載端經上承壓板11、擠壓頭2、上擠壓板31和下擠壓板32對巖石試樣4施加平穩可控的壓裂荷載，有利于研究壓裂荷載與裂紋擴展之間的關系。在擠壓頭2向下擠壓的過程中，兩下擠壓板32分別朝兩側移動，兩下擠壓板32帶動了凹槽41兩側的巖石試樣4向兩側分離，巖石試樣4沿著預制裂紋42使巖石試樣4定向產生裂紋43。巖石試樣4的外表面以巖石試樣4的中間豎直線為對稱軸對稱設置聲發射檢波器5，本實施例中，于巖石試樣4的外側表面的上部的左右兩側對稱設置兩個聲發射檢波器5，于巖石試樣4的外側表面的下部的左右兩側對稱設置兩個聲發射檢波器5，從而可以通過聲發射檢波器5精確的監測多個方向的聲發射特征信號數據。聲發射檢波器5經信號電纜6信號連接計算機7，在模擬巖石裂紋擴展過程中，聲發射檢波器5用來精確記錄聲發射特征信號數據，以準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試樣裂紋擴展之間的關系，進而對研究巖石裂紋模型及本構關系建立、巖石變形斷裂機制分析等具有重要意義。凹槽41和預制裂紋42以便于加工巖石試樣4為前提，而不必在巖石試樣4上開設難以制作的“V”型等切口。本實施例中的凹槽41和預制裂紋42的橫截面為矩形，便于巖石試樣4制作，試驗簡單，試驗成本較低。
[0030]本發明還提供一種巖石裂紋擴展模擬試驗方法，應用上述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，包括以下步驟:
[0031]步驟一、將巖石試樣4放置于下承壓板12上，于凹槽41左右兩側的巖石試樣4的上表面鋪設上擠壓板31，于凹槽41內部的左右兩側的巖石試樣4的側表面鋪設下擠壓板32，于巖石試樣4的外表面設置聲發射檢波器5;
[0032]步驟二、計算機7控制加載端對上承壓板11施加軸向應力，擠壓頭2經兩滑輪33之間的縫隙繼續下移至巖石試樣4完全破壞，通過聲發射檢波器5記錄聲發射特征信號數據，在巖石試樣4破壞過程中，通過高速相機記錄巖石試樣4破壞過程的圖像數據。
[0033]本實施例的上述巖石裂紋擴展模擬試驗方法，試驗操作簡單，便于平穩精確控制對巖石試樣4施加壓裂荷載，使巖石試樣4產生定向裂紋，精確記錄聲發射特征信號數據和巖石試樣4破壞過程的圖像數據，以準確分析載荷、加載速率等因素與巖石試樣4裂紋擴展之間的關系。
[0034]實施例2
[0035]本實施例與實施例1的不同之處在于，巖石試樣4的上方開設有兩個凹槽41，兩個凹槽41的底部的巖石試樣4均開設有預制裂紋42，上承壓板11的下表面固定連接有兩個擠壓頭2。本實施例中的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，可以于巖石試樣4上同時進行兩處的模擬巖石裂紋擴展過程。當然也可以在巖石試樣4的上方開設有兩個以上的凹槽41，兩個以上的凹槽41的底部的巖石試樣4均開設有預制裂紋42，上承壓板11的下表面固定連接有與凹槽41數量對應的擠壓頭2，可以于巖石試樣4上同時進行兩處以上的模擬巖石裂紋擴展過程。
[0036]當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:包括上承壓板、擠壓頭、巖石試樣、下承壓板、上擠壓板、下擠壓板、滑輪、聲發射檢波器、加載端和計算機，上承壓板的下表面固定連接上粗下銳的擠壓頭，巖石試樣放置于下承壓板的上表面，巖石試樣的上方開設有凹槽，凹槽的底部的巖石試樣開設有預制裂紋，上擠壓板的一端與下擠壓板的一端固定連接，上擠壓板和下擠壓板的固定連接處鉸接滑輪，于凹槽左右兩側的巖石試樣的上表面分別鋪設兩塊上擠壓板，于凹槽內部的左右兩側的巖石試樣的側表面分別鋪設兩塊下擠壓板，于巖石試樣的外表面設置有聲發射檢波器，聲發射檢波器信號連接計算機，加載端作用于上承壓板，加載端信號連接計算機。2.根據權利要求1所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:凹槽的橫截面為矩形。3.根據權利要求2所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:預制裂紋的橫截面為矩形。4.根據權利要求3所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:于巖石試樣的外側表面以巖石試樣的中間豎直線為對稱軸對稱設置聲發射檢波器。5.根據權利要求4所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:于巖石試樣的外側表面的上部的左右兩側對稱設置兩個聲發射檢波器，于巖石試樣的外側表面的下部的左右兩側對稱設置兩個聲發射檢波器。6.根據權利要求1至5任一項所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:巖石試樣的上方開設有若干個凹槽，若干個凹槽的底部的巖石試樣均開設有預制裂紋，上承壓板的下表面固定連接有與凹槽數量對應的若干個擠壓頭。7.根據權利要求1至5任一項所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:擠壓頭的橫截面為三角形。8.根據權利要求1至5任一項所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于:擠壓頭、上擠壓板和下擠壓板由高強度纖維材料制成。9.一種巖石裂紋擴展模擬試驗方法，應用權利要求1至8任一項所述的巖石裂紋擴展模擬試驗裝置，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將巖石試樣放置于下承壓板上，于凹槽左右兩側的巖石試樣的上表面和凹槽內部的左右兩側的巖石試樣的側表面鋪設上擠壓板和下擠壓板，于巖石試樣的外表面設置聲發射檢波器； 步驟二、計算機控制加載端對上承壓板施加軸向應力，擠壓頭經兩滑輪之間的縫隙繼續下移至巖石試樣完全破壞，通過聲發射檢波器記錄聲發射特征信號數據。10.根據權利要求9所述的巖石裂紋擴展模擬試驗方法，其特征在于:步驟二中，在巖石試樣破壞過程中，通過高速相機記錄巖石試樣破壞過程的圖像數據。
【文檔編號】G01N3/08GK106053230SQ201610552861
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】譚云亮, 郭偉耀, 趙同彬, 于鳳海, 胡善超, 郭磊, 顧東東
【申請人】山東科技大學