用于巖體裂紋擴展下溫度-應力場耦合的強度測試裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于巖體裂紋擴展下溫度?應力場耦合的強度測試裝置，包括有調升臺（1），調升臺（1）上固定有墊塊（5），調升臺臺面兩邊豎立有立柱（2），兩根立柱（2）上分別附有可調高度的第二環形固定裝置（21），每根立柱（2）的上下兩個第二環形固定裝置（21）之間分別裝有半圓桶形的絕熱保護罩（7），絕熱保護罩（7）內嵌有加熱器，絕熱保護罩（7）以立柱（2）為樞軸旋轉閉合獲得中部密閉體，對墊塊、試樣及部分應力桿進行密封加熱。本實用新型具有如下的優點：能測試巖質試樣裂紋起裂、僑聯、擴展的溫度?應力耦合場條件下的無側限強度。
【專利說明】
用于巖體裂紋擴展下溫度-應力場耦合的強度測試裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種工程檢驗設備，具體涉及一種用于巖體裂紋擴展下溫度-應力場耦合的強度測試裝置。
【背景技術】
[0002]目前，無側限強度數據主要依靠室內土工試驗來完成。中國專利文獻CN203785950 U于2014年8月20日公開了一種無側限抗壓強度試驗儀，它包括檢測軸向壓力和軸向位移的檢測單元，位于檢測單元下方并承載試樣的試樣承載單元，以及支撐架;其中，檢測單元包括；對試樣施加軸向力的貫入桿，該貫入桿的下端連接有尺寸為70.7mm*70.7mm*13mm的承壓板，位于貫入桿上方在貫入桿的作用下發生形變的量力環，位于量力環中間用于檢測量力環形變的第一數字百分表，連接在貫入桿的兩側檢測軸向位移的第二數字百分表，數字百分表與適配器連接，適配器連接數據采集系統。
[0003]但是，該無側限抗壓強度試驗儀存在的問題有:1、對試件在受壓破壞過程中試件內部的微裂紋的起裂、僑聯、擴展及貫通的過程無法識別和檢測；由于巖體內部存在眾多微觀裂紋，這些裂紋肉眼基本觀察不到，但這些裂紋的發育、擴展形成裂縫對巖體強度性質有著至關重要的影響。2、只能進行單軸強度值測試，不能滿足溫度耦合的強度測試；由于地下空間綜合體建設日益蓬勃發展，尤其是探究地質體深部(高溫高壓環境)的興起，人們開始探求如何更加方便快捷地獲取巖體在高溫條件下的裂紋起裂、僑聯、擴展及貫通過程中的無側限強度測試。現有無側限抗壓強度試驗儀不能滿足土木工程學科發展的需求。
[0004]中國專利文獻CN102589672 A于2012年7月18日公開了一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續測量方法，它通過固定聲波發射探頭和聲波接收探頭于加載試樣側面，采用數據連續自動記錄系統連續記錄聲波在巖石試樣中沿與加載垂直的方向的傳播時間，從而實現整個單軸壓縮加載裂紋擴展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續測量。實現了裂紋擴展過程垂直裂紋發育主方向聲波波速的連續測量，最終得到聲波波速-加載時間曲線。
[0005]該專利的不足之處在于，該專利只能獲得聲波波速-加載時間曲線，不能觀測到裂紋的變化形式，另外，該專利受環境溫度限制，不能實現高溫條件下巖體的裂紋發育、擴展觀測和強度測試。
【發明內容】
[0006]針對現有無側限抗壓強度試驗儀存在的問題，本實用新型所要解決的技術問題就是提供一種用于巖體裂紋擴展下溫度-應力場耦合的強度測試裝置，它能測試巖體在不同溫度耦合條件下的裂紋起裂、僑聯、擴展及貫通過程中的無側限強度，并能觀測裂紋的變化。
[0007]本實用新型所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，它包括有調升臺、調升臺上固定有墊塊，調升臺臺面兩邊豎立有立柱，兩立柱之間通過螺紋固定有反壓橫梁，反壓橫梁中段固定有對試樣施加軸向反力的應力桿，應力桿底部裝有應力傳感器，試樣置于應力桿與墊塊之間，試樣表面粘貼有第一聲波發射器和第一聲波接收器；
[0008]所述墊塊內嵌有第二聲波發射器和加熱絲，應力桿底端孔內裝有第二聲波接收器，應力桿外圍固定有可調高度的第一環形固定裝置，第一環形固定裝置連接有多通道聲發射傳感器;兩根立柱上分別附有可調高度的第二環形固定裝置，每根立柱的上下兩個第二環形固定裝置之間分別裝有半圓桶形的絕熱保護罩，絕熱保護罩內嵌有加熱器，絕熱保護罩以立柱為樞軸旋轉閉合獲得中部密閉體，對墊塊、試樣及部分應力桿進行密封加熱，溫度傳感器和紅外熱像儀設置在絕熱保護罩合圍的密閉體內；溫度傳感器、紅外熱像儀、應力傳感器、第一聲波發射器、第一聲波接收器、第二聲波發射器、第二聲波接收器、多通道聲發射傳感器的信號線與信號轉換器連接，對應信號經過信號轉換器之后輸入計算機。
[0009]由于采用了加熱器和絕熱保護罩，本實用新型能在各種溫度條件下進行無側限抗壓強度測試;利用紅外熱像儀，本實用新型能準確獲得巖質試樣在溫度場條件下的紅外熱像圖；利用第一聲波發射器和第一聲波接收器檢測水平方向的波速，利用第二聲波發射器和第二聲波接收器檢測垂直方向的波速，通過垂直與水平兩個方向不同波源的波速檢測數據，避免了單向測試的弊端，本實用新型能準確測量裂紋僑聯、貫通的時間、位置及裂紋發育的全過程信息；利用多通道聲發射傳感器數據，本實用新型能準確測量巖質試樣體內裂紋的起裂時間、位置、數量。
[0010]由于采用了上述技術方案，本實用新型具有如下的優點:能測試巖質試樣裂紋起裂、僑聯、擴展的溫度-應力耦合場條件下的無側限強度，還具有結構簡單、操作容易、價格低廉和動態檢測的優點。
【附圖說明】
[0011]本實用新型的【附圖說明】如下:
[0012]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0013]圖中:1.調升臺；2.立柱;21.第二環形固定裝置;3.反壓橫梁;4.應力桿;41.應力傳感器;42.第二聲波接收器;43.第一環形固定裝置;44.多通道聲發射傳感器;5.墊塊；51.第二聲波發射器;6.試樣;61.第一聲波發射器;62.第一聲波接收器;7.絕熱保護罩;8.溫度傳感器;9.紅外熱像儀;10.信號轉換器;11.計算機。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明:
[0015]如圖1所示，本實用新型包括有調升臺1、調升臺I上固定有墊塊5，調升臺臺面兩邊豎立有立柱2，兩立柱2之間通過螺紋固定有反壓橫梁3，反壓橫梁3中段固定有對試樣施加軸向反力的應力桿4，應力桿4底部裝有應力傳感器41，試樣6置于應力桿4與墊塊5之間，試樣6表面粘貼有第一聲波發射器61和第一聲波接收器62，其特征是:
[0016]所述墊塊5內嵌有第二聲波發射器51和加熱絲，應力桿4底端孔內裝有第二聲波接收器42，應力桿4外圍固定有可調高度的第一環形固定裝置43，第一環形固定裝置43連接有多通道聲發射傳感器44;兩根立柱2上分別附有可調高度的第二環形固定裝置21，每根立柱2的上下兩個第二環形固定裝置21之間分別裝有半圓桶形的絕熱保護罩7，絕熱保護罩7內嵌有加熱器，絕熱保護罩7以立柱2為樞軸旋轉閉合獲得中部密閉體，對墊塊、試樣及部分應力桿進行密封加熱，溫度傳感器8和紅外熱像儀9設置在絕熱保護罩7合圍的密閉體內；溫度傳感器8、紅外熱像儀9、應力傳感器41、第一聲波發射器61、第一聲波接收器62、第二聲波發射器51、第二聲波接收器42、多通道聲發射傳感器44的信號線與信號轉換器10連接，對應信號經過信號轉換器10之后輸入計算機11。
[0017]所述墊塊5的直徑大于試樣6的直徑。
[0018]本實用新型利用多通道聲發射傳感器測試，實現準確測試巖質試樣在較小壓力時內部起裂(即裂紋出現)、僑聯發生的時間、數量、分布位置及此過程中的應力-應變數據。隨著試驗壓力的增大，通過水平和垂直兩個不同聲源的聲波波速測試結果，實現對巖質試樣內部裂紋的擴展、貫通的時間、方位、數量的準確測量，進一步獲得試樣內部裂紋起裂圖像、裂紋擴展分布圖像、聲波波速圖、裂紋貫通的分布圖像等，同時也獲得了在裂紋發育過程中的應力-應變數據，實現裂紋擴展與強度動態結合的試驗成果。當試驗壓力進一步增大時，巖質試樣內部裂紋完全貫通，形成破裂面，試樣破損強度喪失，在這個過程中借助水平和垂直方向的波速試驗數據可以實現對裂紋貫通的時間、數量、位置及試驗過程的應力狀態進行測量，進而能夠從細微處直觀認識巖石應力-應變過程曲線中各個階段。
[0019]本實用新型能進行溫度-應力場耦合條件下的強度測試，利用多通道聲發射傳感器、紅外熱像儀，能獲得試樣在溫度-應力場耦合條件下巖質試樣裂紋起裂、僑聯時的紅外熱像圖，裂紋擴展、貫通時的紅外熱像圖；通過水平和垂直方向的波速測試裝置可以獲得巖質試樣在溫度-應力場耦合條件下的波速分布圖，實現了溫度-應力場條件下裂紋擴展的強度測試。本測試儀結構組成簡單、操作容易、價格低廉，實現了對試樣的實時動態檢測。
[0020]根據試驗標準規范，制定標準試樣并進行標準養護，同時對應力傳感器、聲波發射器、多通道聲發射傳感器及紅外熱像儀等儀器進行校正以及其他的試驗準備工作，養護期結束后即可開始進行實驗。
[0021]1、在應力場條件下進行無側限強度測試時，將準備好的試樣放置墊塊上，通過粘貼劑將聲波發射器和接收器緊密粘貼于試樣表面，微調加載驅動器使試樣與反力桿剛好接觸，記錄加載驅動器的位移指示刻度值，開啟水平和垂直方向的聲波發射器及接收器和多通道聲發射傳感器，打開計算機上的應力傳感數據處理軟件、聲發射和聲波波速數據處理軟件。開啟加載驅動器，施加軸向壓力，在試驗加載壓力較小階段，巖質試樣內部裂紋即將產生，通過多通道聲發射傳感器測試數據，能夠準確獲取巖質試樣內部裂紋的起裂時間、位置、數量，裂紋僑聯的動態圖像和對應的應力-應變過程曲線，分析水平和垂直兩個方向的波速圖像及實時應力-應變值可以判別巖質試樣內部裂紋發展的階段。隨著試驗的進行軸力的增大，試樣內部裂紋開始僑聯和部分連通，形成潛在裂隙，此時通過兩個方向的波速圖像可以獲得試樣裂隙的出現時間、分布位置、數量等試驗數據，及時保存此過程的應力-應變數據。進一步增大軸力，試樣內部的裂隙完全貫通，形成破裂面，試樣的強度值達到最大，最后試樣破壞，測試結束。
[0022]通過以上試驗過程可以獲得巖質試樣從完整狀態到軸向受壓破壞全程任意時刻的應力-應變數據;試驗過程中試樣體內裂紋起裂時刻的位置、裂紋分布的數量;試樣裂紋的僑聯擴展過程、裂紋的形態、裂紋形成破裂面時的分布規律、試樣的動態聲波波速測試圖。這些豐富的基于裂紋擴展的微細觀試驗成果不僅可以清晰判別試樣的強度、波速變化過程，而且可以清楚觀測試樣內部裂紋起裂、僑聯發展變化的全過程信息，進而更加直觀清晰地認識巖石應力-應變過程曲線(高等巖石力學，周維垣，1989，10頁)中各個階段的劃分，為正確認識巖質試樣受壓破壞的內在機理提供了直觀科學的依據。
[0023]2、在溫度場條件下進行無側限強度測試時，將試樣放置在墊塊上，通過粘貼劑將聲波發射器和接收器緊密粘貼于試樣表面，微調加載驅動器使得試樣與反力桿剛好接觸。記錄加載驅動器的位移指示刻度值，開啟多通道聲發射傳感器、水平和垂直方向的聲波波速檢測傳感器，打開計算機上的應力傳感數據處理軟件、聲發射數據處理軟件、聲波波速數據處理軟件。調節支柱上的第二環形固定器旋轉兩塊絕熱保護罩，使得絕熱保護罩可以將墊塊、試樣和三分之一的反力桿罩住，并且保證兩塊絕熱保護罩接觸緊密。通過計算機加熱控制軟件操作，利用墊塊和絕熱保護罩內的加熱器對試樣進行加熱，當絕熱保護罩中的溫度感應器讀數達到試驗設計溫度時，即可停止對試樣加熱。調節加載驅動器進行軸力加載，在較低應力階段時，通過多通道聲發射傳感器數據獲得裂紋起裂、僑聯的時間、數量及分布位置，通過聲波波速測試可以獲得試樣裂紋的發育、連通到整個破壞過程的波速動態試驗數據，通過紅外熱像儀可以得到試樣裂紋發展到不同階段、過程的實時動態熱像圖像。
[0024]通過以上試驗不僅可以獲得巖質試樣在溫度場條件下的強度測試和測試過程的應力-應變曲線圖，還可以獲得在溫度場條件下巖質試樣裂紋起裂數量、位置和時間，僑聯時的紅外熱像圖，裂紋擴展、貫通時的紅外熱像圖；通過水平和垂直方向的波速測試裝置可以獲得巖質試樣在溫度場耦合條件下的波速分布圖，實現了多場條件下的基于裂紋擴展條件下的強度測試。
[0025]3、在裂紋擴展條件下溫度-應力場耦合的無側限強度測試時，將試樣放置在墊塊上，微調加載驅動器使得試樣與反力桿剛好接觸。記錄加載驅動器的位移指示刻度值，開啟多通道聲發射傳感器、水平和垂直方向的聲波波速檢測傳感器，打開計算機上的應力傳感數據處理軟件、聲發射數據處理軟件、聲波波速數據處理軟件。調節支柱上的第二環形固定器旋轉兩塊絕熱保護罩，使得絕熱保護罩可以將墊塊、試樣和三分之一的反力桿罩住，并且保證兩塊絕熱保護罩接觸緊密。通過加載驅動器進行軸向加壓，當壓力達到試驗設計時，停止加壓，記錄加載驅動器的位移刻度值;通過計算機加熱控制軟件操作，利用墊塊和絕熱保護罩的加熱器對試樣進行加熱，當絕熱罩中的溫度感應器讀數達到試驗設計溫度時，即可停止對試樣加熱;進一步增加軸向壓力，直至試樣達到最大強度值，試樣完全破壞。
[0026]通過以上實驗，計算機中的波速、熱像儀、聲發射傳感器及應力-應變的實時動態檢測數據，能進行裂紋擴展條件下應力-溫度場耦合的應力-溫度-裂紋起裂規律、應力-溫度-破裂面分布規律、應力-應變-溫度裂紋分布、溫度-裂紋-應變過程曲線等試驗成果分析。
[0027]本實用新型對針對應力場、溫度場或二者耦合的裂紋擴展條件下的強度測試試驗研究巖石力學測試具有一定的推動作用，對探究地質深部(高溫高壓環境)巖體的試驗研究提供了新的思路，有良好的應用前景。
【主權項】
1.用于巖體裂紋擴展下溫度-應力場耦合的強度測試裝置，包括有調升臺(I)、調升臺(I)上固定有墊塊(5)，調升臺臺面兩邊豎立有立柱(2)，兩立柱(2)之間通過螺紋固定有反壓橫梁(3)，反壓橫梁(3)中段固定有對試樣施加軸向反力的應力桿(4)，應力桿(4)底部裝有應力傳感器(41)，試樣(6)置于應力桿(4)與墊塊(5)之間，試樣(6)表面粘貼有第一聲波發射器(61)和第一聲波接收器(62)，其特征是: 所述墊塊(5)內嵌有第二聲波發射器(51)和加熱絲，應力桿(4)底端孔內裝有第二聲波接收器(42)，應力桿(4)外圍固定有可調高度的第一環形固定裝置(43)，第一環形固定裝置(43)連接有多通道聲發射傳感器(44);兩根立柱(2)上分別附有可調高度的第二環形固定裝置(21)，每根立柱(2)的上下兩個第二環形固定裝置(21)之間分別裝有半圓桶形的絕熱保護罩(7)，絕熱保護罩(7)內嵌有加熱器，絕熱保護罩(7)以立柱(2)為樞軸旋轉閉合獲得中部密閉體，對墊塊、試樣及部分應力桿進行密封加熱，溫度傳感器(8)和紅外熱像儀(9)設置在絕熱保護罩(7)合圍的密閉體內；溫度傳感器(8)、紅外熱像儀(9)、應力傳感器(41)、第一聲波發射器(61)、第一聲波接收器(62)、第二聲波發射器(51)、第二聲波接收器(42)、多通道聲發射傳感器(44)的信號線與信號轉換器(10)連接，對應信號經過信號轉換器(10)之后輸入計算機(11)。2.根據權利要求1所述的用于巖體裂紋擴展下溫度-應力場耦合的強度測試裝置，其特征是:所述墊塊(5)的直徑大于試樣(6)的直徑。
【文檔編號】G01N3/08GK205426673SQ201620198574
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月15日
【發明人】周小平, 劉鵬飛, 錢七虎, 彭森林
【申請人】重慶大學