專利名稱：應(yīng)力－水流－化學(xué)耦合的巖石破裂過程細觀力學(xué)加載系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖石細觀力學(xué)試驗，更具體涉及應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合作用和不同圍壓下的應(yīng)力—化學(xué)耦合作用的巖石變形破裂全過程的細觀力學(xué)試驗。適用于考慮復(fù)雜條件下多影響因素如應(yīng)力、圍壓、水流、化學(xué)腐蝕等影響的巖石力學(xué)試驗。
背景技術(shù)：
裂隙巖石的化學(xué)-水流-應(yīng)力耦合過程研究是國際巖石力學(xué)領(lǐng)域最前沿的課題之一，是核廢料地下處置、地下能源儲存、地下二氧化碳儲存、地?zé)衢_發(fā)、石油開采、壩基、邊坡、硐室等眾多與水相關(guān)的巖石工程的最基礎(chǔ)性研究課題之一，具有十分重要的科學(xué)意義。主要體現(xiàn)在，一方面，在巖石工程的安全性的諸多影響因素中，水是最活躍的一個因素。巖土體受化學(xué)溶液侵蝕作用后，由于水-巖作用削弱了礦物顆粒間聯(lián)結(jié)、或腐蝕礦物顆粒晶格而使巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變異，同時水溶液通過溶蝕巖土體而將溶蝕物質(zhì)帶走，使巖土體性狀變差，甚至出現(xiàn)工程事故，對巖土工程的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。如世界文化遺產(chǎn)之一—洛陽龍門石窟，由于石窟區(qū)灰?guī)r滲水溶蝕作用，致使大多數(shù)硐窟終年滲水不斷，加之硐窟頂部植被發(fā)育，化學(xué)溶液引起的溶蝕孔隙仍在不斷增大，目前尚無良好的治理方案；而堪稱世界第九大奇跡的浙江龍游石窟，該建筑群所面臨的主要變形破壞的工程問題之一，也是地下水滲透溶蝕引起的砂巖塌頂?shù)魤K問題。另一方面，利用化學(xué)的作用可以提高鉆井效率。有關(guān)研究表明濕潤條件下的破壞韌性值比干燥條件下的要低，裂紋擴展速度加快。ξ電位與裂紋增長、鉆進效率具有一定的關(guān)系。ξ電位等于0時，巖石材料脆性增強，對環(huán)境的影響更加敏感，抗壓強度最低，亞臨界裂紋擴展速度將提高1個數(shù)量級以上。因此，如果將一些零ξ電位的化學(xué)溶液加入到鉆井液與破裂液中，就可以提高巖石的可鉆性和可破裂性。近現(xiàn)代以來出現(xiàn)的低滲透油氣田的酸化開采、巖土體的化學(xué)灌漿加固與防滲等，表明化學(xué)的作用在巖土工程中的應(yīng)用已愈來愈廣泛。
上述研究尚未涉及應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合下裂隙相互作用的機制及其分析方法研究。實際上，節(jié)理巖體存在多裂隙的，許多情況下化學(xué)溶液對巖體的腐蝕破壞是從巖體介質(zhì)初始結(jié)構(gòu)面即初始損傷開始的，Palmer曾指出大型溶洞體系大多是沿巖石中先存的層面或結(jié)構(gòu)面發(fā)育的，在所研究的數(shù)千洞穴中，57％沿層面發(fā)育，而42％沿先存裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，僅有1％沿巖石顆粒間的孔隙發(fā)育。而且，許多裂隙(節(jié)理)巖體的安全性往往受到應(yīng)力、水流、化學(xué)耦合作用的影響。因此，研究應(yīng)力、水流、化學(xué)耦合作用下巖石裂隙萌生、擴展、貫通及相互作用的內(nèi)部損傷演化過程、規(guī)律，化學(xué)環(huán)境的腐蝕破裂機理、新裂隙的形成與新形成裂隙的化學(xué)物質(zhì)的吸附作用以及發(fā)生速度等具有更為重要而廣泛的科學(xué)意義；應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合作用下多裂隙巖石破壞過程的本構(gòu)關(guān)系還未建立起來，從而未能實現(xiàn)對受化學(xué)、水流、應(yīng)力耦合作用的巖石破裂過程進行有效的模擬和行為預(yù)測。其根本原因是缺乏與研究相配套的試驗設(shè)備。
實際中的工程巖體都具有一定的埋深，受到一定的圍壓作用，進行不同圍壓下的化學(xué)腐蝕巖石力學(xué)實驗，更能滿足實際工程的需要，計算結(jié)果也更接近于實際工程。研究不同圍壓、不同化學(xué)溶液作用下巖石破壞損傷演化過程、規(guī)律，不同圍壓下化學(xué)環(huán)境的腐蝕破裂機理具有更為重要而廣泛的科學(xué)意義；受實驗方法及設(shè)備的限制，目前還無法實現(xiàn)對受不同圍壓、不同化學(xué)溶液作用的巖石破裂過程進行有效的模擬和行為預(yù)測。
CT實時掃描試驗與顯微鏡實時觀測試驗等細觀力學(xué)試驗是揭示巖石破裂過程中其內(nèi)部損傷演化規(guī)律的一種有效的手段，但CT實時掃描試驗與顯微鏡實時觀測試驗不能實現(xiàn)水化學(xué)腐蝕、水流與應(yīng)力耦合的巖石破裂全過程研究。
既然水-巖作用的實質(zhì)是削弱礦物顆粒間聯(lián)結(jié)或腐蝕礦物顆粒晶格而使巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變異，同時化學(xué)溶液通過溶蝕巖土體而將溶蝕物質(zhì)帶走，使巖土體性狀變差。因此，需要采用細觀力學(xué)試驗方法，揭示這種應(yīng)力-水流-化學(xué)腐蝕耦合作用下巖石破裂過程中其內(nèi)部損傷演化規(guī)律。
三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)(美國科視達公司生產(chǎn)該產(chǎn)品)包含顯微鏡、攝像光纜、存儲記錄器。顯微鏡通過攝像光纜連接到照相接口，將顯微鏡所監(jiān)測到的圖像信息存儲記錄，三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)設(shè)有s視頻接口，通過該接口可將存儲記錄器中的信息向外傳輸。該系統(tǒng)可對圖像進行顯微放大，并存儲記錄，可提供1600×1200像素的高分辨率和高清晰度畫質(zhì)，對記錄的圖像進行處理。
現(xiàn)用于巖石單軸及三軸壓縮全破裂過程實驗的伺服控制系統(tǒng)主要包含載荷傳感器、作動器和油源，作動器包含加載油缸和加載活塞，其不足之處在于，不便安裝應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石單軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置、專利申請?zhí)?00410061081.2，及化學(xué)腐蝕下巖石破裂全過程三軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置和細觀觀測裝置、專利申請?zhí)?00410061080.8，因而無法實現(xiàn)應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石全破裂過程細觀力學(xué)試驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石破裂過程細觀力學(xué)加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將伺服控制系統(tǒng)的載荷傳感器、加載活塞與U型剛性加載平臺連接，采用三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)、兩個監(jiān)視器、視頻分配器、兩個數(shù)字攝像機和兩個CCD攝像機，可多方位、多角度實時觀測并記錄試驗信息。適合放置應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石單軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置(專利申請?zhí)?00410061081.2)和化學(xué)腐蝕下巖石破裂全過程三軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置(專利申請?zhí)?00410061080.8)。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石破裂過程細觀力學(xué)加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)、U型剛性加載平臺、活動支架、可移動支架、三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)、第一監(jiān)視器、視頻分配器、第二監(jiān)視器、第一數(shù)字攝像機、第二數(shù)字攝像機、第一CCD攝像機和第二CCD攝像機組成。
其中伺服控制系統(tǒng)包含載荷傳感器、作動器和油源，作動器包含加載活塞和加載油缸；三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)包含顯微鏡。
U型剛性加載平臺為U形，其兩端的中間開有同軸圓孔，一端圓孔的大小與載荷傳感器的大小相匹配，載荷傳感器固定在圓孔中，并凸出U型剛性加載平臺的內(nèi)壁，另一端圓孔的大小與加載活塞的大小相匹配，作動器安裝在該端，將作動器的加載活塞從U型剛性加載平臺的外壁插入該圓孔，活塞與圓孔間用O型密封圈密封，作動器的加載油缸固定在U型剛性加載平臺該端的外壁；顯微鏡安裝在可移動支架上，可移動支架置于U型剛性加載平臺的一側(cè)，使得顯微鏡能在U型剛性加載平臺的上方移動，顯微鏡通過攝像光纜與三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)的照相接口連接，三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)的s視頻接口與第一監(jiān)視器視頻輸入端連接，第一監(jiān)視器的視頻輸出端與第一數(shù)字攝像機的輸入端連接；活動支架固定在U型剛性加載平臺的兩端，兩臺CCD攝像機安裝在活動支架上，兩臺CCD攝像機均可在活動支架上移動，并任意調(diào)整攝像的高度和角度，第一CCD攝像機的視頻輸出端與視頻分配器的視頻輸入端連接，第二CCD攝像機的視頻輸出端與視頻分配器的另一個視頻輸入端連接，視頻分配器的視頻輸出端與第二監(jiān)視器的視頻輸入端連接，第二監(jiān)視器的視頻輸出端與第二數(shù)字攝像機視頻輸入端連接。
本發(fā)明在巖石細觀力學(xué)試驗中的應(yīng)用1、將巖石試件放于應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石單軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置(專利申請?zhí)?00410061081.2)或化學(xué)腐蝕下巖石破裂全過程三軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置(專利申請?zhí)?00410061080.8)中。
2、將應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石單軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置或化學(xué)腐蝕下巖石破裂全過程三軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置放于U型剛性加載平臺上。
3、將可移動支架上的顯微鏡移動到試件正上方，調(diào)整活動支架上的兩個CCD攝像機，使其能監(jiān)測到試件兩個表面的全場圖像。
4、通過伺服控制系統(tǒng)對U型剛性加載平臺施加壓力。
5、移動顯微鏡，對試件上表面各部分進行顯微放大監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到試件初始破裂發(fā)生時，對準該部位進行破裂全過程監(jiān)測。
6、顯微鏡對試件的破壞過程進行顯微放大并將信號傳輸至三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)進行存儲，三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)同時將信號傳輸至第一監(jiān)視器進行顯示并由第一數(shù)字攝像機記錄。
7、兩個CCD攝像機從不同方位同時對試件的兩個表面的裂紋擴展全過程進行實時觀測并記錄，并通過兩路視頻信號傳輸至視頻分配器中，視頻分配器將兩路視頻信號同時顯示在第二監(jiān)視器上并由第二數(shù)字攝像機記錄。
8、不同圍壓、不同化學(xué)溶液、不同流速、以及不同的荷載的耦合作用下，其對巖石試件的破壞過程、方式亦會有相應(yīng)的變化。本系統(tǒng)的目的就是為觀察、記錄該變化提供試驗手段，為應(yīng)力—水流—化學(xué)腐蝕三場耦合以及不同圍壓下化學(xué)溶液對巖石破壞作用的理論分析提供依據(jù)。
本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果在于1、本系統(tǒng)可進行不同化學(xué)溶液、不同流速、以及不同荷載共同作用對巖石破壞的細觀力學(xué)試驗，也可以進行不同圍壓下化學(xué)溶液對巖石腐蝕破壞的細觀力學(xué)試驗，為應(yīng)力、水流、化學(xué)以及應(yīng)力、圍壓、化學(xué)的耦合作用誘發(fā)的巖石破壞的機制分析提供有力的依據(jù)；2、高精度、高分辨率地對巖石試件破壞過程中裂紋的起裂、擴展進行實時捕捉、跟蹤、識別。通過顯微鏡可以對試件某一局部點的破壞過程進行全程監(jiān)測與記錄，用CCD攝像可以對整個試件的破壞過程進行全場掃描觀測記錄；3、可以對試件的不同破壞面進行全場觀測或局部放大觀測；4、本系統(tǒng)操作簡單；5、全過程回放，可以有利于深入理解巖石的微裂紋的初始破裂、擴展、貫通、擴張和破壞的形成過程與孕育機制；6、為核廢料處理、地?zé)衢_發(fā)、石油鉆井、地震機制、有毒有害物質(zhì)的儲存，巖土工程長期穩(wěn)定性評價等需考慮不同化學(xué)溶液、不同流速、以及不同荷載共同作用對巖石破壞影響的巖土工程，提供更全面、可靠的試驗手段。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1為載荷傳感器、2為加載活塞、3為作動器、4為U型剛性加載平臺、5為活動支架、6為可移動支架、7為顯微鏡、8為三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)、9為第一監(jiān)視器、10為視頻分配器、11為第二監(jiān)視器、12為第一數(shù)字攝像機、13為第二數(shù)字攝像機、14為第一CCD攝像機、15為第二CCD攝像機。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明由圖1可知，一種應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石破裂過程細觀力學(xué)加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)、U型剛性加載平臺4、活動支架5、可移動支架6、三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)8、第一監(jiān)視器9、視頻分配器10、第二監(jiān)視器11、第一數(shù)字攝像機12、第二數(shù)字攝像機13、第一CCD攝像機14和第二CCD攝像機15組成。
其中伺服控制系統(tǒng)包含載荷傳感器1和作動器3，作動器3包含加載活塞2和加載油缸；三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)8包含顯微鏡7。
U型剛性加載平臺4為U形，其兩端的中間開有同軸圓孔，一端圓孔的大小與載荷傳感器1的大小相匹配，載荷傳感器1固定在圓孔中，并凸出U型剛性加載平臺4的內(nèi)壁，另一端圓孔的大小與加載活塞2的大小相匹配，作動器3安裝在該端，將作動器3的加載活塞2從U型剛性加載平臺4的外壁插入該圓孔，活塞與圓孔間用O型密封圈密封，作動器3的加載油缸固定在U型剛性加載平臺4該端的外壁；顯微鏡7安裝在可移動支架6上，可移動支架6置于U型剛性加載平臺4的一側(cè)，使得顯微鏡7能在U型剛性加載平臺4的上方移動，顯微鏡7通過攝像光纜與三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)8的照相接口連接，三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)8的s視頻接口與第一監(jiān)視器9視頻輸入端連接，第一監(jiān)視器9的視頻輸出端與第一數(shù)字攝像機12的輸入端連接；活動支架5固定在U型剛性加載平臺4的兩端，兩臺CCD攝像機14、15安裝在活動支架5上，兩臺CCD攝像機14、15均可在活動支架上5移動，并任意調(diào)整攝像的高度和角度，第一CCD攝像機14的視頻輸出端與視頻分配器10的視頻輸入端連接，第二CCD攝像機15的視頻輸出端與視頻分配器10的另一個視頻輸入端連接，視頻分配器10的視頻輸出端與第二監(jiān)視器11的視頻輸入端連接，第二監(jiān)視器11的視頻輸出端與第二數(shù)字攝像機13視頻輸入端連接。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力—水流—化學(xué)耦合的巖石破裂過程細觀力學(xué)加載系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)、U型剛性加載平臺(4)、活動支架(5)、可移動支架(6)、三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)(8)、兩個監(jiān)視器(9、11)、視頻分配器(10)、兩臺數(shù)字攝像機(12、13)和兩臺CCD攝像機(14、15)組成；U型剛性加載平臺(4)為U形，其兩端的中間開有同軸圓孔，一端圓孔的大小與載荷傳感器(1)的大小相匹配，載荷傳感器(1)凸出U型剛性加載平臺(4)的內(nèi)壁，并固定在圓孔中，另一端圓孔的大小與加載活塞(2)的大小相匹配，作動器(3)安裝在該端，將作動器(3)的加載活塞(2)從U型剛性加載平臺(4)的外壁插入該圓孔，活塞與圓孔間用O型密封圈密封，作動器(3)的加載油缸固定在U型剛性加載平臺(4)該端的外壁；可移動支架(6)置于U型剛性加載平臺(4)的一側(cè)，顯微鏡(7)安裝在可移動支架(6)上，顯微鏡(7)通過攝像光纜與三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)(8)的照相接口連接，三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)(8)的s視頻接口與第一監(jiān)視器(9)視頻輸入端連接，第一監(jiān)視器(9)的視頻輸出端與第一數(shù)字攝像機(12)的輸入端連接；活動支架(5)固定在U型剛性加載平臺(4)的兩端，兩臺CCD攝像機(14、15)安裝在活動支架(5)上，第一CCD攝像機(14)的視頻輸出端與視頻分配器(10)的視頻輸入端連接，第二CCD攝像機(15)的視頻輸出端與視頻分配器(10)的另一個視頻輸入端連接，視頻分配器(10)的視頻輸出端與第二監(jiān)視器(11)的視頻輸入端連接，第二監(jiān)視器(11)的視頻輸出端與第二數(shù)字攝像機(13)視頻輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)力－水流－化學(xué)耦合的巖石破裂過程細觀力學(xué)加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)(1、2、3)、U型剛性加載平臺(4)、活動支架(5)、可移動支架(6)、三維視頻顯微數(shù)字記錄系統(tǒng)(8)、兩個監(jiān)視器(9、11)、視頻分配器(10)、兩臺數(shù)字攝像機(12、13)和兩臺CCD攝像機(14、15)組成。該系統(tǒng)將伺服控制系統(tǒng)安置在U型剛性加載平臺(4)上，適合放置應(yīng)力－水流－化學(xué)耦合巖石單軸細觀力學(xué)試驗裝置和化學(xué)腐蝕下巖石破裂全過程三軸壓縮細觀力學(xué)試驗裝置，可進行應(yīng)力－水流－化學(xué)腐蝕三場耦合巖石破裂細觀力學(xué)試驗，以及不同圍壓下化學(xué)腐蝕的巖石破裂細觀力學(xué)實驗，并對試件的裂紋擴展全過程進行顯微放大與CCD觀察、記錄。
文檔編號G01N3/00GK1619294SQ20041006123
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者馮夏庭, 丁梧秀, 譚衛(wèi)東, 王川嬰, 周輝, 李邵軍, 胡元育 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所