專利名稱：一種巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜應(yīng)力滲流條件下的試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其涉及一種巖石處于拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在巖土工程設(shè)計(jì)和施工中，巖石的抗拉強(qiáng)度是一個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)。實(shí)際工程中巖體常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，有的部位處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)，有的地方則處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)，由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，所以圍巖總是從拉應(yīng)力區(qū)開(kāi)始破壞。因此，正確進(jìn)行圍巖體應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域劃分，即破壞危險(xiǎn)區(qū)的確定是圍巖穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，而巖石抗拉強(qiáng)度又是確定工程圍巖破壞區(qū)的基礎(chǔ)資料之一。巖石材料的滲透性是指在流體或氣體作用下，巖石的孔隙和裂隙滲透的能力，滲透系數(shù)的物理意義是巖石材料對(duì)某種特定流體的滲透能力。巖石在其漫長(zhǎng)的形成過(guò)程中，內(nèi)部富含各種缺陷，包括微裂紋、孔隙以及節(jié)理裂隙等宏觀非連續(xù)面，他們的存在為地下水或氣體滲透提供了儲(chǔ)存和運(yùn)移的場(chǎng)所。滲透作用通常以應(yīng)力的形式作用于巖石材料中，與圍壓和軸壓一起影響巖石的應(yīng)力場(chǎng)分布，與此同時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)的改變又會(huì)導(dǎo)致材料裂隙發(fā)生進(jìn)一步變形，改變其滲透性能進(jìn)而影響滲透系數(shù)，因此，滲流場(chǎng)隨著材料的滲透系數(shù)變化而重新分布，這種相互影響即稱為滲流應(yīng)力耦合。隨著我國(guó)重大巖石力學(xué)工程的大量興建，導(dǎo)致滲流應(yīng)力耦合作用下巖石材料在動(dòng)態(tài)平衡體系中的變形、損傷破壞及穩(wěn)定性成為工程學(xué)科的熱點(diǎn)問(wèn)題，但解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于得到耦合作用下滲透系數(shù)的變化過(guò)程和規(guī)律，建立出能夠反映應(yīng)力應(yīng)變及滲透系數(shù)演化規(guī)律的滲流一應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型，從微細(xì)觀角度對(duì)工程的滲透破壞機(jī)理和長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)于工程安全開(kāi)發(fā)，減少災(zāi)害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在參閱國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，原有的一系列相關(guān)試驗(yàn)裝置如在中國(guó)專利CN102607950和中國(guó)專利200710040457. 5等文獻(xiàn)中，雖然牽涉到了滲流應(yīng)力耦合，但這些耦合都是在圍壓作用或者剪切滲流作用下進(jìn)行的，沒(méi)有考慮到拉伸的情況。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的滲流應(yīng)力耦合研究給予補(bǔ)充和完善。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括油壓室、拉力裝置和計(jì)算機(jī)；所述油壓室上設(shè)置有能夠密封油壓室的頂蓋和底蓋，其中底蓋與油壓室保持位置固定，頂蓋能夠相對(duì)油壓室滑動(dòng)，所述頂蓋同時(shí)作為試樣上端罩蓋、夾持住試樣上端，所述底蓋同時(shí)作為試樣下端罩蓋、夾持住試樣下端并與試樣下端形成密封滲入室；所述密封滲入室與進(jìn)水管連通，且進(jìn)水管通過(guò)進(jìn)水泵控制，所述頂蓋與出水管連通，在出水管上設(shè)置有流量計(jì)，且出水管通過(guò)出水泵控制，所述油壓室與油管連通，且油管通過(guò)油泵控制；所述拉力裝置的固定端與油壓室保持位置固定，拉力動(dòng)作端與頂蓋保持位置固定；所述計(jì)算機(jī)對(duì)油泵、進(jìn)水泵和出水泵和流量計(jì)進(jìn)行控制并提取數(shù)據(jù)信息。上述裝置，在使用時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，能夠方便獲取圍壓、水壓、拉應(yīng)力施加情況；同時(shí)，出水管的設(shè)計(jì)可以根據(jù)需要打開(kāi)或者關(guān)閉，以模擬排水和不排水的不同工況。優(yōu)選的，所述拉力裝置包括相適配的螺桿和電動(dòng)螺母，所述電動(dòng)螺母僅進(jìn)行以螺桿的中心軸為軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，所述螺桿帶動(dòng)上端蓋相對(duì)油壓室滑動(dòng)，所述計(jì)算機(jī)可以對(duì)電動(dòng)螺母進(jìn)行控制并提取數(shù)據(jù)信息；通過(guò)對(duì)電動(dòng)螺母的速率等信息進(jìn)行控制，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的等速率加載，可以直接通過(guò)電動(dòng)螺母的轉(zhuǎn)數(shù)和角度確定試樣的拉伸變形。優(yōu)選的，還包括對(duì)拉力裝置的拉力動(dòng)作端受到的拉力進(jìn)行檢測(cè)的拉力傳感器，所述計(jì)算機(jī)對(duì)拉力傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。優(yōu)選的，所述試樣為啞鈴型，并且在試樣的外側(cè)包裹有橡皮套，以便于試樣的固定。優(yōu)選的，還包括支架，所述支架包括下固定板和上固定板，所述下固定板和上固定板之間通過(guò)立柱固定；所述油壓室固定在下固定板上，所述拉力裝置的固定端固定在上固定板上。優(yōu)選的，所述支架的材質(zhì)優(yōu)選為剛度較大的材料，比如合金鋼，以減小因支架受力
變形而產(chǎn)生的誤差。有益效果本發(fā)明提供的巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，可以研究巖石在拉應(yīng)力和滲流耦合作用下的變化過(guò)程和規(guī)律，建立能夠描述巖石應(yīng)力、應(yīng)變及滲透系數(shù)演化規(guī)律的滲流應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型，從微細(xì)觀角度對(duì)工程的滲透破壞機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)于工程安全開(kāi)發(fā)，減少災(zāi)害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義；且本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中巖石試樣的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1、圖2所示為一種巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括支架、油壓室12、拉力裝置和計(jì)算機(jī)12 ;所述支架包括下固定板16和上固定板17，所述下固定板16和上固定板17之間通過(guò)立柱7固定；所述油壓室12固定在下固定板16上，所述拉力裝置的固定端固定在上固定板17上；所述下固定板16、上固定板17和立柱7均采用合金鋼材質(zhì)。所述油壓室12上設(shè)置有能夠密封油壓室12的頂蓋13和底蓋14，其中底蓋14與油壓室12保持位置固定，頂蓋13能夠相對(duì)油壓室12滑動(dòng)，所述頂蓋13同時(shí)作為試樣I上端罩蓋、夾持住試樣I上端，所述底蓋14同時(shí)作為試樣I下端罩蓋、夾持住試樣I下端并與試樣I下端形成密封滲入室；所述密封滲入室與進(jìn)水管10連通，且進(jìn)水管10通過(guò)進(jìn)水泵9控制，所述頂蓋13與出水管2連通，在出水管2上設(shè)置有流量計(jì)3，且出水管2通過(guò)出水泵8控制，所述油壓室12與油管連通，且油管通過(guò)油泵15控制。所述拉力裝置包括相適配的螺桿5和電動(dòng)螺母6，所述電動(dòng)螺母6僅進(jìn)行以螺桿5的中心軸為軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，所述螺桿5帶動(dòng)上端蓋13相對(duì)油壓室15滑動(dòng)；所述螺桿5上設(shè)置有對(duì)其受到的拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的拉力傳感器4。所述計(jì)算機(jī)11對(duì)拉力傳感器4、電動(dòng)螺母6、流量計(jì)3、出水泵8、進(jìn)水泵9和油泵15進(jìn)行控制并提取數(shù)據(jù)信息。所述試樣I為啞鈴型，且在試樣I的外側(cè)包裹有橡皮套18。上述裝置的工作過(guò)程如下
(1)按照試驗(yàn)預(yù)先設(shè)計(jì)方案，制備啞鈴型試樣1，將試樣固定在試樣固定在頂蓋13和底蓋14之間；
(2)通過(guò)計(jì)算機(jī)11設(shè)定油壓室12的圍壓、進(jìn)水管10壓力、出水管2的開(kāi)關(guān)和水壓以及電動(dòng)螺母6的加載速率；
(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)11設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)后開(kāi)始試驗(yàn)，當(dāng)拉力傳感器4檢測(cè)到螺桿5出現(xiàn)力松弛或者減小的情況，說(shuō)明試樣I已經(jīng)開(kāi)始破壞；
(4)通過(guò)計(jì)算機(jī)11對(duì)加載過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)及其變化進(jìn)行記載和計(jì)算，得到應(yīng)力-應(yīng)變-水壓力三者之間的關(guān)系，完成試驗(yàn)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括油壓室(12)、拉力裝置和計(jì)算機(jī)(11);所述油壓室(12)上設(shè)置有能夠密封油壓室(12)的頂蓋(13)和底蓋(14)，其中底蓋(14)與油壓室(12)保持位置固定，頂蓋(13)能夠相對(duì)油壓室(12)滑動(dòng)，所述頂蓋(13)同時(shí)作為試樣(I)上端罩蓋、夾持住試樣(I)上端，所述底蓋(14)同時(shí)作為試樣(I)下端罩蓋、夾持住試樣(I)下端并與試樣(I)下端形成密封滲入室；所述密封滲入室與進(jìn)水管(10)連通，且進(jìn)水管(10)通過(guò)進(jìn)水泵(9)控制，所述頂蓋(13)與出水管(2)連通，在出水管(2)上設(shè)置有流量計(jì)(3)，且出水管(2)通過(guò)出水泵(8)控制，所述油壓室(12)與油管連通，且油管通過(guò)油泵(15)控制；所述拉力裝置的固定端與油壓室(12)保持位置固定，拉力動(dòng)作端與頂蓋(13)保持位置固定；所述計(jì)算機(jī)(11)對(duì)油泵(15)、進(jìn)水泵(9)和出水泵(8 )和流量計(jì)(3 )進(jìn)行控制并提取數(shù)據(jù)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述拉力裝置包括相適配的螺桿(5 )和電動(dòng)螺母(6 )，所述電動(dòng)螺母(6 )僅進(jìn)行以螺桿(5 )的中心軸為軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，所述螺桿(5)帶動(dòng)頂蓋(13)相對(duì)油壓室(12)滑動(dòng)，所述計(jì)算機(jī)(11)對(duì)電動(dòng)螺母(6)進(jìn)行控制并提取數(shù)據(jù)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于還包括對(duì)拉力裝置的拉力動(dòng)作端受到的拉力進(jìn)行檢測(cè)的拉力傳感器(4)，所述計(jì)算機(jī)(11)對(duì)拉力傳感器(4)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述試樣(I)為啞鈴型，且在試樣(I)的外側(cè)包裹有橡皮套(18 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于還包括支架，所述支架包括下固定板(16)和上固定板(17)，所述下固定板(16)和上固定板(17)之間通過(guò)立柱(7)固定；所述油壓室(12)固定在下固定板(16)上，所述拉力裝置的固定端固定在上固定板(17)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述支架的材質(zhì)為合金鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種巖石拉伸狀態(tài)下滲流應(yīng)力耦合的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括油壓室、拉力裝置和計(jì)算機(jī)；油壓室上設(shè)置有頂蓋和底蓋，其中底蓋與油壓室位置固定，頂蓋能相對(duì)油壓室滑動(dòng)，頂蓋同時(shí)作為試樣上端罩蓋、夾持住試樣上端，底蓋同時(shí)作為試樣下端罩蓋、夾持住試樣下端并與試樣下端形成密封滲入室；密封滲入室與進(jìn)水管連通，頂蓋與出水管連通，油壓室與油管連通；拉力裝置與頂蓋連接；計(jì)算機(jī)對(duì)油泵、進(jìn)水泵和出水泵和流量計(jì)進(jìn)行控制并提取數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明提供的試驗(yàn)系統(tǒng)，可研究巖石在拉應(yīng)力和滲流耦合作用下的變化過(guò)程和規(guī)律，建立能夠描述巖石應(yīng)力、應(yīng)變及滲透系數(shù)演化規(guī)律的滲流應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型，從微細(xì)觀角度對(duì)工程的滲透破壞機(jī)理進(jìn)行研究。
文檔編號(hào)G01N3/12GK103063518SQ20121059102
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者徐衛(wèi)亞, 孟慶祥, 王偉, 石崇, 王如賓, 王環(huán)玲 申請(qǐng)人:河海大學(xué)