擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖體是一種存在著大量微裂紋、空隙、節(jié)理及裂隙等缺陷的非均質(zhì)不連續(xù)體。巖體的這些天然缺陷，為水提供了儲存與運(yùn)移場所，水不僅在裂隙中運(yùn)移，還以孔隙水壓力的形式作用于巖體，影響巖體中有效應(yīng)力場的分布。有效應(yīng)力場的改變往往導(dǎo)致原有裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的生成，進(jìn)而影響裂隙系統(tǒng)的滲透性和宏觀力學(xué)性質(zhì)，這種相互影響稱之為水巖耦合作用。水巖耦合作用普遍存在于水利工程、邊坡工程、采礦工程等諸多以巖體為研究對象的領(lǐng)域，水巖耦合作用下巖體的變形、損傷破壞及穩(wěn)定性已成為科研與工程領(lǐng)域共同關(guān)心的課題。
[0003]在自然界中，水力劈裂是不可忽視的水巖耦合作用之一。在靜態(tài)荷載作用下，水力劈裂往往會導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)害的發(fā)生。隨著人類工程活動的不斷深入，許多重大工程除面臨靜荷載下的水巖耦合問題外，還面臨諸多動載作用下的水巖耦合問題，如地震作用下的巖質(zhì)邊坡與隧道圍巖穩(wěn)定問題，庫區(qū)壩肩巖體穩(wěn)定問題，礦震及沖擊地壓作用下的巷道圍巖穩(wěn)定問題等等。動載除對巖體造成損傷外，裂隙中的水如不能及時排出，將產(chǎn)生與動載幅頻特征相關(guān)的孔隙水壓變化，即孔隙水壓脈動現(xiàn)象。裂隙中的水壓脈動，在加劇巖體損傷的同時，可能對裂隙產(chǎn)生水力劈裂作用，造成巖體在動載作用下的破壞失穩(wěn)。因此評估動載作用下巖體的穩(wěn)定性有兩個關(guān)鍵點(diǎn):一是確定孔隙水壓脈動規(guī)律與及影響因素;二是確定巖體在動載和孔隙水壓脈動共耦合作用下裂隙擴(kuò)展的機(jī)理。作為基礎(chǔ)研究，作為有效直觀的方法是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但是，現(xiàn)有技術(shù)中，并沒有開展動載作用下且裂縫狀態(tài)可控的水巖耦合設(shè)備及方法，不能深入了解不同裂隙狀態(tài)下的裂隙水壓脈動規(guī)律與裂隙擴(kuò)展機(jī)理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備與方法，解決了或部分解決了現(xiàn)有技術(shù)中沒有開展動載作用下且裂縫狀態(tài)可控的水巖耦合設(shè)備及方法，不能深入了解不同裂隙狀態(tài)下的裂隙水壓脈動規(guī)律與裂隙擴(kuò)展機(jī)理的技術(shù)問題。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備，包括底座;擺錘加載裝置，設(shè)置在所述底座上;孔隙水壓加載裝置，設(shè)置在所述底座上;夾持裝置，設(shè)置在所述底座上，所述夾持裝置與所述孔隙水壓加載裝置連接;試樣，設(shè)置在所述夾持裝置內(nèi)；測量裝置，分別與所述夾持裝置、孔隙水壓加載裝置及試樣連接;采集裝置，與所述測量裝置連接;其中，所述夾持裝置固定所述試樣，所述擺錘加載裝置沖擊所述試樣，所述孔隙水壓加載裝置對所述試樣注水加壓，所述測量裝置將所述夾持裝置及試樣的軸向應(yīng)變值、所述試樣的動載應(yīng)力幅值及所述試樣的孔隙水壓脈動數(shù)據(jù)發(fā)送給采集裝置。
[0006]進(jìn)一步地，所述擺錘加載裝置包括擺錘架，設(shè)置在所述底座上；擺錘桿，一端與所述擺錘架連接;擺錘，與所述擺錘桿的另一端連接;沖擊能量顯示表，設(shè)置在所述擺錘架上。
[0007]進(jìn)一步地，所述孔隙水壓加載裝置包括加壓栗，設(shè)置在所述底座上;加壓管道，一端與所述加壓栗連接;連通管道，一端與所述加壓管道的另一端連接，另一端與所述夾持裝置連接;水箱，與所述連通管道連接;節(jié)流閥，設(shè)置在所述連通管道上。
[0008]進(jìn)一步地，所述夾持裝置包括鋼環(huán)夾具，設(shè)有注水管與出水管，所述注水管與所述孔隙水壓加載裝置連接，所述出水管與所述與試樣連接;伸縮支架，一端與所述鋼環(huán)夾具連接，另一端與所述底座連接。
[0009 ]進(jìn)一步地，所述試樣為透明的圓柱形類巖體試樣，所述試樣兩端開設(shè)有孔道。
[0010]進(jìn)一步地，所述測量裝置包括應(yīng)變測量儀，與所述夾持裝置及試樣連接，所述應(yīng)變測量儀與所述采集裝置連接;應(yīng)力傳感器，與所述夾持裝置連接，所述應(yīng)力傳感器與所述采集裝置連接;水壓傳感器，與所述孔隙水壓加載裝置連接，所述水壓傳感器與所述采集裝置連接。
[0011 ]進(jìn)一步地，所述采集裝置包括數(shù)據(jù)采集儀，與所述測量裝置連接。
[0012]—種擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載方法，包括以下步驟步驟I，獲得多組含裂隙透明材料試樣;步驟2，將所述試樣兩端與鋼環(huán)夾具相連;步驟3，將所述試樣孔道與裂隙充滿水，關(guān)閉出水管，通過加壓栗通過加壓管道施加初始孔隙水壓力；步驟4，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，模擬裂隙與外界連通程度;步驟5，選定擺錘質(zhì)量與擺錘桿長度，調(diào)節(jié)伸縮支架位置，對試樣加載并測量數(shù)據(jù)，所述應(yīng)變測量儀將所述鋼環(huán)夾具及試樣的軸向應(yīng)變值、所述應(yīng)力傳感器將所述試樣的動載應(yīng)力幅值及所述水壓傳感器將所述試樣的孔隙水壓脈動數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集儀，沖擊能量顯示表顯示沖擊能量;步驟6，改變擺錘質(zhì)量與擺錘桿長度、初始孔隙水壓、裂隙傾角及節(jié)流閥開度，重復(fù)步驟I至步驟5，獲取相應(yīng)工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以分析孔隙水壓脈動的影響因素;步驟7，對試件施加較大幅值動載，使得試樣裂隙擴(kuò)展直至破壞，用以獲得動載作用下的裂隙擴(kuò)展模式。
[0013]進(jìn)一步地，所述將所述試樣兩端與鋼環(huán)夾具相連包括所述鋼環(huán)夾具中心設(shè)有注水管與出水管，所述注水管及出水管與試樣兩端孔道相連并密封。
[0014]進(jìn)一步地，所述將所述試樣孔道與裂隙充滿水，關(guān)閉出水管，通過加壓栗施加初始孔隙水壓力包括通過水箱向連通管道注入有色水，所述連通管道將有色水通過所述鋼環(huán)夾具進(jìn)入試樣。
[0015]本發(fā)明提供的擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備的夾持裝置固定試樣，擺錘加載裝置沖擊試樣，孔隙水壓加載裝置對試樣注水加壓，測量裝置將夾持裝置及試樣的軸向應(yīng)變值、試樣的動載應(yīng)力幅值及試樣的孔隙水壓脈動數(shù)據(jù)發(fā)送給采集裝置，可以進(jìn)一步地揭示裂隙中水壓在動載作用下的脈動規(guī)律及影響因素，研究動載與孔隙水壓脈動耦合作用下裂隙擴(kuò)展機(jī)理，為評價含水巖體工程在動載作用下災(zāi)變機(jī)理提供理論參考與評價模型。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的試樣的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種擺錘式水巖耦合試驗(yàn)動力加載設(shè)備包括:底座
5、擺錘加載裝置、夾持裝置、試樣7、測量裝置及采集裝置。擺錘加載裝置設(shè)置在底座5上。擺錘加載裝置包括:擺錘架4、擺錘桿2、擺錘I及沖擊能量顯示表3。擺錘架4固定設(shè)置在底座5上;具體地，在本實(shí)施方式中，擺錘架4通過螺栓固定設(shè)置在底座5上，在其它實(shí)施方式中，擺錘架4可通過其它方式如焊接等固定設(shè)置在底座5上。擺錘桿2—端與擺錘架4活動連接;具體地，在本實(shí)施方式中，擺錘桿2—端通過鉸接的方式與擺錘架4活動連接，在其它實(shí)施方式中，擺錘桿2—端可通過其它方式如軸銷等與擺錘架4活動連接。擺錘桿2的長度可調(diào)，獲得不同的作用時間，進(jìn)行不同幅頻特征的動力加載。擺錘I與擺錘桿2的另一端固定連接;具體地，在本實(shí)施方式中，擺錘I通過螺栓與擺錘桿2的另一端固定連接，在其它實(shí)施方式中，擺錘I可通過其它方式如焊接等與擺錘桿2固定連接。擺錘I的質(zhì)量可調(diào)節(jié)，獲得不同的沖擊能量，進(jìn)行不同幅頻特征的動力加載。沖擊能量顯示表3固定設(shè)置在擺錘架4上，具體地，在本實(shí)施方式中，沖擊能量顯示表3通過螺栓固定設(shè)置在擺錘架4上，在其它實(shí)施方式中，沖擊能量顯示表3可通過其它方式如軸銷等固定設(shè)置在擺錘架4上。沖擊能量顯示表3顯示擺錘I的沖擊能量?？紫端畨杭虞d裝置設(shè)置在底座5上?？紫端畨杭虞d裝置包括:加壓栗12、加壓管道11、連通管道9、水箱14及節(jié)流閥10。加壓栗12固定設(shè)置在底座5上；具體地，在本實(shí)施方式中，加壓栗12通過螺栓固定設(shè)置在底座5上，在其它實(shí)施方式中，加壓栗12可通過其它方式如焊接等固定設(shè)置在底座5上。加壓管道11 一端與加壓栗12連接。連通管道9 一端與加壓管道11的另一端連接，另一端與夾持裝置連接。水箱14與連通管道9連接，向連通管道9輸送有色水。節(jié)流閥10設(shè)置在連通管道9上，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥10的開度，模擬裂隙與外界的連通程度。夾持裝置設(shè)置在底座5上夾持裝置與孔隙水壓加載裝置連接。夾持裝置包括:鋼環(huán)夾具8及伸縮支架6。鋼環(huán)夾具8設(shè)有注水管與出水管，注水管與孔隙水壓加載裝置連接，出水管與與試樣7連接。伸縮支架6—端與鋼環(huán)夾具8固定連接，具體地，在本實(shí)施方式中，伸縮支架6一端可通過螺栓與鋼環(huán)夾具8固定連接，在其它實(shí)施方式中，伸縮支架6—端可通過其它方式如軸銷等與鋼環(huán)夾具8固定連接。伸縮支架6另一端與底座5固定連接，具體地，在本實(shí)施方式中，伸縮支架6另一端可通過螺栓與底座5固定連接，在其它實(shí)施方式中，伸縮支架6另一端可通過其它方式如軸銷等與底座5固定連接。試樣7設(shè)置在夾持裝置內(nèi)。試樣7為透明的圓柱形類巖體試樣，試樣7兩端開設(shè)有孔道。具體地，在本實(shí)施方式中，試樣7通過有機(jī)玻璃制成，在其它實(shí)施方式中，試樣可通過其他材料如樹脂等制成。測量裝置分別與夾持裝置、孔隙水壓加載裝置及試樣7連接。測量裝置包括:應(yīng)變測量儀、應(yīng)力傳感器及水壓傳感器。應(yīng)變測量儀與夾持裝置及試樣7