一種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及其使用方法，將裂隙巖體試件放置于試臺和壓頭之間，靜載荷通過壓頭施加于裂隙巖體試件。金屬接頭內(nèi)端面埋于裂隙巖體試件裂隙內(nèi)部，通過連接軟管將手動加壓泵與金屬接頭相連接。連接軟管上安裝壓力表；平行于裂隙巖體試件裂隙方向，上下兩側(cè)黏貼大尺寸應(yīng)變片，應(yīng)變片連接應(yīng)變箱，應(yīng)變箱接入計算機；同時，壓力表通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計算機相連，壓頭直接接入計算機。本發(fā)明是一種實現(xiàn)對水壓力作用下深部裂隙巖體強度及穩(wěn)定性的研究的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及其使用方法。結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，便于操作。
【專利說明】
一種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種破巖的試驗裝置，特別是一種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置。本發(fā)明還涉及該靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]礦山開采及隧道開挖等許多巖土工程中，存在大量深部巖石力學(xué)工程。開挖等人為因素或自然因素，改變了深部巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使深部巖體彈性應(yīng)變能得到釋放，巖體中原有微裂隙擴展，并使相鄰裂紋貫通，影響深部巖體穩(wěn)定性，使礦山開采及隧道開挖等巖土工程存在安全隱患。
[0003]此外，深部巖體開挖中存在著大量地下水，其大大增加了深部巖體開挖難度。當深部巖體開挖到一定階段，原有裂紋擴展、貫通，當裂隙與地下水相連后，地下水將快速進入裂隙。在裂隙內(nèi)部，地下水將對裂隙產(chǎn)生正應(yīng)力，從而影響裂隙巖體原有應(yīng)力分布，從而加速裂隙的擴展。因此，明確水壓力對裂紋擴展作用，對分析裂隙巖體穩(wěn)定性有重要的作用。
[0004]同時，由于深部巖體取樣較難，含裂隙完整試樣制作困難，目前許多學(xué)者均采用水泥、石膏等相似材料模擬深部巖體的力學(xué)性狀。但深部工程所遇到巖體的實際力學(xué)性能與相似材料的力學(xué)性能依然存在著很大的差別，因此運用相似材料所進行的力學(xué)試驗不能完全反應(yīng)深部巖體應(yīng)有的力學(xué)狀態(tài)。故直接運用實際巖體直接測試水壓力對裂隙巖體強度的影響顯得更加重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]地下水對深部裂隙巖體的作用包括化學(xué)作用、物理作用及力學(xué)作用?；瘜W(xué)作用中，地下水與接觸巖體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使深部巖體力學(xué)性能產(chǎn)生弱化，對巖體節(jié)理表面產(chǎn)生腐蝕，使得巖石節(jié)理表面形貌發(fā)生變化，從而降低巖石的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)系數(shù)。深部地下水產(chǎn)生的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為:當深部巖體微裂紋擴展貫通后，地下水將通過已聯(lián)通裂紋進入裂隙內(nèi)部，在裂紋內(nèi)部產(chǎn)生水壓力，從而改變裂隙巖體的受力狀態(tài)。此時，由于巖體埋藏于地下深部，主要將受到上層巖體重力產(chǎn)生的壓應(yīng)力以及周圍巖體在地應(yīng)力作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力，即深層巖體主要處于受壓狀態(tài)下。在該狀態(tài)下，地下水通過貫通裂隙進入巖體內(nèi)部，由于地下水的流動性，將充滿整個裂隙，此時地下水將會在裂隙表面產(chǎn)生垂直于裂隙面，并且指向巖體內(nèi)部的正應(yīng)力。由于該正應(yīng)力的作用方向與深部巖體受到的壓應(yīng)力方向相反，故地下水的存在減小了裂隙面上的有效應(yīng)力，即阻止裂紋擴展的有效應(yīng)力被減少，從而導(dǎo)致裂紋的進一步擴展以及貫通，最終影響深部巖體的整體穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種實現(xiàn)對水壓力作用下深部裂隙巖體強度及穩(wěn)定性的研究的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置。
[0007]本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種該靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的使用方法。
[0008]為了解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明提供的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，包括靜載加載裝置、水壓加載裝置以及加載過程中數(shù)據(jù)同步采集及存儲顯示裝置;所述的靜載加載裝置包括試臺和壓頭，裂隙巖體試件放置于所述的試臺和所述的壓頭之間，靜載荷通過所述的壓頭施加于所述的裂隙巖體試件，所述的壓頭與所述的試臺之間的平面保持平行;所述的水壓加載裝置包括金屬接頭、連接接頭、連接軟管和加壓栗，所述的金屬接頭的內(nèi)端面埋于所述的裂隙巖體試件的裂隙內(nèi)部，外端面與所述的連接接頭的一端口緊密相連，所述的連接接頭的另一端口通過連接軟管與加壓栗的出水管相連;所述的加載過程中數(shù)據(jù)同步采集及存儲顯示裝置包括:所述的裂隙巖體試件上平行于所述的裂隙方向上下兩側(cè)黏貼有應(yīng)變片，所述的應(yīng)變片通過導(dǎo)線與應(yīng)變箱連接，所述的應(yīng)變箱接入計算機;所述的連接軟管上安裝有壓力表，所述的壓力表的信號連入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接入所述的計算機;所述的壓頭通過控制線路直接與所述的計算機相連，控制所述的壓頭的加載速率及大小。
[0009]所述的壓頭為平板型壓頭或剪切型壓頭。
[0010]所述的加壓栗為手動加壓栗。
[0011]所述的金屬接頭上截面細小，與所述的連接接頭接口大小吻合，下截面外尺寸與所述的裂隙巖體試件上預(yù)制的裂隙尺寸相吻合。
[0012]所述的金屬接頭的外端面通過螺絲扣方式與所述的連接接頭的一端口緊密相連。
[0013]所述的加壓栗的施加壓力為l-5MPa。
[0014]為了解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明提供的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的使用方法，具體步驟包括:
[0015]—、試件加工:在實驗室中運用切石機將巖塊切割成試驗所需尺寸的裂隙巖體試件，并在裂隙巖體試件的裂紋預(yù)設(shè)位置用水刀切割形成裂隙；
[0016]二、試驗前期準備:將金屬接頭內(nèi)端面埋置于已加工完成的裂隙巖體試件的裂隙中，并將金屬接頭與裂隙連接處及周邊密封，之后在平行于裂隙巖體試件的裂隙方向上下兩側(cè)黏貼應(yīng)變片，最后將裂隙巖體試件放置于試臺上，將應(yīng)變片用導(dǎo)線與應(yīng)變箱連接，同時將金屬接頭通過連接軟管和加壓栗相連；
[0017]三、試驗階段:首先通過計算機控制壓頭對裂隙巖體試件施加一定程度的軸向壓力；然后利用水壓加載裝置對裂隙巖體試件施加水壓力，并通過加壓栗控制水壓維持恒定值;之后繼續(xù)通過靜載加載裝置對裂隙巖體試件施加軸向壓力，直到裂隙巖體試件破壞;加載過程中，通過數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)實時記錄壓力、變形等相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。
[0018]所述的裂隙巖體試件為立方體形。
[0019]所述的裂隙巖體試件的所述的裂隙的傾角為0-180°。
[0020]水壓加載前加載的軸向壓力用來固定所述的裂隙巖體試件的位置，其值小于所述的裂隙巖體試件的彈性極限。
[0021]采用上述技術(shù)方案的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及其使用方法，能測量多種試驗參數(shù)。具體試驗參數(shù)有:
[0022]1.相同水壓作用下含不同傾角裂隙巖體試件的抗壓強度及峰值載荷。
[0023]2.不同水壓作用下含相同傾角裂隙巖體試件的抗壓強度及峰值載荷。
[0024]3.每個裂隙巖體試件裂隙的起裂時間及起裂載荷。
[0025]通過分析上述測量數(shù)據(jù)，可以分析得出在水壓力相同的時候，哪種裂隙傾角更容易產(chǎn)生破壞;在裂隙傾角相同時，水壓力為何值時更容易引起裂隙巖體的失穩(wěn)破壞；以及不同裂隙傾角、不同水壓力作用下，當裂隙巖體處于多大的壓應(yīng)力狀態(tài)下，裂隙巖體的裂隙開始擴展等相關(guān)結(jié)論。同時，可將試驗結(jié)論運用于工程實際。在實際施工過程中，應(yīng)避開最不利傾角位置以及通過其他方法減小或增大水壓力以確定裂隙巖體在施工過程中處于可預(yù)見的最穩(wěn)定狀態(tài)。
[0026]本模擬靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及方法有以下優(yōu)點:
[0027]1.壓頭設(shè)置為平板型壓頭和剪切型壓頭，可同時模擬巖體受到軸向載荷和剪切載荷作用時的受力狀態(tài)。
[0028]2.由于金屬接頭直接埋于裂隙巖體試件裂隙內(nèi)部，可直接將水壓力作用于裂隙巖體試件裂隙內(nèi)部，保證水壓力對裂隙的作用效果。
[0029]3.試驗裝置簡單，容易制備，無需對大型巖石力學(xué)試驗機進行改裝，試驗裝置成本低。
[0030]本發(fā)明模擬靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置解決了在實驗室條件下，研究水壓與靜載共同作用下巖石力學(xué)性能的測定工作。同時，該模擬試驗裝置機構(gòu)簡單、合理，易于制造，操作簡單，為實驗室內(nèi)研究靜載與水壓耦合作用對裂隙巖體強度的影響提供了試驗基礎(chǔ)。
[0031]綜上所述，本發(fā)明是一種實現(xiàn)對水壓力作用下深部裂隙巖體強度及穩(wěn)定性的研究的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及其使用方法。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2為靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的金屬接頭處示意圖。
[0034]圖3為靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的一種壓頭示意圖。
[0035]圖4為靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的另一種壓頭示意圖。
[0036]圖中:1-試臺、2-壓頭、3-裂隙、4-應(yīng)變片、5-裂隙巖體試件、6_金屬接頭、7_連接軟管、8-壓力表、9-手動加壓栗、10-應(yīng)變箱、11-計算機、12-L形軟管連接接頭、13-模數(shù)轉(zhuǎn)換器、21-平板型壓頭、22-剪切型壓頭。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明一種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置及方法做進一步說明。
[0038]—種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，在實驗室內(nèi)，分析裂隙巖體現(xiàn)場考察所得信息，通過對裂隙產(chǎn)狀、傾角及長度等內(nèi)容分析，確定巖體裂隙的分布特征。根據(jù)巖體裂隙分布特征，確定實驗室模擬巖樣裂隙傾角、長度、條數(shù)等模擬信息。
[0039]根據(jù)現(xiàn)場水利調(diào)查報告，確定裂隙巖體所處環(huán)境水利條件，從而確定模擬水壓力及圍壓范圍。
[0040]參見圖1、圖2、圖3和圖4，靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，包括靜載加載裝置、水壓加載裝置以及加載過程中數(shù)據(jù)同步采集及存儲顯示裝置;靜載加載裝置包括試臺I和壓頭2，壓頭2有平板型壓頭21和剪切型壓頭22兩種類型;裂隙巖體試件5放置于試臺I和壓頭2之間，靜載荷通過壓頭2施加于裂隙巖體試件5，在加載過程中，壓頭2與試臺I之間的平面保持平行。
[0041]所述的水壓加載裝置包括金屬接頭6、L形軟管連接接頭12、連接軟管7和手動加壓栗9，金屬接頭6上截面細小，與L形軟管連接接頭12接口大小吻合，下截面外尺寸與裂隙巖體試件5上預(yù)制的裂隙3尺寸相吻合。金屬接頭6內(nèi)端面埋于裂隙巖體試件5的裂隙3內(nèi)部，夕卜端面通過螺絲扣方式與L形軟管連接接頭12的一端口緊密相連，L形軟管連接接頭12的另一端口通過連接軟管7與手動加壓栗9的出水軟管相連；
[0042]加載過程中數(shù)據(jù)同步采集及存儲顯示裝置包括:裂隙巖體試件5上平行于裂隙3方向上下兩側(cè)黏貼有應(yīng)變片4，應(yīng)變片4通過導(dǎo)線與應(yīng)變箱10連接，應(yīng)變箱10接入計算機11;連接軟管7上安裝有壓力表8，壓力表8，測定加載水壓力大小，水壓力可施加值為l-5MPa。壓力表8的信號連入模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，模數(shù)轉(zhuǎn)換器13接入計算機11;壓頭2通過控制線路直接與計算機11相連，控制壓頭2的加載速率及大小。
[0043]參見圖1、圖2、圖3和圖4，靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的使用方法，具體步驟包括:
[0044]第一步、試件加工:在實驗室中運用切石機將巖塊切割成尺寸為20X 15 X 1cm的立方體形的裂隙巖體試件5，并在裂隙巖體試件5的中心位置用水刀切割形成傾角為0-180°的裂隙3，優(yōu)選傾角為30°;
[0045]第二步、試驗前期準備:
[0046]將金屬接頭6內(nèi)端面埋置于已加工完成的裂隙巖體試件5的裂隙3中，并將金屬接頭6與裂隙3連接處及周邊密封，之后在平行于裂隙巖體試件5的裂隙3方向上下兩側(cè)黏貼1cm長度的應(yīng)變片4，最后將裂隙巖體試件5放置于試臺I上，將應(yīng)變片4用導(dǎo)線與應(yīng)變箱10連接，同時將金屬接頭6通過連接軟管7和手動加壓栗9相連；
[0047]第三步、試驗階段:
[0048]首先通過計算機11控制壓頭2對裂隙巖體試件5施加一定程度的軸向壓力，將裂隙巖體試件5位置固定，然后利用水壓加載裝置對裂隙巖體試件5施加水壓力，并通過手動加壓栗9控制水壓維持恒定值;之后繼續(xù)通過靜載加載裝置對裂隙巖體試件5施加軸向壓力，直到裂隙巖體試件5破壞;加載過程中，通過數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)實時記錄壓力、變形等相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。
[0049]水壓加載前加載的軸向壓力用來固定裂隙巖體試件5的位置，其值小于所述的裂隙巖體試件5的彈性極限。
[0050]以上所述僅是本發(fā)明的原理和較佳的實施例。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在本發(fā)明原理的基礎(chǔ)上，還可以做出若干其他變型，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，包括靜載加載裝置、水壓加載裝置以及加載過程中數(shù)據(jù)同步采集及存儲顯示裝置;其特征在于:所述的靜載加載裝置包括試臺(I)和壓頭(2)，裂隙巖體試件(5)放置于所述的試臺(I)和所述的壓頭(2)之間，靜載荷通過所述的壓頭(2)施加于所述的裂隙巖體試件(5)，所述的壓頭(2)與所述的試臺(I)之間的平面保持平行;所述的水壓加載裝置包括金屬接頭(6)、連接接頭、連接軟管(7)和加壓栗，所述的金屬接頭(6)的內(nèi)端面埋于所述的裂隙巖體試件(5)的裂隙(3)內(nèi)部，外端面與所述的連接接頭的一端口緊密相連，所述的連接接頭的另一端口通過連接軟管(7)與加壓栗的出水管相連;所述的加載過程中數(shù)據(jù)同步采集及存儲顯示裝置包括:所述的裂隙巖體試件(5)上平行于所述的裂隙(3)方向上下兩側(cè)黏貼有應(yīng)變片(4)，所述的應(yīng)變片(4)通過導(dǎo)線與應(yīng)變箱(1)連接，所述的應(yīng)變箱(1)接入計算機(11);所述的連接軟管(7)上安裝有壓力表(8)，所述的壓力表(8)的信號連入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(13)，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(13)接入所述的計算機(11);所述的壓頭(2)通過控制線路直接與所述的計算機(11)相連，控制所述的壓頭(2)的加載速率及大小。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，其特征在于:所述的壓頭(2)為平板型壓頭(21)或剪切型壓頭(22)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，其特征在于:所述的加壓栗為手動加壓栗(9)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，其特征在于:所述的金屬接頭(6)上截面細小，與所述的連接接頭接口大小吻合，下截面外尺寸與所述的裂隙巖體試件(5)上預(yù)制的裂隙(3)尺寸相吻合。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，其特征在于:所述的金屬接頭(6)的外端面通過螺絲扣方式與所述的連接接頭的一端口緊密相連。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置，其特征在于:所述的加壓栗的施加壓力為l-5MPa。7.使用權(quán)利要求1-6之一所述的靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的方法，其特征在于:具體步驟包括: 一、試件加工:在實驗室中運用切石機將巖塊切割成試驗所需尺寸的裂隙巖體試件(5)，并在裂隙巖體試件(5)的裂紋預(yù)設(shè)位置用水刀切割形成裂隙(3); 二、試驗前期準備:將金屬接頭(6)內(nèi)端面埋置于已加工完成的裂隙巖體試件(5)的裂隙(3)中，并將金屬接頭(6)與裂隙(3)連接處及周邊密封，之后在平行于裂隙巖體試件(5)的裂隙(3)方向上下兩側(cè)黏貼應(yīng)變片(4)，最后將裂隙巖體試件(5)放置于試臺(I)上，將應(yīng)變片(4)用導(dǎo)線與應(yīng)變箱(10)連接，同時將金屬接頭(6)通過連接軟管(7)和加壓栗相連； 三、試驗階段:首先通過計算機(11)控制壓頭(2)對裂隙巖體試件(5)施加一定程度的軸向壓力;然后利用水壓加載裝置對裂隙巖體試件(5)施加水壓力，并通過加壓栗控制水壓維持恒定值;之后繼續(xù)通過靜載加載裝置對裂隙巖體試件(5)施加軸向壓力，直到裂隙巖體試件(5)破壞;加載過程中，通過數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)實時記錄壓力、變形等相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的使用靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的方法，其特征在于:所述的裂隙巖體試件(5)為立方體形。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的使用靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的方法，其特征在于:所述的裂隙巖體試件(5)的所述的裂隙(3)的傾角為0-180°。10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的使用靜載與水壓耦合作用破巖的試驗裝置的方法，其特征在于:水壓加載前加載的軸向壓力用來固定所述的裂隙巖體試件(5)的位置，其值小于所述的裂隙巖體試件(5)的彈性極限。
【文檔編號】G01N3/58GK106092757SQ201610452297
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】曹平, 郝瑞卿, 靳瑾, 王 華, 董力瑋
【申請人】中南大學(xué)