一种变温影响下混合岩断裂韧性实时测试装置及测试方法

本发明涉及岩石断裂力学试验，具体而言，尤其涉及一种变温影响下混合岩断裂韧性实时测试装置及测试方法。

背景技术：

1、与浅埋环境不同，深埋岩体受到典型的高应力与高地温的联合影响，在这种复杂的赋存环境下进行隧道开挖等工程活动，极易诱发围岩高应力-变温耦合失稳破坏，严重威胁人员安全。西部某地区广泛分布的混合岩具有典型的条带、条纹等复杂组构，表现出显著的力学及热物性各向异性，而隧道开挖过程中产生的热量以及开挖完成后由于通风等影响所导致的温度变化，使得混合岩各矿物晶粒间不均匀膨胀，进而导致裂纹拓展方向改变，加剧了高应力环境下混合岩内部裂纹拓展的温变效应，隧道围岩稳定性受到显著影响。

2、岩石断裂韧性是岩石材料抵抗内部裂纹拓展的内在属性，可用于定量评价岩石材料阻止断裂的能力，刻画了裂纹尖端在复杂温度场、应力场下的起裂与扩展行为。从本质上表征了岩石从微裂纹产生、聚集到宏观断裂的全过程中，裂纹拓展路径的演化规律与最终形态。精确测定岩石断裂韧性参数的意义在于能够有效提升对岩石断裂过程以及断裂机制的认识，对于预测掌子面附近围岩热-力耦合作用下劣化失稳范围具有一定的作用。

3、混合岩由于其矿物组成与组构的复杂性，其断裂韧度呈现出典型的各向异性，且温度敏感阈值远低于均质岩石。受到变温作用影响，混合岩不同组分矿物间膨胀变形不匹配及各组分不均匀膨胀产生的热应力，是导致隧道围岩局部应力集中，进而诱发裂纹发育的重要因素，而隧道开挖后由于通风、淋水等方式所引起的降温过程，会造成部分裂纹的闭合或拓展，致使岩体损伤效果进一步累计，甚至诱发围岩突然失稳破坏。在高应力环境中，岩石的赋存温度环境以及组构对于其力学性质的影响急剧放大，而现有的测量断裂韧性的装置多数将岩石视为各项同性材料，在实际工程中误差较大，因此，探明变温影响下混合岩断裂韧度对于准确预测高应力-高地温条件下围岩稳定性至关重要。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种变温影响下混合岩断裂韧性实时测试装置及测试方法。本发明通过箱式变温装置、加载模块、变形监测模块和温度控制系统，可以解决现有方案无法实现实时测量温度变化对于混合岩断裂韧性影响以及未充分考虑混合岩各向异性特征的问题。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种变温影响下混合岩断裂韧性实时测试装置，包括：箱式变温装置、加载模块、变形监测模块和温度控制系统，所述箱式变温装置包括密封加热装置和风控系统，含预制裂纹的试件放置于密封加热装置内部，所述密封加热装置用于实现试件的升温及恒温条件，所述风控系统与密封加热装置相连，用于实现试件的降温条件；所述加载模块连接在密封加热装置上，用于对试件施加应力使其裂纹拓展；所述温度控制系统与密封加热装置和风控系统电连接，用于调节密封加热装置内部的升温、降温及动态恒温过程；所述变形监测模块与温度控制系统电连接，用于监测试件表面位移及裂纹拓展情况。

4、进一步地，所述密封加热装置为由四个密封件密封拼接而成的正方体结构，所述密封加热装置的前、后、左、右、上、下侧壁上均开设有开孔，所述开孔设置于相邻两个密封件之间的拼接处，相邻两个密封件之间通过耐高温密封条进行密封，各密封件的交角位置布设有加热电阻棒，所述加热电阻棒与温度控制系统电连接。

5、进一步地，所述密封加热装置的左右开孔用于在升温阶段连接保温盖板，或在降温阶段连接风控系统；左右开孔处的两侧相邻两个密封件上均固定安装有可拆卸锁扣机构，每个保温盖板分别通过两侧的可拆卸锁扣机构与密封加热装置进行可拆卸固定连接，所述保温盖板通过耐高温密封套件与密封加热装置密封连接。

6、进一步地，所述风控系统包括可调节风速的鼓风机、风管快拆接头、涡流管、进风流量阀门、温度-风量控制系统、冷凝设备和多孔风箱，所述密封加热装置的左右开孔处分别通过耐高温密封套件密封连接有风管快拆接头，其中一侧的风管快拆接头通过连接件与通风软管相连，所述通风软管通过连接件与鼓风机的出口管路相连，所述鼓风机的出口管路上安装有进风流量阀门，另一侧的风管快拆接头通过连接件与冷凝设备的入口管路相连；所述多孔风箱设置在密封加热装置的内部，试件位于多孔风箱的内部，所述涡流管安装在风管快拆接头内部，其一端与多孔风箱相连，另一端与连接件相连；所述鼓风机和进风流量阀门均与温度-风量控制系统电连接，所述温度-风量控制系统与温度控制系统电连接，所述进风流量阀门以及温度-风量控制系统共同控制进风量，进而控制箱式变温装置内部温度。

7、进一步地，所述多孔风箱为由阻风挡板和五个进风板组成的立方体箱体结构，所述阻风挡板布置在右侧，所述五个进风板布置在上、下、前、后、左侧，所述阻风挡板和五个进风板上均开有与开孔对应的通孔，所述进风板上开有多个进风孔，所述涡流管的一端与阻风挡板相连接，左侧的进风板连接有出风接口，所述出风接口上远离进风板的一端设有出风口，所述出风口与该侧的风管快拆接头相连接。

8、进一步地，所述箱式变温装置还包括与温度控制系统电连接的温度监测装置，所述温度监测装置包括环境温度监测装置和试件表面温度监测装置，所述环境温度监测装置包括各密封件内部布置的用于监测环境温度的非接触式热电偶，所述试件表面温度监测装置包括各密封件内部布置的用于监测试件表面温度的红外测温仪。

9、进一步地，所述加载模块包括呈上下正对间隔布置的两个刚性压杆、连接板、连接孔、耐高温密封套件、支撑辊、轴向压头、支承平台和压头隔热板，所述两个刚性压杆分别通过耐高温密封套件密封连接于密封加热装置的上下开孔处，均延伸至密封加热装置内部；上方刚性压杆的下端和下方刚性压杆的上端均连接有压头隔热板，上方压头隔热板的下端连接轴向压头，所述轴向压头的下端设有支撑辊，下方压头隔热板的上端连接支承平台，所述支撑辊置于支承平台上，试件置于支撑辊上且位于轴向压头与支撑辊之间。

10、进一步地，所述变形监测模块包括dic观测系统和电阻监测系统，所述dic观测系统包括与温度控制系统电连接的dic观测仪，所述密封加热装置的前后开孔处安装有光学观察窗，所述dic观测仪正对光学观察窗的前方、置于箱式变温装置外部，通过光学观察窗观测试件表面变形特征及裂纹拓展情况；所述光学观察窗包括耐高温防雾化玻璃，所述耐高温防雾化玻璃通过耐高温密封套件与密封加热装置进行密封固定连接；

11、所述电阻监测系统包括电阻件、连接焊点、稳压电阻、直流稳压电源、电路开关和多通道数字示波器，所述电阻件由多根电阻丝组成，粘贴于试件表面，并紧邻预制裂纹顶端；所述连接焊点粘贴于试件表面，布置在电阻件的两侧；所述连接焊点均与电阻件电连接，一侧的连接焊点与多通道数字示波器电连接，另一侧的连接焊点与稳压电阻电连接，所述稳压电阻、直流稳压电源、电路开关和多通道数字示波器依次电连接，所述多通道数字示波器与温度控制系统电连接。

12、进一步地，所述温度控制系统包括电连接的数据采集箱和计算机，所述箱式变温装置和变形监测模块均与数据采集箱电连接。

13、本发明还提供了一种变温影响下混合岩断裂韧性实时测试装置的测试方法，包括实时测量不同预制裂纹角度、相同变温速率条件下混合岩断裂韧性，或实时测量相同预制裂纹角度、不同变温速率条件下混合岩试样的断裂韧性，包括如下步骤：

14、s1、选取不同的条带走向角度试件开展试验；

15、s2、加工标准半圆盘试样，通过定点观察及超声波无损检测筛查出波速近似的试样，划分组别，并制作预制裂纹以及粘贴电阻件，并连接电路；

16、s3、加热过程混合岩断裂韧性实时测试装置组装，在密封加热装置内部完成加热电阻棒、红外测温仪以及非接触式热电偶的安装，将各密封件安装在加载设备上，连接数据传输线缆；

17、s4、对标准半圆盘试样进行喷漆来制作用于dic观测的散斑试样，将制作完备的散斑试样放置在设备内部支承平台上，保证试样与支撑辊接触稳定，开启温度控制系统，升降轴向压头，开启监测设备，对存在问题的设备进行调试；

18、s5、通过加载模块采用应力加载的方式，对含预制裂纹的标准半圆盘试样圆弧施加初始压力，确保试样与支撑辊系统整体稳定；

19、s6、关闭保温盖板，检查装置各位置密封情况，选定温度变化速率，在环境温度不出现明显变化时，通过位移加载的方式，对试样施加压力直至预制裂纹顶端出现明显断裂；

20、s7、若研究降温阶段的断裂韧性，则在步骤s5不加载，在环境温度达到稳定后保温一定时间，将风控系统连接在密封加热装置上，通过调整风速、进风温度与监测试件表面温度变化，实现定量降温过程，在环境温度不出现明显变化时，再通过位移加载方式，对试样施加压力直至预制裂纹顶端出现明显断裂。

21、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

22、1、本发明通过箱式变温装置实现了变温条件下复杂组构混合岩断裂韧性的实时测量，不需要转换设备及试件环境，人为误差较小，试验过程简单便捷，试验设备易于操作，从而使得测量结果更为科学准确，更加贴合现场工程条件，判别高地温隧道开挖过程中掌子面附近岩体断裂力学性质及破裂致灾风险管控具有较好的作用。

23、2、本发明采用多面多孔匀速进风，单面集中出风的方式，使得变温箱内部空气形成紊流状态，热交换充分，提升了降温效率，同时，可以使降温试件表面各位置温度实现均匀变化，更加符合工程现场实际情况，对于研究温度影响下岩石热破裂问题，具有重要价值。

24、3、本发明通过温度-风量控制系统控制进风流量阀门，进而实现试件表面以及箱式变温装置内部环境温度条件的实时调整，同时可以实现降温速率的实时调节，可用于研究变温条件下岩石的失效破裂问题。

25、4、本发明采用多种试件裂纹监测方式，综合保障可以定性与定量化的描述裂纹发育状态，其中所提出的电阻监测系统对于考虑条带混合岩各向异性裂纹发育特征的情况具有较好的适用性，根据各阶段断裂方向以及断裂速度的差异，可直接量化条带影响下混合岩的各向异性特征。

26、5、本发明提出的变温影响下混合岩断裂韧性实时测试方法，可以实现实时测量混合岩各向异性断裂韧性。所包含的测试内容，分别是不同预制裂纹角度相同变温速率条件下实时测量混合岩试样的断裂韧性，以及相同预制裂纹角度不同变温速率条件下实时测量混合岩试样的断裂韧性。两组测试方法的综合使用可以获取大量有关于混合岩断裂韧度的规律性数据样本，对于后续建立条带混合岩断裂韧度智能化识别系统具有重要的基础作用。

27、基于上述理由本发明可在岩石断裂力学参数测试等领域广泛推广。