一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及岩石力学试验领域，尤其涉及一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置及试验方法。


背景技术：

2.蠕变是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间增加而增加的现象。在岩体工程中，例如地下隧道垮塌、地基失稳、核废料储存库破裂及岩爆等工程灾害中，存在大量因岩石长期蠕变变形而导致的破坏，且在这些工程中岩石会承受荷载与温度耦合因素的影响，在长期荷载作用下经常会出现拉伸破坏失稳。因此，高温和载荷作用下的岩石蠕变特性的测试对岩体工程结构长期稳定性维护具有重要意义。
3.目前，对于岩石的拉伸破坏研究较多集中在抗拉瞬时破坏的研究上，其试验方法也多采用巴西劈裂，而对于大型地下工程中不仅存在拉伸破坏失稳也会存在扭转破坏失稳，因此急需研发一种能够实现高温环境作用下且能够精确控制拉伸、扭转和监测岩石蠕变位移变形变化的试验装置及其使用方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置及试验方法，以克服没有能够精确控制拉伸、扭转和监测岩石蠕变位移变形变化的试验装置及其使用方法的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置，包括：温度控制装置、稳压加载控制装置、拉扭载荷装置、拉扭夹具、恒温室、数据采集处理系统、底座外框架和岩石试件；
7.所述恒温室固定于底座外框架的基础底座上，用于保持恒温室内部温度恒定；
8.所述拉扭夹具设置于所述恒温室内部，包括第一拉扭部和第二拉扭部；所述第一拉扭部与所述拉扭载荷装置固定连接；所述第二拉扭部固定于所述恒温室底部；
9.所述岩石试件固定于所述第一拉扭部和第二拉扭部之间；
10.所述温度控制装置设置于所述恒温室上，用于控制所述恒温室内部的温度；
11.所述稳压加载控制装置与所述拉扭载荷装置连接，用于控制所述拉扭载荷装置对所述岩石试件进行拉伸和扭转加载；
12.所述数据数据采集处理系统与所述岩石试件连接，用于对所述恒温室内部温度和岩石试件的应变变化情况进行监测。
13.进一步的，所述试验装置还包括位移测量装置；所述位移测量装置与所述数据采集处理系统连接，在对所述岩石试件加载过程中，用于测量竖向加载位移，并通过所述数据采集处理系统进行监测。
14.进一步的，所述拉扭载荷装置包括千斤顶装置、顶部加载轴、第一平衡球头和第二平衡球头；所述第一平衡球头一端贯穿所述恒温室的顶部与所述第一拉扭部连接，另一端与所述千斤顶装置连接，所述顶部加载轴连接于所述千斤顶装置的另一端，并固定于所述
底座外框架顶部；所述第二平衡球头一端固定于所述基础底座上，另一端贯穿所述恒温室的底部与所述第二拉扭部连接。
15.进一步的，所述第一拉扭部包括第一加固套和第一稳固套；所述第二拉扭部包括第二加固套和第二稳固套；所述第一稳固套套设于所述第一加固套外部；所述第二稳固套套设于所述第二加固套外部；所述岩石试件固定设置于所述第一加固套和所述第二加固套之间。
16.进一步的，所述稳压加载控制装置包括伺服电液系统、轴向油泵、伺服控制器；所述伺服控制器用于控制所述伺服电液系统向所述轴向油泵传递拉伸和扭转信号，以控制所述千斤顶装置向所述岩石试件施加载荷。
17.进一步的，所述数据采集处理系统包括应变传感器、温度传感器、数据收集处理器和数据显示器；所述应变传感器和温度传感器均固定于所述岩石试件上，所述应变传感器和温度传感器与所述数据收集处理器通信连接，所述数据显示器与所述数据收集处理器连接。
18.进一步的，所述位移测量装置包括激光发射器；调制器；反射镜；鉴相器；距离显示器；所述激光发射器用于发射激光，所述调制器用于调制激光发出的波动信号至所述反射镜，所述鉴相器用于接收所述反射镜反射回来的激光，并反馈至所述距离显示器得到位移数据。
19.一种高温环境作用下拉扭蠕变试验方法，包括如下步骤：
20.s：将岩石试件放入到恒温室中的拉扭夹具内进行固定，在所述岩石试件上安装应变传感器和温度传感器；
21.s：通过温度控制装置将所述恒温室内部温度加热到预设温度，并保持足够时间，以确保所述恒温室内部的温度和所述岩石试件的温度一致；
22.s：通过稳压加载控制装置对拉扭载荷装置进行加载，使加载在所述岩石试件上的拉伸载荷和扭转载荷达到预设值并保持一段时间；
23.s：根据所述岩石试件的拉扭蠕变过程使稳压加载控制装置加载至试验压力并保持一段时间后，通过所述稳压加载控制装置对所述岩石试件逐级加载，通过应变传感器测试所述岩石试件的应变变化，同时通过所述位移测量装置监测所述稳压加载控制装置的竖向位移变化；
24.s：根据步骤s～s，记录所述数据采集处理系统收集到的试验参数，绘制出不用温度作用下岩石的应变
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时间关系曲线，以分析在不同温度和拉扭载荷耦合作用下岩石的蠕变特性。
25.有益效果：本发明公开了一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置及试验方法，主要适用于在高温及恒定或循环荷载下岩石受拉扭作用变形量的研究，尤其是能够揭示出不同温度作用和不同荷载耦合条件下岩石的拉扭蠕变特性。具体来说，在高温条件下，该蠕变试验装置通过将岩石试件固定在拉扭夹具中，通过稳压加载控制装置控制拉扭载荷装置向岩石试件施加拉伸和扭转载荷，并通过数据采集处理系统来收集和监测在高温和载荷作用下岩石试件随时间的应变变化，能够准确高效地研究不同拉扭荷载和不同温度作用下岩石时间
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应变的关系，对于解决深部地下工程问题有重要意义。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明的拉扭蠕变试验装置整体结构示意图；
28.图2为本发明恒温室的连接示意图；
29.图3为本发明的位移测量装置示意图；
30.图4为本发明中稳压加载控制即拉伸载荷装置的连接示意图；
31.图5为本发明中拉扭夹具结构示意图；
32.图6为本发明数据采集处理系统示意图；
33.图7为本发明的一种高温环境作用下的蠕变试验方法的流程图；
34.图8为本发明试验装置得到的参数绘制出的应变
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时间关系曲线图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本实施例提供了一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置，如图1，所述试验装置包括：温度控制装置2、稳压加载控制装置3、拉扭载荷装置4、拉扭夹具5、恒温室6、数据采集处理系统7、底座外框架8和岩石试件9；
37.具体的，本实施例中的底座外框架8包括4个立柱，所述恒温室6固定于底座外框架8的基础底座81上，用于保持恒温室内部温度恒定；
38.如附图5所示的拉扭夹具5设置于所述恒温室6内部，包括第一拉扭部51和第二拉扭部52；所述第一拉扭部51包括第一加固套53和第一稳固套54，与所述拉扭载荷装置4固定连接；所述第二拉扭部52包括第二加固套55和第二稳固套56，通过拉扭载荷装置4固定于所述恒温室6底部；所述岩石试件9固定于所述第一拉扭部51和第二拉扭部52之间；所述拉扭夹具5在所述稳压加载控制装置3的作用下，控制所述拉扭载荷装置4对所述岩石试件9施加拉伸和不同角度的扭转载荷；所述第一稳固套54套设于所述第一加固套53外部；所述第二稳固套56套设于所述第二加固套55外部；所述第二加固套55和第一加固套53起到固定岩石试件进行拉伸和扭转的作用，所述第二稳固套56和第一稳固套54分别对所述第二加固套55和第一加固套53进行保护。所述岩石试件9固定设置于所述第一加固套53和所述第二加固套55之间，如附图2所示，展示了恒温室6的外部连接关系图。
39.所述温度控制装置2设置于所述恒温室6上，用于控制所述恒温室6内部的温度；
40.所述拉扭载荷装置4包括千斤顶装置41、顶部加载轴42、第一平衡球头43和第二平衡球头44；所述第一平衡球头43一端贯穿所述恒温室6的顶部与所述第一拉扭部51连接，另一端与所述千斤顶装置41连接，所述顶部加载轴42连接于所述千斤顶装置41顶部，并固定于所述底座外框架8顶部；所述第二平衡球头44一端固定于所述基础底座81上，另一端贯穿
所述恒温室6的底部与所述第二拉扭部52连接。
41.所述稳压加载控制装置3采用已有的能够控制施加轴向载荷和扭转载荷的装置，与所述拉扭载荷装置4连接，包括伺服电液系统31、轴向油泵32、伺服控制器33；其中，所述伺服控制器33用于控制所述伺服电液系统31向所述轴向油泵32传递拉伸和扭转信号，通过油缸加压的形式控制所述拉扭载荷装置4中的千斤顶装置41对所述岩石试件9施加载荷的大小和方向，所述拉扭载荷装置4通过第一拉扭部51对所述岩石试件9进行拉伸和扭转操作，能够使所述岩石试件9受到不同载荷的作用，产生应力环境场，如附图4所示。
42.所述数据数据采集处理系统7与所述岩石试件9连接，用于对所述恒温室6内部温度和岩石试件9的应变变化情况进行监测；所述数据采集处理系统7包括应变传感器100、温度传感器200、数据收集处理器71和数据显示器72；所述应变传感器100和温度传感器200均固定于所述岩石试件9上，所述应变传感器100和温度传感器200通过数据线与所述数据收集处理器71通信连接，所述数据显示器72与所述数据收集处理器71连接，如附图6所示。具体的，所述数据采集处理系统7通过设置于所述岩石试件9上的应变传感器100、温度传感器200，得到实时温度及应变数据，能够随时监测压力室内部温度和岩石试件的应变变化情况。
43.所述试验装置还包括如附图3所示的位移测量装置1；所述位移测量装置1包括激光发射器11；调制器12；反射镜13；鉴相器14；距离显示器15；所述激光发射器11用于发射激光，所述调制器12用于调制激光发出的波动信号至所述反射镜13，所述鉴相器14用于接收所述反射镜13反射回来的激光，并反馈至所述距离显示器15得到位移数据。所述位移测量装置1设置于所述拉扭载荷装置4旁边，并与所述数据采集处理系统7通过数据线连接，在对所述岩石试件9加载过程中，用于精确的测量竖向加载位移，并通过所述数据采集处理系统7进行监测，能够实时监测所述拉扭载荷装置4的位移，以确保试验过程中岩石的性状，防止由于加载过程中岩石的竖向位移过大导致岩石断裂而终止试验。所述位移测量装置1通过激光信号能够更加精确的测量拉伸扭转加载过程中位移的变化。
44.具体的，本发明的拉扭蠕变试验装置工作过程如下：首先将岩石试件制作完成并放入第二拉扭部52的第二加固套55内并用强力胶粘接固定，之后套上第二稳固套56，然后扣上第一拉扭部51，并将岩石试件通过强力胶粘接与第一加固套53上，此时拉扭夹具5与岩石试件之间的固定完成；通过稳压加载控制装置3控制拉扭载荷装置作用在拉扭夹具上，从而对岩石试件施加拉伸和扭转载荷。将温度传感器和应变传感器固定在岩石试件上，为了能够保证监测信息的准确性，所述温度传感器和应变传感器分层布置，之后安装恒温室，并使恒温室保持密封状态。利用温度控制装置将恒温室加热到200℃，并保持2个小时，通过数据采集处理系统实时监测试验中各测定参数的变化情况，确保岩石试件温度一直满足岩石蠕变试验设定的要求，然后利用稳压加载控制装置控制拉扭载荷装置对恒温室内的岩石试件施加轴向拉伸和扭转载荷，当加载到5mpa时，保持两个小时后逐级加压，监测岩石试件的应变变化和从位移测量装置测量的位移情况，随即对拉伸载荷装置进行卸载，观察卸载时岩石试件的应变随时间关系曲线，卸载完成后，可将拉扭夹具扭转一定角度，重复进行拉伸扭转加载和卸载，最终完成后，温度控制装置更换温度梯度，继续进行加热，如此循环下去，记录根据数据信息采集装置在不同载荷和温度下收集到的信息，进而绘制出不同温度作用下的岩石试件拉扭蠕变的应变
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时间关系曲线图，以便分析温度与拉扭载荷共同作用下的
岩石的拉扭蠕变特性。
45.本实施例中的一种高温环境作用下拉扭蠕变试验方法，包括如下步骤，如附图7所示：
46.s1：将岩石试件9放入到恒温室6中的拉扭夹具5内进行固定，在所述岩石试件9上安装应变传感器100和温度传感器200。
47.s2：通过温度控制装置2将所述恒温室6内部温度加热到预设温度，并保持足够时间，以确保所述恒温室6内部的温度和所述岩石试件9的温度一致；具体的，本实施例中，将所述恒温室加热到200℃后，保持2个小时，当紧贴岩石试件周围的温度传感器200达到200℃时，岩石试件温度达到跟恒温室6温度达到一致，此时温度控制装置2停止工作，此后，通过所述温度传感器200监测保证恒温室6一直处于200℃，确保岩石试件温度一直满足岩石蠕变试验要求。
48.s3：通过稳压加载控制装置3对拉扭载荷装置4进行加载，使加载在所述岩石试件9上的拉伸载荷和扭转载荷达到预设值并保持一段时间；具体的，在本实施例中，确认恒温室6密封好，利用所述稳压加载控制装置3对与所述第一拉扭部51相连的所述拉扭载荷装置4进行加载，直到作用到所述岩石试件9上的拉伸载荷和扭转载荷达到5mpa；
49.s4：按照岩石的拉扭蠕变过程使稳压加载控制装置加载到5mpa后保持一定时间后，通过所述稳压加载控制装置3对所述岩石试件9逐级加载，通过应变传感器100测试所述岩石试件9的应变变化，同时通过所述位移测量装置1监测所述稳压加载控制装置3的位移变化；
50.s5：根据步骤s1～s4，记录所述数据采集处理系统7收集到的试验参数，绘制出不用温度作用下岩石的应变
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时间关系曲线，以分析在不同温度和拉扭载荷耦合作用下岩石的蠕变特性。具体的，本实施例中，所述数据采集处理系统7收集到的参数有应变值ε、拉扭时间t、温度t，绘制出的曲线如附图8所示；从图中可看出，本发明所公开的试验装置可以测试不同拉伸次数、扭转次数和不同温度作用下岩石的蠕变特性，且能够发现随着温度和拉扭次数的增加，岩石的应变会逐渐减小，进入岩石破坏加速段的时间增长。通过与赵宝云测试的结果进行对比，能够说明本装置测量的结果是符合规律的，同时说明了本装置通过对岩石试件施加拉伸和扭转载荷来模拟岩石的蠕变过程而得出的结论，是符合岩石真实的变化情况的，具有可靠的适用性。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。