一种岩石应力模拟及测量系统、方法及应用

1.本发明属于构造应力形变模拟及测量技术领域，尤其涉及一种岩石应力模拟及测量系统、方法及应用。


背景技术：

2.目前，在地质构造中，构造作用所形成的压应力和剪应力对地层岩石的作用非常常见，也是地质研究中非常重要的环节。因此不管在从事构造地质的科学研究还是地质相关专业的教学汇总，模拟构造作用与地层岩石的形变关系都是非常重要的课题。但是在传统的构造模拟仪主要存在以下缺点：
3.①
成本过高，现有的构造模拟仪体积大，造价高。现有的部分构造模拟仪均在100万左右，很难应用于本科教学中；
4.②
部分实验功能缺乏，现有的构造模拟仪主要模拟压应力与岩石形变的关系，缺乏剪应力作用与岩石形变的关系；
5.③
缺乏实验数据的记录，现有的实验主要记录材料在收到应力作用后的形变特征，没有实时记录应力的大小和位移，对于后期的研究缺乏数据支撑。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
7.(1)成本过高，现有的构造模拟仪体积大，造价高。现有的部分构造模拟仪均在100万左右，很难应用于本科教学中；
8.(2)部分实验功能缺乏，现有的构造模拟仪主要模拟压应力与岩石形变的关系，缺乏剪应力作用与岩石形变的关系；
9.(3)缺乏实验数据的记录，现有的实验主要记录材料在收到应力作用后的形变特征，没有实时记录应力的大小和位移，对于后期的研究缺乏数据支撑。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种岩石应力模拟及测量系统、方法及应用。
11.本发明是这样实现的，一种岩石应力模拟及测量方法，所述岩石应力模拟及测量方法y方向的玻璃挡板随着传动杆发生位移，粘土材料或其他模拟岩石形变的材料在y方向发生移动并产生挤压而变形，模拟y方向的压应力与形变的关系；同时通过推理感应装置和激光位移器记录y方向的应力大小以及位移大小；在x方向，横断面为不锈钢底座和对应的玻璃挡板被均分，形成两个对称的u字形的两个容器，其中一个容器并能随着传动杆的移动发生位移，使容器中的材料随着位移发生相对运动并在x方向形成剪应力，沙箱中的粘土材料在剪应力的作用下发生形变；同时通过应力感应装置和位移感应装置记录x方向的应力大小以及位移大小，模拟剪应力与形变之间的关系。
12.本发明的另一目的在于提供一种实施所述岩石应力模拟及测量方法的岩石应力模拟及测量系统，所述岩石应力模拟及测量系统设置有：
13.基座；
14.所述基座上端安装有动力系统，所述动力系统设置有x轴推力装置和y轴推力装置，所述推力装置连接电源和控制装置；所述推力装置设置有步进电机、推力传感器和激光传感器，所述推力传感器安装在装推力支架上，所述控制装置通过线性连接显示屏。
15.进一步，所述y轴推力装置设置有y轴推力支架，所述y轴推力支架分为前端的第一沙箱和后部的支撑架，所述支撑架设置有四个支脚，所述四个支脚前端分别固定在第一沙箱的四角，所述四个支脚后端连接在一起，后端安装有y 轴推力传感器。
16.进一步，所述x轴推力装置设置有第二沙箱和固定架，所述固定架通过螺栓固定在第二沙箱一侧，所述固定架安装有x轴推力传感器。
17.进一步，所述x轴推力装置和y轴推力装置通过固定肋板连接滑块，所述滑块镶嵌安装在滑轨上，所述滑轨后端通过螺栓连接有步进电机，所述步进电机一侧的基座上固定安装有光位移传感器。
18.进一步，所述基座上固定安装有控制装置，所述控制装置设置有电源、控制板和驱动板，所述电源连接驱动板、步进电机、传感器和光位移传感器，所述驱动板线性连接右侧的控制板。
19.进一步，所述沙箱为长*宽*高＝30cm*30cm*20cm的长方体容器，容器横断面为正方形，容器中装有模拟地层岩石的粘土，所述沙箱的四周挡板为透明玻璃。
20.进一步，所述沙箱横断面为不锈钢底座和对应的玻璃挡板被均分，形成两个对称的“u”字形的两个容器。
21.进一步，所述控制板安装有可触屏操作的液晶显示屏，所述显示屏的下方设置有usb接口。
22.本发明的另一目的在于提供一种所述岩石应力模拟及测量方法在地质构造检测中的应用。
23.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明岩石应力模拟及测量系统通过设置有基座上端安装有动力系统，动力系统设置有x 轴推力装置和y轴推力装置，推力装置连接电源和控制装置；推力装置设置有步进电机和位移器和传感器，位移器和传感器装推力支架上，控制装置通过线性连接显示屏。结构简单并且满足实验工作，准确的模拟压应力与岩石形变的关系和剪应力作用与岩石形变的关系；可将实验数据记录，对于后期的研究提供数据支撑。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的岩石应力模拟及测量系统结构示意图。
26.图2是本发明实施例提供的y轴推力装置结构示意图。
27.图3是本发明实施例提供的x轴推力装置结构示意图。
28.图4是本发明实施例提供的沙箱结构示意图。
29.图中：1、基座；2、控制装置；3、推力支架；4、激光传感器；5、步进电机；6、y轴推力装置；7、x轴推力装置；8、第一沙箱；9、支脚；10、y轴推力传感器；11、第二沙箱；12、x轴推力传感器；13、肋板；14、滑块；15、滑轨。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种岩石应力模拟及测量系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
32.如图1所示，本发明实施例提供的岩石应力模拟及测量系统基座1上端安装有动力系统，动力系统设置有x轴推力装置7和y轴推力装置6，推力装置连接电源和控制装置2；推力装置设置有步进电机5、推力传感器和激光传感器 4，推力传感器安装在推力支架3上，控制装置通过线性连接显示屏。
33.如图2所示，本发明实施例提供的所述y轴推力装置设置有y轴推力支架， y轴推力支架分为前端的第一沙箱8和后部的支撑架，支撑架设置有四个支脚9，四个支脚9前端分别固定在第一沙箱8的四角，四个支脚后端连接在一起，安装有y轴推力传感器10。
34.如图3所示，本发明实施例提供的x轴推力装置设置有第二沙箱11和固定架，固定架通过螺栓固定在第二沙箱11一侧，固定架安装有x轴推力传感器 12。x轴推力装置和y轴推力装置通过固定肋板13连接滑块14，滑块14镶嵌安装在滑轨上15，滑轨15后端通过螺栓连接有步进电机，步进电机一侧的基座上固定安装有光位移传感器。
35.如图4所示，本发明实施例提供的基座上固定安装有控制装置2，控制装置 2设置有电源、控制板和驱动板，电源连接驱动板、步进电机、传感器和光位移传感器，驱动板线性连接右侧的控制板。沙箱为长*宽*高＝30cm*30cm*20cm的长方体容器，容器横断面为正方形，容器中装有模拟地层岩石的粘土或其他材料，沙箱的底座为厚0.5cm的不锈钢材质制成，四周挡板为透明玻璃。沙箱横断面为不锈钢底座和对应的玻璃挡板被均分，形成两个对称的“u”字形的两个容器，其中一个容器并能随着传动杆的移动发生位移，使容器中的材料随着位移发生相对运动并在x方向形成剪应力。控制板安装有可触屏操作的液晶显示屏，所述显示屏的下方设置有usb接口，实验完成后可对实验的数据和曲线通过 usb接口输出。
36.可触屏操作的液晶显示面板，面板分为左侧、右上侧和右下侧三个部分。其中左侧为应力显示窗口，用于实时显示应力的变化曲线。右上侧为相关应力和位移显示窗口，数字化显示相关应力和位移的大小。右下侧为操作窗口，对动力系统中的电机和传动杆发出对应的指令，使相应的模块发生位移。显示屏的下方设置有usb接口，实验完成后可队实验的数据和曲线通过usb接口输出。
37.使容器中的材料随着位移发生相对运动并在x方向形成剪应力，沙箱中的粘土等材料在剪应力的作用下发生形变。同时通过应力感应装置和位移感应装置可以记录x方向的应力大小以及位移大小，从而模拟剪应力与形变之间的关系。
38.本发明岩石应力模拟及测量系统的工作原理：其中y方向的玻璃挡板可随着传动杆发生位移，粘土等材料可在y方向发生移动并产生挤压而变形，从而模拟y方向的压应力
与形变的关系。同时通过推理感应装置和激光位移器可以记录y方向的应力大小以及位移大小。在x方向，横断面为不锈钢底座和对应的玻璃挡板被均分，形成两个对称的“u”字形的两个容器，其中一个容器并能随着传动杆的移动发生位移，使容器中的材料随着位移发生相对运动并在x方向形成剪应力，沙箱中的粘土等材料在剪应力的作用下发生形变。同时通过应力感应装置和位移感应装置可以记录x方向的应力大小以及位移大小，从而模拟剪应力与形变之间的关系。
39.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。