一种岩石力学室内试验稳定水压加载装置

1.本发明涉及岩石力学试验设备技术领域，尤其涉及一种岩石力学室内试验稳定水压加载装置。


背景技术：

2.随着交通、水利和矿山工程隧道(巷道和硐室)的埋深逐渐加大，其穿越的地层也变的更加复杂，在开挖扰动应力和裂隙水作用下突涌水灾害频发，造成严重的工期延误和经济损失。为了揭示深埋岩体在裂隙水压作用下的破裂失稳机制，国内外学者开展了大量的含裂隙试件室内水力耦合试验研究。由于地下含水层分布范围广，开挖过程中裂隙水压随岩体裂缝的扩展基本保持稳定，稳定的裂隙水压是导致岩体破裂失稳进而诱发突涌水灾害的主要因素。目前的室内试验研究主要采用伺服泵进行水压加载，在裂缝扩展前期能够维持裂隙水压稳定。然而，当裂缝进入不稳定扩展阶段裂缝扩展非常迅速，在极短时间内产生较大的扩容，伺服泵来不及提供等体积高压水导致裂隙水压也随之迅速降低。另外，当裂隙水压降低到伺服泵反应阈值后，伺服泵不能小范围精准提升水压，在升压过程中容易超过设定值产生冲击效应。因此，采用传统伺服水压加载方式裂缝扩展是在不稳定裂隙水压作用下完成的，这与实际工程情况不符。为了解决稳定水压加载问题，一些学者采用高压气体源辅助施加稳定水压，但高压气体的产生和存储存在安全隐患，在需要长时输出稳定高水压的情况下同样补压困难。
3.综上所述，当前岩石水力耦合试验研究中还存在水压难以稳定加载的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种岩石力学室内试验稳定水压加载装置。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.具体地说，本装置包括安装平台、试验模型、出水管、出水阀门、拉杆式活塞、水压表、注水阀门、注水管、活塞拉杆和滑轮加载系统；
7.其连接关系是：
8.在安装平台上设置有试验模型、拉杆式活塞和滑轮加载系统；
9.试验模型、出水管、出水阀门、拉杆式活塞、活塞拉杆和滑轮加载系统依次连接；
10.在拉杆式活塞外壁下部依次连接有水压表、注水阀门和注水管。
11.本发明具有下列优点和积极效果：
12.①
裂隙水压通过拉杆式活塞输出，活塞拉杆通过定向砝码提供拉力且轴心受力，能够保证裂隙扩展过程中水压稳定；
13.②
采用纯机械式加载，反应灵敏，无噪音，相比电驱动伺服泵更加节能环保，在长时间测试过程中(如蠕变试验)无须考虑断电影响，稳定性高；
14.③
原理简单，操作方便，安全性好，造价成本低。
15.④
适用于室内岩石力学水力耦合实验稳定水压加载。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图；
17.图2为本发明中拉杆式活塞4的竖向剖面图；
18.图3为本发明中砝码95的结构示意图。
19.图中：
20.0—安装平台，
21.01—第1安装平台，02—第2安装平台，03—第3安装平台。
22.1—试验模型。
23.2—出水管。
24.3—出水阀门。
25.4—拉杆式活塞，
26.41—通气孔，42—密封圈，43—活塞腔，44—出水口，45—注水口，46—密封环。
27.5—水压表。
28.6—注水阀门。
29.7—注水管。
30.8—活塞拉杆。
31.9—滑轮加载系统，
32.90—横梁；
33.91—定滑轮，911—第1定滑轮，912—第2定滑轮，913—第3定滑轮，
34.914—第4定滑轮；
35.92—钢丝绳，921—第1钢丝绳，922—第2钢丝绳；
36.93—动滑轮；
37.94—制动器；
38.95—砝码，
39.951—左砝码块，952—右砝码块，953—导向孔，954—通孔；
40.96—导向支架；
41.97—托盘；
42.98—缓冲垫；
43.99—导向支座。
具体实施方式
44.下面结合实施例和附图详细说明。
45.一、装置的结构
46.1、总体
47.如图1、2、3，本装置包括安装平台0、试验模型1、出水管2、出水阀门3、拉杆式活塞4、水压表5、注水阀门6、注水管7、活塞拉杆8和滑轮加载系统9；
48.其连接关系是：
49.在安装平台0上设置有试验模型1、拉杆式活塞4和滑轮加载系统9；
50.试验模型1、出水管2、出水阀门3、拉杆式活塞4、活塞拉杆8和滑轮加载系统9依次连接；
51.在拉杆式活塞4外壁下部依次连接有水压表5、注水阀门6和注水管7。
52.其工作机理是：
53.滑轮加载系统9对活塞拉杆8施加拉力，活塞拉杆8作用于拉杆式活塞4内水体，将活塞拉杆8的拉力转换为出水管2的输出水压，调节滑轮加载系统9的输出拉力可得到不同大小的稳定水压；加载过程中滑轮加载系统9的输出拉力稳定且活塞拉杆8轴心受拉，因此可以向实验模型1输出稳定水压。
54.2、功能部件
55.如图1、2、3所示。
56.0)安装平台0
57.安装平台0是一种支撑架，包括第1安装平台01、第2安装平台02和第3安装平台03；分别固定支撑试验模型1、第1定滑轮911、第2定滑轮912，拉杆式活塞4，和制动器94、第3定滑轮913、第4定滑轮914。
58.1)试验模型1
59.为待测含裂隙岩石或类岩石的材料试件。
60.2)出水管2
61.为常用件。
62.3)出水阀门3
63.为常用件。
64.4)拉杆式活塞4
65.如图2，拉杆式活塞4由通气孔41、密封圈42、活塞腔43、出水口44、注水口45和密封环46组成；
66.其主体是一种圆柱形空腔，即活塞腔43；在活塞腔43顶部设置有通气孔41，在活塞腔43上部和底部分别设置有密封圈42和密封环46，分别动态连接活塞拉杆8的顶部和包裹活塞拉杆8的出口处；在活塞腔43下部分别设置有出水口44和注水口45。
67.其工作机理是：
68.拉杆式活塞4为传力机构，与活塞拉杆8配套使用，活塞腔43内充满水，活塞拉杆8顶部作用于活塞腔43内水体，活塞拉杆8受拉时将拉力转换为出水口44的输出水压力。
69.5)水压表5
70.为常用件。
71.6)注水阀门6
72.为常用件。
73.7)注水管7
74.为常用件。
75.8)活塞拉杆8
76.为常用件，是一种长杆。
77.9)滑轮加载系统9
78.如图1，滑轮加载系统9包括横梁90、定滑轮91、钢丝绳92、动滑轮93、制动器94、砝码95、导向支架96、托盘97、缓冲垫98和导向支座99；
79.(0)横梁90
80.为常用件，即一根横杆,用于支撑导向支架96，横梁90中心开孔供钢丝绳92竖直通过。
81.(1)定滑轮91
82.定滑轮91包括第1定滑轮911、第2定滑轮912、第3定滑轮913和第4定滑轮914，为常用件。
83.(2)钢丝绳92
84.钢丝绳92包括第1钢丝绳921和第2钢丝绳922，为常用件。
85.(3)动滑轮93；
86.为常用件。
87.(4)制动器94
88.为常用件，是一种电动夹具，用于夹紧钢丝绳92。
89.(5)砝码95
90.如图3，砝码95包括左砝码块951和右砝码块952；
91.左砝码块951和右砝码块952的中心设置有导向孔953；
92.左砝码块951的右侧设置有通孔954，右砝码块952的左侧设置有通孔954。
93.(6)导向支架96
94.为常用件，包括左右两根圆柱形竖杆。
95.(7)托盘97
96.为常用件，即一圆盘。
97.(8)缓冲垫98；
98.为常用件，即一软垫。
99.(9)导向支座99。
100.为常用件，即一方形块。
101.其位置和连接关系是：
102.在第1安装平台01上面，从左至右依次设置有试验模型1、第1定滑轮911、第2定滑轮912和导向支座99；在第3安装平台03下面，从左至右依次设置有第3定滑轮913、制动器94和第4定滑轮914；活塞拉杆8的底部连接第1钢丝绳921，第1钢丝绳921穿过第1定滑轮911、第2定滑轮912后和动滑轮93连接；第2钢丝绳922，其首端固定在第3安装平台03下面的最左边，并依次穿过动滑轮93、第3定滑轮913、制动器94和第4定滑轮914，其尾端和托盘97连接；
103.以第2钢丝绳922尾端和托盘97连接处为垂直中心线，从上到下依次设置横梁90、导向支架96、缓冲垫(98)和导向支座99，构成加载机构；在托盘97上加载砝码95，得到不同的加载力。
104.其工作机理是：
105.在托盘97上加载不同质量砝码95，得到不同的加载力；第1定滑轮911、第2定滑轮912、第3定滑轮913和第4定滑轮914用于改变加载力传递方向，动滑轮93将加载力放大2倍输出；导向支架96穿过砝码95的导向孔953，第二钢丝绳922穿过砝码95中心通孔954，保证
加载力稳定输出。
106.二、装置的实施例
107.本实施例提供一种岩石力学室内试验稳定水压加载装置，如图1、2、3所示，包括安装平台0、试验模型1、出水管2、出水阀门3、拉杆式活塞4、水压表5、注水阀门6、注水管7、活塞拉杆8和滑轮加载系统9。
108.拉杆式活塞4设置于第2安装平台02上，由通气孔41、密封圈42、活塞腔43、出水口44、注水口45和密封环46组成；活塞腔43和活塞拉杆8为圆柱形；拉杆式活塞4和活塞拉杆8材质为高强度不锈钢；拉杆式活塞4设计最大稳定输出水压为20mpa；活塞拉杆8直径为0.5cm；活塞拉杆8一端作用于活塞腔43内水体，另一端与滑轮加载系统9相连；拉杆式活塞4壁厚度为5cm，保证加载过程中活塞壁能够抵抗20mpa水压；活塞腔43直径为1.23cm；活塞腔43横截面水体面积(活塞腔43横截面面积-活塞拉杆8横截面面积)为1cm2；活塞拉杆8位于拉杆式活塞4内部的一端设有密封圈42；当活塞拉杆8运动最大行程时，注水口45和出水口44仍位于密封圈42上边缘下方；拉杆式活塞4下端活塞拉杆8伸出部位设有密封环46；密封圈42和密封环46耐压设计值均大于20mpa；活塞腔43顶部设置有通气孔41以避免活塞拉杆8向下运动过程中其上方活塞腔壁与活塞拉杆8之间产生真空负压，右侧设有注水口45与注水管7相连，左侧设有出水口44与试验模型1通过出水管2相连；试验模型1为待测含裂隙岩石或类岩石材料试件；出水管2与出水口44连接处设置有出水阀门3；注水管7上装有水压表5和注水阀门6；水压表5最大量程、注水阀门6和出水阀门3耐压设计值均大于20mpa；
109.滑轮加载系统9由横梁90、第1定滑轮911、第2定滑轮912、第3定滑轮913、第4定滑轮914，第1钢丝绳921、第2钢丝绳922、动滑轮93、制动器94、砝码95、托盘97、导向支架96、缓冲垫98和导向支座96组成；第1定滑轮911、第2定滑轮912和导向支座96固定于第1安装平台01上；第3定滑轮913、第4定滑轮914和制动器94固定于第3安装平台03上；第1钢丝绳921一端与活塞拉杆8相连并绕过第1定滑轮911、第2定滑轮912与动滑轮93相连；第一定滑轮911上方第1钢丝绳921与活塞拉杆8的连接段与活塞拉杆8轴线位于同一竖直线上，保证活塞拉杆8轴心受力；第一定滑轮911上方第1钢丝绳921与活塞拉杆8的连接段长度大于活塞拉杆8的最大行程，避免岩石试件破裂后水压迅速降低导致活塞拉杆8撞击下方第1定滑轮911；第2钢丝绳922一端固定于第3安装平台03上，另一端依次穿过动滑轮93、第3定滑轮913、制动器94、第4定滑轮914、横梁90与托盘97相连；动滑轮93两侧第2钢丝绳922段竖直放置；第2钢丝绳922与托盘19的连接段竖直放置；导向支架96固定于导向支座99上，导向支架96上方横梁90可以拆卸，横梁90中心开孔，供第2钢丝绳922穿过；导向支架96为圆柱形光滑钢管；导向支座99上设有缓冲垫98；砝码95悬挂于托盘97上；每一个砝码95均由对称的左砝码块951和右砝码块952组成，中心设有通孔954，供第2钢丝绳922穿过；砝码95中轴线上设有两个对称的导向孔953，导向孔953打磨光滑，导向孔953大小和间距分别与导向支架96的直径和间距一致，砝码95可以穿过导向支架96上下滑动，保证加载稳定；砝码95具有多个尺寸，保证输出水压精度达到0.1mpa；托盘97下端到缓冲垫98之间的距离应该小于两倍活塞拉杆8最大行程，避免岩石试件破裂后水压迅速降低导致活塞拉杆8冲击拉杆式活塞4底部。
110.三、在上述结构设计的基础上，本发明提供的装置具体实施步骤如下：
111.1、注水：注水前保持滑轮加载系统9空载，如果托盘97上悬挂有砝码95，拆卸横梁90，将砝码95从导向支架96上取出；注水时，首先打开注水阀门6和出水阀门3，将注水管7与
水泵连接，排出拉杆式活塞4和出水管2中空气，关闭出水阀门3，通过水泵水压将活塞拉杆8推回拉杆式活塞4顶部，关闭注水阀门6，关闭水泵。
112.2、加载：启动制动器94夹紧第二钢丝绳922，拆卸横梁90，将设定水压值对应的砝码95穿过导向支架96悬挂于托盘97上，设定水压值p与砝码质量m换算公式如下：
113.p＝2mg/(s1-s2)
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(1)
114.式中，g为重力加速度，s1为活塞腔43的横截面面积，s2为活塞拉杆8的横截面面积，式中乘以系数2是因为动滑轮93将第1钢丝绳921的拉力放大为砝码95重量的两倍，在本实施例中，s1-s2＝1cm2，取重力加速度g＝9.8m/s2，当拉杆式活塞4输出水压为20mpa时，对应的砝码95质量为102.041kg。
115.关闭制动器94，观察水压表5的数值，由于荷载传递过程中不可避免存在一定的阻力，实际水压值会比理论计算值偏小，需要增加额外质量的砝码使水压表5示数达到设定水压值；如果水压表5示数不能稳定，说明拉杆式活塞4与活塞拉杆8的连接处密封性不良，需要检修；当水压表5示数达到设定水压值且保持稳定时，打开出水阀门3，完成稳定水压加载。
116.3、开始试验：开启岩石力学试验机，进行试验模型1的单轴，双轴，三轴及蠕变试验。
117.4、卸载：关闭岩石力学试验机，撤除水泵，拆卸横梁90，将砝码95从导向支架96取出，安装横梁90；打开注水阀门6，将拉杆式活塞4内部水排空，结束本次试验。
118.本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。