多联岩体模拟试验检测设备.pdf

本发明公开了一种多联岩体模拟试验检测设备，该设备设置有3个以上的试验组，每个试验组分别包括一套轴向加载系统、压力室、围压加载系统、检测数据记录系统，各试验组可同时进行不同的模拟试验检测。采用这样的结构可以节省试验时间。本发明全部试验组与一套计算机系统连接并由该计算机系统控制，计算机系统接收由轴向加载系统、压力室输出的数据并与预先设定的模拟数据进行对比，根据对比结果向轴向加载系统、围压加载系统发出调整指令使压力室主压、围压保持稳定，并自动记录检测结果。计算机系统的数据采样速度和响应速度快，因而试验的成功率和准确性高。

1.  一种多联岩体模拟试验检测设备，包括框架、压力室、轴向加载系统、围压加载系统、检测数据记录系统，其中压力室是一个带有活塞的液密封容器，活塞向压力室中的岩体试样施加主压，该主压由与活塞相连接的轴向加载系统提供，压力室内的环境压力由围压加载系统提供，其特征在于：该设备设置有3个以上的试验组，每个试验组分别包括一套压力室、轴向加载系统、围压加载系统、检测数据记录系统，每个轴向加载系统安装有主压传感器、位移传感器，每个压力室安装有围压传感器、变形传感器，各试验组独立进行不同的模拟试验检测；全部试验组与一套计算机系统连接并由该计算机系统控制，该计算机系统接收由轴向加载系统、压力室输出的数据并与预先设定的模拟数据进行对比，根据对比结果向轴向加载系统、围压加载系统发出调整指令使压力室主压、围压保持稳定，并自动记录检测结果。

2.  按照权利要求1所述的多联岩体模拟试验检测设备，其特征在于：所述的轴向加载系统包括油箱、油泵、蓄能器、伺服阀、工作油缸、主压传感器、位移传感器，其中：油箱与油泵通过管道连接，油泵通过管道与伺服阀连接，伺服阀通过管道工作油缸连接，主压传感器、位移传感器与工作油缸连接，蓄能器通过管道连接在油泵与伺服阀之间的管道上；所述的压力室活塞与工作油缸连接，所述的计算机系统与主压传感器、位移传感器、伺服阀连接。

3.  按照权利要求1所述的多联岩体模拟试验检测设备，其特征在于：所述的围压加载系统包括油箱、油泵、蓄能器、伺服阀、增压器，其中：油箱与油泵通过管道连接，油泵通过管道与伺服阀连接，伺服阀通过管道与增压器连接，增压器通过管道与所述的压力室连接，蓄能器通过管道连接在油泵与伺服阀之间的管道上；所述的计算机系统与伺服阀、压力室中的围压传感器连接。

4.  按照权利要求1所述的多联岩体模拟试验检测设备，其特征在于：所述框架由支架、工作台、若干高度相同的支柱、上梁、与试验组数量相同的导轨组、承压板、油缸组成，其中：工作台呈上表面为平面的长条形，安装在支架上；导轨组和油缸安装在工作台的上表面，各导轨组相互平行沿工作台的纵向排列，每个油缸对应一个导轨组，位于导轨组的一端；每个导轨组上各安装一个承压板，各承压板与对应的油缸连接，在油缸推动下可沿导轨组滑动；各支柱安装在工作台上表面，上梁为长板形，安装在支柱上，支柱与上梁的安装位置使上梁与工作台的纵向平行并位于工作台安装油缸那一侧的上方；各试验组的压力室分别安装在各导轨组的承压板上；各试验组的围压加载系统位于工作台下面，沿工作台纵向排列，位置与各试验组的压力室对应；各试验组的轴向加载系统中的伺服阀、蓄能器、工作油缸安装在上梁上表面，沿上梁纵向排列，位置与各试验组的压力室对应。

5.  按照权利要求1所述的多联岩体模拟试验检测设备，其特征在于：所述试验组为5组。

6.  按照权利要求1、2、3、4、5所述的多联岩体模拟试验检测设备，其特征在于：所述的压力室内安装有与计算机系统连接的可调电加热器、温度传感器。

多联岩体模拟试验检测设备
技术领域
本发明涉及一种用模拟环境试验、检测岩体物理特性变化的设备。
背景技术
地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。实践表明，在高应力区地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内部引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。
对于天然岩体应力状态、区域岩体应力积累和岩体变形之间的关系的研究，是工程地质学的一项重要任务。随着生产建设的发展及岩体力学研究的进一步深入，对检测设备要求越来越高。
基于岩体模拟试验检测的“三轴试验仪”国内开发过几个系列产品，但这些产品对自然环境的模拟、对试样在地壳深层受力状况的模拟及对岩石的蠕变性(也称岩石流变性)的“脆延性临界应变速率”的测定都不够准确。另外试验中使用一台主机时一次只能做一个试验(有些试验需180天以上)。由于地下深处为不可见环境，对不同深度或同一深度不同位置的岩样都要进行检测试验及对比试验，这对一台主机来说是不可能做到的，即使去做也因时异事异导致试验结果与实际数据有很大误差，而且试验周期长，工期会受到严重影响。再有老设备采用的控制系统其数据采样速度及响应速度慢，常常导致试验失败，对全过程曲线及脆延性临界应变速率的试验，准确性也很差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种岩体模拟试验检测设备，使用该设备可以同时模拟多种不同的自然环境，对多个岩体试样同时进行模拟试验检测，另外该设备具有较高的数据采样速度和响应速度。
为解决上述技术问题，本发明岩体模拟试验检测设备包括框架、压力室、轴向加载系统、围压加载系统、检测数据记录系统，其中压力室是一个带有活塞的液密封容器，活塞向压力室中的岩体试样施加主压，该主压由与活塞相连接的轴向加载系统提供，压力室内的环境压力(围压)由围压加载系统提供。本发明设置有3个以上的试验组，每个试验组分别包括一套轴向加载系统、压力室、围压加载系统、检测数据记录系统，每个轴向加载系统安装有主压传感器、位移传感器，每个压力室安装有围压传感器、变形传感器，各试验组可同时进行不同的模拟试验检测。本发明全部试验组与一套计算机系统连接并由该计算机系统控制，计算机系统接收由轴向加载系统、压力室输出的数据并与预先设定的模拟数据进行对比，根据对比结果向轴向加载系统、围压加载系统发出调整指令使压力室主压、围压保持稳定，并自动记录检测结果。
由于本发明设置了多个试验组，可以对每个试验组的压力室设定不同的主压、围压，因而可以模拟不同的自然环境，同时对多个岩体试样做模拟试验检测，大大缩短了试验时间。由于采用计算机系统控制各试验组，数据采样速度和响应速度很快，因而提高了压力室模拟环境的稳定性，从而提高了试验的成功率及试验结果的准确性。
作为本发明的一种优选结构，所述的轴向加载系统包括油箱、油泵、蓄能器、伺服阀、工作油缸、主压传感器、位移传感器，其中：油箱与油泵通过管道连接，油泵通过管道与伺服阀连接，伺服阀通过管道与工作油缸连接，主压传感器、位移传感器与工作油缸活塞连接，蓄能器通过管道连接在油泵与伺服阀之间的管道上；所述的压力室活塞与工作油缸连接，所述的计算机系统与主压传感器、位移传感器、伺服阀连接。
本发明的加载系统采用上述结构，在进行模拟试验时，油泵将油箱中的油输入伺服阀，通过伺服阀向工作油缸提供油压，工作油缸将主压施加于压力室活塞。计算机系统接收主压传感器、位移传感器的数据，根据不同的试验目的和预先设定的数据，控制伺服阀，通过工作油缸向压力室活塞施加恒定的主压、或匀速增加的主压、或使压力室活塞匀速推进，采集并记录实验数据。
作为本发明的又一种优选结构，所述的围压加载系统包括油箱、油泵、蓄能器、伺服阀、增压器，其中：油箱与油泵通过管道连接，油泵通过管道与伺服阀连接，伺服阀通过管道与增压器连接，增压器通过管道与压力室连接，蓄能器通过管道连接在油泵与伺服阀之间的管道上；所述的计算机系统与伺服阀、压力室中的围压传感器连接。
本发明的围压加载系统采用上述结构，由油泵经伺服阀向增压器输入带有一定压力的油，经增压器增压后输入压力室，形成压力室的围压。计算机系统接收围压传感器的数据，与预先输入的模拟数据进行对比，当误差超过预定数值时向伺服阀发出调整指令，改变伺服阀对增压器输出的油压，进而改变增压器向压力室的输出油压，保持压力室围压的恒定。在油泵因停电、发生故障等原因停止工作时，蓄能器可在一定时间内继续向伺服阀提供油压，保持试验的连续性。
作为本发明的又一种优选结构，所述框架由支架、工作台、若干高度相同的支柱、上梁、与试验组数量相同的导轨组、承压板、油缸组成，其中：工作台呈上表面为平面的长条形，安装在支架上；导轨组和油缸安装在工作台的上表面，各导轨组相互平行沿工作台的纵向排列，每个油缸对应一个导轨组，位于导轨组的一端；每个导轨组上各安装一个承压板，各承压板与对应的油缸连接，在油缸推动下可沿导轨组滑动；各支柱安装在工作台上表面，上梁为长板形，安装在支柱上，支柱与上梁的安装位置使上梁与工作台的纵向平行并位于工作台安装油缸那一侧的上方；各试验组的压力室分别安装在各导轨组的承压板上；各试验组的围压加载系统位于工作台下面，沿工作台纵向排列，位置与各试验组的压力室对应；各试验组的轴向加载系统中的伺服阀、蓄能器、工作油缸安装在上梁上表面，沿上梁纵向排列，位置与各试验组的压力室对应。
本发明的框架采用上述结构，使工作台上表面分为两个工区：上梁下方一侧为试验工区，另一侧为装卸工区。装卸工区可进行更换压力室内岩体试样等操作，试验工区用于将压力室与本发明其他系统相连接并进行模拟试验。由于压力室很重，不易移动，而将其安装在承压板上，在油缸推动下沿导轨组滑动，可方便地在两个工区之间移动。
作为本发明的又一种优选结构，所述试验组为5组。
作为本发明的进一步改进，在所述的压力室内安装有与计算机系统相连接的温度传感器、可调电加热器，计算机系统接收温度传感器输出的数据并与预先设定的模拟数据对比，根据对比结果向可调电加热器发出调整指令从而使压力室的温度保持恒定。
由于在压力室中安装了可调电加热器，通过将围压油加热，可在压力室形成高温环境，因而在对高温区域的岩体试样进行模拟试验时，模拟环境更真实，试验结果更准确。
附图说明
图1是本发明多联岩体模拟试验检测设备中的压力室的剖视图
图2是本发明中的轴向加载系统的结构控制框图
图3是本发明中的围压加载系统的结构控制框图
图4是本发明多联岩体模拟试验检测设备的主视图
图5是本发明多联岩体模拟试验检测设备的立体示意图
具体实施方式
图1是本发明的压力室的剖视图，如图所示，该压力室4是一个液密封容器，该容器应足够坚固以承受容器内的油所产生的高压。在压力室4的上部有一个开口，一个活塞20安装在此开口上，活塞与开口的形状相配合，其配合程度应达到液密封；在试验时，由此活塞20向岩体试样22施压一定的轴向压力，即主压。在活塞20与岩体试样22的支撑座之间安装有变形传感器25，记录岩体试样22在轴向压力下而产生的径向变形，该变形与时间的关系、轴向压力与时间的关系及岩体试样断裂临界状态轴向力与径向变形之间的关系，即本发明所做试验的结果。该变形传感器25与压力室4之外的计算机系统连接，由计算机系统采集变形数据并记录试验结果。在试验时围压加载系统通过保压孔23向压力室输入一定压力的油，将压力室充满，这些油对岩体试样22产生压力，即围压，用以模拟岩体试样在主压方向以外其他方向所受到的压力。压力室内还安装有围压传感器26、电加热器27及温度传感器28，在模拟高温环境时，电加热器27用于对压力室21内的油加温，该电加热器27及温度传感器28均与计算机系统连接，由计算机系统控制电加热器从而保持压力室温度恒定。压力室4中安装的所有传感器及电加热器均通过线孔24与压力室之外的计算机系统连接，该线孔24在容连线通过时保持压力室4液密封。
图2是本发明的加载系统的工作框图，如图所示，该加载系统包括油箱、油泵、蓄能器、伺服阀、工作油缸、主压传感器、位移传感器，并由计算机系统控制。油泵将油箱中的油输入到伺服阀，通过伺服阀建立一定油压，该油压经伺服阀传递给工作油缸，由工作油缸将压力施加在压力室的活塞上，形成压力室的主压。在油泵将一定压力的油输入伺服阀的同时也将同样压力的油输入蓄能器，在蓄能器内存储一定的能量，蓄能器可在一定时间内代替油泵向伺服阀提供油压，节省能源，使试验连续进行。与工作油缸相连接的主压传感器、位移传感器将数据输入计算机系统，当进行应力积累试验时，计算机系统依一定频率采集主压数据并与预先输入的模拟主压数据进行对比，当两个数据的差大于预定数值时，计算机系统向伺服阀发出相应的调整指令，改变流过伺服阀中油的流量，进而改变工作油缸向压力室活塞所施加的压力，减小该压力与模拟主压数据的差，维持压力室主压的恒定。当进行破坏试验时，计算机系统控制伺服阀，通过工作油缸以预先设定的增压速率对压力室活塞均匀增压，采集并记录岩体试样的轴向位移、径向变形数据；或控制伺服阀，通过工作油缸以预先设定的行程速率匀速推进压力室活塞，采集并记录岩体试样断裂的临界状态的应力、径向变形数据。
图3是本发明的围压加载系统的工作框图，如图所示，该围压加载系统包括油箱、油泵、蓄能器、伺服阀、增压器、围压传感器，并由计算机系统控制。油泵将油箱中的油输入伺服阀，通过伺服阀建立一定油压，该油压经伺服阀传递给增压器，由增压器将油增压后输入压力室，形成压力室的围压。在油泵将一定压力的油输入伺服阀的同时也将同样压力的油输入蓄能器，在蓄能器内存储一定的能量，蓄能器可在一定时间内代替油泵向伺服阀提供油压，节省能源，使试验连续进行。压力室安装有围压传感器，该围压传感器将数据输入计算机系统，计算机系统依一定频率采集该数据并与预先输入的模拟围压数据进行对比，当两个数据的差大于预定数值时，计算机系统向伺服阀发出相应的调整指令，改变通过伺服阀油的流量，进而改变增压器向压力室输出的油压，减小该压力与模拟围压数据的差，维持压力室围压的恒定。
图4、图5是本发明多联岩体模拟试验检测设备优选实施方式的主视图和立体图，为突出本发明的特点，图中没有示出计算机系统、检测数据记录系统。
如图所示，本发明的框架包括支架9、工作台6、上梁3、若干高度相同的支柱5、导轨组12、承压板11、油缸13，其中工作台6为长条形，上表面为平面，安装在支架9上。在工作台6的上表面安装有5个导轨组12，这些导轨组相互平行，沿工作台的纵向排列；每个导轨组上安装有1个承压板11，每个承压板与安装在导轨组一端的油缸13连接，在油缸13的作用下，承压板11可沿导轨组12滑动。支柱5安装在工作台6上表面靠近油缸13一侧。上梁3为长板形，与工作台6纵向平行，安装在支柱5上，该上梁3带有5个沿纵向排列、与各导轨组12位置相对应的垂直孔。这样的框架结构使工作台6上表面形成2个工区：上梁3下方一侧为试验工区，另一侧为装卸工区。
本优选实施方式设有5个试验组，每个试验组分别包括一套压力室、轴向加载系统、围压加载系统、检测数据记录系统。每个试验组对应一个导轨组，其中：压力室4固定安装在承压板11上；轴向加载系统中的蓄能器1、伺服阀2、工作油缸7安装在上梁3之上，油箱、油泵可安装在框架周围(图中未示出)，工作油缸7的压力轴通过上梁3的垂直孔向压力室4中的活塞施加轴向压力，主压传感器10安装在工作油缸7的压力轴上；围压加载系统8安装在工作台6之下与压力室4对应的位置，其中的增压器通过管道与压力室4中的保压孔连接。全部试验组的轴向加载系统、围压加载系统、检测数据记录系统由一套计算机系统控制。
在试验进行时，压力室4位于工作台6的试验工区；当试验结束，需更换岩体试样或进行其他操作，可将压力室4与工作油缸7的连接、与增压器的连接拆开，通过油缸13推动承压板11，将压力室4沿导轨组12推至装卸工区进行上述操作。
本发明并不局限于上述具体实施方式，只要在岩体模拟试验检测设备中设置了3个以上的试验组，各试验组可分别模拟不同的环境同时进行岩体试验检测，所有试验组由一套计算机系统控制并维持模拟环境的稳定，则不论采用何种结构的轴向加载系统、围压加载系统及框架，均落入本发明的保护范围。