一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，適用于巖土介質(zhì)在力-水-溫度不同耦合條件下變形和損傷實(shí)時(shí)跟蹤測量，包括MTS剛性壓力機(jī)、密閉透明試驗(yàn)箱、宏觀光學(xué)相機(jī)、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)、LVDT位移傳感器、濕度控制器、溫度濕度傳感器、控制和采集系統(tǒng)以及剛性工作平臺，該設(shè)備功能齊全，測量精度高，實(shí)時(shí)跟蹤材料損傷變化的細(xì)觀特征和宏觀表征，可以實(shí)現(xiàn)單軸條件下材料力學(xué)參數(shù)確定，水力損傷機(jī)理和長期流變機(jī)理識別，非常適合現(xiàn)代巖土研究需求。
【專利說明】一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)測量儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)適用于巖土介質(zhì)在力-水-溫度不同耦合條件下變形和損傷實(shí)時(shí)跟蹤測量，可以實(shí)現(xiàn)單軸條件下材料力學(xué)參數(shù)確定，水力損傷機(jī)理和長期流變機(jī)理識別。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土材料在工程建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)過程承受著不同力-水-溫度-化學(xué)等多種耦合作用的影響，尤其是在深部地下工程中(石油、天然氣戰(zhàn)略能源儲(chǔ)存、高放射性核廢料儲(chǔ)存、非常規(guī)油氣田開采)表現(xiàn)的更加突出。同時(shí)，巖土介質(zhì)往往存在顯著的非均質(zhì)性、非連續(xù)性及各向異性，其變形破壞分析涉及到宏細(xì)觀裂隙相互作用規(guī)律、局部弱化區(qū)的形成及演化過程。巖土介質(zhì)漸進(jìn)破壞機(jī)理是評價(jià)工程巖體宏觀力學(xué)參數(shù)的依據(jù)，也是預(yù)測地下工程圍巖垮塌、滑坡、巖爆、地震等地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)，也是獲取巖土介質(zhì)宏觀力學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵，是巖土力學(xué)重要組成部分。因此，研究巖土材料多場耦合條件下多尺度行為對于深刻揭示巖土介質(zhì)變形破壞機(jī)理及規(guī)律，預(yù)測工程災(zāi)害的發(fā)生及指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
[0003]根據(jù)對期刊文獻(xiàn)和?？瘷z索，關(guān)于巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)鮮有報(bào)道，目前，國內(nèi)外主要成果集中在巖土材料多場耦合試驗(yàn)。朱杰兵等(巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)若干進(jìn)展[J]，固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31，209-215)對三軸水力耦合系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，而關(guān)于利用光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行多場耦合測試的非常少，盛金昌等人(基于圖像數(shù)字化技術(shù)的裂隙巖石多場耦合分析，工程力學(xué)[J]，2007，24，30-35)主要是介紹圖像數(shù)字化技術(shù)對多場耦合不同階段的分階段分析，沒有多場耦合條件下的實(shí)時(shí)跟蹤，也沒有宏細(xì)觀不同尺度的測量分析介紹。
[0004]目前，在期刊和?？瘷z索內(nèi)均未搜到關(guān)于巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是在于提供了一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同荷載耦合條件下不同尺度全場應(yīng)變測量，為巖土材料宏細(xì)觀力學(xué)特性準(zhǔn)確測量提供技術(shù)支持，該設(shè)備功能齊全，測量精度高，非常適合現(xiàn)代巖土研究需求。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，包括MTS剛性壓力機(jī)、密閉透明試驗(yàn)箱、宏觀光學(xué)相機(jī)、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)、LVDT位移傳感器、濕度控制器、溫度濕度傳感器、控制和采集系統(tǒng)以及剛性工作平臺，其連接關(guān)系是=MTS剛性壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)活塞穿過密閉透明試驗(yàn)箱頂部，用可伸縮塑料膠套密封，MTS剛性壓力機(jī)的受力底座穿過密閉透明試驗(yàn)箱底部固定在剛性工作平臺上，用硅膠密封，LVDT位移傳感器的兩端分別固定在MTS運(yùn)動(dòng)活塞和底部受力支座上，LVDT位移傳感器在密閉透明試驗(yàn)箱內(nèi)，密閉透明試驗(yàn)箱通過支撐桿固定在剛性工作平臺上，宏觀光學(xué)相機(jī)鏡頭通過鏡頭保護(hù)密封圈伸入密閉透明試驗(yàn)箱內(nèi)一側(cè)，宏觀光學(xué)相機(jī)的機(jī)身通過可調(diào)定位桿固定在剛性工作平臺上，細(xì)觀光學(xué)相機(jī)的光學(xué)放大鏡頭通過鏡頭保護(hù)密封圈伸入密閉透明試驗(yàn)箱內(nèi)另一側(cè)，細(xì)觀光學(xué)相機(jī)的機(jī)身通過定位支座固定在剛性工作平臺上，密閉透明試驗(yàn)箱上設(shè)置濕氣進(jìn)口和濕氣出口，濕氣進(jìn)口和濕氣出口與濕度控制器相連，溫度濕度傳感器穿過密閉透明試驗(yàn)箱上小孔并設(shè)置于密閉透明試驗(yàn)箱內(nèi)，LVDT位移傳感器、宏觀光學(xué)相機(jī)、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)、濕度控制器及溫度濕度傳感器均與控制和米集系統(tǒng)相連。
[0007]定位支座X, y, z三個(gè)方向可以平移和轉(zhuǎn)動(dòng),通過電動(dòng)控制。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
①測量宏觀和細(xì)觀不同尺度(100Mffl-cm)全場應(yīng)變測量，相當(dāng)于在試樣表面貼了數(shù)以萬計(jì)不同方向的應(yīng)變片；
②實(shí)現(xiàn)力-水-溫度三種不同荷載耦合組合測試；
③實(shí)時(shí)跟蹤材料損傷變化的細(xì)觀特征和宏觀表征；
④系統(tǒng)通用性好、可靠性高、精度高(濕度變化可以控制在1%之內(nèi)，細(xì)觀尺度應(yīng)變精度達(dá)到10_4)，可以滿足巖土力學(xué)多場耦合細(xì)觀力學(xué)分析要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為一種巖土材料多場稱合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)不意圖。
[0010]其中:I一MTS剛性壓力機(jī),2 —運(yùn)動(dòng)活塞，3 —受:力底座，4一宏觀光學(xué)相機(jī)(IMPREX 16M)，5—鏡頭保護(hù)密封圈，6—細(xì)觀光學(xué)相機(jī)(Manta 4M)，7—定位桿，8—定位支座，9—支撐桿，10—密閉透明容器，11—?jiǎng)傂怨ぷ髌脚_，12—濕度控制器，13—濕氣進(jìn)口，14一濕氣出口，15 — LVDT位移傳感器，16—溫度濕度傳感器(JUM0)，17—控制和采集系統(tǒng)(PCI米集卡和Labview軟件)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施例1:
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
如圖1所不，一種巖土材料多場稱合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，它包括MTS剛性壓力機(jī)1、密閉透明試驗(yàn)箱10、宏觀光學(xué)相機(jī)4、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)6、LVDT位移傳感器15、濕度控制器12、溫度濕度傳感器16、控制和采集系統(tǒng)17以及剛性工作平臺11。MTS剛性壓力機(jī)I的運(yùn)動(dòng)活塞2穿過密閉透明試驗(yàn)箱10頂部，用可伸縮塑料膠套密封，MTS剛性壓力機(jī)I的受力底座3穿過密閉透明試驗(yàn)箱10底部固定在剛性工作平臺11上，用硅膠密封，LVDT位移傳感器15的一端利用金屬環(huán)固定在運(yùn)動(dòng)活塞2上，另一端金屬平板固定在受力底座3上，可伸縮的位移測量探頭與固定在受力底座3上的金屬平板接觸，測量探頭跟隨運(yùn)動(dòng)活塞2 —起運(yùn)動(dòng)，從而記錄軸向位移值，LVDT位移傳感器15在密閉透明試驗(yàn)箱10內(nèi)，密閉透明試驗(yàn)箱10通過支撐桿9固定在剛性工作平臺11上，宏觀光學(xué)相機(jī)4鏡頭通過鏡頭保護(hù)密封圈5伸入密閉透明試驗(yàn)箱10內(nèi)一側(cè)，宏觀光學(xué)相機(jī)4的機(jī)身通過可調(diào)定位桿7固定在剛性工作平臺11上，細(xì)觀光學(xué)相機(jī)6的光學(xué)放大鏡頭通過鏡頭保護(hù)密封圈5伸入密閉透明試驗(yàn)箱10內(nèi)另一側(cè)，細(xì)觀光學(xué)相機(jī)6的機(jī)身通過定位支座8固定在剛性工作平臺11上，密閉透明試驗(yàn)箱10上設(shè)置濕氣進(jìn)口 13和濕氣出口 14，濕氣進(jìn)口 13和濕氣出口 14與濕度控制器(JUM0)12相連，溫度濕度傳感器16穿過密閉透明試驗(yàn)箱10上小孔并設(shè)置于密閉透明試驗(yàn)箱10內(nèi)，LVDT位移傳感器15、宏觀光學(xué)相機(jī)4、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)6、濕度控制器12及溫度濕度傳感器16與控制和采集系統(tǒng)17相連。
[0012]MTS剛性壓力機(jī)I采用電液伺服控制系統(tǒng)，MTS剛性壓力機(jī)I通過運(yùn)動(dòng)活塞2將力施加于試樣端部，該MTS剛性壓力機(jī)I最大荷載為600KN，可以通過應(yīng)力或位移兩種加載方式實(shí)現(xiàn)，最低位移施加速度為lMm/s。
[0013]密閉透明試驗(yàn)箱10體積為600x450x450mm，最終密閉效果滿足試驗(yàn)需求，整體的濕度波動(dòng)控制在2%以內(nèi)，而溫度則幾乎是恒定不變。
[0014]宏觀光學(xué)相機(jī)4的型號為MPREX 16M，包括CXD圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、光圈調(diào)控及機(jī)身，該相機(jī)的像素為1600萬像素，其CCD圖像傳感器物理尺寸為24x36mm，并使用施耐德光學(xué)鏡頭進(jìn)行調(diào)焦，鏡頭和待測試樣表面保持24cm距離以確保最佳拍攝效果，機(jī)身通過可調(diào)定位桿7固定在剛性工作平臺11上，光學(xué)拍攝圖像通過數(shù)據(jù)線傳到計(jì)算機(jī)中。
[0015]細(xì)觀光學(xué)相機(jī)6的型號為Manta 4M,包括(XD圖像傳感器、光學(xué)放大鏡頭及機(jī)身，相機(jī)的像素為400萬像素，CCD圖像傳感器物理尺寸為15x15mm，并使用10倍放大光學(xué)鏡頭對待測試樣表面進(jìn)行跟蹤拍攝，機(jī)身安裝在X，1，z三個(gè)方向可以平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)控制定位支座8上，定位支座8固定在剛性工作平臺11上，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)IOnm平移精度控制，以確保細(xì)觀相機(jī)隨時(shí)根據(jù)材料變形而自動(dòng)跟蹤定位拍攝，光學(xué)拍攝圖像通過數(shù)據(jù)線傳到計(jì)算機(jī)中，該測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了和宏觀光學(xué)測量同步控制操作。
[0016]LVDT位移傳感器15和溫度濕度傳感器16分別安置在密閉試驗(yàn)箱10內(nèi)，通過PCI數(shù)據(jù)采集卡，將測量值傳遞到計(jì)算機(jī)中。宏觀光學(xué)相機(jī)測量、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)測量、LVDT測量、溫度濕度測量、濕度控制、加載控制均實(shí)現(xiàn)了電子控制、自動(dòng)采集分析，其中光學(xué)測量和數(shù)據(jù)采集采用Labview軟件編程，而濕度控制和加載控制用各自設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)。
[0017]進(jìn)行該試驗(yàn)測試前，需要對試樣進(jìn)行處理。首先以圓柱形試樣軸向?yàn)橹行木呐偾袃蓚€(gè)對稱面，并拋光處理后，放置進(jìn)封閉力學(xué)-溫度、濕度箱內(nèi)，進(jìn)行不同水力加載，利用兩臺不同高清相機(jī)對所拋光的表面進(jìn)行跟蹤拍攝，并利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)行圖像處理。
[0018]利用該試驗(yàn)設(shè)備對泥巖進(jìn)行2MPa下干濕循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線表明，該系統(tǒng)可以得到不同應(yīng)力條件濕度變化過程，材料從IOOMffl到10 cm不同尺度的應(yīng)變值，其宏觀(cm)測量精度為10_6，和應(yīng)變片測量比較吻合，細(xì)觀(Mm)測量精度為10_4。同時(shí)，通過該設(shè)備，得到了材料不同飽和度下力學(xué)參數(shù)(模量、強(qiáng)度、泊松比)，得到了材料細(xì)觀變化特征，為巖土水力耦合變形和損傷機(jī)理分析提供了試驗(yàn)依據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，包括剛性壓力機(jī)(I)、密閉透明試驗(yàn)箱(10)、宏觀光學(xué)相機(jī)(4)、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)(6)、位移傳感器(15)、濕度控制器(12)及剛性工作平臺(11)，其特征在于:剛性壓力機(jī)(I)的運(yùn)動(dòng)活塞(2)穿過密閉透明試驗(yàn)箱(10)頂部，用塑料膠套密封，剛性壓力機(jī)(I)的受力底座(3)穿過密閉透明試驗(yàn)箱(10)底部固定在剛性工作平臺(11)上，用硅膠密封，位移傳感器(15 )安裝在運(yùn)動(dòng)活塞(2 )和底部受力支座(3 )上，位移傳感器(15)在密閉透明試驗(yàn)箱(10)內(nèi)，密閉透明試驗(yàn)箱(10)通過支撐桿(9)固定在剛性工作平臺(11)上，宏觀光學(xué)相機(jī)(4)鏡頭通過鏡頭保護(hù)密封圈(5)伸入密閉透明試驗(yàn)箱(10)內(nèi)一側(cè)，宏觀光學(xué)相機(jī)(4)的機(jī)身通過定位桿(7)固定在剛性工作平臺(11)上，細(xì)觀光學(xué)相機(jī)(6)的光學(xué)放大鏡頭通過鏡頭保護(hù)密封圈(5)伸入密閉透明試驗(yàn)箱(10)內(nèi)另一側(cè)，細(xì)觀光學(xué)相機(jī)(6)的機(jī)身通過定位支座(8)固定在剛性工作平臺(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:所述的密閉透明試驗(yàn)箱(10)上設(shè)置濕氣進(jìn)口(13)和濕氣出口(14)，濕氣進(jìn)口(13)和濕氣出口( 14)與濕度控制器(12)相連，溫度濕度傳感器(16)穿過密閉透明試驗(yàn)箱(10)上小孔并設(shè)置于密閉透明試驗(yàn)箱(10)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖土材料多場耦合多尺度宏細(xì)觀試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:所述的位移傳感器(15)、宏觀光學(xué)相機(jī)(4)、細(xì)觀光學(xué)相機(jī)(6)、濕度控制器(12)及溫度濕度傳感器(16)與控制和采集系統(tǒng)(17)相連。
【文檔編號】G01N33/24GK103698493SQ201310742825
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】楊典森, 陳衛(wèi)忠 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所