專利名稱：一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程試驗(yàn)儀器領(lǐng)域，特別涉及實(shí)現(xiàn)在軟巖三軸不 浸水和飽水兩種條件下對(duì)其力學(xué)效應(yīng)研究和表面細(xì)觀特征(如；裂紋、 孔隙)的觀測(cè)，并涉及試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
軟弱巖體廣泛分布與世界各地，在天然狀態(tài)下較為完整、堅(jiān)硬， 力學(xué)性能良好，但遇水后短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹、崩解和軟化，從而造成 巖體的力學(xué)損傷，并導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)快速地大幅度降低。這種軟弱巖 體賦存于在自然環(huán)境中，在地下水位較高的地區(qū)，其在實(shí)際工程條件 下主要承受兩種效應(yīng)的耦合作用， 一是三向受壓的應(yīng)力損傷作用；二 是水的浸泡軟化(損傷)作用。正是這兩種效應(yīng)的共同作用，使得軟 巖具有特殊的軟化特性。目前國(guó)內(nèi)這方面研究處于起步階段，關(guān)于軟 巖軟化機(jī)制以及水-力耦合作用下變形破壞過(guò)程的研究主要集中于定 性的分析，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)軟巖軟化過(guò)程的有效模擬和定量分析，其要本 原因是缺乏與研究相配套的試驗(yàn)設(shè)備。而當(dāng)前巖石三軸試驗(yàn)機(jī)主要用 于研究荷載作用下巖石變形破壞過(guò)程中的力學(xué)特征，采用油作為工作 液體來(lái)提供圍壓，并要求巖石試件必須包膜保護(hù)，無(wú)法模擬軟巖在實(shí) 際工程中的軟化條件(同時(shí)考慮水一力的耦合作用)，同時(shí)也不能滿 足在水一力耦合的軟巖軟化過(guò)程中表面細(xì)觀特征觀測(cè)的要求。因此，
4設(shè)計(jì)一種能夠模擬高壓水環(huán)境下巖石與水相互耦合作用，同時(shí)能夠在 試驗(yàn)中對(duì)巖樣進(jìn)行實(shí)時(shí)細(xì)觀特征觀測(cè)的試驗(yàn)設(shè)備成為必然的要求。
因此，在原有巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)水一 力耦合的軟巖軟化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，本系統(tǒng)同時(shí)保留 了原有巖石三軸試驗(yàn)機(jī)使用油作為圍壓液體的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn) 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不浸水(由油提供圍壓)和水一力耦合作用兩種情況下 軟巖軟化過(guò)程的模擬以及表面細(xì)觀特征的研究。
為達(dá)到本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下
基于多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括由壓力 室，壓力控制系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，顯微觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)組成。
下面詳細(xì)介紹各部分的具體組成與功能
1. 壓力室由壓力室外殼，壓力室觀察窗，巖樣底座承臺(tái)，巖樣 軸向加載軸組成。
壓力室由不銹鋼制成， 一側(cè)開(kāi)有玻璃觀察窗，便于用顯微鏡觀察 試驗(yàn)過(guò)程中軟巖表面特征，壓力室內(nèi)部的情況；在壓力室的中軸上， 從下到上依次分布為巖樣底座承臺(tái)、巖樣以及巖樣軸向加載軸，可實(shí) 現(xiàn)對(duì)巖樣進(jìn)行軸向加壓；水溶液或油存在于中軸設(shè)備與壓力室外殼之 間，提供巖樣的水環(huán)境和徑向壓力。
2. 壓力控制系統(tǒng)由軸向加壓控制系統(tǒng)，軸向加壓設(shè)備，圍壓控制系統(tǒng)、圍壓加載設(shè)備組成。
壓力控制系統(tǒng)用于對(duì)壓力的大小進(jìn)行控制。根據(jù)不同的試驗(yàn)方案，在不同的時(shí)間段由壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)巖樣軸向壓力和徑向圍壓，使之能夠模擬工程中的各種施工方案下巖石的承壓情況，同時(shí)圍壓控制系統(tǒng)通過(guò)圍壓加載設(shè)備提供對(duì)壓力室中充水或油并加壓的功能。'
3. 測(cè)量系統(tǒng)由軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，徑向數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。
測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)有傳感器組成的軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和徑向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，及時(shí)的將巖樣軸向與徑向的應(yīng)力、應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，再反饋到伺服控制系統(tǒng)。
4. 伺服控制系統(tǒng)由兩個(gè)伺服控制器與組成。伺服控制器分別與軸向加壓控制系統(tǒng)和軸向壓力測(cè)量系統(tǒng)相連，
并根據(jù)軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)反饋的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，及時(shí)通過(guò)軸向加壓控制系統(tǒng)調(diào)整軸向壓力；伺服控制器分別與圍壓控制系統(tǒng)和徑向壓力測(cè)量系統(tǒng)相連，并根據(jù)徑向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)反饋的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，及時(shí)通過(guò)圍壓控制系統(tǒng)調(diào)整徑向圍壓。同時(shí)兩個(gè)伺服控制器將應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁咝阅苡?jì)算機(jī)中。
5. 顯微觀測(cè)系統(tǒng)由顯微鏡，顯微鏡支架，圖像采集器，圖像分析器組成。
顯微觀測(cè)系統(tǒng)用顯微鏡來(lái)觀察巖石表面裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，并利用圖像采集器對(duì)巖石表面特征(如裂紋、孔隙等)進(jìn)行捕捉，并將采集到的信號(hào)傳輸?shù)綀D像分析器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，最傳輸?shù)礁咝阅苡?jì)算機(jī)中。
6.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有兩臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組成。
其中 一 臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)用于記錄伺服控制系統(tǒng)傳輸進(jìn)來(lái)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)及工作情況，并將采集的數(shù)據(jù)以可視化的方式展現(xiàn)給用戶；另一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)與顯示顯微觀測(cè)系統(tǒng)采集的圖像信號(hào)，并可根據(jù)用戶的要求作進(jìn)一步處理。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為
1、 可以按照一般軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的工作方式對(duì)巖樣進(jìn)行觀測(cè)。
2、 能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際工程中軟巖軟化條件的模擬，可以開(kāi)展不同荷載、不同飽水時(shí)間下軟巖軟化的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)，為開(kāi)展軟巖軟化機(jī)制及力學(xué)耦合效應(yīng)研究提供可靠的依據(jù)。
3、 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軟巖軟化過(guò)程中表面特征(如裂紋萌生、擴(kuò)展等)的高精度、高分辨率地捕捉、跟蹤和識(shí)別以及全程動(dòng)態(tài)記錄。
4、 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、穩(wěn)定性好、可操作性強(qiáng)、儀器高度方便，對(duì)安裝測(cè)試人員沒(méi)有很強(qiáng)的技術(shù)要求。


圖l是本發(fā)明的組成部分示意圖其中
A——壓力室
Al——壓力室外殼 A2——壓力室觀察窗
A3——巖樣底座承臺(tái) A4——巖樣軸向加載軸B——壓力控制系統(tǒng)
Bl——軸向加壓控制系統(tǒng)B2——軸向加壓設(shè)備
B3——圍壓控制系統(tǒng) B4——圍壓加載設(shè)備 C——測(cè)量系統(tǒng)
Cl——軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)C2——徑向壓力數(shù)據(jù)系統(tǒng)
C3——數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
D——伺服控制系統(tǒng)
Dl——伺服控制器
E——顯微觀測(cè)系統(tǒng)
El——顯微鏡
E2——圖像采集器
D2——伺服控制器
E3——顯微鏡支架 E4——圖像分析器
F—計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
Fl——高性能計(jì)算機(jī) F2~^高性能計(jì)算機(jī) G——巖樣
圖2是具體實(shí)施方式
流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖1和2詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的使用方式。 本發(fā)明的具體使用步驟如下-
1. 依次安放好試驗(yàn)設(shè)備，連接好各個(gè)子系統(tǒng)。
2. 將巖石試樣放置與壓力室A中，安裝軸向與徑向數(shù)據(jù)測(cè)量系 統(tǒng)C1、 C2。
3. 啟動(dòng)電源，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)D設(shè)定加載控制的方式，加載速率及荷載級(jí)別。
4. 調(diào)節(jié)顯微觀測(cè)系統(tǒng)E，使之能夠清晰的觀察軟巖表面的情況; 同時(shí)設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)C中的數(shù)據(jù)采集頻率和后處理要求。
5. 啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)B，通過(guò)軸向加壓控制系統(tǒng)B1及圍壓控制 系統(tǒng)B3對(duì)壓力室中的施加的軸向壓力和圍壓進(jìn)行控制。
6. 啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)C和顯微觀測(cè)系統(tǒng)E，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和軟 巖樣品表面觀察。
7. 將測(cè)量系統(tǒng)C采集的數(shù)據(jù)通過(guò)伺服控制器D傳輸給高性能計(jì) 算機(jī)Fl，通過(guò)處理，將數(shù)據(jù)以可視化的形式展現(xiàn)給用戶；將通過(guò)顯 微觀測(cè)系統(tǒng)E拍攝的照片傳輸給高性能計(jì)算機(jī)F2，通過(guò)視頻和圖像 處理軟件展示給用戶，并將拍攝的照片進(jìn)行存儲(chǔ)。
8. 持續(xù)步驟7，直至試驗(yàn)結(jié)束。
權(quán)利要求
1、一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于由壓力室，壓力控制系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，顯微觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。
2、按權(quán)利要求1所述的一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于壓力室由壓力室外殼，壓力室觀察窗，巖樣底座承臺(tái)，巖樣軸向 加載軸組成。壓力室觀察窗位于壓力室外殼一側(cè)，按壓力室中軸從下到上依次 安放巖樣底座承臺(tái)、巖樣和巖樣軸向加載軸；圍壓水或油填充與壓力 室外殼與中軸設(shè)備之間。其中，巖樣軸向加載軸與壓力控制系統(tǒng)和測(cè) 量系統(tǒng)相連，圍壓水或油與壓力控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)相連。
3、 按權(quán)利要求1和2所述的一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于-壓力控制系統(tǒng)由軸向加壓控制系統(tǒng)，軸向加壓設(shè)備，圍壓控制系 統(tǒng)以及圍壓加載設(shè)備組成。壓力控制系統(tǒng)中軸向加壓控制系統(tǒng)與伺服控制系統(tǒng)中伺服控制 器相連接；壓力控制系統(tǒng)中圍壓控制系統(tǒng)與伺服控制系統(tǒng)中伺服控制 器相連接；軸向加壓設(shè)備、圍壓加載設(shè)備與壓力室相連。
4、 按權(quán)利要求1和2所述的一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于測(cè)量系統(tǒng)由軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，徑向壓力數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。測(cè)量系統(tǒng)中軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，徑向壓力數(shù)據(jù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)相連，再分別與伺服控制系統(tǒng)中伺服控制器相連接。
5、 按權(quán)利要求1和3所述的一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于伺服控制系統(tǒng)由兩個(gè)伺服控制器組成。兩個(gè)伺服控制器都與高性 能計(jì)算機(jī)相連。
6、 按權(quán)利要求1所述的一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬 試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于顯微觀測(cè)系統(tǒng)由顯微鏡，顯微鏡支架，圖像采集器，圖像分析器 組成。顯微觀測(cè)系統(tǒng)的安放次序?yàn)椋瑢@微鏡安放在顯微鏡支架，將圖 像采集器安裝在顯微鏡上，并連接到圖像分析器上。顯微觀測(cè)系統(tǒng)中圖像分析器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中高性能計(jì)算機(jī)相連接。
7、 按權(quán)利要求1、 5和6所述的一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由兩臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)與伺服控制系統(tǒng)相連接；計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)中的另一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)與顯微觀測(cè)系統(tǒng)中圖像分析器連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能軟巖軟化過(guò)程動(dòng)態(tài)細(xì)觀模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由壓力室，壓力控制系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，顯微觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際工程中軟巖軟化條件的模擬，對(duì)軟巖軟化過(guò)程中表面特征進(jìn)行高精度、高分辨率地捕捉、跟蹤和識(shí)別以及全程動(dòng)態(tài)記錄。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101482465SQ20091003662
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者動(dòng) 劉, 周翠英, 磊 張, 朱鳳賢, 煒 黃 申請(qǐng)人:中山大學(xué)