基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，包括注水機構(gòu)和加載機構(gòu)，注水機構(gòu)包括電動加壓執(zhí)行設(shè)備、數(shù)字控制系統(tǒng)和水壓傳導(dǎo)設(shè)備，電動加壓執(zhí)行設(shè)備包括支座，支座上分別設(shè)有固定安裝的儲水管和能在支座上前后移動的動力機構(gòu)，動力機構(gòu)通過動力傳動機構(gòu)與設(shè)置于儲水管中且能沿儲水管軸向移動的密閉活塞相連，儲水管內(nèi)腔與進出水裝置連通，儲水管一端與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通，水壓傳導(dǎo)設(shè)備的墊塊與試件模型相配合，且通過加載機構(gòu)將墊塊與試件模型壓緊；數(shù)字控制系統(tǒng)分別與動力機構(gòu)以及設(shè)置于儲水管中監(jiān)測水壓壓力變化的壓力傳感器相連。本發(fā)明同時公開了利用該裝置的試驗方法。本發(fā)明克服了在試件模型中預(yù)置中空裂隙和注水的難題。
【專利說明】基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置及試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置及試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脆性材料的破壞過程和內(nèi)部裂隙擴展演化規(guī)律一直是包括巖石力學(xué)的固體力學(xué)研究的重點和難點。因巖體中普遍含有許多三維裂隙而且多數(shù)是中空的，它們強烈地影響著巖體的變形和強度特性。所以三維裂隙或其它材料的擴展與演化規(guī)律一直是巖石力學(xué)研究的重點內(nèi)容之一。
[0003]目前，室內(nèi)試驗則是研究巖石中三維裂隙擴展規(guī)律的主要研究手段。內(nèi)置三維裂隙的制作主要是通過在制作試件的過程中事先預(yù)埋聚酯薄片或金屬片實現(xiàn)的，三維中空裂隙在試件中的準確定位(傾角、空間位置等)則是試驗成功與否的關(guān)鍵(也是分析試驗結(jié)果的基礎(chǔ))。因為這一技術(shù)有相當?shù)碾y度，研究含三維中空裂隙并能在其中注水的試驗，尚未有人做過或至少十分罕見。
[0004]水壓致裂方面，用實驗室方法研究水力劈裂機理的工作并不很多。國內(nèi)只有用少量巖石塊體或砂漿塊體從外部打孔做試驗研究的；在美國有些學(xué)者采用有機玻璃來模擬巖石體從外部打孔到其中心，再用水壓或氣壓注入產(chǎn)生劈裂裂縫。以上這些試驗方法，其缺點是前者因試件不透明，內(nèi)部很難預(yù)制裂隙，也很難追蹤和記錄內(nèi)部破裂的發(fā)展過程，所以研究其破裂機理很困難。即使有個別學(xué)者用冷熱循環(huán)法制作裂隙，但裂隙有隨機分布性，很難做重復(fù)性試驗。而且裂隙連通至試件表面，內(nèi)部很難通入高水壓，所以有較大缺陷。至于國外在研究頁巖氣透氣技術(shù)時Alpern，J (2012)采用有機玻璃做試件，雖然可以看清其內(nèi)部破裂的發(fā)展，但有機玻璃的力學(xué)特性與巖石特性相差太遠，其代表性較差。而且有機玻璃很難在其中預(yù)制一定的裂隙，更難以制作中空裂隙，所以他們只研究試件中間預(yù)先無裂隙的情況，即從外部打鉆孔進去直接壓裂的方法，這是比較容易做到的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種含三維中空裂隙的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置及試驗方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]—種基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，包括注水機構(gòu)和加載機構(gòu)，
[0008]所述注水機構(gòu)包括電動加壓執(zhí)行設(shè)備、數(shù)字控制系統(tǒng)和水壓傳導(dǎo)設(shè)備，電動加壓執(zhí)行設(shè)備包括支座，支座上分別設(shè)有固定安裝的儲水管和能在支座上前后移動的動力機構(gòu)，動力機構(gòu)通過動力傳動機構(gòu)與設(shè)置于儲水管中且能沿儲水管軸向移動的密閉活塞相連，儲水管內(nèi)腔與進出水裝置連通，儲水管一端與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通，水壓傳導(dǎo)設(shè)備的墊塊與試件模型相配合，且通過加載機構(gòu)將墊塊與試件模型壓緊；數(shù)字控制系統(tǒng)分別與動力機構(gòu)以及設(shè)置于儲水管中監(jiān)測水壓壓力變化的壓力傳感器相連。
[0009]所述儲水管為密閉筒體，其一端開有供動力傳動機構(gòu)通過且與其相配合的螺紋孔，另一端開有與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通的開口，密閉筒體一端的側(cè)面上開有與進出水裝置連通的通孔。
[0010]所述動力機構(gòu)包括電動機，電動機下部卡設(shè)于軌道上，軌道固定于支座上。
[0011]所述動力傳動機構(gòu)包括螺栓桿，螺栓桿一端與動力機構(gòu)的動力輸出軸相連，另一端與穿過儲水管一端的螺紋孔與密閉活塞相連。
[0012]所述進出水裝置包括與儲水管上的通孔相連通的管道，管道上設(shè)有第一閥門，管道上端設(shè)有與其相通的儲水罐。
[0013]所述水壓傳導(dǎo)設(shè)備包括與儲水管上的開口相通的導(dǎo)水管，導(dǎo)水管上設(shè)有第二閥門，導(dǎo)水管另一端與墊塊相連。
[0014]所述墊塊上設(shè)有與導(dǎo)水管相通的且與試件模型的注水導(dǎo)管相匹配的出水口，且出水口凹入墊塊表面形成圓形凹槽并在凹槽邊緣加設(shè)橡膠墊圈，用以保證試件模型注入有壓水時其接口的密封性。
[0015]所述加載機構(gòu)為簡易真三軸加載設(shè)備，該設(shè)備處于_30°C的冷凍實驗室中，能確保試驗在低溫條件下進行，以保證樹脂試件模型的冷脆性，所述簡易真三軸加載設(shè)備包括高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試件模型的前、后、左、右、上、下六個側(cè)面上；千斤頂?shù)倪M出油口分別通過油管與手搖泵相連，并形成回油管路；反力裝置系統(tǒng)包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu)件通過高強連接螺栓連接組成；反力傳遞板一側(cè)面緊靠模型反力裝置的內(nèi)壁，法蘭盤通過內(nèi)六角螺栓固定在反力傳遞板的另一相對側(cè)面上，高壓加載系統(tǒng)的千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定在法蘭盤上。
[0016]所述千斤頂共有三對，分別為加載于試件模型上下表面的第一對千斤頂、加載于試件模型左右表面的第二對千斤頂和加載于試件模型上下表面的第三對千斤頂，每一對千斤頂均并聯(lián)通過油管與相對應(yīng)的手搖泵連通。
[0017]第一對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第一油管和第二油管與第一手搖泵連通，所述第一油管和第二管油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門A和閥門B ；
[0018]第二對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第三油管和第四油管與第二手搖泵連通，第三油管和第四油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門I和閥門且閥門B"與千斤頂之間的第四油管上分別連通有蓄能器和泄壓管，蓄能器與第四油管相連的油管上設(shè)有閥門C，泄壓管上設(shè)有泄壓閥I;
[0019]第三對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第五油管和第六油管與第三手搖泵連通，所述第五油管和第六管油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門E和閥門F。
[0020]所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括分壓控制部分與可視化人機交互界面，兩個部分通過線路連接。通過可視化人機交互界面部分輸入加載指令，分壓控制部分將獲得的加載指令處理轉(zhuǎn)換成電信號后輸入加壓執(zhí)行部分，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)壓力變化并反饋給可視化人機交互界面部分實時顯示并記錄存儲。
[0021]所述分壓控制部分由壓力監(jiān)測單元、中央控制單元和壓力輸出單元組成，壓力監(jiān)測單元和壓力輸出單元分別與中央控制單元連接，壓力監(jiān)測單元將壓力值轉(zhuǎn)化為電信號通過線路反饋給中央控制單元，中央控制單元將這些壓力值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后在可視化人機交互界面部分上顯不和存儲；中央控制單兀下達系統(tǒng)加載的各種指令，中央控制單兀將在可視化人機交互界面上輸入的壓力值轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到壓力輸出單元；壓力輸出單元通過繼電器控制電動加壓設(shè)備執(zhí)行對電機的啟動與停止以此來實現(xiàn)對加壓執(zhí)行系統(tǒng)的控制。
[0022]系統(tǒng)能自動控制模型前后、左右、上下三對方向的同步加載，但每對方向又可獨立加載，有效實現(xiàn)模型系統(tǒng)的真三維加載，也可通過分壓控制實現(xiàn)模型的一維、二維和三維加載。三維模型試件模型尺寸為長方體，可通過制作不同尺寸的墊塊和導(dǎo)向框，來加載不同尺寸的試件模型。
[0023]一種基于類巖石樹脂試件模型的水壓致裂注水加載裝置的試驗方法，包括:
[0024]I)制備類巖石樹脂試件模型；
[0025]2)準備加載試驗，先將所述試件模型放入一個儲水罐中，再向儲水罐中注酒精，直至液面淹沒試件模型的注水導(dǎo)管口 ；然后把儲水罐放入真空箱中進行抽真空處理；由于液面以外氣壓的不斷下降，試件模型中的注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體內(nèi)的空氣會不斷浮出液面，酒精即可進入并充滿整個試件模型內(nèi)部的空腔，即注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體中，然后將此盛有試件模型的儲水罐放入超低溫冰箱中，在_20°C條件下冷凍24小時；
[0026]3)加載試驗；將冷庫設(shè)為-20°C，先開啟注水機構(gòu)，進行幾次打壓注水測試，以排盡整個注水設(shè)備、管路以及墊塊內(nèi)部的空氣，使其充滿水；然后取出試件模型，把注水設(shè)備的墊塊置于試件模型上方，并將墊塊的出水口與試件模型的注水導(dǎo)管口對齊，然后將兩者放入到簡易真三軸加載設(shè)備中，并在豎直方向上施加荷載，使橡膠圈產(chǎn)生形變以保證注水管與墊塊出水口處的密封性；按照實驗要求，在可視化人機交互界面輸入指令開始注水，同時啟動簡易真三軸加載設(shè)備，對試件模型加載，觀察試件模型裂隙的破壞過程。
[0027]所述步驟3)的水為純水和`酒精的混合物，體積比為1:1，以防止純水在低溫下結(jié)冰。
[0028]所述步驟3 )中的對試件模型加載具體步驟為:
[0029](I)先用0.1MP的小壓力啟用弟一手搖栗、弟二手搖栗和弟二手搖栗，弟一手搖栗用0.1MP壓力分別通過閥門A、閥門B、第一油管、第二油管和第一對千斤頂，第二手搖泵用
0.1MP壓力分別通過閥門1、閥門^、第三油管、第四油管和第二對千斤頂，第三手搖泵用
0.1MP壓力分別通過閥門E、閥門F、第五油管、第六油管和第三對千斤頂，將試件模型固定在設(shè)定位置，并壓緊使之不動；
[0030](2)再加大第二手搖泵的油壓，閥門I和閥門均打開，油壓經(jīng)第二對千斤頂對試件模型左右表面施加設(shè)定好的壓力O 2，同時在蓄能器內(nèi)也有同樣壓力，關(guān)閉閥門I;和閥門B ；
[0031](3)然后加大第一手搖泵的油壓，閥門A和閥門B均打開，油壓經(jīng)第一對千斤頂對試件模型上下頂部施加壓力O I ;關(guān)閉閥門A和閥門B，
[0032](4)最后加大第三手搖泵的油壓，閥門E和閥門F均打開，油壓經(jīng)第三對千斤頂對試件模型前后表面施加水平向壓力O 3，關(guān)閉閥門E和閥門F ;其中，壓力O 2和O 3同為側(cè)向壓力，方向互相垂直；
[0033](5)若蓄能器不能保證側(cè)向壓力σ2不變，用卸壓閥瞜速放一點油以保持σ2不變；
[0034](6)然后再繼續(xù)啟用第一手搖泵，打開閥門A和閥門B，再繼續(xù)加大壓力σ I ;如此
反復(fù)調(diào)整。
[0035]所述步驟I)中類巖石樹脂試件模型制備方法為:
[0036]原材料包括型號為CY-39型樹脂和YS-T31型的固化劑，兩者的質(zhì)量比100:34或體積比100:41 ;具體步驟為:
[0037](I)材料稱量
[0038]按照配合設(shè)計要求稱量好試驗原材料:樹脂、固化劑；
[0039](2)材料拌合
[0040]將樹脂和固化劑按配合比倒入攪拌筒中，用玻璃棒不斷攪拌使之充分混合形成混合料，攪拌時應(yīng)著重注意容器底部及側(cè)壁位置的材料，應(yīng)使該部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除氣泡處理半小時；
[0041](3)澆鑄成型和養(yǎng)護
[0042]預(yù)置有三維裂隙的模具由5塊完全透明的有機玻璃板組成。為一側(cè)開口的方形盒體，并通過有機絕緣硅脂密封形成一個整體；在方形盒體左右兩側(cè)板面上不同位置鉆孔，用細線牽拉、連接和固定預(yù)制裂隙，細線兩端固定于兩側(cè)板面的孔中，起到準確定位的效果，制作出含不同條數(shù)、不同角度、不同位置的三維裂隙(組)試件模型。由于有機玻璃模具有良好的透明性，可以直接觀察到整個試件模型固化過程，并可觀察和控制裂隙片在容器中位置的變化。定義裂隙面與水平面的夾角為三維裂隙的傾角，通過研制的模具可以預(yù)置傾角為60°、45°、30°等多種角度的含三維裂隙(組)試件模型；也可以預(yù)置不同數(shù)目的三維裂隙組試件模型，如雙裂隙、三裂隙、四條裂隙等；還可以預(yù)制縱向型、內(nèi)錯型、對頂型等各種裂隙組合的三維裂隙組試件模型。
[0043]連接注水管的預(yù)制裂隙為:將兩片完全相同的橢圓形預(yù)制裂隙，通過手工制作的O型橡皮泥密封環(huán)將邊緣粘接起來，上下二片疊放在一起而形成中空的橢圓薄腔體，并預(yù)先在一側(cè)預(yù)制裂隙中心處鉆孔并引出注水導(dǎo)管，然后將橢圓薄腔體粘貼到棉線的對應(yīng)位置即可。上述過程中每個連接處必須用膠水嚴格密封。
[0044]把預(yù)置有三維裂隙的模具置于工作臺上，將步驟(2)制備并處理的混合料用玻璃棒引流入模具中澆鑄成型；澆鑄后將模具放入真空箱中做除氣泡處理20?25分鐘，然后放入18°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護36?40小時；當具備了大于50MPa力學(xué)強度后即拆去模具；將脫模后試件模型放入恒溫為70°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護48?50小時后即可完成制作。
[0045]預(yù)制裂隙采用厚度為0.12mm的云母片。與其它材料(如金屬片(銅片、鋁片等)、聚乙烯薄片等)相比，云母片剛度低，不會約束試件模型變形、方便裂隙的定位且更接近賦存于巖體中的裂隙。并為了確保裂隙尺寸的精確，制作了三種規(guī)格尺寸的橢圓形鋼模具，可將云母片裁制為精確的橢圓形，避免了前人試驗中手工剪制所帶來的尺寸誤差。
[0046]橢圓形鋼模具包括上板、底座和若干導(dǎo)向柱，所述導(dǎo)向柱下端固定于底座上，上板套設(shè)在并能夠沿其上下移動的導(dǎo)向柱上；所述底座中設(shè)有面向底座一側(cè)面開口的空腔，底座上表面設(shè)有與所述空腔相通的橢圓形孔。[0047]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用的脆性度和透明度好的樹脂試件模型，可以直觀觀察水壓致裂試驗中裂隙的擴展狀況；解決了水壓致裂試驗中在試件模型中難以預(yù)制裂隙的難題；克服了在試件模型中預(yù)置中空裂隙和注水的技術(shù)困難問題，可以從外部注入有壓水來開展新的試驗，對前人的工作大大推進了一步。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1是尺寸為50mm*50mm*100mm試件模型的荷載-應(yīng)變曲線圖；
[0049]圖2是用于水壓致裂試驗的試件模型；
[0050]圖3是注水設(shè)備的構(gòu)造示意圖；
[0051]圖4是真三軸加載設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖5是真三軸加載設(shè)備的操作流程示意圖；
[0053]其中，1.電動機，2.螺栓桿，3.密閉活塞，4.儲水管，5.管道，6.第一閥門，7.儲水罐，8.壓力傳感器，9.第二閥門，10.導(dǎo)水管，11.0型圈，12.墊塊，13.試件模型，14.注水導(dǎo)管，15.第一對千斤頂，16.第二對千斤頂，17.第三對千斤頂，18.第一油管，19.第二油管，20.第一手搖泵，21.第三油管；22.第四油管；23.第二手搖泵，24.蓄能器，25.泄壓管。
【具體實施方式】
[0054]下面結(jié)合附圖和單裂隙注水試件模型的試驗，對本發(fā)明進一步說明。
[0055]一種基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，包括注水機構(gòu)和加載機構(gòu)，所述注水機構(gòu)包括電動加壓執(zhí)行設(shè)備、數(shù)字控制系統(tǒng)和水壓傳導(dǎo)設(shè)備，電動加壓執(zhí)行設(shè)備包括支座，支座上分別設(shè)有固定安裝的儲水管4和能在支座上前后移動的動力機構(gòu)，動力機構(gòu)通過動力傳動機構(gòu)與設(shè)置于儲水管4中且能沿儲水管4軸向移動的密閉活塞3相連，儲水管4內(nèi)腔與進出水裝置連通，儲水管4 一端與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通，水壓傳導(dǎo)設(shè)備的墊塊12與試件模型13相配合，且通過加載機構(gòu)將墊塊12與試件模型13壓緊；數(shù)字控制系統(tǒng)分別與動力機構(gòu)以及設(shè)置于儲水管4中監(jiān)測水壓壓力變化的壓力傳感器8相連。
[0056]儲水管4為密閉筒體，其一端開有供動力傳動機構(gòu)通過且與其相配合的螺紋孔，另一端開有與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通的開口，密閉筒體一端的側(cè)面上開有與進出水裝置連通的通孔。
[0057]動力機構(gòu)包括電動機1，電動機I下部卡設(shè)于軌道上，軌道固定于支座上，電動機1、軌道和支座共同設(shè)置于一殼體內(nèi)。動力傳動機構(gòu)包括螺栓桿2,螺栓桿2 —端與動力機構(gòu)的動力輸出軸相連，另一端與穿過儲水管4 一端的螺紋孔與密閉活塞3相連。
[0058]進出水裝置包括與儲水管4上的通孔相連通的管道5，管道5上設(shè)有第一閥門6，管道5上端設(shè)有與其相通的儲水罐7。
[0059]水壓傳導(dǎo)設(shè)備包括與儲水管4上的開口相通的導(dǎo)水管10，導(dǎo)水管10上設(shè)有第二閥門9，導(dǎo)水管10另一端與墊塊12相連。
[0060]墊塊12上設(shè)有與導(dǎo)水管10相通的且與試件模型13的注水導(dǎo)管14相匹配的出水口，且出水口凹入墊塊表面形成圓形凹槽并在凹槽邊緣加設(shè)0型圈11 (橡膠墊圈)，用以保證試件模型注入有壓水時其接口的密封性。
[0061]加載機構(gòu)為簡易真三軸加載設(shè)備，該設(shè)備處于_30°C的冷凍實驗室中，能確保試驗在低溫條件下進行，以保證樹脂試件模型的冷脆性，所述簡易真三軸加載設(shè)備包括高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試件模型的前、后、左、右、上、下六個側(cè)面上；千斤頂?shù)倪M出油口分別通過油管與手搖泵相連，并形成回油管路；反力裝置系統(tǒng)包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu)件通過高強連接螺栓連接組成；反力傳遞板一側(cè)面緊靠模型反力裝置的內(nèi)壁，法蘭盤通過內(nèi)六角螺栓固定在反力傳遞板的另一相對側(cè)面上，高壓加載系統(tǒng)的千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定在法蘭盤上。
[0062]如圖4所示，千斤頂共有三對，分別為加載于試件模型上下表面的第一對千斤頂15、加載于試件模型左右表面的第二對千斤頂16和加載于試件模型上下表面的第三對千斤頂17，每一對千斤頂均并聯(lián)通過油管與相對應(yīng)的手搖泵連通。
[0063]如圖5所示，第一對千斤頂15的進、出油口通過兩個并聯(lián)的第一油管18和第二油管19與第一手搖泵20連通，所述第一油管18和第二管油管19上分別對應(yīng)設(shè)置閥門A和閥門B ；
[0064]第二對千斤頂16的進、出油口通過兩個并聯(lián)的第三油管21和第四油管22與第二手搖泵23連通，第三油管21和第四油管22上分別對應(yīng)設(shè)置閥門1:和閥門B；且閥門B:與千斤頂之間的第四油管22上分別連通有蓄能器24和泄壓管25，蓄能器24與第四油管22相連的油管上設(shè)有閥門C，泄壓管25上設(shè)有泄壓閥17;
[0065]第三對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第五油管和第六油管與第三手搖泵連通，所述第五油管和第六管油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門E和閥門F (圖中未畫出)。
[0066]所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括分壓控制部分與可視化人機交互界面，兩個部分通過線路連接。通過可視化人機交互界面部分輸入加載指令，分壓控制部分將獲得的加載指令處理轉(zhuǎn)換成電信號后輸入加壓執(zhí)行部分，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)壓力變化并反饋給可視化人機交互界面部分實時顯示并記錄存儲。
[0067]所述分壓控制部分由壓力監(jiān)測單元、中央控制單元和壓力輸出單元組成，壓力監(jiān)測單元和壓力輸出單元分別與中央控制單元連接，壓力監(jiān)測單元將壓力值轉(zhuǎn)化為電信號通過線路反饋給中央控制單元，中央控制單元將這些壓力值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后在可視化人機交互界面部分上顯不和存儲；中央控制單兀下達系統(tǒng)加載的各種指令，中央控制單兀將在可視化人機交互界面上輸入的壓力值轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到壓力輸出單元；壓力輸出單元通過繼電器控制電動加壓設(shè)備執(zhí)行對電機的啟動與停止以此來實現(xiàn)對加壓執(zhí)行系統(tǒng)的控制。
[0068]系統(tǒng)能自動控制模型前后、左右、上下三對方向的同步加載，但每對方向又可獨立加載，有效實現(xiàn)模型系統(tǒng)的真三維加載，也可通過分壓控制實現(xiàn)模型的一維、二維和三維加載。三維模型試件模型尺寸為長方體，可通過制作不同尺寸的墊塊和導(dǎo)向框，來加載不同尺寸的試件模型。
[0069]一種基于類巖石樹脂試件模型的水壓致裂注水加載裝置的試驗方法，包括:
[0070]I)制備類巖石樹脂試件模型；
[0071]2)準備加載試驗，先將所述試件放入一個儲水罐中，再向儲水罐中注酒精，直至液面淹沒試件模型的注水導(dǎo)管口 ；然后把儲水罐放入真空箱中進行抽真空處理；由于液面以外氣壓的不斷下降，試件模型中的注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體內(nèi)的空氣會不斷浮出液面，酒精即可進入并充滿整個試件模型內(nèi)部的空腔，即注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體中，然后將此盛有試件模型的儲水罐放入超低溫冰箱中，在_20°C條件下冷凍24小時；
[0072]3)加載試驗；將冷庫設(shè)為-20°C，先開啟注水機構(gòu)，進行幾次打壓注水測試，以排盡整個注水設(shè)備、管路以及墊塊內(nèi)部的空氣，使其充滿水；然后取出試件模型，把注水設(shè)備的墊塊置于試件模型上方，并將墊塊的出水口與試件模型的注水導(dǎo)管口對齊，然后將兩者放入到簡易真三軸加載設(shè)備中，并在豎直方向上施加荷載，使橡膠圈產(chǎn)生形變以保證注水管與墊塊出水口處的密封性；按照實驗要求，在可視化人機交互界面輸入指令開始注水，同時啟動簡易真三軸加載設(shè)備，對試件模型加載，觀察試件模型裂隙的破壞過程。
[0073]所述步驟3)的水為純水和酒精的混合物，體積比為1:1，以防止純水在低溫下結(jié)冰。
[0074]所述步驟3 )中的對試件模型加載具體步驟為:
[0075](I)先用0.1MP的小壓力啟用第一手搖泵20、第二手搖泵25和第三手搖泵,第一手搖泵20用0.1MP壓力分別通過閥門A、閥門B、第一油管18、第二油管19和第一對千斤頂
15，第二手搖泵25用0.1MP壓力分別通過閥門1、閥門^、第三油管21、第四油管22和第
二對千斤頂16，第三手搖泵用0.1MP壓力分別通過閥門E、閥門F、第五油管、第六油管和第三對千斤頂，將試件模型固定在設(shè)定位置，并壓緊使之不動；
[0076](2)再加大第二 手搖泵25的油壓，閥門和閥門B:均打開，油壓經(jīng)第二對千斤頂16對試件模型左右表面施加設(shè)定好的壓力O 2，同時在蓄能器23內(nèi)也有同樣壓力，關(guān)閉閥門T和閥門
[0077](3)然后加大第一手搖泵20的油壓，閥門A和閥門B均打開，油壓經(jīng)第一對千斤頂15對試件模型上下頂部施加壓力O I ;關(guān)閉閥門A和閥門B;
[0078](4)最后加大第三手搖泵的油壓，閥門E和閥門F均打開，油壓經(jīng)第三對千斤頂對試件模型前后表面施加水平向壓力O 3，關(guān)閉閥門E和閥門F ;其中，壓力O 2和O 3同為側(cè)向壓力，方向互相垂直；這時側(cè)向壓力O 2在蓄能器23調(diào)節(jié)作用下不會產(chǎn)生明顯變化；
[0079](5)若蓄能器23不能保證側(cè)向壓力O 2不變，用卸壓閥慢速放一點油以保持O 2不變；
[0080](6)然后再繼續(xù)啟用第一手搖泵20，打開閥門A和閥門B，再繼續(xù)加大壓力o I ;如此反復(fù)調(diào)整。
[0081]所述步驟I)中類巖石樹脂試件模型制備方法為:
[0082]原材料包括型號為CY-39型樹脂和YS-T31型的固化劑，兩者的質(zhì)量比100:34或體積比100:41 ;具體步驟為:
[0083](I)材料稱量
[0084]量取CY-39型樹脂材料500ml，YS-T31型的固化劑200ml。
[0085](2)材料拌合
[0086]將樹脂和固化劑按配合比倒入攪拌筒中，用玻璃棒不斷攪拌使之充分混合形成混合料，攪拌時應(yīng)著重注意容器底部及側(cè)壁位置的材料，應(yīng)使該部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除氣泡處理半小時；
[0087](3)澆鑄成型和養(yǎng)護
[0088]制作50mm*50mm的有機玻璃板兩塊,50mm*100mm的三塊，通過有機絕緣娃脂密封形成一個整體，即一個側(cè)面敞開的長方體。在尺寸為50mm*100mm的處于對面的兩塊板上，用小型鉆機分別鉆出兩個小孔，打孔前應(yīng)先計算確定小孔的位置。然后用柔軟的棉線順次穿過每個小孔，并把棉線拉緊、固定好；將兩片完全相同的橢圓形預(yù)制裂隙，通過手工制作的O型橡皮泥密封環(huán)將邊緣粘接起來，上下二片疊放在一起而形成中空的橢圓薄腔體，并預(yù)先在一側(cè)預(yù)制裂隙中心處鉆孔并引出注水導(dǎo)管，然后將橢圓薄腔體粘貼到棉線的對應(yīng)位置即可。上述過程中每個連接處必須用膠水嚴格密封。
[0089]把預(yù)置有三維裂隙的模具置于工作臺上，模具內(nèi)表面涂抹脫模劑，將步驟(2)制備并處理的混合料用玻璃棒引流入模具中澆鑄成型；澆鑄后將模具放入真空箱中做除氣泡處理20?25分鐘，然后放入18°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護36?40小時；當具備了大于50MPa力學(xué)強度后即拆去模具；將脫模后試件模型放入恒溫為70°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護48?50小時后即可完成制作。
[0090]預(yù)制裂隙采用厚度為0.12mm的云母片。與其它材料(如金屬片(銅片、鋁片等)、聚乙烯薄片等)相比，云母片剛度低，不會約束試件模型變形、方便裂隙的定位且更接近賦存于巖體中的裂隙。并為了確保裂隙尺寸的精確，制作了三種規(guī)格尺寸的橢圓形鋼模具，可將云母片裁制為精確的橢圓形，避免了前人試驗中手工剪制所帶來的尺寸誤差。
[0091 ] 橢圓形鋼模具包括上板、底座和若干導(dǎo)向柱，所述導(dǎo)向柱下端固定于底座上，上板套設(shè)在并能夠沿其上下移動的導(dǎo)向柱上；所述底座中設(shè)有面向底座一側(cè)面開口的空腔，底座上表面設(shè)有與所述空腔相通的橢圓形孔。
[0092](3)加載試驗的準備工作
[0093]須先將試件模型放入一個容量IL的儲水罐中，再向儲水罐中注酒精(凝點低，不能用水)，直至液面淹沒試件模型的注水導(dǎo)管口 ；然后把儲水罐放入真空箱中進行抽真空處理。由于液面以外氣壓的不斷下降，注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體內(nèi)的空氣會不斷浮出液面，酒精即可進入并充滿整個試件模型內(nèi)部的空腔，即注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體。然后將此盛有試件模型的儲水罐放入超低溫冰箱中，在_20°C條件下冷凍24小時(不能用水，就是為了防止此過程結(jié)冰)。
[0094](4)加載試驗
[0095]將冷庫設(shè)為_20°C。先開啟注水機構(gòu)，進行幾次打壓注水測試，以排盡整個注水設(shè)備、管路以及墊塊內(nèi)部的空氣，使其充滿水。然后取出試件模型，把注水設(shè)備的專用墊塊置于試件模型上方，并將墊塊的出水口與試件模型的注水導(dǎo)管口對齊，然后將兩者放入到三軸加載設(shè)備中，并在豎直方向上施加一定的荷載，使橡膠圈產(chǎn)生形變以保證注水管與墊塊出水口處的密封性；按照實驗要求，在可視化人機交互界面輸入指令開始注水，同時啟動三軸加載設(shè)備，按照前述試驗步驟和方法對試件模型進行加載，觀察試件模型裂隙的破壞過程。(注:此處所指的“水”，為一定配比的水和酒精的混合物，以防止在低溫下結(jié)冰。)
[0096]如此配制的類巖石材料在較低溫度下具有良好的脆性和高透明性，在加壓時呈現(xiàn)脆性的斷裂特征。拉壓強度比在_15°C能達到1/6.6，比前人在_50°C低溫條件下的脆性度還要高。-15°C時其相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)如下:
[0097]彈性模量/GPa抗壓強度/MPa抗拉強度/ MPa脆性度粘聚力,7 MPa摩擦角/ °
16 107.6 16.36.6 20.947.4
[0098]該類巖石樹脂材料透明度極高，可以清晰的觀測試件模型在加壓后內(nèi)部的破裂過程和裂隙的萌生、擴展及演化過程。因此適用于巖石裂隙擴展規(guī)律的研究。解決了水壓致裂試驗中在試件模型中難以預(yù)制中空裂隙的難題；可以從外部注入有壓水來開展新的試驗，大大將前人工作向前推進了一步。特別是新材料的拉壓強度比(脆性度指標)要比國內(nèi)外前人所用材料的相應(yīng)指標提高了一倍之多。應(yīng)認為更為接近真實巖石的脆性度。
[0099]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變`形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，包括注水機構(gòu)和加載機構(gòu)，所述注水機構(gòu)包括電動加壓執(zhí)行設(shè)備、數(shù)字控制系統(tǒng)和水壓傳導(dǎo)設(shè)備，電動加壓執(zhí)行設(shè)備包括支座，支座上分別設(shè)有固定安裝的儲水管和能在支座上前后移動的動力機構(gòu)，動力機構(gòu)通過動力傳動機構(gòu)與設(shè)置于儲水管中且能沿儲水管軸向移動的密閉活塞相連，儲水管內(nèi)腔與進出水裝置連通，儲水管一端與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通，水壓傳導(dǎo)設(shè)備的墊塊與試件模型相配合，且通過加載機構(gòu)將墊塊與試件模型壓緊；數(shù)字控制系統(tǒng)分別與動力機構(gòu)以及設(shè)置于儲水管中監(jiān)測水壓壓力變化的壓力傳感器相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述儲水管為密閉筒體，其一端開有供動力傳動機構(gòu)通過且與其相配合的螺紋孔，另一端開有與水壓傳導(dǎo)設(shè)備連通的開口，密閉筒體一端的側(cè)面上開有與進出水裝置連通的通孔。
3.如權(quán)利要求2所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述動力機構(gòu)包括電動機，電動機下部卡設(shè)于軌道上，軌道固定于支座上； 所述動力傳動機構(gòu)包括螺栓桿，螺栓桿一端與動力機構(gòu)的動力輸出軸相連，另一端與穿過儲水管一端的螺紋孔與密閉活塞相連； 所述進出水裝置包括與儲水管上的通孔相連通的管道，管道上設(shè)有第一閥門，管道上端設(shè)有與其相通的儲水罐。
4.如權(quán)利要求2所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述水壓傳導(dǎo)設(shè)備包括與儲水管上的開口相通的導(dǎo)水管，導(dǎo)水管上設(shè)有第二閥門，導(dǎo)水管另一端與墊塊相連。
5.如權(quán)利要求4所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述墊塊上設(shè)有與導(dǎo)水管相通的且與試件模型的注水導(dǎo)管相匹配的出水口，且出水口凹入墊塊表面形成圓形凹槽并在凹槽邊緣加設(shè)橡膠墊圈。
6.如權(quán)利要求1所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述加載機構(gòu)包括高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試件模型的前、后、左、右、上、下六個側(cè)面上；千斤頂?shù)倪M出油口分別通過油管與手搖泵相連，并形成回油管路；反力裝置系統(tǒng)包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu)件通過高強連接螺栓連接組成；反力傳遞板一側(cè)面緊靠模型反力裝置的內(nèi)壁，法蘭盤通過內(nèi)六角螺栓固定在反力傳遞板的另一相對側(cè)面上，高壓加載系統(tǒng)的千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定在法蘭盤上。
7.如權(quán)利要求6所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述千斤頂共有三對，分別為加載于試件模型上下表面的第一對千斤頂、加載于試件模型左右表面的第二對千斤頂和加載于試件模型上下表面的第三對千斤頂，每一對千斤頂均并聯(lián)通過油管與相對應(yīng)的手搖泵連通； 第一對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第一油管和第二油管與第一手搖泵連通，所述第一油管和第二管油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門A和閥門B ； 第二對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第三油管和第四油管與第二手搖泵連通，第三油管和第四油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門I和閥門Y，且閥門^與千斤頂之間的第四油管上分別連通有蓄能器和泄壓管，蓄能器與第四油管相連的油管上設(shè)有閥門C，泄壓管上設(shè)有泄壓閥 第三對千斤頂?shù)倪M、出油口通過兩個并聯(lián)的第五油管和第六油管與第三手搖泵連通，所述第五油管和第六管油管上分別對應(yīng)設(shè)置閥門E和閥門F。
8.如權(quán)利要求1所述的基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置，其特征是，所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括分壓控制部分與可視化人機交互界面，兩個部分通過線路連接； 所述分壓控制部分由壓力監(jiān)測單元、中央控制單元和壓力輸出單元組成，壓力監(jiān)測單元和壓力輸出單元分別與中央控制單元連接，壓力監(jiān)測單元將壓力值轉(zhuǎn)化為電信號通過線路反饋給中央控制單元，中央控制單元將這些壓力值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后在可視化人機交互界面部分上顯示和存儲；中央控制單元將下達系統(tǒng)加載的各種指令，中央控制單元將在可視化人機交互界面上輸入的壓力值轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到壓力輸出單元；壓力輸出單元通過繼電器控制電動加壓設(shè)備執(zhí)行對電機的啟動與停止以此來實現(xiàn)對加壓執(zhí)行系統(tǒng)的控制。
9.一種基于類巖石樹脂試件的水壓致裂注水加載裝置的試驗方法，其特征是，包括: .O制備類巖石樹脂試件模型； 2)準備加載試驗，先將所述試件模型放入一個儲水罐中，再向儲水罐中注酒精，直至液面淹沒試件模型的注水導(dǎo)管口 ；然后把儲水罐放入真空箱中進行抽真空處理；由于液面以外氣壓的不斷下降，試件模型中的注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體內(nèi)的空氣會不斷浮出液面，酒精即可進入并充滿整個試件模型內(nèi)部的空腔，即注水導(dǎo)管和橢圓薄腔體中，然后將此盛有試件模型的儲水罐放入超低 溫冰箱中，在_20°C條件下冷凍24小時； 3)加載試驗；將冷庫設(shè)為-20°C，先開啟注水機構(gòu)，進行幾次打壓注水測試，以排盡整個注水設(shè)備、管路以及墊塊內(nèi)部的空氣，使其充滿水；然后取出試件模型，把注水設(shè)備的墊塊置于試件模型上方，并將墊塊的出水口與試件模型的注水導(dǎo)管口對齊，然后將兩者放入到簡易真三軸加載設(shè)備中，并在豎直方向上施加荷載，使橡膠圈產(chǎn)生形變以保證注水管與墊塊出水口處的密封性；按照實驗要求，在可視化人機交互界面輸入指令開始注水，同時啟動簡易真三軸加載設(shè)備，對試件模型加載，觀察試件模型裂隙的破壞過程；所述的水為純水和酒精的混合物，體積比為1:1，以防止純水在低溫下結(jié)冰。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，所述步驟3)中的對試件模型加載具體步驟為: (1)先用0.1MP的小壓力啟用第一手搖泵、第二手搖泵和第三手搖泵，第一手搖泵用.0.1MP壓力分別通過閥門A、閥門B、第一油管、第二油管和第一對千斤頂，第二手搖泵用.0.1MP壓力分別通過閥門1、閥門^、第三油管、第四油管和第二對千斤頂，第三手搖泵用.0.1MP壓力分別通過閥門E、閥門F、第五油管、第六油管和第三對千斤頂，將試件模型固定在設(shè)定位置，并壓緊使之不動； (2)再加大第二手搖泵的油壓，閥門I和閥門1:均打開，油壓經(jīng)第二對千斤頂對試件模型左右表面施加設(shè)定好的壓力σ 2，同時在蓄能器內(nèi)也有同樣壓力，關(guān)閉閥門I和閥門B ； (3)然后加大第一手搖泵的油壓，閥門A和閥門B均打開，油壓經(jīng)第一對千斤頂對試件模型上下頂部施加壓力O I;關(guān)閉閥門A和閥門B ; (4)最后加大第三手搖泵的油壓，閥門E和閥門F均打開，油壓經(jīng)第三對千斤頂對試件模型前后表面施加水平向壓力O 3，關(guān)閉閥門E和閥門F ;其中，壓力O 2和O 3同為側(cè)向壓力，方向互相垂直； (5)若蓄能器不能保證側(cè)向壓力02不變，用卸壓閥D；慢速放一點油以保持02不變； (6)然后再繼續(xù)啟用第一手搖泵 ,打開閥門A和閥門B，再繼續(xù)加大壓力0I ;如此反復(fù)調(diào)整。
【文檔編號】G01N3/18GK103776703SQ201410034987
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】朱維申, 付金偉, 李邦翔 申請人:山東大學(xué)