超重力二维岩体模型实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种超重力二维岩体模型实验装置及方法，该装置包括控制中枢、地面油源、离心机、岩石加载箱、图像观测装置和配重块；岩石加载箱包括反力箱架、片状岩石试样、围压油囊、刚性轴压压头和轴压油囊；本发明利用N倍超重力环境进行1/N倍的岩体缩尺模型实验，大大提高了模型实验的相似性；岩体模型为薄片状，且侧板透明，可以直接图像观测试样侧面上的形变和开裂等，相比传统贴应变片和位移传感器的单点测量方式，监测密度大大提高，成本大大降低，统筹难度也大大降低；采用一体式液压油囊提供高压，岩石试样无需进行胶套密封，方便观测；且对装置的密封性要求也大大降低。

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学实验领域，尤其涉及一种超重力二维岩体模型实验装置及方法。

背景技术

对于地下大尺度岩体的力学性质，由于原位观测的困难，多通过实验室实验进行相关岩体变形、裂缝扩展规律的探索。然而，由于自重应力的存在，大尺度岩体中存在着较大的应力梯度，而实验室内常规缩尺岩体模型实验无法实现这个均布的应力梯度。对于实际工程尺度岩体的裂纹扩展、变形变位等规律，受到应力梯度的影响显著，难以通过常规单元体岩石力学实验来表征。

而随着超重力离心机的出现，提供了一种新的加载方式，即可以在离心机试样中施加数百倍的重力加速度，以模拟原岩的应力场。基于此原理的超重力离心机的土工实验逐渐得到了广泛应用(目前涉及的相关实验有土石坝管涌、溃坝实验、近海结构稳定性实验、边坡失稳实验等)，对于岩石类，也有关于桥跨结构、岩石高边坡的加载实验，但是对于地下大尺度岩体的力学性质，仅靠自重应力是不够的，还需要解决其轴压、围压加载的问题，目前，此类相关模型实验研究尚为空白。另外，实验过程中，需要监测岩石的应变、位移、开裂等，目前在三轴室内多通过贴应变片、各类线性位移计，以及声发射技术等，但应变片和位移计均为单点测量，难以提供模型实验所需的大量数据，而声发射技术要求苛刻，且成本较高，对于裂缝的识别精度有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种超重力二维岩体模型实验装置及方法。利用离心机产生的超重力环境和所施加的二轴荷载，可以使得二维岩体试样处于接近地下大尺度岩体原型的应力场中，大大提高了岩体模型实验的相似性，且其可以通过透明板实时观测岩体模型的变形、裂缝扩展，相对于传统应变片、位移传感器等监测方法，其监测密度高、精度高、范围大。

本发明的技术方案原理如图1所示；

对于原型：Δσ＝ρgh

对于1/N倍的缩尺模型：Δσ1＝ρ·g·h/N

对于N倍超重力下1/N倍的缩尺模型：Δσ2＝ρ·Ng·h/N＝ρgh

容易看出，Δσ＝Δσ2，即原型与N倍超重力下1/N倍的缩尺模型的应力梯度相等，即可以在超重力下复制原型的应力场，从而大幅度提高岩体模型力学实验的相似性。

本发明提出的一种超重力二维岩体模型实验装置，包括控制中枢、地面油源、离心机、岩石加载箱、图像观测装置和配重块；

所述岩石加载箱包括反力箱架、片状岩石试样、围压油囊、刚性轴压压头和轴压油囊；

所述反力箱架固定在离心机的吊篮上，包括镂空前板、透明板、中隔板、背板和顶盖；所述透明板嵌于镂空前板的内侧凹槽中；所述镂空前板、中隔板、背板依次刚性连接，所述顶盖固定在三者刚性连接后的结构顶部，提供轴压的反力；

所述片状岩石试样、围压液囊、刚性轴压压头、轴压油囊置于中隔板内，五者具有相同的厚度；所述片状岩石试样前后两侧分别与透明板和背板密切接触；所述片状岩石试样左右两侧与围压油囊接触，接受来自围压油囊施加的柔性均布围压；所述片状岩石试样顶部与刚性轴压压头接触，刚性轴压压头与顶盖之间设有轴压油囊，轴压油囊产生的均布轴压通过刚性轴压压头施加在片状岩石试样顶部；所述中隔板上预留有钻孔，围压油囊通过此钻孔与外界管路相接；

所述轴压油囊、围压油囊通过高压密封接头、油管、离心机内的旋转接头与地面油源相连，接受来自地面油源的压力；

所述图像观测装置包括图像获取装置、照明灯条和光线反射装置，所述图像获取设备固定于离心机的转臂上，通过电缆线、离心机导电滑环与控制中枢相连；所述照明灯条固定于镂空前板的镂空孔内，通过电缆线、离心机导电滑环与控制中枢相连；所述光线反射装置固定于离心机的吊篮内，其反射表面与吊篮底面呈45度角，将实验过程中岩石变形、破坏、渗流过程的光学图像反射到图像获取装置之内，图像获取装置拍摄的数字图像数据传输给控制中枢。

进一步地，所述刚性轴压压头两侧与中隔板紧密接触，受中隔板限位无法左右移动，仅能上下移动。

进一步地，所述围压液囊中有密度与片状岩石试样相仿的高密度流体，在超重力下，可以产生明显的围压梯度，与岩石原型所受到的实际围压梯度对应。

进一步地，所述片状岩石试样左右两侧的围压油囊为两侧对称结构，在两侧对片状岩石试样施加相等的压力。

进一步地，所述轴压油囊外设有轴压压力传感器，所述围压油囊外设有围压压力传感器，通过压力传感器向控制中枢反馈压力信息。

进一步地，所述透明板和背板具有足够的刚度，确保片状岩石试样仅能发生二维变形。

进一步地，所述片状岩石试样为人工压制或者打磨的片状岩石，片状岩石试样的表面用染色剂处理，染色剂浸染到岩石试样的自然纹理及裂隙中，使得纹理更加明显，以方便图像识别和处理。

进一步地，所述照明灯条为条状灯带，接受控制中枢的开关指令，其发出的光线穿过透明前板，将片状岩石试样的可观测面照亮。

进一步地，将岩石加载箱及片状岩石试样处于N倍重力的超重力环境，模拟N倍岩石的加载破坏、渗流过程。

一种利用上述装置进行超重力二维岩体模型实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制备片状岩石试样；

步骤2：将反力箱架固定到离心机的吊篮上；

步骤3：装入岩石试样及中隔板；装入围压油囊，并接好相关油路；

步骤4：将镂空前板、中隔板、背板依次刚性连接，使透明板与片岩石试样紧密接触；

步骤5：装入刚性轴压压头、轴压油囊和顶盖，并接好相关油路；

步骤6：启动轴压和围压设备，对岩石试样进行预压紧，并观察油路管线有无泄漏，一切正常后，降低轴压和围压到0；

步骤7：启动离心机，使离心力达到预设值N倍重力(N为缩尺倍数)；

步骤8：调节轴压和围压设备的压力至设计值，实验开始，通过图像观测装置对岩石试样的应变场、位移场、裂隙扩展进行观测，并传输至控制中枢；

步骤9：实验结束后，压力降为0，关闭离心机，检修装置以备下次使用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、利用N倍超重力环境进行1/N倍的岩体缩尺模型实验，大大提高了模型实验的相似性。

2、岩体模型为薄片状，且侧板透明，可以直接图像观测试样侧面上的形变和开裂等，相比传统贴应变片和位移传感器的单点测量方式，监测密度大大提高，成本大大降低，统筹难度也大大降低。

3、采用一体式液压油囊提供高压，岩石试样无需进行胶套密封，方便观测；且对装置的密封性要求也大大降低。

附图说明

图1为本发明超重力下复制原型原理图；

图2为本发明超重力二维岩体模型实验装置组装示意图；

图3为本发明岩石加载箱结构示意图；

图4为本发明岩石加载箱俯视图；

图中，控制中枢1、地面油源2、离心机3、岩石加载箱4、图像获取装置5、光线反射装置6、油管7、电缆线8、配重块9、镂空前板9-1、透明板9-2、中隔板9-3、背板9-4、顶盖9-5、片状岩石试样10、围压油囊11、刚性轴压压头12、轴压油囊13、轴压压力传感器14、围压压力传感器15、第一螺栓16、第二螺栓17、照明灯条18。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

如图2-4所示，本实施例提出的一种超重力二维岩体模型实验装置，包括控制中枢1、地面油源2、离心机3、岩石加载箱4、图像观测装置、油管7、电缆线8、配重块9；其中，岩石加载箱4包括反力箱架、片状岩石试样10、围压油囊11、刚性轴压压头12、轴压油囊13、轴压压力传感器14、围压压力传感器15、第一螺栓16、第二螺栓17、照明灯条18。

反力箱架为组装式，其结构包括镂空前板9-1、透明板9-2、中隔板9-3、背板9-4、顶盖9-5。透明板9-2嵌于镂空前板9-1的凹槽中，提供岩石试样平面法线方向的反力，并使得图像观测岩石试样平面的形变、位移、开裂等成为可能。中隔板9-3具有不同规格，以适应不同厚度尺寸的片状岩石试样10，中隔板9-3中间预留有钻孔，围压油囊接口通过此钻孔与外界管路相接。镂空前板9-1、中隔板9-3、背板9-4通过第二螺栓17进行刚性连接形成反力箱架。顶盖9-5可通过第一螺栓16固定在反力箱架上，以提供轴压的反力。

片状岩石试样10、围压液囊11、刚性轴压压头12、轴压油囊13置于中隔板9-3内，五者具有相同的厚度。片状岩石试样10为人工压制或者打磨的片状岩石，其厚度应有不同的规格。片状岩石试样的表面用染色剂处理，染色剂浸染到岩石试样的自然纹理及裂隙中，使得纹理更加明显，以方便图像识别和处理。刚性轴压压头12两侧与中隔板9-3紧密接触，受中隔板9-3限位无法左右移动，仅能上下移动。围压液囊11中有密度与片状岩石试样10相仿的高密度流体，在超重力下，可以产生明显的围压梯度Δσ，与岩石原型所受到的实际围压梯度对应。围压液囊11为两侧对称结构，加载过程中由于岩石被压缩，轴压压头将伸长，围压油囊设置为对称等压，以保证不对轴压压头产生不均匀侧向力。

片状岩石试样10前后两侧分别与透明板9-2和背板9-4密切接触，透明板9-2和背板9-4应有足够的刚度，确保片状岩石试样10仅能发生二维变形；片状岩石试样10左右两侧与围压油囊11接触，接受来自围压油囊11施加的柔性均布围压；片状岩石试样10顶部与刚性轴压压头12接触，刚性轴压压头12与反力箱架的顶盖9-5之间设有轴压油囊13，轴压油囊13产生的均布轴压通过刚性轴压压头12施加在片状岩石试样10顶部。轴压油囊13、围压油囊11通过高压密封接头、油管7、离心机3内的旋转接头与地面油源2相连，接受来自地面油源2的压力。轴压油囊13外设有轴压压力传感器14，围压油囊11外设有围压压力传感器15，通过压力传感器向控制中枢1反馈压力信息。

岩石加载箱4固定于离心机3的吊篮中，在离心机3的旋转过程中，离心力使岩石加载箱4及其中的片状岩石试样10处于相当于N倍重力的超重力环境，此时片状岩石试样10的应力分布与N倍尺寸的原型岩石相同，可以模拟N倍岩石的加载破坏、渗流过程。

图像观测装置包括图像获取装置5(如佳能EOS M5)、光线反射装置6和照明灯条18，图像获取设备5固定于离心机3的转臂上，并通过电缆线8、离心机导电滑环与控制中枢1相连；照明灯条18为条状灯带，固定于镂空前板9-1内侧四个三角形的镂空孔内，通过电缆线8、离心机导电滑环与控制中枢1相连，接受控制中枢1的开关指令，其发出的光线穿过透明前板9-2，将片状岩石试样10的可观测面照亮；光线反射装置6固定在离心机3的吊篮内，为抛光的金属材质，其光滑反射表面与吊篮底面呈45度角，可以将实验过程中岩石变形、破坏、渗流过程的光学图像反射到图像获取装置5之内，图像获取装置5拍摄的数字图像数据传输给控制中枢1，进行相关数据分析。

一种利用上述装置进行超重力二维岩体模型实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：人工压制或者打磨片状岩石试样10，其应有不同的厚度规格。片状岩石试样的表面用染色剂处理，染色剂浸染到岩石试样的自然纹理及裂隙中，使得纹理更加明显，以方便图像识别和处理；

步骤2：将反力箱架背板9-4、已装入围压油囊11并接好油路的中隔板9-3、片状岩石试样10、透明板9-2、镂空前板9-1依次按照前述装置连接方式组装并用第二螺栓17固定；

步骤3：装入刚性轴压压头12、轴压油囊13和顶盖9-5，并接好相关油路；

步骤4：启动轴压和围压设备，对片状岩石试样10进行预压紧，并观察油路管线有无泄漏；

步骤5：将岩石加载箱4放置到离心机吊篮中，正对光线反射装置6，并施以适当的固定设施；

步骤6：通过控制中枢1控制图像观测装置观察岩石加载箱4，确保整个岩石加载箱全部在视野范围之内，否则调整岩石加载箱或者图像观测装置的位置；

步骤7：如一切正常，启动离心机3，使离心力达到预设值N倍重力(N为缩尺倍数)；

步骤8：调节轴压和围压设备的压力至设计值，实验开始，通过图像观测装置对岩石试样的应变场、位移场、裂隙扩展等进行观测，并传输至控制中枢1进行拼合和分析；

步骤9：实验结束后，压力降为0，关闭离心机3，撤下设备，拆下片状岩石试样10，并检修装置以备下一次使用。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。