一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机

摘要

本发明公开了一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机，适用于岩土介质在力-水-温度不同耦合条件下变形和损伤实时跟踪测量，包括MTS刚性压力机、密闭透明试验箱、宏观光学相机、细观光学相机、LVDT位移传感器、湿度控制器、温度湿度传感器、控制和采集系统以及刚性工作平台，该设备功能齐全，测量精度高，实时跟踪材料损伤变化的细观特征和宏观表征，可以实现单轴条件下材料力学参数确定，水力损伤机理和长期流变机理识别，非常适合现代岩土研究需求。

说明书

技术领域

本发明涉及实验测量仪器技术领域，更具体涉及一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机，该试验机适用于岩土介质在力-水-温度不同耦合条件下变形和损伤实时跟踪测量，可以实现单轴条件下材料力学参数确定，水力损伤机理和长期流变机理识别。

背景技术

岩土材料在工程建设、运营、维护过程承受着不同力-水-温度-化学等多种耦合作用的影响，尤其是在深部地下工程中（石油、天然气战略能源储存、高放射性核废料储存、非常规油气田开采）表现的更加突出。同时，岩土介质往往存在显著的非均质性、非连续性及各向异性，其变形破坏分析涉及到宏细观裂隙相互作用规律、局部弱化区的形成及演化过程。岩土介质渐进破坏机理是评价工程岩体宏观力学参数的依据，也是预测地下工程围岩垮塌、滑坡、岩爆、地震等地质灾害的基础，也是获取岩土介质宏观力学参数的关键，是岩土力学重要组成部分。因此，研究岩土材料多场耦合条件下多尺度行为对于深刻揭示岩土介质变形破坏机理及规律，预测工程灾害的发生及指导工程设计具有十分重要的意义。

根据对期刊文献和专刊检索，关于岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机鲜有报道，目前，国内外主要成果集中在岩土材料多场耦合试验。朱杰兵等（岩石力学室内试验技术若干进展[J],固体力学学报，2010,31,209-215）对三轴水力耦合系统进行了介绍，而关于利用光学测量系统进行多场耦合测试的非常少，盛金昌等人（基于图像数字化技术的裂隙岩石多场耦合分析，工程力学[J]，2007，24,30-35）主要是介绍图像数字化技术对多场耦合不同阶段的分阶段分析，没有多场耦合条件下的实时跟踪，也没有宏细观不同尺度的测量分析介绍。

目前，在期刊和专刊检索内均未搜到关于岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机的报道。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机，实现不同荷载耦合条件下不同尺度全场应变测量，为岩土材料宏细观力学特性准确测量提供技术支持，该设备功能齐全，测量精度高，非常适合现代岩土研究需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机，包括MTS刚性压力机、密闭透明试验箱、宏观光学相机、细观光学相机、LVDT位移传感器、湿度控制器、温度湿度传感器、控制和采集系统以及刚性工作平台，其连接关系是：MTS刚性压力机的运动活塞穿过密闭透明试验箱顶部，用可伸缩塑料胶套密封，MTS刚性压力机的受力底座穿过密闭透明试验箱底部固定在刚性工作平台上，用硅胶密封，LVDT位移传感器的两端分别固定在MTS运动活塞和底部受力支座上，LVDT位移传感器在密闭透明试验箱内，密闭透明试验箱通过支撑杆固定在刚性工作平台上，宏观光学相机镜头通过镜头保护密封圈伸入密闭透明试验箱内一侧，宏观光学相机的机身通过可调定位杆固定在刚性工作平台上，细观光学相机的光学放大镜头通过镜头保护密封圈伸入密闭透明试验箱内另一侧，细观光学相机的机身通过定位支座固定在刚性工作平台上，密闭透明试验箱上设置湿气进口和湿气出口，湿气进口和湿气出口与湿度控制器相连，温度湿度传感器穿过密闭透明试验箱上小孔并设置于密闭透明试验箱内，LVDT位移传感器、宏观光学相机、细观光学相机、湿度控制器及温度湿度传感器均与控制和采集系统相连。

定位支座x，y，z三个方向可以平移和转动，通过电动控制。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

①  测量宏观和细观不同尺度（100 μm-cm）全场应变测量，相当于在试样表面贴了数以万计不同方向的应变片；

②  实现力-水-温度三种不同荷载耦合组合测试；

③  实时跟踪材料损伤变化的细观特征和宏观表征；

④  系统通用性好、可靠性高、精度高（湿度变化可以控制在1%之内，细观尺度应变精度达到10^-4），可以满足岩土力学多场耦合细观力学分析要求。

附图说明

图1为一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机结构示意图。

其中： 1—MTS刚性压力机，2—运动活塞， 3—受力底座，4—宏观光学相机（IMPREX 16M），5—镜头保护密封圈，6—细观光学相机（Manta 4M），7—定位杆，8—定位支座，9—支撑杆，10—密闭透明容器，11—刚性工作平台，12—湿度控制器，13—湿气进口，14—湿气出口，15—LVDT位移传感器，16—温度湿度传感器（JUMO），17—控制和采集系统（PCI采集卡和Labview软件）。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机，它包括MTS刚性压力机1、密闭透明试验箱10、宏观光学相机4、细观光学相机6、LVDT位移传感器15、湿度控制器12、温度湿度传感器16、控制和采集系统17以及刚性工作平台11。MTS刚性压力机1的运动活塞2穿过密闭透明试验箱10顶部，用可伸缩塑料胶套密封，MTS刚性压力机1的受力底座3穿过密闭透明试验箱10底部固定在刚性工作平台11上，用硅胶密封，LVDT位移传感器15的一端利用金属环固定在运动活塞2上，另一端金属平板固定在受力底座3上，可伸缩的位移测量探头与固定在受力底座3上的金属平板接触，测量探头跟随运动活塞2一起运动，从而记录轴向位移值，LVDT位移传感器15在密闭透明试验箱10内，密闭透明试验箱10通过支撑杆9固定在刚性工作平台11上，宏观光学相机4镜头通过镜头保护密封圈5伸入密闭透明试验箱10内一侧，宏观光学相机4的机身通过可调定位杆7固定在刚性工作平台11上，细观光学相机6的光学放大镜头通过镜头保护密封圈5伸入密闭透明试验箱10内另一侧，细观光学相机6的机身通过定位支座8固定在刚性工作平台11上，密闭透明试验箱10上设置湿气进口13和湿气出口14，湿气进口13和湿气出口14与湿度控制器（JUMO）12相连，温度湿度传感器16穿过密闭透明试验箱10上小孔并设置于密闭透明试验箱10内，LVDT位移传感器15、宏观光学相机4、细观光学相机6、湿度控制器12及温度湿度传感器16与控制和采集系统17相连。

MTS刚性压力机1采用电液伺服控制系统，MTS刚性压力机1通过运动活塞2将力施加于试样端部，该MTS刚性压力机1最大荷载为600KN，可以通过应力或位移两种加载方式实现，最低位移施加速度为1μm/s。

密闭透明试验箱10体积为600x450x450mm，最终密闭效果满足试验需求，整体的湿度波动控制在2%以内，而温度则几乎是恒定不变。

宏观光学相机4的型号为IMPREX 16M，包括CCD图像传感器、光学镜头、光圈调控及机身，该相机的像素为1600万像素，其CCD图像传感器物理尺寸为24x36mm，并使用施耐德光学镜头进行调焦，镜头和待测试样表面保持24cm距离以确保最佳拍摄效果，机身通过可调定位杆7固定在刚性工作平台11上，光学拍摄图像通过数据线传到计算机中。

细观光学相机6的型号为Manta 4M，包括CCD图像传感器、光学放大镜头及机身，相机的像素为400万像素，CCD图像传感器物理尺寸为15x15mm，并使用10倍放大光学镜头对待测试样表面进行跟踪拍摄，机身安装在x，y，z三个方向可以平移和转动的电动控制定位支座8上，定位支座8固定在刚性工作平台11上，该控制系统可以实现10nm平移精度控制，以确保细观相机随时根据材料变形而自动跟踪定位拍摄，光学拍摄图像通过数据线传到计算机中，该测量系统实现了和宏观光学测量同步控制操作。

LVDT位移传感器15和温度湿度传感器16分别安置在密闭试验箱10内，通过PCI数据采集卡，将测量值传递到计算机中。宏观光学相机测量、细观光学相机测量、LVDT测量、温度湿度测量、湿度控制、加载控制均实现了电子控制、自动采集分析，其中光学测量和数据采集采用Labview软件编程，而湿度控制和加载控制用各自设备自带的控制系统。

进行该试验测试前，需要对试样进行处理。首先以圆柱形试样轴向为中心精心刨切两个对称面，并抛光处理后，放置进封闭力学-温度、湿度箱内，进行不同水力加载，利用两台不同高清相机对所抛光的表面进行跟踪拍摄，并利用数字图像相关技术进行图像处理。

利用该试验设备对泥岩进行2MPa下干湿循环试验，试验曲线表明，该系统可以得到不同应力条件湿度变化过程，材料从100μm到10 cm不同尺度的应变值，其宏观（cm）测量精度为10^-6，和应变片测量比较吻合，细观（μm）测量精度为10^-4。同时，通过该设备，得到了材料不同饱和度下力学参数（模量、强度、泊松比），得到了材料细观变化特征，为岩土水力耦合变形和损伤机理分析提供了试验依据。