一种岩石试样单轴抗压降温试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种基于单轴抗压试验的保温水槽装置，具体为在温度可控下的岩石试样单轴抗压降温装置及试验方法。

背景技术

在硬脆性岩石的岩爆研究中，温度对于岩爆的损害程度影响较大。为了减少温度对于围岩隧道的影响，许多学者研究了各种降温措施来对岩爆现象进行抑制或减弱。但是由于现有实验器材的局限性，许多研究都只针对了高温下岩石的岩爆力学研究，对于降温措施下的岩石力学研究大多停留在数值模拟阶段，这给现实应用造成了局限性，大多数还是凭着经验实施降温手段。考虑到实验器材遇水不灵敏，洒水不均匀性等问题，有关学者研究的洒水降温实验中也只是在数值模拟中验证降温的有效性，并没有从实验数据出发，或者是采用浸水试验，这也会导致实验数据的误差性。根据能量守恒原理，利用洒水降温的方式，就是要利用水的热传递来减少高温围岩内部聚集的能量，从而减小应变能的释放。因此本发明着力于高温岩石试样在水的热传递下进行降温的一种岩石单轴压缩试验系统。

发明内容

为解决高温岩石试样在水的热传递下进行降温的技术问题，从而研制出一种基于岩石试样单轴抗压降温试验装置及试验方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种岩石试样单轴抗压降温试验方法，包括：

1)制备标准岩石试样，将岩石试样加热至设定温度t

2)将岩石试样放在密封水槽中，控制密封水槽中的恒温水流速；同时在岩石试样上施压荷载；

3)当岩石试样温度降至试验温度t

4)重复步骤2)-3)，将加热至设定温度t

优先选的，岩石试样加热的设定温度t

优选的，以位移速率为0.02-0.1mm/s的方式施加荷载。

本发明还提供了所述方法采用的岩石试样单轴抗压降温试验装置，包括：

密封水槽，与保温水箱连通，用于为内置的岩石试样提供所需的温度；

保温水箱，用于为密封水槽提供实验恒温水；

岩石试样，放置于密封水槽中，外壁贴有应力应变感应片，在密封水槽中进行单轴抗压降温试验；

应力应变数据采集仪，获取应力应变感应片感应岩石试样受温度变化的数据，输出至控制系统；

密封水槽连通保温水箱形成循环回路，岩石试样置于密封水槽中上下垫有垫块，岩石试样外周设有应力应变感应片，应力应变感应片连接应力应变数据采集仪。

优选的，所述密封水槽中设有柱形筒，岩石试样置于密封水槽柱形筒中，岩石试样底部垫有下垫块，顶部放置有上垫块，载荷施加在上垫块上。

优选的，所述密封水槽放置在放置台上，下垫块设在密封水槽中的岩石试样下方。

优选的，所述上垫块设在密封水槽上方，上垫块的大小与柱形筒面积相配合。

优选的，所述应力应变感应片与岩石试样采用碳纤维布包裹。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1)本发明装置能够实现在加载的同时，实现对岩石试样的降温控制，解决了以往研究者对于仪器试验的局限性，更能反映隧道围岩在洒水降温情况下的真实受力环境。

2)本发明采用了保温水槽逐级降温的方法，不仅能够快速且均匀实现对与岩石试样的降温，也可以更好地观测出随温度下降量与时间、应力应变之间的关系。该方法能够避免现有技术采用洒水降温方法进行岩石物理力学性质研究存在的弊端，通过以较小的温度变化引起岩石内部应变能的释放，能够为硬脆性隧道围岩的岩爆研究提供一种可行的方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为发明装置结构示意图；

图2为水槽整体示意图；

图3为不同温降后岩样的轴向应力-应变曲线。

图中：1、放置台，2、下垫块，3、密封水槽，4、上垫块，5、应力应变感应片，6、应力应变数据采集仪，7、保温热水箱，8、热水阀，9、冷水箱，10、冷水阀，11、循环水阀，12、循环管，13、岩石试样，14、进水口，15、出水口，16、碳纤维布。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明一种基于单轴抗压试验的保温水槽装置，包括密封水槽3、放置台1、岩石试样13、上垫块4、下垫块2、保温热水箱7、冷水箱9、应力应变感应片5和应力应变数据采集仪系统6；密封水槽3内设有放置岩石试样13的柱形筒，在岩石试样的外周上布置有应力应变感应片5，应力应变感应片5连接到应力应变数据采集仪6。放置台1上放置下垫块2，岩石试样13和密封水槽3放置在下垫块2的上部，上垫块4放置在岩石试样13的上部，载荷施加在上垫块4上使岩石试样13变形。密封水槽3连通保温热水箱7，保温热水箱7连通冷水箱9，冷水箱9上设有冷水阀10，保温热水箱7上设有热水阀8和循环水阀11。

本发明实施例中，密封水槽内侧壁与岩石试样间隔10～20mm的距离，应力应变感应片5粘贴在岩石试样13的周围侧壁，碳纤维布16包裹住应力应变感应片5和岩石试样13；保温热水箱7通过进水口14向密封水槽3提供相应温度的恒温水，热水阀8控制热水流入密封水槽3的速度；冷水箱9向保温热水箱7提供冷水进行加热，冷水阀10控制冷水流入保温热水箱7的速度；如需降低或升高密封水槽3内部水的温度，则打开循环水阀11通过出水口15将水排出到循环管12，从而再次流入保温热水箱7进行循环利用。

如图2所示，密封水槽3的上部和右侧下部留有进水口14和出水口15，密封水箱、冷水箱和保温热水箱通过进水口和出水口进行一个密封双U形空间，通过密封水槽内部的水对岩石试样进行加热、降温或保温。

岩石试样13的四个侧面均安装了应力应变感应片5，利用能量守恒原理判断岩石温度与应力应变之间的关系，有助于对岩石力学性能的全面分析。

应力应变感应片5与岩石试样13采用碳纤维布16包裹进行连接，碳纤维布16不仅可以保护导线减少密封水槽3温度的影响，也具有良好的保温效果，可以使岩石试样13更快的进行热传导。

应力应变数据采集仪6通过密封水槽3内侧壁预留间距与应力应变感应片5的导线相连。使用的导线均属于耐高温导线。对岩石试样13进行加热过程中导线会随着温度升高而变热，使用耐高温的导线会不容易老化。

热水阀8、冷水阀10和循环水阀11可以控制水流，热水阀8可以控制保温热水箱7向密封水槽3提供相应温度热水的用量和速度，冷水阀10可以控制冷水箱9向保温热水箱7提供冷水的用量和速度，循环水阀11一方面可以排出密封水槽3内的水，从而使新的温度的水进入密封水槽3，另一方面可以避免水资源的浪费，从而流向保温热水箱7进行循环利用。

在一个实施例中，试验装置的密封水槽是底面边长为200mm，高度为100mm，中间留有直径约为60～80mm圆柱形筒的异形水槽，将岩石试样放置在所述密封水槽的内置圆柱形筒中，在水槽中充满相应温度的水，通过热传递对所述岩石试样进行加热。

密封水槽的上部和右侧下部留有进水口和出水口，密封水箱、冷水箱和保温热水箱通过进水口和出水口进行一个密封双U形空间，通过密封水槽内部的水对岩石试样进行加热、降温或保温。

岩石试样的四个侧面均安装了应力应变感应片，利用能量守恒原理判断岩石温度与应力应变之间的关系，有助于对岩石力学性能的全面分析。

应力应变感应片与岩石试样采用碳纤维布包裹进行连接，碳纤维布不仅可以保护导线减少密封水槽温度的影响，也具有良好的保温效果，可以使岩石试样更快的进行热传导。

应力应变数据采集仪通过密封水槽内侧壁预留间距与所述应力应变感应片的导线相连。导线均属于耐高温导线。对岩石试样进行加热过程中导线会随着温度升高而变热，使用耐高温的导线会不容易老化。

热水阀、冷水阀和循环水阀可以控制水流，热水阀可以控制保温热水箱向密封水槽提供相应温度热水的用量和速度，冷水阀可以控制冷水箱向保温热水箱提供冷水的用量和速度，循环水阀一方面可以排出密封水槽内的水，从而使新的温度的水进入密封水槽，另一方面可以避免水资源的浪费，从而流向保温热水箱进行循环利用。

本发明实施例对岩石试样施加载荷进行了单轴压缩试验，具体步骤如下：

1)制备岩石试样，用切削机制成圆柱形岩石块，尺寸可选择直径D＝50mm，高度H＝100mm；将在本实验中我们认定一般隧道内围岩温度为40℃，因此取40℃作为对照组。然后分别取60℃、80℃和100℃为实验组。

2)先用烘箱以每分钟5℃/min的升温速率进行均匀加热将岩石试样加热到100℃，当温度显示器显示加热温度为所需温度后不再继续升温。保持所需温度30min后即认为岩石试样内各处温度与岩石表面温度一致。

3)在岩石试样的侧面平均分布应力应变感应片，岩石试样和应力应变感应片采用碳纤维布进行包裹。

4)将密封水槽平稳地放置在放置台上，在放置台上布置下垫块，然后将步骤1)中已准备好的岩石试样放在密封水槽的内部柱形筒中，在岩石试样的上部布置上垫块4。

5)连接应力应变感应片与应力应变数据采集仪的导线。

6)将水池与冷水箱进行连接，打开水龙头和冷水阀，使冷水箱和保温热水箱内充满水。冷水箱充满2/3水后，关闭水龙头和冷水阀，保温热水箱开始加热，温度加热到80℃时，自动切为保温模式。此时打开热水阀和循环水阀，使密封水槽内充满80℃的温水，降温实验开始进行；同时在岩石试样上以位移速率为0.02-0.1mm/s的方式施加荷载；当岩石试样温度由100℃降低到80℃时，读取并记录岩石试样随温度、载荷应力变化的应变值。

如需调整温度的温度，则关闭热水阀8，打开冷水阀10，使保温热水箱7回收流入循环水阀11中的水并补充相应冷水，降温并保温至60℃时，再次向密封水槽3灌水，依次进行试验。

8)将岩石试样加热到设定温度100℃，重复步骤2)-6)，以此类推，得到岩石试样温度由100℃分别降低到60℃、40℃时，读取并记录岩石试样随温度、载荷应力变化的应变值；绘制关于岩石试样随温度、载荷应力变化的应变关系曲线，得到岩体单元可释放应变能。

测试过程中每个测试过程读数不得少于7个点，记录破坏载荷值并计算各组应变值对应的应力值，绘制关于应力应变关系曲线。见图3所示，为花岗岩岩样在分别经历了不同温降后的轴向应力–应变全过程曲线。不难发现：

经历不同温降作用后岩样的轴向全应力–应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段；峰前曲线具有明显的屈服点，屈服点与峰值点之间的应力–应变曲线较为平缓；峰前轴向应变明显大于峰后轴向应变，且应力一旦达到峰值，应力急剧下降，破坏后的岩石仍具有一定的承载能力；从应变来看，岩样压密阶段的变形随温度的升高而有所增大，其中的主要原因在于温度越高，加载前的试件初始损伤越严重，即内部的初始缺陷与孔隙越发育。

根据岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线计算变形参数。由于岩石压缩过程中各个阶段的变形情况有所不同，初始弹性模量E

式中：Δσ为纵向应力-应变曲线中直线段的纵向应力增量，MPa；Δε为纵向应力-应变曲线中直线段的纵向应变增量；

岩石在单轴压缩过程中纵向变形的同时横向也发生相应变形，在轴向应力-纵向应变与轴向应力-横向应变曲线上，对应直线段纵向应变和横向应变的平均值计算泊松比ν：

式中：ε

岩体单元可释放应变能，通过以下步骤计算：

考虑一个单位体积的岩体单元在外力作用下产生变形，该物体与外界发生热交换，外力功所产生的总输入能量为U，岩体与外界进行热交换的能量为Q，Q<0，则：

U-Q＝U

式中，U

外力功所产生的总输入能量为表示为：

式中，σ

岩体与外界进行热交换的能量可表示为：

Q＝cm(t

式中：c为比热容，m为物体的质量，t

岩体单元可释放应变能为：

式中：E

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。