一种岩石非均布加载瞬时卸围压力学试验系统及使用方法

本发明涉及一种岩石非均布加载瞬时卸围压力学试验系统及使用方法，属于岩石力学试验设备。

背景技术：

1、随着国民经济的快速发展，交通隧道、能源开发、水电涵洞等地下工程逐步向深部进军，岩石应力赋存环境复杂，部分岩石在非均布载荷作用下发生破坏失稳，如在能源开发领域，沿空掘巷小煤柱、沿空留巷巷旁构筑物等受上覆岩层非均布载荷作用下发生变形失稳；在交通隧道领域，开挖面附近区域应力重新分布，使得该区域岩石因受非均布载荷而发生变形破坏。同时在实际工程条件中，因支护结构失效导致岩石突发破坏甚至失稳的现象时有发生，严重制约了深部地下工程安全。因此要保障深部地下工程的安全稳定，就必须探究岩石在非均布载荷作用下和瞬时卸围压条件下的力学响应特征。

2、目前，围绕非均布载荷作用下岩石力学试验装置及方法大致可分为两类，一种是借助多个独立液压油缸实现对目标区域的非均布加载，如中国专利文件cn114964850a公开了一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统及方法，该装置可施加可调、高精度的非均布载荷，其非均布载荷是通过对液压泵和液压油缸的独立控制，从而实现对大尺寸试件的非均布加载。但是该装置是针对大尺寸试件进行分区域非连续的非均布加载，无法真实模拟实际工况中连续的非均布载荷，与实际工程条件不符。

3、二是基于煤炭开采领域中顶板回转下沉基本特性实现对岩石的非均布加载，中国专利文件cn113008683a公开了一种模拟采动非均布加载的实验装置及方法，实现了不同初始垂向均布载荷作用下岩石表面的非均布加载，其非均布载荷是通过两个独立加载油缸实现差量加载，使得承压板回转，从而给试件施加非均布载荷。但是由于承压板是近似刚性的，其施加的非均布载荷实质上是梯度载荷，施加的载荷分布形式存在局限性。

4、针对瞬时卸围压条件下岩石的力学试验装置及方法，中国专利文件cn114965119a公开了一种循环动载瞬时卸围压力学试验装置及使用方法，其基于岩石膨胀变形和螺栓受力断裂的特性实现了围压瞬时卸载。但是由于其是针对圆柱形试件进行实施的，不能模拟立方体形试件单面支护失效的现象，存在测试范围小等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种岩石非均布加载瞬时卸围压力学试验系统，操作简单，试验准确性高，实现不同载荷分布形式、不同围压强度的施加，为地下工程支护设计提供理论依据。

2、本发明还提供上述岩石非均布加载瞬时卸围压力学试验系统的使用方法。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种岩石非均布加载瞬时卸围压力学试验系统，包括承载框架系统、气压加载系统、电磁围压加载系统、监测系统、控制系统和数据分析系统，其中，

5、承载框架系统顶部设置有气压加载系统，承载框架系统底部设置有电磁围压加载系统，气压加载系统和电磁围压加载系统上设置有监测系统，气压加载系统和电磁围压加载系统均连接有控制系统，监测系统和控制系统均连接有数据分析系统；

6、气压加载系统，用于对立方体试件施加任意载荷分布形式的轴向载荷；

7、电磁围压加载系统，用于对立方体试件进行围压的加卸载；

8、监测系统，用于监测立方体试件在加卸载过程中受力和变形情况；

9、控制系统，用于控制气压加载系统和电磁围压加载系统；

10、数据分析系统，用于接收监测系统和控制系统的数据并处理分析。

11、根据本发明优选的，承载框架系统包括底板、立柱、试验台和顶板，底板上侧设置有试验台，试验台上侧设置有电磁围压加载系统，底板上侧通过立柱设置有顶板，顶板下侧设置有气压加载系统。

12、根据本发明优选的，气压加载系统包括外壳、高压密封腔、液压作动器、柔性压头和气体泵，外壳为钢制立方体结构，外壳固定于承载框架系统，外壳底部设置有柔性压头，柔性压头上紧密排列设置有若干高压密封腔，高压密封腔连接有气体泵，每个高压密封腔上侧均设置有液压作动器，液压作动器固定于承载框架系统。每个液压作动器均为独立控制，可进行独立的压缩气体做功，从而为柔性压头施加非均布载荷。

13、控制系统控制气体泵向高压密封腔内充入气体，待高压密封腔内具有一定压力的气体后，控制系统控制液压作动器竖直向下运动压缩气体，高压密封腔内的气体由于压缩气体做功，使得柔性压头向立方体试件施加轴向载荷。

14、气体泵可根据需求为高压密封腔内提供不同初始气压的气体，液压作动器可以实现不同压缩速率的竖直运动，从而施加不同加载速率和不同加载强度的轴向载荷。

15、若忽略压缩气体变化过程中的温度变化，则试件承受的载荷q为：

16、

17、式中：p为气体压力；v1为压缩前气体体积；v2为压缩后气体体积；h为液压作动器竖直方向移动的距离；s为柔性压头与立方性试件的接触面积。

18、柔性压头的材质可选择为具有高密闭性的柔性高分子材料，作为上方非均布载荷的转递介质，从而为试件施加连续的非均布轴向载荷。

19、根据本发明优选的，电磁围压加载系统包括立板、基座、导向轨、滑轮、支撑柱和电磁围压板，承载框架系统底部设置有基座，基座上呈矩形设置有4块电磁围压板，每块电磁围压板外侧均设置有支撑柱，支撑柱底部通过滑轮固定于导向轨，滑轮通过传动轴和齿轮连接有驱动电机，导向轨固定于承载框架系统底部，导向轨外侧设置有立板，保护内部结构。

20、根据本发明进一步优选的，电磁围压板内侧设置有弹性减摩套，减小试件与电磁围压板之间的摩擦，并避免了试件在周向四个方向变形的相互影响。

21、根据本发明优选的，监测系统包括气压传感器、位移传感器、电磁传感器、压力传感器和信号采集器，电磁围压板内侧设置有压力传感器，高压密封腔内设置有气压传感器，液压作动器上设置有位移传感器，电磁围压板上设置有电磁传感器，压力传感器、气压传感器器、位移传感器和电磁传感器通过信号收集器连接有数据分析系统。

22、上述岩石非均布加载瞬时卸围压力学试验系统的使用方法，步骤如下：

23、(1)制取立方体形试件；

24、(2)将试件固定在电磁围压板中间位置，然后电磁围压板通电，4块电磁围压板实现对试件的固定夹持，驱动电动驱动滑轮运动，带动4个支撑柱分别支撑4块电磁围压板，起到辅助支撑效果，避免单独某一块电磁围压板卸压时其余电磁围压板发生松动，丧失其余面的围压力加载；

25、(3)气体泵向各高压密封腔内充入气体，待高压密封腔内具有一定压力的气体后，液压作动器竖直向下运动，压缩气体，根据设定，使柔性压头向试件施加非均布轴向载荷，试件受轴向载荷作用，径向发生膨胀，与电磁围压板挤压，产生被动围压；

26、(4)围压达到设定值后，瞬时卸围压，根据设定，对其中一面电磁围压板进行瞬时卸围压，该电磁围压板对应的驱动电机断电，支撑柱失去对电磁围压板支撑力，电磁围压板断电，完成试验；实际应用时，电磁围压板和驱动电机同时断电，可实现瞬时快速卸围压，如果采用其余支撑来代替支撑柱，如液压杆，则需要先收回液压杆，然后进行瞬时卸围压，过程复杂，而且在液压杆收回过程中，电磁围压板会先失去外部支撑力，影响最终的测量结果；

27、(5)分析得到试件受载过程中的气压、磁压和应力变化曲线，获得试件在非均布加载-瞬时卸围压条件下的力学响应特征。

28、优选的，步骤(4)中，可以选择试件周向四个面中任意一个或多个面进行瞬时围压，从而真实模拟现场工程实际条件。

29、本发明的有益效果在于：

30、1、本发明结构简单，设计合理，实现不同载荷分布形式的非均布加载和围压瞬时卸载，为实际地下工程条件下岩石力学响应特征及破坏机理提供理论依据。

31、2、本发明采用液压作动器和高压密封腔配合，独立竖直运动压缩气体做功，利用柔性压头为试件施加连续的非均布载荷，操作便捷，可行性高。

32、3、本发明通过电磁围压加载系统产生的磁斥力，实现对试件周向任意一个或多个面进行围压瞬时卸载，当围压超过预定值时，围压瞬时卸载至0，真实地模拟地下工程支护结构突然失效导致岩石破坏失稳这一工程现象，试验结构可靠。

33、4、本发明的支撑柱设计有两处效果，一是起到辅助支撑效果，避免单独某一块电磁围压板卸压时其余电磁围压板发生松动，丧失其余面的围压力加载；二是实际应用时，电磁围压板和驱动电机同时断电，可实现瞬时快速卸围压，如果采用其余支撑来代替支撑柱，如液压杆，则需要先收回液压杆，然后进行瞬时卸围压，过程复杂，而且在液压杆收回过程中，电磁围压板会先失去外部支撑力，影响最终的测量结果；