一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验装置及试验方法

本发明属于室内岩石力学，尤其涉及一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验装置及试验方法。

背景技术：

1、在隧道开挖过程中，围岩应力状态改变是影响隧洞安全的主要因素。围岩应力状态的改变不仅包括应力大小的变化还包括应力方向的变化。在微观角度下，应力状态的改变会造成围岩内部裂纹的产生和扩展，而应力主轴旋转决定了裂纹扩展的方向。在应力主轴旋转影响下，试样会产生额外的塑性变形，并影响裂纹扩展速度，导致裂缝发育更加复杂化，进而影响试样力学性能。因此，开展室内试验探究复杂应力状态下岩石裂纹产生扩展机制，对于保证隧道开挖过程中围岩稳定和施工安全具有重要的意义。

2、目前常用的岩石室内试验装置中，单轴压缩仪，常规三轴仪，直剪仪，真三轴压缩仪等，均仅可实现应力大小的变化，无法实现应力主轴旋转的应力路径。空心圆柱扭剪仪可实现复杂的应力加载路径，但由于是三轴加载，无法实现应力主轴旋转下的裂纹扩展可视化分析。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验装置及试验方法，可以实现考虑应力主轴旋转作用下的复杂应力路径下的裂纹扩展机制的研究，弥补相关试验系统试验能力的不足。

2、为了实现上述目的，本申请采用了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验装置，所述试验装置包括由四个盖板上下左右四个面围成的试验腔室，前后两个面为可视面，待测试样放置于所述试验腔室内，每个所述盖板上均设有一个扇形压板；

4、所述扇形压板包括多个扇叶和连接杆，所述连接杆贯穿每个所述扇叶圆心的通孔将所有扇叶串联在一起，每个所述扇叶的一条边与所述盖板固定连接；

5、所述扇形压板上方设有压头组件，所述压头组件可顺次对每个所述扇叶施加垂直于所述扇叶另一条边方向上的压力。

6、在以上技术方案中，所述压头组件包括旋转压头、旋转轴和加载机构，所述旋转压头和加载机构通过所述旋转轴连接，所述加载机构电连接控制系统，所述控制系统控制所述旋转压头的旋转从而对每个所述扇叶施加压力，压力通过所述盖板传递到所述待测试样表面。

7、在以上技术方案中，每个所述扇叶内均设有伺服液压系统，所述伺服液压系统电连接所述控制系统，所述控制系统通过所述伺服液压系统控制施加到所述待测试样表面压力的大小。

8、在以上技术方案中，每个所述扇形压板上均设有多组所述扇叶，每组所述扇叶由多个高度不同、并按高低顺序顺次排列的所述扇叶组成，每组所述扇叶首首相连、尾尾相连组成所述扇形压板。

9、在以上技术方案中，所述待测试样的尺寸大于所述扇形压板及盖板的尺寸。

10、在以上技术方案中，所述伺服液压系统包括伺服液压活塞和伺服液压气缸，所述伺服液压活塞垂直于所述扇叶上靠近所述盖板的那条边设置。

11、第二方面，本发明提供了一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验方法，所述试验方法采用上述试验装置进行，所述试验方法包括以下步骤：

12、s1：根据试验腔室尺寸对待测试样进行切割处理，并预制裂纹尺寸、方向；

13、s2：将待测试样放置于试验腔室内，根据实验目的，设计合理的应力加载路径，控制旋转压头以及扇叶内的伺服液压系统，使待测试样所受压力按照设计的路径变化，使待测试样所受应力同时实现大小和方向的变化；

14、s3：采用数字散斑的方法，对试验加载过程进行监测，监测裂纹的扩展变化，当变形或破坏达到试验要求时即可停止试验。

15、本发明的有益效果在于：

16、1、本发明试验装置可用于开展考虑应力主轴旋转的双轴压力作用下的岩石裂纹断裂试验，观察裂纹的翼形扩展，以及相邻裂隙的贯通情况，通过挤压扇形压板以及扇形压板内伺服液压系统的控制，可以实现考虑应力主轴旋转的多种不同应力路径加载，定量得出应力主轴旋转对于裂纹扩展的影响。

17、2、本发明试验装置不仅可以实现裂纹扩展，同时也可以实现应力大小和方向的同时加载变化。这是一种全新的实现应力主轴旋转的加载装置，相比于空心圆柱扭剪仪，可以实现加载过程中试样的可视化，实现考虑应力主轴双轴应力裂纹扩展。

技术特征：

1.一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验装置，其特征在于：所述试验装置包括由四个盖板(1)上下左右四个面围成的试验腔室，前后两个面为可视面，待测试样放置于所述试验腔室内，每个所述盖板(1)上均设有一个扇形压板(2)；

2.根据权利要求1所述试验装置，其特征在于：所述压头组件(3)包括旋转压头(31)、旋转轴(32)和加载机构(33)，所述旋转压头(31)和加载机构(33)通过所述旋转轴(32)连接，所述加载机构(33)电连接控制系统，所述控制系统控制所述旋转压头(31)的旋转从而对每个所述扇叶(21)施加压力，压力通过所述盖板(1)传递到所述待测试样表面。

3.根据权利要求2所述试验装置，其特征在于：每个所述扇叶(21)内均设有伺服液压系统(211)，所述伺服液压系统(211)电连接所述控制系统，所述控制系统通过所述伺服液压系统(211)控制施加到所述待测试样表面压力的大小。

4.根据权利要求1所述试验装置，其特征在于：每个所述扇形压板(2)上均设有多组所述扇叶(21)，每组所述扇叶(21)由多个高度不同、并按高低顺序顺次排列的所述扇叶(21)组成，每组所述扇叶(21)首首相连、尾尾相连组成所述扇形压板(2)。

5.根据权利要求1所述试验装置，其特征在于：所述待测试样的尺寸大于所述扇形压板(2)及盖板(1)的尺寸。

6.根据权利要求3所述试验装置，其特征在于：所述伺服液压系统(211)包括伺服液压活塞和伺服液压气缸，所述伺服液压活塞垂直于所述扇叶(21)上靠近所述盖板(1)的那条边设置。

7.一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验方法，其特征在于：所述试验方法采用权利要求1-6任一项所述试验装置进行，所述试验方法包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种考虑应力主轴旋转的双轴应力裂纹扩展试验装置及试验方法，该试验装置包括由四个盖板上下左右四个面围成的试验腔室，前后两个面为可视面，待测试样放置于试验腔室内，每个盖板上均设有一个扇形压板；扇形压板包括多个扇叶和连接杆，连接杆贯穿每个扇叶圆心的通孔将所有扇叶串联在一起，每个扇叶的一条边与盖板固定连接；扇形压板上方设有压头组件，压头组件可顺次对每个扇叶施加垂直于扇叶另一条边方向上的压力。本发明试验装置可用于开展考虑应力主轴旋转的双轴压力作用下的岩石裂纹断裂试验，观察裂纹的翼形扩展，以及相邻裂隙的贯通情况，定量得出应力主轴旋转对于裂纹扩展的影响。技术研发人员：赵硕,周辉,高阳,卢景景,胡明明受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/27