[发明专利]一种岩土材料多场耦合多尺度宏细观试验机

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）。