[发明专利]一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置和方法，它跨越测绘、岩土工程领域。

背景技术

岩石作为自然界中一种复杂地质体，经过亿万年的搬运、沉积，岩石内部逐渐产生众多节理、裂纹、断层等宏观非连续面，这些缺陷不仅为岩体的稳定性增加了不少困难，而且直接影响岩石的物理力学特性。裂隙岩体的破坏，通常是由于内部的微裂纹和微孔洞起裂、发展并最终相互贯通形成宏观裂纹引起的。当受到拉伸时，这些结构面的尖端会产生数量可观的裂纹，进一步导致力学性能的变化。随着我国三峡工程和南水北调等大型工程的实施，为岩石力学与工程学科的发展提供更多的机遇。由于这些工程多数修建中西部山区，涉及到许多复杂的岩石力学问题。因此，探究裂纹系问题对岩体的变形和破坏对于保障岩体工程的稳定性有着重要的理论价值和实践意义。

众所周知，拉伸性能是材料最基本的力学性能，在对材料的力学性能进行研究的过程中，对材料进行拉伸实验是必不可少的一个环节。对于岩石材料的破坏过程，就其破坏机制是一个损伤演化、局部化的渐进过程。节理裂隙岩体的破坏很少表现为整体的、全面的、同时破坏，而常常是从均匀变形模式以缓慢平稳状态进入强烈变形模式的局部窄条带为主导变形的模式，这就是节理裂隙岩体中非常典型的局部化渐进破坏现象。现在比较常见的拉伸实验是测得试样拉伸的应力应变曲线，并分析被拉断的试样的断面。但是，结合温控和拉伸对试样破坏模式的分析并不多见。因此，恰当、准确地描述节理裂隙岩体的破坏过程和破坏机制，对于问题的解决起着至关重要的作用。

目前，国内关于含裂隙材料的选取主要是类岩石材料或天然大理岩。这些材料由于本身的非均质性，得到的宏观破坏规律比较随机和离散性。但随着科技的发展，3D打印技术在新产品、新制造工艺、新材料方面涌现了众多研究成果。其中光敏树脂材料具有连续、均匀、各向同性、线弹性，接近岩石的脆性特性，而且3D打印研究裂隙的扩展规律能有助于得到普遍规律性的结论。准确测量、评价3D打印材料的拉伸宏观破坏特性和不同温控下光敏树脂的拉伸行为是当前普遍关注的前沿问题，是断裂力学发展的基础。但是，现有实验技术的发展非常有限，对于3D打印的光敏树脂材料在温控和拉伸作用下的实验较少。因此模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置和方法的研究是十分必要的。

发明内容

一般对岩石裂隙的拉伸实验较多，而对于3D打印的光敏树脂材料在温控和拉伸作用下的实验较少，传统的实验仪器不能满足本实验的需求。为了进一步提高对断裂力学的认识，本发明采用类岩石材料模拟实际岩石裂缝的现实情况，提供一种自动化温控-拉伸预测开裂的实验观测装置测定拉力，通过实验得到不同温度下，观察得到具有规律性的宏观破坏模式。本发明的技术解决问题是：克服现有技术的空缺，提供一种简单易行、成本低的自动化温控-拉伸预测开裂的测定方法。此发明能够解决针对厚度较薄的光敏树脂材料在拉伸及温控共同作用下的裂隙扩展情况，这为裂隙的破坏特性及宏观贯通模式的认识提供有价值的帮助。

一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置，该装置包括DIC图像1、下部温控平板2、上透明玻璃3、拉力传感器4、移动轨道5、固定螺栓6、底座7、实时温控箱8、拉头9、固定夹板10、驱动电机11、拉力控制器12和计算机13。

模拟类岩石材料裂隙扩展的试件的两端被固定夹板10所夹持，固定夹板10的外侧设有拉头9；拉头9由驱动电机11驱动控制，拉头9与固定夹板10之间设有拉力传感器4；固定夹板10的底部固定在移动轨道5上，移动轨道5固定在底座7上；模拟类岩石材料裂隙扩展的试件底部设有下部温控平板2，下部温控平板2与实时温控箱8连接，实时温控箱8控制下部温控平板2的温度，进而控制试件的温度；下部温控平板2上设有下玻璃板，模拟类岩石材料裂隙扩展的试件顶部设有上透明玻璃3；DIC图像1设置在上透明玻璃3的顶部；下玻璃板和上玻璃板3通过固定螺栓6连接，下玻璃板和上玻璃板3形成的空间为DIC图像1拍摄提供空间。计算机13通过拉力控制器12与驱动电机11连接。

模拟类岩石材料裂隙扩展的试件为3D打印光敏树脂材料，试件的裂隙为任意形状，试件厚度为0.5-1cm。

模拟类岩石材料裂隙扩展的试件为契形形状，以便于固定夹板10的固定。

在试件的底部安装了下部温控平板，与实时温控箱进行连接，这样保证底部的温度实时传送给试件，在实时的温控箱上可以直观看到温度及时间的设置。在试件的上部安放了透明玻璃板，采用固定螺栓把上、下玻璃板进行固定，在整个实验的过程中可以采用DIC图像实时拍照记录试件破坏变形情况。