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原文传递深部岩体动力性能试验系统及方法

专利名称：	深部岩体动力性能试验系统及方法
摘要：	本发明提供了一种深部岩体动力性能试验系统及方法，属于深部岩体试验装置领域。该系统包括试验主体框架、组合式限位装置、复合动静加载模块、高精度监测模块、智能加载控制模块和数据存储模块。试验主体框架用于安装复合动静加载模块、放置组合式限位装置及提供约束反力。组合式限位装置用于装夹试验对象。复合动静加载模块中的任一动静式气液复合缸能够模拟不同的动力灾害以对试验对象进行加载和快速卸载。高精度监测模块用于监测试验过程数据。智能加载控制模块控制加载方式。数据存储模块用于对数据进行存储与处理。本发明的系统能够根据现场工程地质条件，在试验室中模拟不同工况下复合动力灾害发生的情形。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国矿业大学(北京)
发明人：	王琦;王业泰;江贝
专利状态：	有效
申请日期：	2022-11-10T00:00:00+0800
发布日期：	2023-01-03T00:00:00+0800
申请号：	CN202211401791.X
公开号：	CN115561083A
代理机构：	北京中北知识产权代理有限公司
代理人：	吕秀洁
分类号：	G01N3/12;G01N3/02;G01N3/04;G01N3/307;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/12;G01N3/02;G01N3/04;G01N3/307
申请人地址：	100083 北京市海淀区学院路丁11号
主权项：	1.一种深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，包括：试验主体框架，用于安装复合动静加载模块、放置组合式限位装置及提供约束反力；组合式限位装置，用于装夹试验对象，以对试验对象采用不同方式的加载进行试验，包括可调节式底座、第一组合式限位模块和第二组合式限位模块；复合动静加载模块，包括对应安装在所述试验主体框架的顶部及四周的多个动静式气液复合缸，每一动静式气液复合缸能够根据模拟的不同动力灾害以对试验对象进行加载和快速卸载；高精度监测模块，用于实时监测试验过程数据及试验对象内部损伤发育情况，包括动态力学参数传感单元、图像采集单元、扫描成像单元；智能加载控制模块，包括中心控制台、液压泵站和气压泵站，所述中心控制台与所述液压泵站、所述气压泵站及所述高精度监测模块相连，所述液压泵站和所述气压泵站经对应的回路与所述多个动静式气液复合缸相连，所述中心控制台配置成根据外部指令转换为内部控制指令，控制所述液压泵站和所述气压泵站对所述复合动静加载模块进行调控以控制加载方式，所述中心控制台还用于设置所述高精度监测模块的参数；以及数据存储模块，与所述智能加载控制模块、所述高精度监测模块及智能终端连接，用于对接收到试验过程中的数据进行存储与处理，并且允许智能终端对数据进行读取和操作。 2.根据权利要求1所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，每一动静式气液复合缸配置有静载加载、扰动加载、冲击加载及卸载模式，其中，所述静载加载模式用于模拟深部岩体所处的高地应力环境，以对所述试验对象提供持续稳定的压力，所述扰动加载模式和所述冲击加载模式用于模拟深部岩体所受到动力灾害，以在所述静载加载模式下同时提供不同频率组合的强、弱扰动冲击。 3.根据权利要求2所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述静载加载模式和所述扰动加载模式均通过液压实现，所述冲击加载模式通过气压实现。 4.根据权利要求3所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，每一动静式气液复合缸包括：第一至第三腔体，每一腔体均为两端开口中间中空的回转体，第一腔体的内壁处设有台阶，以将第一腔体的内腔分为相互连通的左腔室和右腔室，第二腔体安装在所述右腔室中，所述第二腔体与所述右腔室的结合面处留有间隙，以连通所述左腔室和所述右腔室，所述第三腔体安装在所述第一腔体的末端处；前盖及后盖，前盖安装在所述第一腔体中未安装所述第二腔体的开口端处，后盖安装在所述第三腔体中未与所述第一腔体连接的开口端处；活塞杆，安装在所述第一腔体的左腔室中，且活塞杆的一端由所述前盖伸入，活塞杆的另一端由所述第二腔体的一端伸入其内部，活塞杆将所述左腔室分隔为第一液压油腔和第二液压油腔，所述第一液压油腔处设有第一油压口，所述第二液压油腔处设有第二油压口，稳压活塞，套在所述第二腔体的外壁处，并将所述第一腔体的右腔室分为第三液压油腔和第一气压腔，所述第三液压油腔与所述第二液压油腔连通；以及冲击杆，安装在所述第三腔体且一端伸入所述第二腔体，以将所述第三腔体内部分隔为第二气压腔和第三气压腔；其中，所述第三腔体中设有第一气压口和第二气压口，第一气压口连通所述第一气压腔，第二气压口连通所述第二气压腔，所述后盖中设有第三气压口，第三气压口连通所述第三气压腔。 5.根据权利要求1所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述扫描成像单元垂直于所述组合式限位装置，用于实时监测试验过程中试验对象内部损伤发育情况并输出三维模型，所述动态力学参数传感单元包括高精度力-位移传感器、微震监测元件及应变监测元件，所述图像采集单元包括高速摄像机、红外温度监测仪及DIC测量分析仪。 6.根据权利要求1-5中任一项所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述第一组合式限位模块包括：多组传力杆和加载压头，每组传力杆和加载压头可拆卸连接，每组传力杆和加载压头对应一个动静式气液复合缸，对应的传力杆与对应的动静式气液复合缸连接，对应的加载压头挤压所述试验对象的对应表面；一个锁扣式底座，安装在所述可调节式底座处，且位于所述试验对象的底部处；其中，每个动静式气液复合缸通过所述智能加载控制模块单独控制，以实现对所述试验对象的三向五面不均压加载，或者任意四周加载面的突然卸载。 7.根据权利要求1-5中任一项所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述第二组合式限位模块包括：高压密封舱，用于放置所述试验对象，通过液压回路与所述液压泵站相连接，且通过所述智能加载控制模块控制，用于对其内的所述试验对象施加相等的围压；限位底座，固定连接在所述高压密封舱的底部，用于安装在所述可调节式底座处，和竖向加载杆，连接在所述高压密封舱的顶部，用于与顶部的动静式气液复合缸连接，以对所述试验对象进行竖向复合动静加载。 8.根据权利要求7所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述高压密封舱处设有：照明元件，用于照明；温度调节器，用于对所述高压密封舱内的液压流体加热，以模拟高温地质环境；和观测窗口，便于所述图像采集单元采集所述试验对象的图像。 9.一种应用权利要求6所述的深部岩体动力性能试验系统的深部岩体动力性能试验方法，其特征在于，包括下述步骤：将所述第一组合式限位模块的锁扣式底座安装于所述可调节式底座上并旋转锁紧后，并安置所述试验对象于所述可调节式底座的中央标准线以内；将每组加载压头与传力杆连接后安装于对应的动静式气液复合缸处，并使所述加载压头正对所述试验对象表面；在所述试验对象表面涂抹耦合涂料并安装所述监测元件于加载压头中或者所述试验对象表面，控制动静式气液复合缸推动对应的传力杆使对应的加载压头与所述试验对象的外表面紧密贴合；将所述图像采集单元安装在所述试验对象周围，确保试所述验对象在监测设置范围以内，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元接收传输功能是否正常；开始进行试验并加载应力达到地应力状态，卸载若干加载面使加载压头脱落，模拟现场工程开挖状态；保持当前加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块开始数据采集；静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径对所述试验对象进行持续加载；当所述试验对象出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块供试验人员调用。 10.一种应用权利要求7所述的深部岩体动力性能试验系统的深部岩体动力性能试验方法，其特征在于，包括下述步骤：将所述试验对象的外部包裹耐高温隔水材料并安置于所述第二组合式限位模块的高压密封舱内；将所述限位底座安装于所述可调节式底座上并锁紧，使所述竖向加载杆连接于顶部的动静式气液复合缸；将液压回路接至所述高压密封舱对应位置，安装所述图像采集单元正对所述高压密封舱的观测窗口，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元接收传输功能是否正常；将所述竖向加载杆贴紧所述试验对象的顶部加载面，启动所述液压泵站注满所述高压密封舱；开始进行试验并加载应力达到预设状态，保持加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块开始数据采集；或者，加载应力达到预设状态，然后启动温度调节器并保持加载状态一段时间后，继续进行加载；静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径对所述试验对象进行持续加载；当所述试验对象出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块以供试验人员取用。