一种多功能室内岩爆试验系统的制作方法

1.本实用新型属于机械技术领域，具体涉及一种多功能室内岩爆试验系统。


背景技术：

2.深埋输水隧洞地质条件复杂且地应力高，极易产生岩爆灾害。岩爆是高地应力条件下硬岩开挖卸荷引发的围岩弹射破坏现象，严重威胁人员及设备的安全，困扰着深埋隧洞的安全高效施工。因此，开展岩爆的机理研究及风险评估，对保证深埋隧洞的安全稳定具有重要意义。通过室内单轴压缩加载的方式，重现深部岩石的岩爆现象，并开展岩爆倾向性的判别，是深埋隧洞岩爆特征机理研究及风险评估的一项重要的基础性工作。
3.现有的单轴压缩试验设备基本由垂直行程活塞、刚架、底座、力传感器、位移传感器以及系统软件等部分组成。由于试验设备系统刚度较高，加载过程中储存于试验机中的应变能较少，有时难以重现岩石试样的岩爆现象。此外，现有用于岩爆试验的设备未集成自动对中、声发射监测、高速图像捕捉等重要功能，岩爆试验数据比较单一。
4.在单轴压缩试验过程中，需保证岩石试块精确对中，否则试验曲线无法反映岩石变形的实际情况；另一方面，岩石压缩变形直至岩爆破坏的过程中，会不断释放出微破裂信号，对这些信号的采集有利于分析岩爆的孕育过程。岩爆破坏的一瞬间，岩石表面形成贯通裂纹，岩块弹射飞溅，对该瞬间的捕捉记录有利于分析岩爆形态，同时可作为岩爆倾向性判别的辅助依据。因此，发展一种兼具上述功能的室内岩爆试验系统，具有很强的实际意义。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本实用新型公开一种多功能室内岩爆试验系统，其在岩石直剪仪的基础上，集成了激光定位对中装置、高速摄像机、声发射设备以及可视化操作平台，能够实现室内岩爆试验的高精度控制、多元数据采集和实时显示。
6.为实现上述发明目的，本实用新型采用下述技术方案：
7.本实用新型提供一种多功能室内岩爆试验系统，其包括：刚性底座、钢架、加载平台、刚性承压平台，其中：
8.所述钢架固定在刚性底座上；加载平台的一端穿过钢架的拱洞并搭载在刚性底座上；加载平台上放置刚性承压平台；刚性承压平台上放置刚性垫块；刚性垫块上放置试验试块；法向行程活塞从钢架上方自上而下对试验试块加载；钢架一侧固定有切向固定活塞，另一侧布置切向行程活塞对试验试块加载；
9.所述钢架的拱洞内安装透明防护板；
10.在试验试块上固定声发射传感器，声发射传感器连接声发射数据采集仪；
11.在法向行程活塞上安装有力传感器和位移传感器，并通过数据转换线与直剪仪数据采集装置相连接。
12.更优选地，在所述钢架的后方固定白色背景板；白色背景板与透明防护板平行。
13.更优选地，在透明防护板的中下部和切向行程活塞的中部分别固定激光定位对中
装置；在刚性垫块的外周壁上安装两个对中条，两个对中条与刚性垫块的圆心的连线呈90
°
；在刚性垫块顶部以圆心为中心划有定位线；试验试块对准定位线放置到刚性垫块上，且激光定位对中装置分别照射在两个对中条上。
14.更优选地，在所述钢架上还装有摄像机组；所述摄像机组包括摄像机支撑架、伸缩杆、摄像机；摄像机支撑架固定在钢架的梁板前面；摄像机支撑架连接伸缩杆的一端，伸缩杆另一端连接摄像机；当伸缩杆伸到最长时，摄像机能够对准试验试块的中心。
15.更优选地，在透明防护板上安装补光灯；试验试块、补光灯、摄像机三者中心呈一条直线。
16.更优选地，所述透明防护板通过钢架上的滑轨安装在钢架的拱洞内。
17.更优选地，声发射传感器用泡沫保护胶包裹并粘结在试验试块上；泡沫保护胶的粘贴方式为十字交叉。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
19.1、本实用新型通过激光定位对中装置、高速摄像机、声发射设备，能够实现室内岩爆试验的高精度控制与多元数据采集；
20.2、安装的防护板和声发射传感器泡沫胶能有效保护操作人员和仪器设备的安全。
附图说明
21.图1是本实用新型的一种多功能室内岩爆试验系统的总体布置图；
22.图2是本实用新型的透明防护板装配结构图；
23.图3是本实用新型的刚性垫块及试验试块装配结构图；
24.附图中：
25.刚性底座1、钢架2、加载平台3、刚性承压平台4、刚性垫块5、透明防护板6、激光定位对中装置7、摄像机组8、声发射传感器9、白色背景板10；试验试块100、直剪仪数据采集装置200、声发射数据采集仪300；
26.切向固定活塞21、切向行程活塞22、法向行程活塞23、滑轨24；
27.对中条51、定位线52；
28.补光灯61；
29.激光笔套筒71、激光笔72；
30.摄像机支撑架81、伸缩杆82、摄像机83；
31.声发射连接线91、泡沫保护胶92。
具体实施方式
32.为了更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。
33.本实用新型提供一种多功能室内岩爆试验系统，其结构如图1、图2和图3所示，该多功能室内岩爆试验系统包括刚性底座1、钢架2、加载平台3、刚性承压平台4。
34.钢架2固定在刚性底座1上；钢架2由梁板、左侧板和右侧板组成具有拱洞的n型结构，钢架2的左侧板固定切向固定活塞21，右侧布置切向行程活塞22，上方布置法向行程活塞23；
35.加载平台的3的一端穿过钢架2的拱洞并搭载在刚性底座1，另一端在刚性底座1的外侧；加载平台3上放置刚性承压平台4；
36.刚性承压平台4为中空的长方体钢构件，具有较高的刚度和良好的自稳能力；刚性承压平台4上放置刚性垫块5；
37.刚性垫块5上放置试验试块100；
38.为了使法向行程活塞23能够精确接触到试验试块100，放置刚性垫块5时，将刚性垫块5的中心对准刚性承压平台4的中心；将试验试块100的中心对准刚性垫块5的中心。
39.为采集并显示试验过程中的声发射信号，在试验试块100上固定声发射传感器9，声发射传感器9连接声发射数据采集仪300。
40.为采集并显示试验过程中试块的荷载、变形情况，在法向行程活塞23上安装有力传感器和位移传感器，并通过数据转换线与直剪仪数据采集装置200相连接。
41.为了保护操作人员及仪器设备的安全，在钢架2的两侧板内侧设置有滑轨24，透明防护板6通过滑轨24安装在钢架2的拱洞内；透明防护板6采用钢化玻璃材质，可有效抵御高速岩片的弹射；将透明防护板6通过滑轨向上推移至顶端时，下方留有一定空间可供操作人员进行试样放置及声发射传感器安装等试验操作。
42.为了实现试验试块100的精确快速对中(即实现试验试块100在加载时刚好位于法向行程活塞23的中心)，在透明防护板6的中下部和切向行程活塞22的中部分别固定激光定位对中装置7，每个激光定位对中装置7包括激光笔套筒71和激光笔72；激光笔套筒71可以通过ab胶与透明防护板6和切向行程活塞22表面粘贴固定，每个激光笔套筒71内安装激光笔72。同时，在刚性垫块5的外周壁上安装两个对中条51，两个对中条51与刚性垫块5的圆心的连线呈90
°
；在刚性垫块5顶部以圆心为中心划有定位线52，试验时将试验试块100对准定位线52放置到刚性垫块5上，且两支激光笔72分别照射在两个对中条51上，则认为试验试块100已精确对中。
43.为了实现记录岩爆试验瞬间的岩片弹射情况，在钢架2上还装有摄像机组8；摄像机组8包括摄像机支撑架81、伸缩杆82、摄像机83。在钢架2的梁板前面通过铆钉固定有摄像机支撑架81；摄像机支撑架81连接伸缩杆82的一端，伸缩杆82另一端连接摄像机83；当伸缩杆82伸到最长时，摄像机83刚好对准试验试块100的中心。
44.为了提高摄像机83拍摄的慢动作视频的清晰度，在钢架2的后方固定白色背景板10，白色背景板10与透明防护板6平行；同时在透明防护板6上安装补光灯61，试验时试验试块100、补光灯61、摄像机83三者中心呈一条直线。白色背景板10在提供清晰背景的同时，也起到对操作人员及仪器设备的防护作用。
45.上述直剪仪数据采集装置200内装有直剪仪信号显示分析软件，并连接显示器，通过显示器实时显示荷载-时间、位移-时间、荷载-位移曲线。
46.为保证声发射传感器9随岩片弹射时不会损坏，在试验试块100上用泡沫保护胶92将声发射传感器9包裹并粘结牢固；泡沫保护胶92的粘贴方式为十字交叉。
47.上述声发射传感器9的接线端通过声发射连接线91及前置放大器与声发射数据采集仪300相连接，从而实时采集存储信号；同时声发射数据采集仪300内安装声发射信号显示分析软件，并与显示器相连接，以实时显示声发射信号的变化情况。
48.本实用新型工作过程如下：
49.将直剪仪数据采集装置200、声发射数据采集仪300的电源启动，打开摄像机83电源，打开补光灯61和两支激光笔72；
50.将透明防护板6向上推至滑轨顶端，同时将伸缩杆82压缩至顶端，为试验试块100的放置、刚性垫块5的对中及声发射传感器9的布置留出空间；
51.将试验试块100对准定位线52放置在刚性垫块5上，同时前后左右调整刚性垫块5的位置，使得两支激光笔72刚好均照射在两个对中条51上，此时表明试验试块100已精确对中。
52.用凡士林作为声发射耦合剂，涂抹在声发射传感器9的一侧，并与试验试块100密贴，再用两条泡沫保护胶92以十字交叉的方式包裹住声发射传感器9的另一侧，并将声发射传感器9粘贴在试验试块100上；用声发射连接线91连接声发射传感器9与声发射数据采集仪300；
53.将透明防护板6沿着滑轨下拉至底端，将伸缩杆82拉伸至底端，开始试验：通过直剪仪数据采集装置200下达命令控制法向行程活塞施加轴向力，同时通过声发射数据采集仪300下达命令开始采集声发射传感器9的信号，同时高速摄像机83开启录制；
54.待试验试块100破裂，岩爆发生，试验结束后，收集声发射数据采集仪300采集的声发射信号、直剪仪数据采集装置200采集的荷载、位移信号及高速摄像机采集的岩爆图像信号，并利用这些信息进行数据处理与分析。
55.本实用新型通过岩石直剪仪、激光定位对中、高速摄像机、声发射设备、可视化操作平台等，能够实现室内岩爆试验的高精度控制与多元数据采集。岩石直剪仪用于对岩石试块进行单轴压缩岩爆试验，可实时测量并存储荷载、轴向变形值，同时安装有防护板，可有效保护操作人员和仪器设备安全；激光定位对中装置用于使岩石试块位于法向行程活塞中心，避免试块偏心受压；高速摄像机用于在试验过程中实时捕捉岩爆孕育及破坏过程，配合使用白色背景板及补光灯提高岩爆的拍摄效果；声发射设备用于对试验过程中的声发射事件自动记录、存储、分析；可视化操作平台由直剪仪软件系统和声发射软件系统组成，能够实时绘制试验过程中的荷载-时间、位移-时间、荷载-位移曲线以及声发射参数-时间曲线。
56.以上说明仅为本实用新型的应用实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，不能以此来限定本实用新型的权利范围，任何根据本实用新型的技术方案所做的等效变化，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多功能室内岩爆试验系统，所述多功能室内岩爆试验系统包括：刚性底座(1)、钢架(2)、加载平台(3)、刚性承压平台(4)，其特征在于：所述钢架(2)固定在刚性底座(1)上；加载平台(3)的一端穿过钢架(2)的拱洞并搭载在刚性底座(1)上；加载平台(3)上放置刚性承压平台(4)；刚性承压平台(4)上放置刚性垫块(5)；刚性垫块(5)上放置试验试块(100)；法向行程活塞(23)从钢架(2)上方自上而下对试验试块(100)加载；钢架(2)一侧固定有切向固定活塞(21)，另一侧布置切向行程活塞(22)对试验试块(100)加载；所述钢架(2)的拱洞内安装透明防护板(6)；在试验试块(100)上固定声发射传感器(9)，声发射传感器(9)连接声发射数据采集仪(300)；在法向行程活塞(23)上安装有力传感器和位移传感器，并通过数据转换线与直剪仪数据采集装置(200)相连接。2.根据权利要求1所述的多功能室内岩爆试验系统，其特征在于：在所述钢架(2)的后方固定白色背景板(10)；白色背景板(10)与透明防护板(6)平行。3.根据权利要求1或2所述的多功能室内岩爆试验系统，其特征在于：在透明防护板(6)的中下部和切向行程活塞(22)的中部分别固定激光定位对中装置(7)；在刚性垫块(5)的外周壁上安装两个对中条(51)，两个对中条(51)与刚性垫块(5)的圆心的连线呈90
°
；在刚性垫块(5)顶部以圆心为中心划有定位线(52)；试验试块(100)对准定位线(52)放置到刚性垫块(5)上，且激光定位对中装置(7)分别照射在两个对中条(51)上。4.根据权利要求3所述的多功能室内岩爆试验系统，其特征在于：在所述钢架(2)上还装有摄像机组(8)；所述摄像机组(8)包括摄像机支撑架(81)、伸缩杆(82)、摄像机(83)；摄像机支撑架(81)固定在钢架(2)的梁板前面；摄像机支撑架(81)连接伸缩杆(82)的一端，伸缩杆(82)另一端连接摄像机(83)；当伸缩杆(82)伸到最长时，摄像机(83)能够对准试验试块(100)的中心。5.根据权利要求4所述的多功能室内岩爆试验系统，其特征在于：在透明防护板(6)上安装补光灯(61)；试验试块(100)、补光灯(61)、摄像机(83)三者中心呈一条直线。6.根据权利要求1所述的多功能室内岩爆试验系统，其特征在于：所述透明防护板(6)通过钢架(2)上的滑轨(24)安装在钢架(2)的拱洞内。7.根据权利要求1所述的多功能室内岩爆试验系统，其特征在于：声发射传感器(9)用泡沫保护胶(92)包裹并粘结在试验试块(100)上；泡沫保护胶(92)的粘贴方式为十字交叉。

技术总结
本实用新型属于机械技术领域，具体涉及一种多功能室内岩爆试验系统。其中，钢架固定在刚性底座上；加载平台的一端穿过钢架的拱洞并搭载在刚性底座上；加载平台上放刚性承压平台；刚性承压平台上放刚性垫块；刚性垫块上放试验试块；法向行程活塞从钢架上方自上而下对试验试块加载；钢架一侧固定切向固定活塞，另一侧布置切向行程活塞对试验试块加载；钢架拱洞内安装透明防护板；在试验试块上固定声发射传感器，声发射传感器连声发射数据采集仪；在法向行程活塞上安有力传感器和位移传感器，并通过数据转换线与直剪仪数据采集装置相连。本实用新型通过激光定位对中装置、高速摄像机、声发射设备，能够实现室内岩爆试验的高精度控制与多元数据采集。制与多元数据采集。制与多元数据采集。


技术研发人员：欧阳林 刘耀儒 赵海山 张如九 蒋继彬 张凯 庄文宇 庞智勇 周晨 高辰锋 段学佳 侯少康 王兴旺
受保护的技术使用者：云南省滇中引水工程有限公司
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/9/1