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专利名称：软岩动力湿化变形与强度试验仪及试验方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111585944.6

专利申请（专利权）人：长沙理工大学
权利人地址：湖南省长沙市天心区万家丽南路2段960号

专利发明（设计）人：高乾丰,胡星宇,曾铃,史振宁,黄肖剑

专利摘要：本发明公开了一种软岩动力湿化变形与强度试验仪及试验方法，试验仪包括恒载湿化装置、循环加载装置、曲柄摇杆机构、凸轮机构，恒载湿化装置的恒载装置设于基座的下方，基座上放置有岩石试样；恒载装置的输出端与基座之间设有受力件，受力件分别与基座底部、恒载装置输出端接触；岩石试样置于样品室内，样品室内部注有湿化渗透液；多个循环加载装置对称设于受力件的底部；数据采集装置用于采集荷载与湿化作用下岩石试样的应力、应变、强度和裂缝发育数据。本发明通过弹簧伸缩变形时拥有的恢复力为岩石试样施加长周期和短周期叠加的循环荷载，同时考虑湿化作用与动力作用，从而更准确地模拟风荷载、雨水对风力机软岩地基的作用过程。

主权利要求：
1.一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，其特征在于，包括：
恒载湿化装置（1），所述恒载湿化装置（1）的恒载装置设于基座（17）的下方，基座（17）上放置有岩石试样（12）；恒载装置的输出端与基座（17）之间设有受力件（25），受力件（25）分别与基座（17）底部、恒载装置输出端接触；岩石试样（12）置于样品室（20）内，样品室（20）内部注有湿化渗透液；
循环加载装置（2），多个所述循环加载装置（2）对称设于受力件（25）的底部，每个循环加载装置（2）包括：曲柄摇杆机构，用于带动滑块（41）在竖直的滑槽（43）内周期性往复滑动，滑槽（43）位于受力件（25）底部；以及凸轮机构，所述凸轮机构安装于滑块（41）内，用于带动弹簧（48）在竖直方向上产生周期性往复伸缩变形，弹簧（48）与受力件（25）可拆卸连接，从而使得受力件（25）产生不同往复周期叠加的循环荷载；
其中，恒载装置的恒载大于循环荷载；
数据采集装置（3），用于采集荷载与湿化作用下岩石试样的应力、应变、强度和裂缝发育数据；
对称设置的所述循环加载装置（2）同步运动，对称的两个弹簧（48）的劲度系数相同或不同；
所述岩石试样（12）的顶部设有试样帽（11），试样帽（11）顶端与传力杆（10）下端接触，传力杆（10）上端与顶盖（5）固定连接；
所述岩石试样（12）的外部包裹有半透膜（14），半透膜（14）与有机玻璃侧壁（6）之间充满PEG溶液（15），PEG溶液（15）通过进出液管（21）注入样品室（20）内，进出液管（21）进水处安装有阀门（22），半透膜（14）两端分别通过橡皮圈（16）固定于基座（17）和试样帽（11）上；
所述数据采集装置（3）包括：
力传感器（13），所述力传感器（13）安装于传力杆（10）中下部；
双向流量计（23），所述双向流量计（23）安装于进出液管（21）的进水处；
千分表（30），所述千分表（30）安装于受力件（25）受对应的循环加载装置（2）驱动的位置，用于测量岩石试样（12）的竖向变形；
折光计（24），用于测定湿化渗透液的浓度；
摄像头（29），所述摄像头（29）环形排列安装于样品室（20）内，用于采集动力荷载与湿化作用下岩石试样（12）在不同时期的变形及裂缝发育图像；
计算机（50），用于通过数据采集箱（49）分别与力传感器（13）、双向流量计（23）、千分表（30）、折光计（24）、摄像头（29）信号连接。
2.根据权利要求1所述一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，其特征在于，所述曲柄摇杆机构包括：从动转轴（39），所述从动转轴（39）通过皮带传动装置与电机转轴（33）连接，从动转轴（39）与支架（40）通过轴承转动连接，支架（40）与底座（4）固定连接；
传动杆（36），所述传动杆（36）与从动转轴（39）靠近滑块（41）的一端固定连接，传动杆（36）与从动转轴（39）垂直；传动杆（36）的自由端与连接杆（38）一端固定连接，连接杆（38）与传动杆（36）的旋转平面垂直；
从动杆（37），所述从动杆（37）的一端与连接杆（38）另一端铰接，从动杆（37）的另一端与滑块（41）铰接，滑块（41）与滑槽（43）之间设有滑轮（42）。
3.根据权利要求1所述一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，其特征在于，所述凸轮机构包括：凸轮（45），所述凸轮（45）的回转驱动装置安装于所述滑块（41）内部，凸轮（45）的回转驱动装置输出轴与滑块（41）的滑动方向垂直；
升降杆（46），所述升降杆（46）的下端水平向外延伸部分的上表面与凸轮（45）的边缘接触，升降杆（46）的上端穿过滑块（41）顶端的开孔；
弹簧（48），所述弹簧（48）的下端通过托盘（47）与升降杆（46）的上端固定连接，阻止升降杆（46）掉落；弹簧（48）上端与受力件（25）相连。
4.根据权利要求1所述一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，其特征在于，所述恒载装置为千斤顶（26），千斤顶（26）的输出端为顶杆；千斤顶（26）安装于空腔结构的底座（4）内，受力件（25）水平穿过底座（4），受力件（25）底部与千斤顶（26）的顶杆接触，顶杆顶部设有橡胶层。
5.根据权利要求4所述一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，其特征在于，所述底座（4）顶部四周设有凹槽，凹槽内设有橡胶密封圈，有机玻璃侧壁（6）下端嵌入底座（4）顶部的凹槽内，有机玻璃侧壁（6）的上端与顶盖（5）固定连接，顶盖（5）与底座（4）之间设有竖向的固定螺杆（8），固定螺杆（8）上端具有螺杆手柄（7），固定螺杆（8）下端与底座（4）螺纹连接。
6.根据权利要求1所述一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，其特征在于，所述受力件（25）在水平面上为梭形结构，中间宽度与恒载装置的输出端的直径一致，长厚比为15:1~
25:1。
7.如权利要求1所述一种软岩动力湿化变形与强度试验仪的试验方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：S1，通过半透膜（14）包裹岩石试样（12）；
S2，试样湿化；向样品室（20）内注入所需浓度、体积的湿化渗透液；
S3，施加恒荷载；通过恒载装置向基座（17）施加预定大小的向上恒定压力；
S4，施加循环荷载；启动曲柄摇杆机构和凸轮机构，往复运动机构带动滑块（41）和凸轮机构在竖直的滑槽（43）内周期性往复滑动，同时凸轮机构通过弹簧（48）对受力件（25）产生向下的不同往复周期叠加的循环荷载；恒载大于循环荷载；
S5，采集岩石试样（12）的湿化变形数据和强度数据。 说明书 : 软岩动力湿化变形与强度试验仪及试验方法技术领域[0001] 本发明属于地质工程技术领域，涉及一种软岩动力湿化变形与强度试验仪及试验方法。背景技术[0002] 陆上风力机常安装在风能资源丰富的山顶和山脊，持力层一般以中风化 强风化~软岩为主。降雨将对这些软岩地基进行渗透和软化，改变岩土体的力学性能。大部分陆上风能资源具有风速湍流多变的特点，将引起风力机上部结构振动，并通过塔筒传至基础和地基，引起风力机地基基础的随机动力响应。在风荷载动力作用与雨水湿化作用的共同影响下，安装风力机的软岩地基容易出现软化变形和破坏，从而导致软岩地基承载力下降并使风力机基础发生不均匀沉降，严重影响山区风力机的运营安全。事实上，这类地基引起的风力机运营故障和事故时有报道。[0003] 因此，有必要探究山区软岩的动力损伤与湿化变形特性及机理，分析风力机软岩地基承载力与变形演化规律，为实际工程中山区风力机软岩地基的耐久性设计与工程治理提供理论支持；而为了实现上述目的，亟待研发一种软岩动力湿化变形与强度试验设备。发明内容[0004] 为了解决上述问题，本发明提供一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，通过弹簧伸缩变形时拥有的恢复力为岩石试样施加长周期和短周期叠加的循环荷载，同时考虑湿化作用与动力作用，从而更准确地模拟风荷载、雨水对风力机软岩地基的作用过程。[0005] 本发明的另一目的是，提供一种软岩动力湿化变形与强度试验仪的试验方法。[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，包括[0007] 恒载湿化装置，所述恒载湿化装置的恒载装置设于基座的下方，基座上放置有岩石试样；恒载装置的输出端与基座之间设有受力件，受力件分别与基座底部、恒载装置输出端接触；岩石试样置于样品室内，样品室内部注有湿化渗透液；[0008] 循环加载装置，多个所述循环加载装置对称设于受力件的底部，每个循环加载装置包括[0009] 曲柄摇杆机构，用于带动滑块在竖直的滑槽内周期性往复滑动，滑槽位于受力件底部；以及[0010] 凸轮机构，所述凸轮机构安装于滑块内，用于带动弹簧在竖直方向上产生周期性往复伸缩变形，弹簧与受力件可拆卸连接，从而使得受力件产生不同往复周期叠加的循环荷载；[0011] 其中，恒载装置的恒载大于循环荷载；[0012] 数据采集装置，用于采集荷载与湿化作用下岩石试样的应力、应变、强度和裂缝发育数据。[0013] 进一步的，所述曲柄摇杆机构包括[0014] 从动转轴，所述从动转轴通过皮带传动装置与电机转轴连接，从动转轴与支架通过轴承转动连接，支架与底座固定连接；[0015] 传动杆，所述传动杆与从动转轴靠近滑块的一端固定连接，传动杆与从动转轴垂直；传动杆的自由端与连接杆一端固定连接，连接杆与传动杆的旋转平面垂直；[0016] 从动杆，所述从动杆的一端与连接杆另一端铰接，从动杆的另一端与滑块铰接，滑块与滑槽之间设有滑轮。[0017] 进一步的，所述凸轮机构包括[0018] 凸轮，所述凸轮的回转驱动装置安装于所述滑块内部，凸轮的回转驱动装置输出轴与滑块的滑动方向垂直；[0019] 升降杆，所述升降杆的下端水平向外延伸部分的上表面与凸轮的边缘接触，升降杆的上端穿过滑块顶端的开孔；[0020] 弹簧，所述弹簧的下端通过托盘与升降杆的上端固定连接，阻止升降杆掉落；弹簧上端与受力件相连。[0021] 进一步的，对称设置的所述循环加载装置同步运动，对称的两个弹簧的劲度系数相同或不同。[0022] 进一步的，所述恒载装置为千斤顶，千斤顶的输出端为顶杆；千斤顶安装于空腔结构的底座内，受力件水平穿过底座，受力件底部与千斤顶的顶杆接触，顶杆顶部设有橡胶层。[0023] 进一步的，所述底座顶部四周设有凹槽，凹槽内设有橡胶密封圈，有机玻璃侧壁下端嵌入底座顶部的凹槽内，有机玻璃侧壁的上端与顶盖固定连接，顶盖与底座之间设有竖向的固定螺杆，固定螺杆上端具有螺杆手柄，固定螺杆下端与底座螺纹连接；岩石试样的顶部设有试样帽，试样帽顶端与传力杆下端接触，传力杆上端与顶盖固定连接。[0024] 进一步的，所述岩石试样的外部包裹有半透膜，半透膜与有机玻璃侧壁之间充满PEG溶液，PEG溶液通过进出液管注入样品室内，进出液管进水处安装有阀门，半透膜两端分别通过橡皮圈固定于基座和试样帽上。[0025] 进一步的，所述受力件在水平面上为梭形结构，中间宽度与恒载装置的输出端的直径一致，长厚比为15:1 25:1。~[0026] 进一步的，所述数据采集装置包括[0027] 力传感器，所述力传感器安装于传力杆中下部；[0028] 双向流量计，所述双向流量计安装于进出液管的进水处；[0029] 千分表，所述千分表安装于受力件受对应的循环加载装置驱动的位置，用于测量岩石试样的竖向变形；[0030] 折光计，用于测定湿化渗透液的浓度；[0031] 摄像头，所述摄像头环形排列安装于样品室内，用于采集动力荷载与湿化作用下岩石试样在不同时期的变形及裂缝发育图像；[0032] 计算机，用于通过数据采集箱分别与力传感器、双向流量计、千分表、折光计、摄像头信号连接。[0033] 一种软岩动力湿化变形与强度试验仪的试验方法，具体按照以下步骤进行：[0034] S1，通过半透膜包裹岩石试样；[0035] S2，试样湿化；向样品室内注入所需浓度、体积的湿化渗透液；[0036] S3，施加恒荷载；通过恒载装置向基座施加预定大小的向上恒定压力；[0037] S4，施加循环荷载；启动曲柄摇杆机构和凸轮机构，往复运动机构带动滑块和凸轮机构在竖直的滑槽内周期性往复滑动，同时凸轮机构通过弹簧对受力件产生向下的不同往复周期叠加的循环荷载；恒载大于循环荷载；[0038] S5，采集岩石试样的湿化变形数据和强度数据。[0039] 本发明的有益效果是：[0040] （1）本发明通过相互匹配往复运动机构和凸轮旋转机构带动弹簧作往复式伸缩变形，实现岩石试样上长周期和短周期两个循环荷载分量的施加，模拟风荷载在风力机软岩地基上引起的随机动力作用。[0041] （2）本发明采用对称的循环荷载施加机构，若对称的两个机构同步运动但输出不同大小的荷载，则可向岩石试样施加不均匀的循环荷载，模拟风荷载在软岩地基上引起的偏心动力作用。[0042] （3）本发明同时考虑湿化作用与动力作用；采用基于渗析技术的湿度控制方法，通过调节压力室内半透膜外聚乙二醇（PEG）溶液浓度实现对岩石试样湿度变化的精准控制，模拟自然界雨水浸润对风力机软岩地基的湿化作用。[0043] （4）通过力、位移、流量、光学传感器和摄影技术，采集动力荷载与雨水湿化作用下岩石试样的应力、应变、强度和裂缝发育数据，分析岩石试样的动力湿化变形与强度特性，便于研究风荷载在风力机软岩地基上引起的随机动力作用。附图说明[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0045] 图1为本发明实施例的正视图。[0046] 图2为本发明实施例的侧视图。[0047] 图3为本发明实施例的剖视图。[0048] 图4为本发明实施例中循环加载装置的俯视图。[0049] 图5为本发明实施例中循环加载装置的侧视图。[0050] 图6为本发明实施例中循环加载装置的局部剖视图。[0051] 图7为本发明实施例中循环加载装置的局部侧视图。[0052] 图8为本发明实施例中的数据采集装置。[0053] 图9为本发明实施例施加的荷载包括恒载和循环荷载（长周期+短周期）。[0054] 图10为本发明实施例施加单一周期循环载荷与长短周期叠加循环荷载的岩石试样竖向变形对比图。[0055] 图11为本发明实施例施加单一周期循环载荷与长短周期叠加循环荷载的岩石试样抗压强度对比图。[0056] 其中，1.恒载湿化装置、2.循环加载装置、3.数据采集装置、4.底座、5.顶盖、6.有机玻璃侧壁、7.螺杆手柄、8.固定螺杆、9.固定螺母、10.传力杆、11.试样帽、12.岩石试样、13.力传感器、14.半透膜、15.PEG溶液、16.橡皮圈、17.基座、18.水缸、19.水泵、20.样品室、21.进出液管、22.阀门、23.双向流量计、24.折光计、25.受力件、26.千斤顶、27.输油管、28.油泵控制台、29.摄像头、30.千分表、31.双轴电机、32.电机调速器、33.电机转轴、34.电机皮带轮、35.皮带、36.传动杆、37.从动杆、38.连接杆、39.从动转轴、40.支架、41.滑块、42.滑轮、43.滑槽、44.小型电机、45.凸轮、46.升降杆、47.托盘、48.弹簧、49.数据采集箱、50.计算机。具体实施方式[0057] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0058] 实施例1[0059] 一种软岩动力湿化变形与强度试验仪，如图1 2所示，包括恒载湿化装置1、循环加~载装置2和数据采集装置3。[0060] 恒载湿化装置1为软岩动力湿化变形的主要发生场所，其剖视图如图3所示，恒载湿化装置1包括恒载装置和湿化装置，恒载装置设于基座17的下方，基座17上放置有岩石试样12；恒载装置的输出端与基座17之间设有金属材质的受力件25，受力件25分别与基座17底部、恒载装置输出端接触；岩石试样12置于样品室20内，样品室20内部注有湿化渗透液，即构成湿化装置。[0061] 其中，恒载装置为千斤顶26，千斤顶26的输出端为顶杆；千斤顶26安装于空腔结构的底座4内，受力件25水平穿过底座4，受力件25底部与千斤顶26的顶杆接触，千斤顶26通过输油管27与油泵控制台28相连。受力件25用于传递恒载和循环荷载，受力件25的两端安装有可拆卸吊钩，千斤顶26的顶杆顶部设有可压缩的橡胶层，便于千斤顶26的荷载均匀传递至受力件25底部，当受力件25不平衡时还可防止受力件25一侧脱离千斤顶26顶部。[0062] 底座4为钢制结构，底座4顶部四周设有凹槽，凹槽内设有橡胶密封圈，有机玻璃侧壁6的下端嵌入底座4顶部的凹槽内，有机玻璃侧壁6的上端通过强力防水胶与钢制的顶盖5固定连接，顶盖5与底座4之间设有竖向的固定螺杆8，固定螺杆8的上端从顶盖5边缘的开孔中穿过，顶盖5边缘的开孔内壁光滑，无螺纹，固定螺杆8上端具有塑料的螺杆手柄7，固定螺杆8下端与底座4螺纹连接，将底座4、顶盖5和有机玻璃侧壁6紧固在一起，形成样品室20；通过旋转螺杆手柄7，使得固定螺杆8下端螺纹与底座4螺纹连接或解除连接，当固定螺杆8拧紧时，有机玻璃侧壁6下端与橡胶密封圈紧密接触，起到防水作用。[0063] 岩石试样12置于样品室20内的基座17上，岩石试样12的顶部设有试样帽11，试样帽11顶端与传力杆10下端接触，传力杆10上端通过固定螺母9与顶盖5固定连接。试样帽11的主要作用有：（1）使传力杆10的反力均匀地作用在岩石试样12顶部；试验中，仪器下方的恒载及循环荷载机构会从下方给岩石试样12施加向上的荷载，同时岩石试样12上方有一个起反力架作用的传力杆10向下顶住岩石试样12上部，为了使岩石试样12顶部受力均匀，需在传力杆10和岩石试样12顶部之间放置一个试样帽11，用于均匀传递荷载。（2）便于采用橡皮圈16固定半透膜14，从而通过半透膜14将岩石试样12和PEG溶液15分隔开来。基座17起到使岩石试样12底部均匀受力，以及固定橡皮圈16和半透膜14的作用。[0064] 岩石试样12的外部包裹有半透膜14，半透膜14与有机玻璃侧壁6之间充满PEG溶液15，PEG溶液15通过进出液管21注入样品室20内，进出液管21进水处安装有阀门22，半透膜14两端分别通过橡皮圈16固定于基座17和试样帽11上，以防止样品室20内的PEG溶液15在试验过程中进入岩石试样12内部。进出液管21与水泵19连通，水泵19安装于水缸18内，水泵19通过抽取水缸18内的特定浓度的PEG溶液15向样品室20内部注入PEG溶液15或将PEG溶液15排出至水缸18；折光计24为浓度测定装置，安装于水缸18侧壁；通过控制进出不同浓度的PEG溶液15可调节恒载湿化装置1中PEG溶液15的浓度，从而实现了用渗透法控制岩石试样12的湿度，进而模拟自然气候变化对软岩性能的影响。[0065] 循环加载装置2为模拟风荷载引起的动基底压力的装置，如图4所示，多个循环加载装置2对称设于受力件25的底部，对称设置的循环加载装置2同步运动；由于循环加载装置2为对称结构，故以下只取右半部分进行说明。[0066] 如图2、4、5所示，每个循环加载装置2包括曲柄摇杆机构和凸轮机构；曲柄摇杆机构，用于带动滑块41在竖直的滑槽43内周期性往复滑动，滑槽43位于受力件25底部；凸轮机构安装于滑块41内，用于带动弹簧48在竖直方向上产生周期性往复伸缩变形，弹簧48与受力件25固定连接，从而使得受力件25产生竖直方向上不同往复周期叠加的循环作用力。[0067] 其中，曲柄摇杆机构包括从动转轴39、传动杆36、从动杆37；从动转轴39通过皮带传动装置与电机转轴33连接，从动转轴39与金属材质的支架40通过轴承转动连接，支架40与底座4固定连接；两个对称的电机转轴33通过一个双轴电机31驱动，电机转轴33末端、从动转轴39的端部均安装有电机皮带轮34，两个电机皮带轮34的凹槽由皮带35进行包裹，从而通过皮带传动装置传递电机转轴33的转速；[0068] 传动杆36与从动转轴39靠近滑块41的一端固定连接，传动杆36与从动转轴39垂直；传动杆36的自由端与金属材质的连接杆38一端固定连接，连接杆38与传动杆36的旋转平面垂直；从动杆37的一端与连接杆38另一端铰接，从动杆37的另一端与滑块41外侧铰接，滑块41内侧与滑槽43之间设有滑轮42，减小滑块41滑槽43之间的摩擦力。[0069] 如图4、6、7所示，凸轮机构包括凸轮45、升降杆46、弹簧48；凸轮45的回转驱动装置（小型电机44）安装于滑块41内部，小型电机44的输出轴与滑块41的滑动方向垂直，使得凸轮45在竖直平面内转动；升降杆46的下端水平向外延伸部分的上表面与凸轮45的边缘接触，升降杆46的上端穿过滑块41顶端的开孔；弹簧48的下端通过金属材质的托盘47与升降杆46的上端固定连接，阻止升降杆46掉落；弹簧48上端通过吊钩与受力件25相连。[0070] 电机转轴33通过皮带35带动从动转轴39旋转，传动杆36随从动转轴39一起旋转，通过连接杆38、从动杆37带动滑块41运动，在滑槽43的束缚下，滑块41和凸轮机构在滑槽43内竖直升降，从而实现长周期的循环加载；电机调速器32与双轴电机31相连，通过电机调速器32控制双轴电机31的转速，以施加不同周期的循环荷载。滑块41的高度小于升降杆46的长度，避免升降杆46的上下运动受到滑块41的阻碍。[0071] 当双轴电机31与小型电机44同时运作时，通过输出轴的旋转带动凸轮45旋转，使得升降杆46做竖直的往复运动，并牵引托盘47带动弹簧48在竖直方向上产生周期性往复伸缩变形，不断循环“下拉?恢复”这一过程而产生向下的拉力，弹簧48与受力件25通过可拆卸吊钩相连接，从而使得受力件25产生竖直向下的长、短往复周期叠加的循环作用力，与千斤顶26提供的恒载共同叠加而实现了风荷载在风力机软岩地基上引起的动力作用。虽然通过循环加载装置2施加给受力件25的循环荷载是向下的，但由于向上的恒载大于向下的循环荷载，故两者抵消后总合力的方向是向上的。[0072] 如果直接通过双轴电机31的输出轴带动从动转轴39旋转，从而通过传动杆36、连接杆38、从动杆37带动滑块41运动；使得从动转轴39与支架40之间在转动时存在较大摩擦，影响实验效果。本发明带动滑块41往复运动的曲柄摇杆机构、凸轮机构的适配效果好，与其他机构运动协调性佳。[0073] 数据采集装置3，用于采集荷载与湿化作用下岩石试样的应力、应变、强度和裂缝发育数据。[0074] 如图8所示，数据采集装置3记录试验过程中的各类数据变化；数据采集装置3包括力传感器13、双向流量计23、千分表30、折光计24、摄像头29、数据采集箱49、计算机50。[0075] 力传感器13安装于传力杆10中下部，用于测定荷载相关数据；双向流量计23安装于进出液管21的进水处；千分表30安装于受力件25受对应的循环加载装置2驱动的位置，用于测量岩石试样12的竖向变形；折光计24采用手持式折光计，用于测定湿化渗透液的浓度；摄像头29环形排列安装于样品室20内，具体的，每隔120°环形排列，通过对三个方向图像的合成，用以采集试样整个侧面动力荷载与雨水湿化作用下岩石试样在不同时期的变形及裂缝发育图形。计算机50用于通过数据采集箱49分别与力传感器13、双向流量计23、千分表30、折光计24、摄像头29信号连接。[0076] 在一些实施例中，受力件25在水平面上为梭形结构，中间宽度与恒载装置的输出端的直径一致，长厚比为15:1 25:1，如果长厚比超过25:1可能导致受力件刚度不够，容易~发生变形；如果长厚比小于15:1则受力件厚度过大，过于占用空间。在竖直面上具有一定厚度，内部密实。受力件25位于基座17与千斤顶26的顶杆之间，分别与基座17底部、顶杆顶部均为接触关系；受力件25起到给基座17传递恒载和循环荷载的作用，再通过基座17传递给岩石试样12。[0077] 在一些实施例中，对称的两个弹簧48的劲度系数相同或不同，且便于更换。[0078] 如果对称的两个弹簧48的劲度系数相同，受力件25两侧受到相同的循环荷载作用，循环加载装置2给受力件25两端施加的循环荷载是平衡的，施加在岩石试样12左右两侧的恒载和循环荷载是完全一致的，因此岩石试样12的竖向变形是均匀的，能够模拟风荷载在软岩地基上引起的均匀动力作用。[0079] 如果对称的两个弹簧48的劲度系数不同，受力件25两侧受到不同大小的循环荷载作用而不平衡，施加在岩石试样12左右两侧的恒载相同，但循环荷载同步但大小不同。弹簧48劲度系数小的一侧的循环荷载较。⒍认凳蟮囊徊嗟难泛稍亟洗，所以施加在岩石试样12上的竖向压力是不均匀的，更符合风力机软岩地基偏心受压的实际情况。在这种不均匀循环荷载作用下，岩石试样将发生更大的动力湿化变形，岩石试样的强度也将降低得更明显。提高了试验结果的可靠性；故在受力件25两侧安装两个千分表30，用于测量岩石试样12的真实竖向变形。[0080] 本发明实施例1提供了一个竖直恒载施加装置以及一种循环荷载（具有短周期分量和长周期分量）施加装置，能够更真实地模拟风荷载动力作用下风力机对软岩地基软化变形和破坏的影响。结合高效、便利的湿化状态控制装置，能够测试雨水湿化作用与风荷载动力作用共同影响下岩石试样的长期变形、裂缝发育与强度。[0081] 实施例2[0082] 一种软岩动力湿化变形与强度试验仪的试验方法，具体按照以下步骤进行：[0083] S1，试验准备；[0084] 处理半透膜14：将半透膜14从冰箱中取出，裁取成合适长度，并用去离子水浸泡30min或者在蒸馏水中煮沸10min，以消除半透膜14的保护层对试验结果的影响。[0085] 试样组装：将岩石试样12装入半透膜14内，用橡皮圈16将半透膜14上下两端分别固定在试样帽11与基座17上，即通过半透膜14包裹岩石试样12。[0086] S2，试样湿化；[0087] 配制聚乙二醇溶液：电子天平称量PEG20000固体的质量，将其放入烧杯中并加入适量的水配制成PEG溶液15，为消除细菌的影响加少量青霉素，倒入水缸18中。[0088] 施加湿化作用：向样品室20内注入所需浓度、体积的湿化渗透液；在室温恒定为20℃的实验室，将水缸18中的PEG溶液15通过水泵19注入至样品室20中，通过双向流量计23测定注入的PEG溶液15体积。[0089] S3，施加恒荷载；通过恒载装置向基座17施加预定大小的恒定压力；启动底座4中的千斤顶26，通过油泵控制台28调节千斤顶26施加的恒载，从而使得岩石试样12受到一个预定大小的恒定压力。[0090] S4，施加循环荷载；启动双轴电机31并通过电机调速器32调节双轴电机31转速至预定大。沟玫缁33转动并带动从动转轴39转动，从而使得传动杆36自由端牵动从动杆37运动，带动滑块41和凸轮机构在竖直的滑槽43内周期性往复滑动，施加长周期循环荷载；同时启动小型电机44，使其带动凸轮45做圆周运动，并带动升降杆46做升降运动从而牵引位于托盘47上的弹簧48在竖直方向上产生周期性往复伸缩变形，不断循环“下拉?恢复”这一过程而产生向下的拉力，从而使得受力件25产生竖直向下的长、短往复周期叠加的循环荷载，与千斤顶26提供的恒载共同叠加而实现了风荷载在风力机软岩地基上引起的动力作用。[0091] S5，采集岩石试样12的湿化变形数据和强度数据；[0092] S51，启动测试设备，千分表30和微型的摄像头29持续测试动力湿化作用下岩石试样12的变形；[0093] S52，调节湿化环境；打开阀门22取部分样品室20内PEG溶液15，通过折光计24测定取出的PEG溶液15浓度，如果PEG溶液15浓度有所降低，则通过关开阀门22对溶液进行更换，从而实现对岩石试样12湿度变化的精准控制；[0094] S53，排PEG溶液15；通过打开阀门22将样品室20内的PEG溶液15由进出液管21排至水缸18中；[0095] S54：卸载循环力；将吊钩从金属的受力件25侧端卸下，关闭电机电源。[0096] S55：施加破坏压力；启动千斤顶26，通过调节油泵控制台28控制千斤顶26施加压力的大。⒓锹佳沂匝12破坏时荷载大小。[0097] 通过拧松螺杆手柄7将恒载湿化装置1上部整体与底座4分离，取出已破坏掉的岩石试样12。用千分表30监测试样的上下变形情况；力传感器13记录试样的受力情况；通过计算机50所显示的数据来对数据进行收集以及分析。[0098] 本发明实施例包括恒载湿化模块和循环加载模块，同时考虑湿化作用与动力作用；将凸轮结构（高频加载机构）安装在滑块41（低频加载机构的部件）内部，节约空间的同时，带动弹簧48作高频（短周期）、低频（长周期）叠加的往复式伸缩变形，利用弹簧48伸缩变形时拥有的恢复力给岩石试样12（软岩）施加具有长周期和短周期两个分量的循环荷载，实现了高低频循环荷载的有效叠加，从而更准确地模拟风荷载在风力机软岩地基上引起的随机动力作用；如图9所示。此外，采用对称的两个循环荷载施加机构，既可模拟均匀动力作用，也可模拟偏心动力作用。[0099] 如图10?11所示，岩石试样的竖向变形在循环荷载作用下呈动态波动变化，且整体而言随着时间的延长而累积增加。当仅施加长周期（低频）循环荷载时，岩石试样的累积竖向变形相对较。坏┘泳哂谐ぶ芷诤投讨芷诹礁龇至康母叩推笛泛稍厥，岩石试样的累积竖向变形更大。这说明如果不考虑循环荷载的长、短周期两个叠加分量，将导致试验得到的累积竖向变形偏小、抗压强度偏大，根据试验结果进行的风力机地基设计将偏于不安全；相反，如果同时考虑循环荷载的长、短周期两个叠加分量，试验得到的累积竖向变形和抗压强度更符合实际情况，根据试验结果进行的风力机地基设计更加合理。因此，同时考虑循环荷载的长、短周期两个分量是十分必要的。[0100] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

专利地区：湖南

专利申请日期：2021-12-23

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114878379B