一種新型的巖石動三軸試驗系統及方法與流程

2023-05-25 20:24:01

本發明涉及一種巖石動三軸壓縮試驗裝置及方法，可進行各類巖石動力壓縮試驗和循環壓縮試驗，可在礦山、抗震、交通運輸、機械安裝、港口等工程領域的巖石力學試驗中廣泛應用。

背景技術：

近年來，隨著爆破工程、抗震工程、交通運輸、機械工程、堤防工程等領域的迅速發展，巖石動力學的研究逐漸成為一個重要的力學研究分支。爆破作業和地震作用直接給附近建築物、構築物、自然山體帶來動力衝擊，快速奔馳的列車給軌道和橋墩帶來反覆的循環荷載，高速運轉的大型機械對地基基礎帶來長時間、高頻率的持續振動，這些工程的迅速發展對各類動力學的研究提出了新的挑戰。

然而，相比於動力理論研究，巖石的動力力學試驗器材相對匱乏，即使能夠進行動載試驗的相關裝置也存在不同差異的缺陷。英國GDS生產的空心柱扭剪試驗系統(HCA)可進行動靜三軸和動靜扭剪試驗，然而該試驗裝置的最大動載頻率為2Hz，目前被廣泛使用的RMT-150多功能全自動剛性巖石伺服試驗機的振動頻率範圍為0.01Hz～1Hz，這些動載試驗裝置只適用於低頻動載試驗。SHPB試驗裝置是最早用於動力力學研究的儀器，該裝置通過改變加載應變率，研究巖石的動態抗壓、抗拉強度，該儀器的巧妙運用為動力研究帶來了極大幫助，然而，該儀器主要進行巖石的衝擊試驗，無法進行循環試驗和疲勞強度試驗，也不能得到具有說服力的動力強度參數。振動臺試驗裝置在地震荷載的相關研究中做出了突出的貢獻，特別在沙土液化的研究中，該裝置得到眾多學者的普遍認同，然而該試驗破壞性強、試驗造價高，因此很難被廣泛推廣使用。

在材料的力學研究中，聖維南原理表明，材料的一小部分邊界面上的面力，變換為分布不同但主矢和主矩等效的面力時，近處的應力分布將有顯著的改變，但是遠處所受到的影響可以忽略不計。該原理成為本發明的力學理論基礎。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對現有巖石動力力學試驗中存在的上述問題，進一步豐富巖石動力力學研究基礎，而提供一種新型的巖石動三軸試驗系統，從而為巖石動三軸試驗和循環疲勞試驗提供更加可靠、全面的試驗條件。

本發明的另一目的是提供新型的巖石動三軸試驗方法。

為實現本發明的上述目的，本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統採用以下技術方案：

本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統，是由動力加壓裝置、巖石試樣試驗倉組合構成：

所述的動力加壓裝置包括連杆傳動機構、動力加壓倉體，在動力加壓倉體內的中上部自下而上分別裝有底部活塞、高強度彈簧組、頂部活塞，動力加壓倉體內的下部為儲水壓力倉；為減小傳動阻力，儲水壓力倉直徑不宜超過50mm。所述的高強度彈簧組的勁度係數要足夠大，能夠給儲水壓力倉傳遞相應的力。儲水壓力倉的下部分別與進水管、靜水壓管相聯通；動力加壓倉體內的頂部活塞與連杆傳動機構連接；所述的連杆傳動機構由電動輸出機構、動力連杆、傳動連杆順序連接構成，所述的傳動連杆與動力加壓倉體內的頂部活塞的中心連接，從而保證電動輸出機構輸出的運動軌跡與活塞在同一鉛垂線上。

所述的巖石試樣試驗倉包括帶有中心水壓孔的壓頭、試樣倉倉體、裝在試樣倉倉體內的橡膠皮套、帶有中心水壓孔的底座、壓力倉排水排氣管、承壓部件排水排氣管、試驗倉進水管，試驗倉進水管安裝在試樣倉倉體的底部，壓力倉排水排氣管安裝在試樣倉倉體的頂部；試樣倉倉體、膠皮套的下部安裝在帶有水壓孔的底座上；在橡膠皮套內自下而上分別裝有下部承壓部件、巖石試樣、上部承壓部件，壓頭底端部直徑、底座直徑、上部承壓部件直徑、下部承壓部件直徑和橡膠皮套的內徑均相等，壓頭和底座上的水壓孔均位於圓柱正中心；在裝有上部承壓部件位置的橡膠皮套上套裝有上部試樣密封圈，在裝有下部承壓部件位置的橡膠皮套上套裝有下部試樣密封圈；所述的上部承壓部件、下部承壓部件的端部分別鑽有一個中心圓柱鑽孔及若干個周邊圓柱鑽孔，周邊圓柱鑽孔環繞中心圓柱鑽孔設置，中心圓柱鑽孔與周邊圓柱鑽孔通過連接深溝聯通，周邊圓柱鑽孔與承壓部件排水排氣管聯通；壓頭穿過試樣倉倉體頂部中央與裝在膠皮套內的上部承壓部件接觸；壓頭的中心水壓孔與上部承壓部件的中心圓柱鑽孔相對應，底座的中心水壓孔與下部承壓部件的中心圓柱鑽孔相對應。

在儲水壓力倉的底部連接有動水壓管，動水壓管分出兩支管：上支管、下支管，上支管與壓頭內的中心水壓孔聯通，下支管與底座內的中心水壓孔聯通。

所述的動力加壓倉體、試樣倉倉體及所有管道均採用高強度金屬材質，至少能承受50MPa水壓作用。

所述的上部承壓部件、、下部承壓部件、均採用硬質材料，其彈性模量大於200GPa。

所述的電動輸出機構的動載最大頻率為50Hz。

本發明一種新型的巖石動三軸試驗方法，採用上述試驗系統。

本發明通過改進巖石常規三軸靜態壓縮儀，在原有軸向、環向靜力加載的同時，利用軸向高頻變化水波給巖石試樣提供軸向動力荷載，動載最大頻率可達50Hz。水波動力荷載由動力加載系統控制，水壓大小在設定的範圍內周期性改變，環向和軸向靜力加載與常規三軸試驗加載模式完全相同，軸向靜力加載按照特定模式逐漸增加，巖石試樣在靜力和動力的組合作用下發生破壞，從而獲取巖石破壞過程和抗壓強度及強度參數。

其試驗步驟和計算方法為：

1)將巖石試樣裝入橡膠皮套的中央；

2)在巖石試樣上下兩端分別裝入上部承壓部件、下部承壓部件，上部承壓部件、下部承壓部件的帶孔端朝外，用手擠壓上部承壓部件、下部承壓部件與巖石試樣完全接觸；

3)將密封圈套裝到橡膠皮套上，密封圈的位置位於上部承壓部件、下部承壓部件的中央位置；

4)將3)步驟得到的組合體安裝到底座上，要求組合體與底座之間不能存在間隙；

5)通過軸向靜力加壓系統給巖石試樣施加軸向靜力荷載，逐漸降低壓頭，使壓頭施加的軸向壓力作用於巖石試樣，當軸向壓力示數表出現數據時，停止軸向加載；

6)給試樣倉倉體內充試驗壓縮油，並將試樣倉倉體內圍壓升高到預定值；

7)打開進水管和承壓部件排水排氣管上的閥門，讓儲水壓力倉以及動水壓管充滿水，當承壓部件排水排氣管滿孔排水時，依次關閉承壓部件排水排氣管和進水管上的閥門；

8)利用靜水壓管給儲水壓力倉施加水壓σ30，然後關閉靜水壓管上的閥門；

9)設置動力加壓裝置的動載振幅σ31和振動周期T，要求σ31＜σ30，並相應調整電動輸出機構的轉速；

10)啟動軸向靜力加壓系統，逐漸增加軸向靜力荷載，直到巖石試樣發生破壞，全程記錄巖石的靜力-動力-應變大小；任意時刻巖石試樣受到的實際應力大小為：

其中：

式中：σt——任意時刻巖石試樣受到的軸向合應力，單位MPa；

F1——任意時刻壓頭提供的壓力大小，單位N；

F3——任意時刻動水壓管給巖石試樣的壓力大小，單位N；

D——上部承壓部件、下部承壓部件的直徑，單位mm；

σ30——由靜水壓管提供的靜水壓力，單位MPa；

σ31——動載振幅，單位MPa；

T——轉動周期，動載頻率的倒數，單位s；

t——記錄時刻，單位s；

A——上部承壓部件或下部承壓部件上的周邊圓柱鑽孔、中心圓柱鑽孔及連接深溝的截面積總和，單位mm2；

11)依次卸載軸向靜力荷載、動力荷載和圍壓；

12)清理試驗裝置，試驗完畢。

本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統及方法採用以上技術方案後，具有以下優點：

採用的承壓部件可以巧妙的將水波動力作用施加到巖石試樣上，並有效避免了巖石端面上的應力集中問題；同時該部件可以傳遞來自壓頭的軸向靜力作用，這兩種荷載組合後成為一種新的動態荷載作用在試樣上，靜力荷載的增加最終導致試樣發生破壞。

根據連杆傳動規律，將電動輸出機構(電動機)的圓周運動轉換成活塞的往復運動，往復運動的活塞周期性的壓縮高強度彈簧，導致底部活塞與儲水壓力倉中的水產生周期性擠壓應力，利用液體的壓力傳遞特點，將儲水壓力倉中變化的水壓輸送到巖石試樣兩端。在連杆的轉動過程中，彈簧受到的擠壓程度不同，當動力連杆處於鉛錘位置時，儲水壓力倉中壓力處於分別最大值和最小值。

本發明試驗方法的最大優點是可以為巖石試樣提供高頻率循環動載，最大循環頻率高達50Hz，與連杆傳動機構的頻率相等。同時，該試驗系統採用液態水進行動力傳遞，最大化減小了高頻動力給儀器自身的破壞作用，有效保護了儀器的自身安全。該試驗系統是在常規巖石靜力三軸壓縮儀的基礎上進行改進，將常規三軸試驗中的透水墊板換成承壓部件，同時增加了一個動力加壓系統。該改進方案增加了儲水壓力倉的空間尺寸，但是大幅度增強了試驗儀器的功能，有效增強了儀器的全面性與實用性。

附圖說明

圖1是本發明一種新型的巖石動三軸試驗方法的巖石試樣受力圖；

圖2是本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統結構聯繫圖；

圖3是本發明採用的巖石試樣試驗倉結構示意圖；

圖4是本發明採用的動力加壓裝置結構示意圖；

圖5是本發明採用的承壓部件立體示意圖；

圖6是本發明採用的承壓部件平面示意圖。

附圖標記為：1-壓頭；2-壓力倉排水排氣管；3-承壓部件排水排氣管；4-上部承壓部件；4'-下部承壓部件；5-巖石試樣；6-上部試樣密封圈；6'-下部試樣密封圈；7-試驗倉進水管；8-橡膠皮套；9-動水壓管；10-帶有水壓孔的底座；11-電動輸出機構；12-動力連杆；13-傳動連杆；14-頂部活塞；15-儲水壓力倉；16-進水管；17-靜水壓管；18-高強度彈簧組；19-底部活塞；20-動力加壓倉體；21-試樣倉倉體；22-周邊圓柱鑽孔；23-中心圓柱鑽孔；24-連接深溝。

具體實施方式

為進一步描述本發明，下面結合附圖和實施例對本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統及方法做進一步詳細說明。

由圖1所示的本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統結構聯繫圖看出，本發明中巖石試樣5進行動三軸試驗時存在三部分荷載，分別是圍壓F2、靜力軸壓F1和動水壓力F3，他們分別由試樣倉倉體21、壓頭1和動水壓管9提供。上部承壓部件4、下部承壓部件4'的外端受到靜力軸壓F1和動水壓力F3，F1作用在上部承壓部件4與壓頭1的接觸位置，F3作用在上部承壓部件4、下部承壓部件4'內部小孔的底端，由於上部承壓部件4、下部承壓部件4'的底部為完整圓柱體，因此根據聖維南原理，巖石試樣5的端面各點受力狀況完全相同。在試驗過程中上部承壓部件4、下部承壓部件4'受到的圍壓、動水壓力的幅值、動水壓力的頻率是固定不變的，只有靜力壓力不斷增加，直到巖石試樣發生破壞。

由圖2所示的本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統結構聯繫圖並結合圖3、圖4看出，本發明一種新型的巖石動三軸試驗系統是由動力加壓裝置、巖石試樣試驗倉組合構成：

所述的動力加壓裝置包括連杆傳動機構、動力加壓倉體20，在動力加壓倉體20內的中上部自下而上分別裝有底部活塞19、高強度彈簧組18、頂部活塞14，動力加壓倉體20內的下部為儲水壓力倉15；儲水壓力倉15的下部分別與進水管16、靜水壓管17相聯通；動力加壓倉體20內的頂部活塞14與連杆傳動機構連接；所述的連杆傳動機構由電動輸出機構11、動力連杆12、傳動連杆13順序連接構成，所述的傳動連杆13與動力加壓倉體20內的頂部活塞14的中心點連接。動力連杆12長度不宜超過5mm，電動輸出機構11的轉動頻率可以根據試驗要求靈活調節；動力連杆12、傳動連杆13的強度與最大動壓值、儲水壓力倉15直徑相匹配；儲水壓力倉15的厚度、動水壓管9的強度、靜水壓管17的強度相匹配，要求都能承受相應的水壓作用；高強度彈簧組18的勁度係數與設備的動壓幅值相匹配；在動力循環過程中，高強度彈簧組18一直處於被壓縮狀態，其壓縮量的大小取決於動力連杆12、傳動連杆13的位置；高強度彈簧組18在彈性範圍內的最大壓縮量是動力連杆12的長度的2.2倍以上。

所述的巖石試樣試驗倉包括帶有中心水壓孔的壓頭1、試樣倉倉體21、裝在試樣倉倉體21內的橡膠皮套8、帶有中心水壓孔的底座10、壓力倉排水排氣管2、承壓部件排水排氣管3、試驗倉進水管7，試驗倉進水管7安裝在試樣倉倉體21的底部，壓力倉排水排氣管2安裝在試樣倉倉體21的頂部；試樣倉倉體21、膠皮套8的下部安裝在帶有水壓孔的底座10上；在橡膠皮套8內自下而上分別裝有下部承壓部件4'、巖石試樣5、上部承壓部件4，壓頭1底端部直徑、底座10直徑、上部承壓部件4直徑、下部承壓部件4'直徑和橡膠皮套8的內徑均相等，為50mm。壓頭1和底座10上的水壓孔均位於圓柱正中心；在裝有上部承壓部件4的中央位置的橡膠皮套8上套裝有上部試樣密封圈6，在裝有下部承壓部件4'的中央位置的橡膠皮套8上套裝有下部試樣密封圈6'；橡膠皮套8的長度與巖石試樣5的高度、上部承壓部件4、下部承壓部件4'的高度相匹配，橡膠皮套8的長度在140mm～150mm之間為宜。

在儲水壓力倉15的底部連接有動水壓管9，動水壓管9分出兩支管：上支管、下支管，上支管與壓頭1內的中心水壓孔聯通，下支管與底座10內的中心水壓孔聯通。

由圖5所示的本發明採用的承壓部件立體示意圖並結合圖6、圖2看出，上部承壓部件4、下部承壓部件4'的高度為55mm，直徑為50mm，其中一端有均勻分布的7個完全相同的小圓柱鑽孔：中心圓柱鑽孔23、周邊圓柱鑽孔22，7個小圓柱鑽孔分別位於正六邊形的6個端點和中心上，小圓柱鑽孔的直徑為8mm，孔深為5mm；中心圓柱鑽孔23與6個周邊圓柱鑽孔22之間有1mm寬的連接深溝24連通，連接長度為7mm。周邊圓柱鑽孔22與承壓部件排水排氣管3聯通；壓頭1穿過試樣倉倉體21頂部中央與裝在膠皮套8內的上部承壓部件4連接；壓頭1的中心水壓孔與上部承壓部件4的中心圓柱鑽孔23相對應，底座10的中心水壓孔與下部承壓部件4'的中心圓柱鑽孔23相對應。

為避免試樣端部應力集中問題，根據聖維南原理，改進承壓部件須滿足一下條件：

1)上部承壓部件4、下部承壓部件4'的高度≥55mm為宜；

2)上部承壓部件4、下部承壓部件4'的一端有均勻分布的圓孔，圓孔深度為5mm；

3)各圓孔之間用1mm×5mm的細槽連接；

4)承壓部件宜採用硬質材料，其彈性模量大於200GPa為宜；

本發明一種新型的巖石動三軸試驗方法採用的試驗步驟和計算方法為：

1)將巖石試樣5(Φ50mm×100mm)裝入橡膠皮套8的中央；

2)在巖石試樣5上下兩端分別裝入上部承壓部件4、下部承壓部件4'，上部承壓部件4、下部承壓部件4'的帶孔端朝外，用手擠壓上部承壓部件4、下部承壓部件4'與巖石試樣5完全接觸；

3)將密封圈6套裝到橡膠皮套8上，密封圈6的位置位於上部承壓部件4、下部承壓部件4'的中央位置；

4)將3)步驟得到的組合體安裝到底座10上，要求組合體與底座10之間不能存在間隙；

5)通過軸向靜力加壓系統給巖石試樣5施加軸向靜力荷載，逐漸降低壓頭1，使壓頭1施加的軸向壓力作用於巖石試樣5，當軸向壓力示數表出現數據時(證明壓頭1與巖石試樣5已經接觸)，停止軸向加載；

6)給試樣倉倉體內充試驗壓縮油，並將試樣倉倉體21內圍壓升高到預定值；

7)打開進水管16和承壓部件排水排氣管3上的閥門，讓儲水壓力倉15以及動水壓管9充滿水，當承壓部件排水排氣管3滿孔排水時，依次關閉承壓部件排水排氣管3和進水管16上的閥門；

8)利用靜水壓管17給儲水壓力倉15施加水壓σ30，然後關閉靜水壓管17上的閥門；

9)設置動力加壓裝置的動載振幅σ31和振動周期T，要求σ31＜σ30，並相應調整電動輸出機構11的轉速；

10)啟動軸向靜力加壓系統，逐漸增加軸向靜力荷載，直到巖石試樣5發生破壞，全程記錄巖石的靜力-動力-應變大小；任意時刻巖石試樣5受到的實際應力大小為：

其中：

式中：σt——任意時刻巖石試樣5受到的軸向合應力，單位MPa；

F1——任意時刻壓頭1提供的壓力大小，單位N；

F3——任意時刻動水壓管9給巖石試樣5的壓力大小，單位N；

D——上部承壓部件4、下部承壓部件4'的直徑，單位mm；

σ30——由靜水壓管17提供的靜水壓力，單位MPa；

σ31——動載振幅，單位MPa；

T——轉動周期，動載頻率的倒數，單位s；

t——記錄時刻，單位s；

A——上部承壓部件4或下部承壓部件4'上的周邊圓柱鑽孔22、中心圓柱鑽孔23及連接深溝24的截面積總和，單位mm2；

11)依次卸載軸向靜力荷載、動力荷載和圍壓；

12)清理試驗裝置，試驗完畢。