拉伸-压缩-瞬时卸载复合加载式软岩真三轴试验机的研制.pdf
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1、拉伸压缩瞬时卸载复合加载式软岩真三轴试验机的研制青克尔于小军龙 建于 明郭玉宝任 霞刘士龙王 民张佳伦夏敏富(.中机试验装备股份有限公司吉林 长春.东北大学辽宁 沈阳)摘 要:为了更准确地模拟深部工程软岩体所处的真三轴应力状态同时为研究单向快速卸载条件下的岩石变形破坏机制本文研制了一种拉伸压缩瞬时卸载复合加载式软岩真三轴试验机 该试验机由加载框架、电动加载系统、夹具、电磁式瞬时卸载系统、控制系统、软件系统组成 该试验机的创新性和先进性功能有:()可实现多种应力路径下的单轴、双轴、真三轴、岩爆、声发射、低频扰动等试验()采用电动伺服作动器实现真三轴刚性加载具有加卸载平稳、节能环保的特点()加载头
2、采用球面压头保证加载端面与试样充分接触采用双层滚排减小端部摩擦效应的影响()采用电磁吸盘技术的瞬时卸载装置实现快速卸载功能()采用力控制监控位移的双层控制方式保证在加卸载过程中试样中心不变与加载中心重合 最终通过力、位移、变形标定工作后再进行功能验证和综合试验 结果表明该试验机的准确性、功能性、可靠性满足软岩真三轴应力条件下的力学特性研究需求关键词:真三轴试验机软岩拉伸加载压缩加载瞬时卸载中图分类号:文献标志码:./.(.):.:().().().().().:收稿日期 作者简介 青克尔()男硕士高级工程师主要研究方向:岩石力学类专用试验机应用 引 言深部工程岩体处于真三向应力状态()研究表明
3、中间主应力()对岩体的力学性质影响较大常规三轴()力学试验已无法准确再现岩体的变形破坏行为高地应力条件下的软岩大变形是困扰隧道与地下工程界的重大地质灾害问题已成为地下工程的世界性技术难题 国际岩石工程界普遍需要软岩真三轴试验设备以解释软岩在真实复杂应力状态下的变形破坏行为和力学机理真三轴卸荷试验作为一种模拟开挖扰动诱发地质灾害的重要手段而受到广泛关注单向快速卸荷条件下的岩石变形破坏机制也是岩石力学试验领域的热门课题业界普遍希望岩石真三轴试验机引入瞬时卸荷功能另外目前对于应力空间第七象限三向拉伸以及其他双向、三向拉伸区段的岩石强度理论大多处于推测阶段缺乏多轴拉伸试验数据验证 而对于实际工程而言巷
4、道开挖后距侧墙表面一定距离的岩石单元受力状态应为“两压一拉”这种应力状态是岩爆、片帮等地质灾害的诱导因素之一因此开展岩石拉伸破坏试验十分必要针对深部软岩岩石力学问题国内学者进行了多方位深入的研究并取得了诸多显著成果 孙晓明等研制了真三轴软岩非线性力学试验系统可实现单轴、双轴、三轴压缩试验单向拉伸试验岩石或结构面剪切试验一向拉一向压、一向拉两向压等多种组合试验 张广清等研制了软岩真三.工程与试验 .轴试验装置可实现大尺寸软岩试样的三向压缩试验 胡昱研制了双向徐变试验机并进行双向压缩试验研究软岩的多轴力学特性目前现有的软岩真三轴试验机多采用外框架和内框架正交布置方式在外框架的上、下、前、后 个方向
5、上共设有 个加载油缸内框架采用自平衡结构并设有 个加载油缸以实现真三轴六面受力加载模拟布置在外框架后侧的加载油缸可以实现单面快速卸荷但是由于现有的软岩真三轴试验机采用油缸提供动力使得加载过程能耗大且对环境有一定的污染 再有现有的软岩真三轴试验机的内框架采用传压柱这会减小真三轴试验机的整机刚度难以获得岩石试样的峰后力学行为另外现有的软岩真三轴试验机采用油压提供卸荷动力这种方式虽然在一定程度上能够满足快速卸荷的要求但油压卸荷存在资源浪费大且容易污染环境的缺点 油压过大时不但对油路管道冲击大并且容易发生危险事故而且配套的液压站也存在体积大的弊端导致空间占用率高且成本增加 最后现有的软岩真三轴试验机大
6、多不能提供三向拉伸试验平台也就无法开展岩石在多轴拉伸应力状态下的力学行为研究工作基于上述分析本文研制了拉伸压缩瞬时卸载复合加载式软岩真三轴试验机模拟深部软岩体多轴应力状态为研究软岩大变形破坏行为和力学机理提供了试验设备基础 试验机主要功能及技术参数 主要功能()个方向具有独立的刚性加卸载能力()具有静态加载能力可获得软岩等材料全应力应变曲线、应力位移曲线、应力时间曲线、力变形曲线、力位移曲线、力时间曲线、变形时间曲线、位移时间曲线()具有力、位移和变形控制方式并可平滑切换加卸载路径可实现计算机编程控制具备循环加卸载功能()可完成单轴、双轴、真三轴压缩、真三轴拉伸、拉伸压缩复合(轴拉伸 轴压缩/
7、轴拉伸 轴压缩)、瞬时卸载(岩爆)、声发射、低频扰动等试验()采用电磁卸载结构实现一个轴指定方向上瞬时卸载形成自由面()采用球头双层滚排加载头消除试样加载过程中表面应力分布不均和端部摩擦效应()夹具采用互扣式联动夹具结构消除应力空白角()夹具设有声发射传感器安装孔避免外界因素对声发射信号产生干扰进而完成声发射试验()试验过程中试样形心位置不变与加载轴中心重合 主要技术参数()最大加载能力:水平 轴:压缩 拉伸 水平 轴:压缩拉伸 垂直 轴:压缩 拉伸()试验系统测力精度 示值()瞬时卸载速率/卸荷行程()试样尺寸:()加载速率:力/变形 /位移 /()最大主应力加载框架刚度 /其余主应力加载框
8、架刚度 /试验机主要构成软岩真三轴试验机主要有主机系统、电控系统、软件系统组成如图 所示 主机系统 电控系统 软件系统图 软岩真三轴试验机 主机系统主机系统主要由 轴加载框架、轴加载框架、加载压头、夹具、电磁式瞬时卸载机构、电动伺服作动器、力传感器和附件等组成如图 所示 轴加载框架 轴电动伺服作动器 加载压头和夹具 支撑底座 轴电动伺服作动器 轴加载框架 电磁式瞬时卸载机构 轴电动伺服作动器 轴加载框架移动机构图 主机系统加载框架采用“口”字形铸造封闭结构框架制造后经热处理消除应力然后进行加工平台精度高刚度好加载框架底部均安装滚轮和导轨 轴加载框架可自由推出方便安装试样和进行双轴加载试验载荷加
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