一种新型的岩石动三轴试验系统及方法与流程

本发明涉及一种岩石动三轴压缩试验装置及方法，可进行各类岩石动力压缩试验和循环压缩试验，可在矿山、抗震、交通运输、机械安装、港口等工程领域的岩石力学试验中广泛应用。

背景技术：

近年来，随着爆破工程、抗震工程、交通运输、机械工程、堤防工程等领域的迅速发展，岩石动力学的研究逐渐成为一个重要的力学研究分支。爆破作业和地震作用直接给附近建筑物、构筑物、自然山体带来动力冲击，快速奔驰的列车给轨道和桥墩带来反复的循环荷载，高速运转的大型机械对地基基础带来长时间、高频率的持续振动，这些工程的迅速发展对各类动力学的研究提出了新的挑战。

然而，相比于动力理论研究，岩石的动力力学试验器材相对匮乏，即使能够进行动载试验的相关装置也存在不同差异的缺陷。英国GDS生产的空心柱扭剪试验系统(HCA)可进行动靜三轴和动静扭剪试验，然而该试验装置的最大动载频率为2Hz，目前被广泛使用的RMT-150多功能全自动刚性岩石伺服试验机的振动频率范围为0.01Hz～1Hz，这些动载试验装置只适用于低频动载试验。SHPB试验装置是最早用于动力力学研究的仪器，该装置通过改变加载应变率，研究岩石的动态抗压、抗拉强度，该仪器的巧妙运用为动力研究带来了极大帮助，然而，该仪器主要进行岩石的冲击试验，无法进行循环试验和疲劳强度试验，也不能得到具有说服力的动力强度参数。振动台试验装置在地震荷载的相关研究中做出了突出的贡献，特别在沙土液化的研究中，该装置得到众多学者的普遍认同，然而该试验破坏性强、试验造价高，因此很难被广泛推广使用。

在材料的力学研究中，圣维南原理表明，材料的一小部分边界面上的面力，变换为分布不同但主矢和主矩等效的面力时，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受到的影响可以忽略不计。该原理成为本发明的力学理论基础。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有岩石动力力学试验中存在的上述问题，进一步丰富岩石动力力学研究基础，而提供一种新型的岩石动三轴试验系统，从而为岩石动三轴试验和循环疲劳试验提供更加可靠、全面的试验条件。

本发明的另一目的是提供新型的岩石动三轴试验方法。

为实现本发明的上述目的，本发明一种新型的岩石动三轴试验系统采用以下技术方案：

本发明一种新型的岩石动三轴试验系统，是由动力加压装置、岩石试样试验仓组合构成：

所述的动力加压装置包括连杆传动机构、动力加压仓体，在动力加压仓体内的中上部自下而上分别装有底部活塞、高强度弹簧组、顶部活塞，动力加压仓体内的下部为储水压力仓；为减小传动阻力，储水压力仓直径不宜超过50mm。所述的高强度弹簧组的劲度系数要足够大，能够给储水压力仓传递相应的力。储水压力仓的下部分别与进水管、静水压管相联通；动力加压仓体内的顶部活塞与连杆传动机构连接；所述的连杆传动机构由电动输出机构、动力连杆、传动连杆顺序连接构成，所述的传动连杆与动力加压仓体内的顶部活塞的中心连接，从而保证电动输出机构输出的运动轨迹与活塞在同一铅垂线上。

所述的岩石试样试验仓包括带有中心水压孔的压头、试样仓仓体、装在试样仓仓体内的橡胶皮套、带有中心水压孔的底座、压力仓排水排气管、承压部件排水排气管、试验仓进水管，试验仓进水管安装在试样仓仓体的底部，压力仓排水排气管安装在试样仓仓体的顶部；试样仓仓体、胶皮套的下部安装在带有水压孔的底座上；在橡胶皮套内自下而上分别装有下部承压部件、岩石试样、上部承压部件，压头底端部直径、底座直径、上部承压部件直径、下部承压部件直径和橡胶皮套的内径均相等，压头和底座上的水压孔均位于圆柱正中心；在装有上部承压部件位置的橡胶皮套上套装有上部试样密封圈，在装有下部承压部件位置的橡胶皮套上套装有下部试样密封圈；所述的上部承压部件、下部承压部件的端部分别钻有一个中心圆柱钻孔及若干个周边圆柱钻孔，周边圆柱钻孔环绕中心圆柱钻孔设置，中心圆柱钻孔与周边圆柱钻孔通过连接深沟联通，周边圆柱钻孔与承压部件排水排气管联通；压头穿过试样仓仓体顶部中央与装在胶皮套内的上部承压部件接触；压头的中心水压孔与上部承压部件的中心圆柱钻孔相对应，底座的中心水压孔与下部承压部件的中心圆柱钻孔相对应。

在储水压力仓的底部连接有动水压管，动水压管分出两支管：上支管、下支管，上支管与压头内的中心水压孔联通，下支管与底座内的中心水压孔联通。

所述的动力加压仓体、试样仓仓体及所有管道均采用高强度金属材质，至少能承受50MPa水压作用。

所述的上部承压部件、、下部承压部件、均采用硬质材料，其弹性模量大于200GPa。

所述的电动输出机构的动载最大频率为50Hz。

本发明一种新型的岩石动三轴试验方法，采用上述试验系统。

本发明通过改进岩石常规三轴静态压缩仪，在原有轴向、环向静力加载的同时，利用轴向高频变化水波给岩石试样提供轴向动力荷载，动载最大频率可达50Hz。水波动力荷载由动力加载系统控制，水压大小在设定的范围内周期性改变，环向和轴向静力加载与常规三轴试验加载模式完全相同，轴向静力加载按照特定模式逐渐增加，岩石试样在静力和动力的组合作用下发生破坏，从而获取岩石破坏过程和抗压强度及强度参数。

其试验步骤和计算方法为：

1)将岩石试样装入橡胶皮套的中央；

2)在岩石试样上下两端分别装入上部承压部件、下部承压部件，上部承压部件、下部承压部件的带孔端朝外，用手挤压上部承压部件、下部承压部件与岩石试样完全接触；

3)将密封圈套装到橡胶皮套上，密封圈的位置位于上部承压部件、下部承压部件的中央位置；

4)将3)步骤得到的组合体安装到底座上，要求组合体与底座之间不能存在间隙；

5)通过轴向静力加压系统给岩石试样施加轴向静力荷载，逐渐降低压头，使压头施加的轴向压力作用于岩石试样，当轴向压力示数表出现数据时，停止轴向加载；

6)给试样仓仓体内充试验压缩油，并将试样仓仓体内围压升高到预定值；

7)打开进水管和承压部件排水排气管上的阀门，让储水压力仓以及动水压管充满水，当承压部件排水排气管满孔排水时，依次关闭承压部件排水排气管和进水管上的阀门；

8)利用靜水压管给储水压力仓施加水压σ₃₀，然后关闭静水压管上的阀门；

9)设置动力加压装置的动载振幅σ₃₁和振动周期T，要求σ₃₁＜σ₃₀，并相应调整电动输出机构的转速；

10)启动轴向静力加压系统，逐渐增加轴向静力荷载，直到岩石试样发生破坏，全程记录岩石的静力-动力-应变大小；任意时刻岩石试样受到的实际应力大小为：

其中：

式中：σ_t——任意时刻岩石试样受到的轴向合应力，单位MPa；

F₁——任意时刻压头提供的压力大小，单位N；

F₃——任意时刻动水压管给岩石试样的压力大小，单位N；

D——上部承压部件、下部承压部件的直径，单位mm；

σ₃₀——由静水压管提供的静水压力，单位MPa；

σ₃₁——动载振幅，单位MPa；

T——转动周期，动载频率的倒数，单位s；

t——记录时刻，单位s；

A——上部承压部件或下部承压部件上的周边圆柱钻孔、中心圆柱钻孔及连接深沟的截面积总和，单位mm²；

11)依次卸载轴向静力荷载、动力荷载和围压；

12)清理试验装置，试验完毕。

本发明一种新型的岩石动三轴试验系统及方法采用以上技术方案后，具有以下优点：

采用的承压部件可以巧妙的将水波动力作用施加到岩石试样上，并有效避免了岩石端面上的应力集中问题；同时该部件可以传递来自压头的轴向静力作用，这两种荷载组合后成为一种新的动态荷载作用在试样上，静力荷载的增加最终导致试样发生破坏。

根据连杆传动规律，将电动输出机构(电动机)的圆周运动转换成活塞的往复运动，往复运动的活塞周期性的压缩高强度弹簧，导致底部活塞与储水压力仓中的水产生周期性挤压应力，利用液体的压力传递特点，将储水压力仓中变化的水压输送到岩石试样两端。在连杆的转动过程中，弹簧受到的挤压程度不同，当动力连杆处于铅锤位置时，储水压力仓中压力处于分别最大值和最小值。

本发明试验方法的最大优点是可以为岩石试样提供高频率循环动载，最大循环频率高达50Hz，与连杆传动机构的频率相等。同时，该试验系统采用液态水进行动力传递，最大化减小了高频动力给仪器自身的破坏作用，有效保护了仪器的自身安全。该试验系统是在常规岩石静力三轴压缩仪的基础上进行改进，将常规三轴试验中的透水垫板换成承压部件，同时增加了一个动力加压系统。该改进方案增加了储水压力仓的空间尺寸，但是大幅度增强了试验仪器的功能，有效增强了仪器的全面性与实用性。

附图说明

图1是本发明一种新型的岩石动三轴试验方法的岩石试样受力图；

图2是本发明一种新型的岩石动三轴试验系统结构联系图；

图3是本发明采用的岩石试样试验仓结构示意图；

图4是本发明采用的动力加压装置结构示意图；

图5是本发明采用的承压部件立体示意图；

图6是本发明采用的承压部件平面示意图。

附图标记为：1-压头；2-压力仓排水排气管；3-承压部件排水排气管；4-上部承压部件；4'-下部承压部件；5-岩石试样；6-上部试样密封圈；6'-下部试样密封圈；7-试验仓进水管；8-橡胶皮套；9-动水压管；10-带有水压孔的底座；11-电动输出机构；12-动力连杆；13-传动连杆；14-顶部活塞；15-储水压力仓；16-进水管；17-静水压管；18-高强度弹簧组；19-底部活塞；20-动力加压仓体；21-试样仓仓体；22-周边圆柱钻孔；23-中心圆柱钻孔；24-连接深沟。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种新型的岩石动三轴试验系统及方法做进一步详细说明。

由图1所示的本发明一种新型的岩石动三轴试验系统结构联系图看出，本发明中岩石试样5进行动三轴试验时存在三部分荷载，分别是围压F₂、静力轴压F₁和动水压力F₃，他们分别由试样仓仓体21、压头1和动水压管9提供。上部承压部件4、下部承压部件4'的外端受到静力轴压F₁和动水压力F₃，F₁作用在上部承压部件4与压头1的接触位置，F₃作用在上部承压部件4、下部承压部件4'内部小孔的底端，由于上部承压部件4、下部承压部件4'的底部为完整圆柱体，因此根据圣维南原理，岩石试样5的端面各点受力状况完全相同。在试验过程中上部承压部件4、下部承压部件4'受到的围压、动水压力的幅值、动水压力的频率是固定不变的，只有静力压力不断增加，直到岩石试样发生破坏。

由图2所示的本发明一种新型的岩石动三轴试验系统结构联系图并结合图3、图4看出，本发明一种新型的岩石动三轴试验系统是由动力加压装置、岩石试样试验仓组合构成：

所述的动力加压装置包括连杆传动机构、动力加压仓体20，在动力加压仓体20内的中上部自下而上分别装有底部活塞19、高强度弹簧组18、顶部活塞14，动力加压仓体20内的下部为储水压力仓15；储水压力仓15的下部分别与进水管16、静水压管17相联通；动力加压仓体20内的顶部活塞14与连杆传动机构连接；所述的连杆传动机构由电动输出机构11、动力连杆12、传动连杆13顺序连接构成，所述的传动连杆13与动力加压仓体20内的顶部活塞14的中心点连接。动力连杆12长度不宜超过5mm，电动输出机构11的转动频率可以根据试验要求灵活调节；动力连杆12、传动连杆13的强度与最大动压值、储水压力仓15直径相匹配；储水压力仓15的厚度、动水压管9的强度、静水压管17的强度相匹配，要求都能承受相应的水压作用；高强度弹簧组18的劲度系数与设备的动压幅值相匹配；在动力循环过程中，高强度弹簧组18一直处于被压缩状态，其压缩量的大小取决于动力连杆12、传动连杆13的位置；高强度弹簧组18在弹性范围内的最大压缩量是动力连杆12的长度的2.2倍以上。

所述的岩石试样试验仓包括带有中心水压孔的压头1、试样仓仓体21、装在试样仓仓体21内的橡胶皮套8、带有中心水压孔的底座10、压力仓排水排气管2、承压部件排水排气管3、试验仓进水管7，试验仓进水管7安装在试样仓仓体21的底部，压力仓排水排气管2安装在试样仓仓体21的顶部；试样仓仓体21、胶皮套8的下部安装在带有水压孔的底座10上；在橡胶皮套8内自下而上分别装有下部承压部件4'、岩石试样5、上部承压部件4，压头1底端部直径、底座10直径、上部承压部件4直径、下部承压部件4'直径和橡胶皮套8的内径均相等，为50mm。压头1和底座10上的水压孔均位于圆柱正中心；在装有上部承压部件4的中央位置的橡胶皮套8上套装有上部试样密封圈6，在装有下部承压部件4'的中央位置的橡胶皮套8上套装有下部试样密封圈6'；橡胶皮套8的长度与岩石试样5的高度、上部承压部件4、下部承压部件4'的高度相匹配，橡胶皮套8的长度在140mm～150mm之间为宜。

在储水压力仓15的底部连接有动水压管9，动水压管9分出两支管：上支管、下支管，上支管与压头1内的中心水压孔联通，下支管与底座10内的中心水压孔联通。

由图5所示的本发明采用的承压部件立体示意图并结合图6、图2看出，上部承压部件4、下部承压部件4'的高度为55mm，直径为50mm，其中一端有均匀分布的7个完全相同的小圆柱钻孔：中心圆柱钻孔23、周边圆柱钻孔22，7个小圆柱钻孔分别位于正六边形的6个端点和中心上，小圆柱钻孔的直径为8mm，孔深为5mm；中心圆柱钻孔23与6个周边圆柱钻孔22之间有1mm宽的连接深沟24连通，连接长度为7mm。周边圆柱钻孔22与承压部件排水排气管3联通；压头1穿过试样仓仓体21顶部中央与装在胶皮套8内的上部承压部件4连接；压头1的中心水压孔与上部承压部件4的中心圆柱钻孔23相对应，底座10的中心水压孔与下部承压部件4'的中心圆柱钻孔23相对应。

为避免试样端部应力集中问题，根据圣维南原理，改进承压部件须满足一下条件：

1)上部承压部件4、下部承压部件4'的高度≥55mm为宜；

2)上部承压部件4、下部承压部件4'的一端有均匀分布的圆孔，圆孔深度为5mm；

3)各圆孔之间用1mm×5mm的细槽连接；

4)承压部件宜采用硬质材料，其弹性模量大于200GPa为宜；

本发明一种新型的岩石动三轴试验方法采用的试验步骤和计算方法为：

1)将岩石试样5(Φ50mm×100mm)装入橡胶皮套8的中央；

2)在岩石试样5上下两端分别装入上部承压部件4、下部承压部件4'，上部承压部件4、下部承压部件4'的带孔端朝外，用手挤压上部承压部件4、下部承压部件4'与岩石试样5完全接触；

3)将密封圈6套装到橡胶皮套8上，密封圈6的位置位于上部承压部件4、下部承压部件4'的中央位置；

4)将3)步骤得到的组合体安装到底座10上，要求组合体与底座10之间不能存在间隙；

5)通过轴向静力加压系统给岩石试样5施加轴向静力荷载，逐渐降低压头1，使压头1施加的轴向压力作用于岩石试样5，当轴向压力示数表出现数据时(证明压头1与岩石试样5已经接触)，停止轴向加载；

6)给试样仓仓体内充试验压缩油，并将试样仓仓体21内围压升高到预定值；

7)打开进水管16和承压部件排水排气管3上的阀门，让储水压力仓15以及动水压管9充满水，当承压部件排水排气管3满孔排水时，依次关闭承压部件排水排气管3和进水管16上的阀门；

8)利用靜水压管17给储水压力仓15施加水压σ₃₀，然后关闭静水压管17上的阀门；

9)设置动力加压装置的动载振幅σ₃₁和振动周期T，要求σ₃₁＜σ₃₀，并相应调整电动输出机构11的转速；

10)启动轴向静力加压系统，逐渐增加轴向静力荷载，直到岩石试样5发生破坏，全程记录岩石的静力-动力-应变大小；任意时刻岩石试样5受到的实际应力大小为：

其中：

式中：σ_t——任意时刻岩石试样5受到的轴向合应力，单位MPa；

F₁——任意时刻压头1提供的压力大小，单位N；

F₃——任意时刻动水压管9给岩石试样5的压力大小，单位N；

D——上部承压部件4、下部承压部件4'的直径，单位mm；

σ₃₀——由静水压管17提供的静水压力，单位MPa；

σ₃₁——动载振幅，单位MPa；

T——转动周期，动载频率的倒数，单位s；

t——记录时刻，单位s；

A——上部承压部件4或下部承压部件4'上的周边圆柱钻孔22、中心圆柱钻孔23及连接深沟24的截面积总和，单位mm²；

11)依次卸载轴向静力荷载、动力荷载和围压；

12)清理试验装置，试验完毕。