恒定侧向刚度真三轴试验装置及其试验方法

1.本发明涉及一种恒定侧向刚度真三轴试验装置及其试验方法。


背景技术：

2.在研究岩石的本构特性的过程中，需要对岩石试件进行三轴加载试验。现有的三轴试验装置，包括真三轴试验装置和常规三轴试验装置两大类。常规三轴试验装置一般采用圆柱岩石试件，通过压力机施加轴向压力，通过液压试验机配三轴压力腔施加侧向压力（即围压），达到两个方向不等压状态(即)。岩石真三轴试验系统一般采用立方体岩石试件，通过施加三个方向不等的压力(即)，能够测试三轴应力不等条件下岩石的力学特性。相对于常规三轴试验，真三轴能够再现自然环境中岩石所处的应力环境，因此，则更能解释自然应力状态下岩石变形与破坏的力学形为与机理。
3.在工程现场，岩石在某一方向受到的压力增加时，在该方向（即轴向）会产生压缩变形，根据泊松效应，其侧向必然产生扩张变形，岩石在侧向变形从而挤压周围岩体的过程中，又必然受到周围岩体按特定比例（由岩体刚度控制）增加的反作用力，而侧向受力的大小又会直接影响岩石的多个力学参数。针对上述现象进行试验研究对于岩土工程安全具有重要意义，然而，现有的试验设备不能实现根据岩石试件的变形来不断改变岩石试件的侧向压力。在本技术中，将岩石试件随着其本身侧向变形的增加，侧向受力安装一定规律逐渐增加的边界条件，称为恒定侧向刚度边界条件。
4.另外，由于工程现场围岩受力是非均匀的，随埋深的增加受力增大。然而现有的试验机加载时，每个加载面只能施加均匀应力，导致岩石破坏规律不准确，缺乏便捷的非均匀加载装置。


技术实现要素：

5.本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种恒定侧向刚度真三轴试验装置及其试验方法，操作方便，能实现根据岩石试件的变形来不断改变岩石试件的侧向压力。
6.本发明的具体实施方案是：提供一种恒定侧向刚度真三轴试验装置，包括用于给岩石试件施加轴向压力的轴向压力加载系统、给岩石试件施加第一水平方向压力和第二水平方向压力的水平方向加载系统、用于监测岩石试件所承受轴向压力大小的轴向压力监测系统、用于监测岩石试件所承受第一水平方向压力大小的第一水平方向压力监测系统、用于监测岩石试件所承受第二水平方向压力大小的第二水平方向压力监测系统、用于测量岩石试件轴向变形大小的轴向变形测量系统、用于测量岩石试件第一水平方向变形大小的第一水平方向变形测量系统、用于测量岩石试件第二水平方向变形大小的第二水平方向变形测量系统及计算机控制系统，所述计算机控制系统分别与轴向压力加载系统、水平方向加载系统，轴向压力监测系统，第一水平方向压力监测系统、第二水平方向压力监测系统、轴
向变形测量系统、第一水平方向变形测量系统、第二水平方向变形测量系统电连接；所述轴向压力加载系统包括第一液压油缸、用于驱动第一液压油缸的第一伺服油源和第一加载框架，所述第一液压油缸固定在第一加载框架上；所述水平方向加载系统包括第二加载框架、用于施加第一水平方向压力的第二液压油缸、用于驱动第二液压油缸的第二伺服油源、用于施加第二水平方向压力的第三液压油缸、用于驱动第三液压油缸的第三伺服油源，所述第二液压油缸和第三液压油缸分别固定在第二加载框架上。
7.所述轴向压力监测系统包括用于监测岩石试件承受轴向压力大小的第一压力传感器和第一压力数据采集仪，第一压力数据采集仪记录岩石试件轴压数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第一水平方向压力监测系统包括用于监测岩石试件所承受第一水平方向压力大小的第二压力传感器和第二压力数据采集仪，所述第二压力数据采集仪记录岩石试件第一水平方向上的压力数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第二水平方向压力监测系统包括用于监测岩石试件所承受第二水平方向压力大小的第三压力传感器和第三压力数据采集仪，所述第三压力数据采集仪记录岩石试件第二水平方向上的压力数据后并将其传递至计算机控制系统；所述轴向变形测量系统包括第一位移计以及第一位移数据采集仪，所述第一位移数据采集仪记录岩石试件变形数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第一水平方向变形测量系统包括第二位移计以及第二位移数据采集仪，所述第二位移数据采集仪记录岩石试件变形数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第二水平方向变形测量系统包括第三位移计和第三位移数据采集仪，所述第三位移数据采集仪记录岩石试件变形数据后并将其传递至计算机控制系统。
8.进一步的，所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据，所述的控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制轴向压力加载系统、水平方向加载系统按照特定的路径进行加载。
9.进一步的，所述的恒定侧向刚度真三轴试验装置，还包括非均匀加载装置，设置在加载岩石试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面的两侧。加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。
10.进一步的，一种恒定侧向刚度真三轴试验装置的试验方法，包括步骤如下：（1）首先，选用呈立方体的岩石试件放置于试验系统加载位置；（2）然后通过水平方向加载系统对岩石试件施加围压；（3）再借助轴向压力加载系统分别对岩石试件施加轴向压力 ；（4）在施加轴向压力的过程中实时测量岩石试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；（5）最后，得到试验过程中记录和输出岩石试件在各个方向的变形和压力数据。
11.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构合理，设计巧妙，实现了恒定侧向刚度边界条件下的加载试验，更真实的再现和测试岩石在工程现场的物理力学性质，能实现根据岩石试件的变形来不断改变岩石试件的侧向压力，为岩土工程的设计和施
工提供更准确的数据，具有广阔应用前景。
12.附图说明
13.图1为本发明实施例试验系统的水平加载结构示意图；图2为本发明实施例试验系统的轴向加载结构示意图；图3为本发明实施例恒定侧向刚度控制原理示意图；图4为本发明实施例非均匀加载装置第一种形式的截面示意图；图5为本发明实施例非均匀加载装置第二种形式的截面示意图。
14.图中：a-轴向压力加载系统，b-水平方向加载系统，d-轴向压力监测系统，e-第一水平方向压力监测系统，f-第二水平方向压力监测系统，g-轴向变形测量系统，h-第一水平方向变形测量系统，i-第二水平方向变形测量系统，j-计算机控制系统，1-第二加载框架，2-第二液压油缸，3-第三液压油缸，4-第二压力传感器，5-第三压力传感器，6-第二位移计，7-第三位移计，8-岩石试件，9-第一加载框架，10-第一液压油缸，11-第一压力传感器，12-第一位移计，13-材料一，14-材料二，15-贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
16.实施例1：如图1~5所示，本实施例中，提供一种恒定侧向刚度真三轴试验装置，包括用于给岩石试件施加轴向压力的轴向压力加载系统a、给岩石试件施加第一水平方向压力和第二水平方向压力的水平方向加载系统b、用于监测岩石试件所承受轴向压力大小的轴向压力监测系统d、用于监测岩石试件所承受第一水平方向压力大小的第一水平方向压力监测系统e、用于监测岩石试件所承受第二水平方向压力大小的第二水平方向压力监测系统f、用于测量岩石试件轴向变形大小的轴向变形测量系统g、用于测量岩石试件第一水平方向变形大小的第一水平方向变形测量系统h、用于测量岩石试件第二水平方向变形大小的第二水平方向变形测量系统i及计算机控制系统j，所述计算机控制系统分别与轴向压力加载系统、水平方向加载系统，第一水平方向压力监测系统、第二水平方向压力监测系统、轴向变形测量系统、第一水平方向变形测量系统、第二水平方向变形测量系统电连接；所述轴向压力加载系统包括第一液压油缸、用于驱动第一液压油缸的第一伺服油源和第一加载框架，所述第一液压油缸固定在第一加载框架上；所述水平方向加载系统包括第二加载框架、用于施加第一水平方向压力的第二液压油缸、用于驱动第二液压油缸的第二伺服油源、用于施加第二水平方向压力的第三液压油缸、用于驱动第三液压油缸的第三伺服油源，所述第二液压油缸和第三液压油缸分别固定在第二加载框架上；两个水平方向加载系统共用一个第二加载框架。
17.所述轴向压力监测系统包括用于监测岩石试件承受轴向压力大小的第一压力传感器和第一压力数据采集仪，第一压力数据采集仪记录岩石试件轴压数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第一水平方向压力监测系统包括用于监测岩石试件所承受第一水平方向压力大小的第二压力传感器和第二压力数据采集仪，所述第二压力数据采集仪记录岩石试件
第一水平方向上的压力数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第二水平方向压力监测系统包括用于监测岩石试件所承受第二水平方向压力大小的第三压力传感器和第三压力数据采集仪，所述第三压力数据采集仪记录岩石试件第二水平方向上的压力数据后并将其传递至计算机控制系统；所述轴向变形测量系统包括第一位移计以及第一位移数据采集仪，所述第一位移数据采集仪记录岩石试件变形数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第一水平方向变形测量系统包括第二位移计以及第二位移数据采集仪，所述第二位移数据采集仪记录岩石试件变形数据后并将其传递至计算机控制系统；所述第二水平方向变形测量系统包括第三位移计和第三位移数据采集仪，所述第三位移数据采集仪记录岩石试件变形数据后并将其传递至计算机控制系统。
18.本实施例中，所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，计算机控制系统用于提供人机交互界面，输入初始数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现恒定侧向刚度边界控制，以及显示和输出试验结果；所述的恒定侧向刚度真三轴试验装置，还包括非均匀加载装置，设置在加载岩石试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，包括材料一13和材料二14，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面15的两侧。加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。
19.所述的数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据；所述的控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制轴向压力加载系统、第一水平加载系统以及第二水平加载系统按照特定的路径进行加载；在轴压加载系统对岩石试件施加轴向压力的过程中，岩石试件在两个水平方向必然不断产生侧向变形，根据监测得到的岩石试件侧向变形计算为了保持两个水平方向恒定侧向刚度分别需要的围压p1和p2，计算公式为，，其中为第一水平方向初始压力，为第二水平方向初始压力，为第一水平方向刚度，为第二水平方向刚度，为岩石试件第一水平方向变形，为岩石试件第二水平方向变形；进而通过计算机控制系统发出指令适时修正两个水平方向的加载压力大小；在轴压加载的整个过程中，在任意一个小时间段内，都要进行上述控制循环，从而实现恒定侧向刚度控制。
20.实施例2：本实施例中，试验时，首先，选用呈立方体的岩石试件放置于试验系统加载位置，然后通过围压加载系统对岩石试件施加围压，再借助轴向压力加载系统对岩石试件施加轴向压力，在施加轴向压力的过程中实时测量岩石试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束，最后，得到试验过程中记录和输出岩石试件在各个方向的变形和压力数据。本实施例中，本发明中恒定刚度真三轴试验系统的原理是：在工程现场，岩石在某一方向受到的压力增加时，必然导致其侧向变形的产生，岩石在侧向变形从而挤压周围岩
体的过程中，又必然受到周围岩体不断增加的反作用力，能够产生这种按特定路径增加的反作用力的边界称为恒定侧向刚度边界。本发明所述的试验装置，通过轴向压力加载系统、水平方向加载系统、轴向压力监测系统、第一水平方向压力监测系统、第二水平方向压力监测系统、轴向变形测量系统、第一水平方向变形测量系统、第二水平方向变形测量系统和计算机控制系统的协作控制，可以根据岩石试件的侧向变形不断改变岩石试件受到的侧向压力，从而实现了恒定侧向刚度边界条件下的加载试验。
21.本发明所述的恒定刚度真三轴试验系统的优势在于：实现了恒定侧向刚度边界条件下的加载试验，更真实的再现和测试岩石在工程现场的物理力学性质，为岩土工程的设计和施工提供更准确的数据。
22.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
23.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
24.同时，上述本发明如果公开或涉及保护互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
25.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
26.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
27.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。