CN100507498C

CN100507498C - 一种深部岩体非线性力学试验设备

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Publication number: CN100507498C
Application number: CNB2006101130031A
Authority: CN
Inventors: 何满潮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: CN101140207A

Abstract

一种深部岩体非线性力学试验设备，属于岩土工程深部岩体力学试验设备。目前常规的岩体力学试验主要有单向压缩试验，单向拉伸实验，三向压缩试验，和剪切试验等。深部岩体的受力及其作用过程的力学行为与加载过程有十分密切的关系。这些常规的岩体力学试验方式和设备均不能反映深部岩体特有的与加载过程有关的力学行为。因此，本发明采用在液压加载装置的三维每个方向均设置独立液压动力控制装置的方案，结合相应的试件卡具，从而提供能对工程岩体特别是深部工程岩体进行复合应力试验的非线性力学试验设备，据以对工程岩体在拉压、拉剪复合状态的强度特征、本构关系和施工过程中的应力状态进行深入研究。

Description

一种深部岩体非线性力学试验设备

技术领域

本发明涉及一种试验设备，属于岩体力学试验设备，尤其涉及一种深部岩体非线性力学试验设备。

背景技术

目前在岩石力学领域里广泛应用的岩石(假)三轴试验仪、岩石直剪试验仪和仅能作三向压缩的岩石真三轴试验仪不能全面、真实反映工程岩体的受力状态。对目前国内外能反映工程岩石受力状态的、具有代表性的岩石真三轴试验仪的试验功能和技术指标进行比较，从中可以看出，当前所应用的岩石真三轴试验仪确实为研究新型岩体非线性力学试验仪提供了可贵的借鉴，但它们不能作拉压、拉剪等复合试验，而且可操作性差，自动化程度不高。例如：日本东京大学茂木清夫等于1981年研制的三轴试验仪；日本九州大学科研所与圆井制作所1983年研制的MTV-4285-PT-200岩石强度万能试验机；湖南省水电勘测设计研究设计院周群力研制的湘秦-200刚性三轴伺服试验机；中科院武汉岩土所许东俊研制的RT3型岩石高压真三轴仪等。随着国民经济建设与国防建设的不断发展，浅部资源日益减少，地下工程开发和资源开采不断走向深部。伴随着深部岩体工程进展发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部岩体工程相比具有明显不同的特点，用传统的连续介质力学理论无法圆满地解释，同时也在造成了岩爆、突水、大面积冒顶和采空区失稳等灾害性事故在程度上加剧，频度上提高，成灾机理更加复杂，因此引起了国内外岩石力学专家学者的极大关注；另外，处于高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈的开挖扰动的“三高一扰动”复杂力学环境下的工程岩体受力状态十分复杂。比如开挖后的工程岩体在高围压作用下，一个或两个方向上应力状态的改变所表现的强度变化，并不象浅部工程岩体那样简单的表现为受拉或受压，而是复杂的拉压复合状态，即径向产生卸载，而切向产生加载；因此，研制新的试验仪器，能对工程岩体在拉压、拉剪复合状态的强度特性、本构关系和施工过程中的应力状态进行深入研究，不仅具有很高的学术价值，而且还具有重要的工程意义。随之而来，应当有一套真正能够作深部非线性岩体力学研究的试验设备或系统。开展对深部非线性岩体力学的试验研究，对于深入研究深部开挖条件下的岩体力学特性、工程稳定性控制理论及设计方法，对于避免深部开挖中的重大事故发生，降低深部开挖成本，提高经济效益，保证21世纪我国重大地下工程和主体能源的后备储量具有特别重要的意义。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的就是设计一套能对工程岩体特别是深部工程岩体进行复合应力试验的非线性力学试验设备，据以对工程岩体在拉压、拉剪复合状态的强度特征、本构关系和施工过程中的应力状态进行深入研究，从而弥补先前在此领域的不足。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种深部岩体非线性力学试验设备，由试验主机1，液压动力及控制装置、数据采集及分析装置组成，液压动力及控制装置为试验主机1提供非线性液压动力及其控制，数据采集分析装置通过设置在主机1、液压动力及控制装置上的传感件采集并分析数据，主机1由以下部分组成：

1)对称设置在三维正交轴向的刚性支撑结构4，每个方向上对应的刚性支撑结构4之间应当留设安装液压加载装置5并足够其液压缸运行的空间；

2)立于地面，与刚性支撑结构4刚性固定连接的底座7；

其特征是，主机1中，还包括有三维每个方向上同轴对称安装在刚性支撑结构4上的三套六个液压加载装置5，它由缸座、缸体、活塞和可拆装设置在活塞头部的加载头6组成；并且三维方向的每个方向上的两个液压加载装置5，都独立共用一套液压动力及控制装置，并可在伸缩两个方向施加载荷。

所述刚性支撑结构4在三维同一个方向上由两根刚性支撑杆8构成，每个方向上的两根刚性支撑杆8相互平行、一高一低倾斜设置，各方向刚性支撑杆8于X、Y、Z轴相互交错布置；同一个方向上同轴安装两个相同的液压加载装置5，它们共同用一套支撑杆8，并在两端与支撑杆8固定成一体。

所述底座7为方框形支撑架，其顶部是一个水平支撑台9，刚性支撑杆8中的每根刚性支撑杆均固定在水平支撑台9上。

由上述发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种深部岩体非线性力学试验设备进一步采用了双杆刚性支撑结构作为液压加载装置的支撑；该支撑结构固定在方框形底座之上。该结构只选用了两根刚性杆做一个方向的支撑结构，三维方向相互交错布置。底座也很简约实用，不仅节省了空间，而且节约了材料和加工成本。

附图说明

图1是本方案实施例之一的立体示意图；

图2是本方案实施例之一的正视剖面图与俯视剖面图。

具体实施方式

本发明所述的一种深部岩体非线性力学试验设备，由试验主机1，液压动力及控制装置，数据采集分析装置组成，液压动力及控制装置为主机1提供非线性液压动力及其控制，数据采集分析装置通过设置在主机1、液压动力及控制装置上的传感件采集并分析数据，主机1由以下部分组成：

1)设置在三维正交轴向的刚性支撑结构4，每个方向上对应的刚性支撑结构4之间应当留设安装液压加载装置5并足够其液压缸运行的空间；

2)立于地面，与刚性支撑结构4刚性固定连接的底座7；

其特征是：主机1中，还包括有在三维每一个方向上同轴对称安装于刚性支撑结构4上的三套六个液压加载装置5，它由缸座、缸体、活塞和可拆装设置在活塞头部的加载头6组成；并且三维方向的每一个方向上的两个液压加载装置5都独立共用一套液压动力及控制装置，并可在伸缩两个方向施加载荷。

采用本发明方案的试验设备，由于每一个方向的液压加载装置都独立使用一套液压动力及控制装置，并在两个方向施加载荷，同时，配合试件卡具的使用，本方案设备在三维方向上可以独立施加拉压载荷。配合试件卡具对中和调整装置，在三个方向上，本方案设备可以做：

(1)三向压缩，包括真三轴σ1>σ2>σ3≠0和等围压假三轴σ1≠σ2＝σ3≠0；

(2)一向拉伸两向压缩；

(3)一向拉伸一向压缩；

(4)双向压缩(双轴试验)；

(5)单向拉伸；

(6)单向压缩；

(7)轴向压状态下的剪切；

(8)轴向拉伸状态下的剪切；

(9)恢复岩体三向实际初始应力状态后的不同方向组合卸载控制。

如图1、图2与图3所示，本方案进一步采用了双杆刚性支撑结构作为液压加栽装置的支撑；该支撑结构固定在方框型底座之上。该结构只选用了两根刚性杆做一个方向的支撑结构，三维方向相互交错布置。底座也很简约实用，不仅节省了空间，而且节约了材料和加工成本。

具体地，本方案设备由三部分组成：

(1)主机：由三套正交安装有液压加栽装置的双杆刚性支撑结构组成；

(2)伺服液压动力源：由三套独立伺服液压控制系统和油冷却系统组成；

(3)微机测控系统：由三套既能独立又能相互协调的测控系统组成，其中包括传感器、伺服控制器、品牌微机、(激光)打印机、接口装置和支持软件。

在有关参数上，本方案与成熟的技术相似。例如：

(1)适合试样尺寸：

单、双和三向受压及压剪时100×100×100mm或150×150×150mm；单向拉、拉压和拉剪试验时300(不小于300)×150×150mm；

(2)主机

A、由三套结构相同的钢性支撑杆(8)通过连接部件正交而成；

B、轴向框架下底座为动横梁；

C、液压加载装置活塞最大行程：150mm；

D、液压加载装置活塞最大出力：500kN；

E、液压加载装置活塞压力：28MPa；

G、配置针对不同试验的试件卡具。

(3)伺服液压动力源：

A、流量：≥61/min；

B、油压力：额定压力31.5MPa；工作压力，28MPa。

C、三路独立伺服液压回路；

D、油温超过设定温度自动冷却。

(4)测量通道：除特殊说明外，三向测量通道相同

A、试验力测量通道：

试验力测量范围：0～500kN(轴向作拉伸试验时采用50kN传感器)；

精确度：优于示值的土1％。

B、液压加载装置活塞(位移)行程测量通道：

测量范围：0～100mm；

精确度：优于满刻度的土0.5％。

C、变形测量通道：

每一向设置相同的两个(或4个)变形传感器；

变形测量范围：0～5(10)mm；

精确度优于满刻度的土0.5％。

(5)控制方式：每一向设置位移、力和平均变形控制方式，相互转换无冲击；三向既可独立控制又可协调控制。

(6)给定与极限控制：

A、波形种类：直波(偏置)、斜波、循环波(正弦波、三角波、方波)、包含有加载、保载和卸载程序波；加载和保载时间设置范围0～99999s或min(活塞位移允许速率小于0.5mm/s)。

B、速率与频率范围：

斜波速率设置范围：0～满度值的时间设置范围为1～106s；

循环波频率设置范围：10-6～10HZ；

C、静态控制精确度：优于±2％。

D、极限控制：试验力(应力)、变形(应变)、位移(压缩率)等参数达到极限值或超过满量程值时间达到预置、试样断裂、油路堵塞和油温过高均可自动保护。

(7)使用环境要求：

A、动力电源：AC380V及220V功率15kW；

B、环境温度：10～40℃；

C、相对湿度：不大于85％；

D、环境无强电、磁场、无强烈震动、无粉尘和无腐蚀性气体。

本方案的三套液压加载装置都具有三套相同的既可各自独立又可相互协调的电液伺服闭环系统。每个闭环系统都有力(应力)、变形(应变)和液压加载装置位移(伸缩率)等控制参数，当其中之一被选择，就可构成被选择参数的控制回路，未被选择的参数(欲求取的试验结果)为被选择的参数(试验条件)的函数；测控系统全部数字化，由微机控制。每个闭环控制系统组成和工作原理都相同。

至于液压动力组成及工作原理，系统工作原理等，属传统技术，此不赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1、一种深部岩体非线性力学试验设备，由试验主机(1)，液压动力及控制装置、数据采集及分析装置组成，液压动力及控制装置为试验主机(1)提供非线性液压动力及其控制，数据采集分析装置通过设置在主机(1)、液压动力及控制装置上的传感件采集并分析数据，主机(1)由以下部分组成：

1)对称设置在三维正交轴向的刚性支撑结构(4)，每个方向上对应的刚性支撑结构(4)之间应当留设安装液压加载装置(5)并足够其液压缸运行的空间；

2)立于地面，与刚性支撑结构(4)刚性固定连接的底座(7)；

其特征是，主机(1)中，还包括有三维每个方向上同轴对称安装在刚性支撑结构(4)上的三套六个液压加载装置(5)，它由缸座、缸体、活塞和可拆装设置在活塞头部的加载头(6)组成；并且三维方向的每个方向上的两个液压加载装置(5)，都独立共用一套液压动力及控制装置，并可在伸缩两个方向施加载荷；

所述刚性支撑结构(4)在三维同一个方向上由两根刚性支撑杆(8)构成，每个方向上的两根刚性支撑杆(8)相互平行、一高一低倾斜设置，各方向两根刚性支撑杆(8)于X、Y、Z轴相互交错布置；同一个方向上同轴安装两个相同的液压加载装置(5)，它们共同用一套支撑杆(8)，并在两端与支撑杆(8)固定成一体；

所述底座(7)为方框形支撑架，其顶部是一个水平支撑台(9)，刚性支撑杆(8)中的每根刚性支撑杆均固定在水平支撑台(9)上。