CN104897467A - 真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法，属于矿业和岩土工程的试验检测监测技术领域。其特征在于：所述的增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，增压装置分别通过无线压力变送器与上位机相连接，并将压力信号实时上传至上位机；还设置有与上位机相连的超声波监测装置和摄像装置，超声波监测装置包括超声波监测探头（9）和非金属超声波检测仪，超声波监测探头（9）设置在加载板中部的开孔内并通过支撑在增压装置上的弹簧压紧。本发明的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置能够保持试样变形长期不变，增压装置能够分别在三个方向独立加载；试验方法更加符合实际情况，为巷（隧）道稳定及控制研究提供理论依据。

Description

真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法

技术领域

真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法，属于矿业和岩土工程的试验检测监测技术领域。

背景技术

矿山井下存在围岩片帮、顶板冒落、突水及岩爆动力灾害等危险，其对工作人员和设备构成了直接威胁，而且影响工程进度，还能造成支护失效，甚至地震。随着开采深度的不断增加，围岩破坏频度和强度越来越高，工程灾害日益严重，安全问题亟待解决，需加强岩体工程稳定性尤其是长期稳定性的研究。

岩石流变特性是岩石力学的一个重要分支，其中，蠕变和应力松弛为其研究的2 个重要方面，同时也是岩石流变试验中最常用的2 种观测参数。工程中，岩石的蠕变和应力松弛特性直接与岩石的长期强度和岩体工程的长期稳定相关联。蠕变和应力松弛往往不是单独存在，2 种流变机制共同影响着岩石的力学特性，两者之间互成联系，蠕变的发展促进了应力的松弛，应力松弛过程中应力的下降降低了蠕变发展的应力条件，从蠕变的角度对岩石流变的研究已取得了比较丰硕的成果，相比而言，应力松弛试验要求仪器具有长时间保持应变恒定的性能，试验技术难度较大，目前这方面开展的研究还不多，发表的研究成果相对较少，也没有专门用于岩石应力松弛试验的试验装置尤其是真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置。在工程中，很难保证岩石仅受一个方向的载荷，因此单方向的加载很难保证试验结果真实可靠。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、能够保持试样变形长期不变、且增压装置能够分别在三个方向进行独立加载的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，包括承载框架和设置在承载框架上的增压装置，承载框架中部安装有试样，其特征在于：所述的增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，分别独立的对试样施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷；竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别通过无线压力变送器与上位机相连接，并将压力信号实时上传至上位机；还设置有与上位机相连的超声波监测装置和摄像装置，超声波监测装置包括超声波监测探头和非金属超声波检测仪，超声波监测探头设置在加载板中部的开孔内并通过支撑在增压装置上的弹簧压紧。

优选的，所述的承载框架包括固定承载框架和部分安装在固定承载框架内的活动承载框架；所述竖向增压装置安装在固定承载框架顶部，所述水平横向增压装置安装在固定承载框架的横向两侧，所述水平纵向增压装置安装在活动承载框架的纵向两侧。

优选的，所述的固定承载框架为前后两侧开口的矩形桶；所述活动承载框架包括前后两侧的承载板和前后承载板之间的连接横梁，活动承载框架底部固定有支撑底板，活动承载框架通过支撑底板固定在固定承载框架上。

优选的，还设置有超声波监测装置，对所述试样进行超声波实时监测。

优选的，所述的竖向增压装置包括竖向液压千斤顶和手动液压泵。

优选的，所述的水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶和手动液压泵，两个水平横向液压千斤顶分别设置在所述的承载框架的左右两侧；水平横向液压千斤顶与手动液压泵一一对应。

优选的，所述的水平纵向增压装置包括两个水平纵向液压千斤顶和手动液压泵，两个水平纵向液压千斤顶分别设置在所述的承载框架的前后两侧；水平纵向液压千斤顶与手动液压泵一一对应。

一种利用上述真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，放置试样在承载框架中部；

步骤b，放置加载板到试样的侧面和顶面；

步骤c，上位机和压力变送器实时通信，对试样受到的压力实时监测；

步骤d，水平横向增压装置增压至预定载荷；

步骤e，水平纵向增压装置增压至预定载荷；

步骤f，竖向增压装置增压至预定载荷；

步骤g，水平横向增压装置撤除载荷；

步骤h，预定时间内试样的位移载荷不变，检测记录全程的压力数据；

步骤i，上位机分析监测到的压力随时间的变化关系，绘制应力-时间曲线。

优选的，步骤a中所述的试样底部与承载框架之间设有垫板以调整试样的高度。

优选的，所述的水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶和手动液压泵，两个水平横向液压千斤顶分别设置在所述的承载框架的左右两侧；

步骤g中所述的撤除载荷的具体方法是撤除水平横向增压装置左侧的水平横向液压千斤顶上的载荷。

与现有技术相比，本发明的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法所具有的有益效果是：

1、本真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，能够分别在竖向、水平横向和水平纵向上对试样独立加卸载，还能够保持试样变形长期不变，使试验更符合现场情况，试验结果更符合实际，对工程有更好的指导意义；上位机能够通过无线压力变送器对试样受到的压力实时监测，使上位机和增压装置摆脱了距离的限制；超声波监测装置能够对试样内部进行监测，弹簧能够使探头与加载板结合紧密，监测更加准确。

2、增压装置通过液压千斤顶对试样进行加载，能够加载很大吨位，且液压千斤顶油缸的行程大，可以施加很大的位移载荷；液压千斤顶通过手动液压泵控制，控制简单。

3、本试验方法能够得到不同应力水平下典型岩石类材料试样松弛特性曲线，然后采用先进的分析方法建立岩石松弛模型，为巷（隧）道稳定及控制研究提供理论依据；有利于深入了解长期载荷作用下岩石力学性质的衰减规律，为岩石工程的长期稳定与安全运营提供科学依据。

附图说明

图1为真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的结构示意图。

图2为真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的左视示意图。

图3为图2中A-A方向的剖视示意图。

图4为真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的连接图。

图5为岩石应力松弛试验方法的流程图。

图6为应力松弛曲线。

图中：1、承载框架  101、固定承载框架  102、活动承载框架  103、支撑底板  2、竖向液压千斤顶  3、竖向加载板  4、水平横向液压千斤顶  5、水平加载板  6、水平纵向液压千斤顶  7、试样  8、垫板  9、超声波监测探头  10、摄像机。

具体实施方式

图1~6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~6对本发明做进一步说明。

一种真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，包括承载框架1和设置在承载框架1上的增压装置，承载框架1中部安装有试样7，增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，分别独立的对试样7施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷；竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别通过无线压力变送器与上位机相连接，并将压力信号实时上传至上位机；还设置有与上位机相连的超声波监测装置和摄像装置，超声波监测装置包括超声波监测探头9和非金属超声波检测仪，超声波监测探头9设置在加载板中部的开孔内并通过支撑在增压装置上的弹簧压紧。增压装置能够分别在竖向、水平横向和水平纵向上对试样7独立进行加卸载，还能够保持试样7变形长期不变，使试验更符合现场情况，试验结果更符合实际，对工程有更好的指导意义；上位机能够通过无线压力变送器对试样7受到的压力实时监测，使上位机和增压装置摆脱了距离的限制；超声波监测装置能够对试样7内部进行监测，弹簧能够使探头与加载板结合紧密，监测更加准确。

具体的：如图1~3所示：该真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的承载框架1包括固定承载框架101和部分安装在固定承载框架101内的活动承载框架102。固定承载框架101为前后两侧敞口的矩形桶。

活动承载框架102包括前后两侧的承载板和前后承载板之间的连接横梁。连接横梁有四根，分别靠近前后承载板的四个角设置。

活动承载框架102底部设有支撑底板103，支撑底板103位于下方的两根连接横梁下方。活动承载框架102从前到后穿过固定承载框架101且活动承载框架102前后两端分别伸出，这样方便安装试样7以及对试样7进行监测。活动承载框架102通过支撑底板103固定在固定承载框架101上。

增压装置设置在承载框架1上，增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置。试样7安装在承载框架1中部，竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别独立的对试样7施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷。

竖向增压装置包括竖向液压千斤顶2和手动液压泵。竖向液压千斤顶2与手动液压泵相连通，竖向液压千斤顶2通过手动液压泵控制给安装在承载框架1上的试样7加载。竖向液压千斤顶2固定在活动承载框架102的顶部中间，竖向液压千斤顶2的活塞向下运动对试样7进行加载。

水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶4和手动液压泵，水平横向液压千斤顶4与手动液压泵一一对应。两个水平横向液压千斤顶4分别安装在固定承载框架101的左右两侧中部，两个水平横向液压千斤顶4的活塞分别向固定承载框架101的中部伸出并分别对试样7的左右两侧进行加载。

水平纵向增压装置包括两个水平纵向液压千斤顶6和手动液压泵，水平纵向液压千斤顶6与手动液压泵一一对应。两个水平纵向液压千斤顶6分别安装在活动承载框架102的前后承载板中部且与水平横向液压千斤顶4位于同一水平面，两个水平纵向液压千斤顶6的活塞分别向活动承载框架102的中部伸出并分别对试样7的左右两侧进行加载。

竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置的手动液压泵上分别安装有无线压力变送器，上位机上安装有压力变送信号接收器，上位机通过对手动液压泵的压力进行实时监测。

还设置有与上位机相连接的超声波监测装置，对试样7的内部进行监测。超声波监测装置包括超声波监测探头9和与超声波监测探头9相连通的非金属超声波检测仪。固定承载框架101的左侧顶部固定有摄像装置，摄像装置为摄像机10，用来监测试样7变化的图像数据。

如图4所示：手动液压泵上分别安装有无线压力变送器，上位机上安装有信号接收器并对手动液压泵的压力进行实时监测；非金属超声波检测仪与上位机相连，对试样7内侧进行实时监测，摄像机10与上位机相连，对试样7进行实时监测并记录图像数据。

如图5所示：一种利用上述真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤a，放置试样7在承载框架1中部；

将制备好的长方体岩石试样7安装在承载框架1上竖向液压千斤顶2的正下方，试样7的下方添加垫板8，使水平横向液压千斤顶4的活塞正对试样7的中部；将活动承载框架102安装在固定承载框架101上。

步骤b，放置加载板到试样7的侧面和顶面；

在长方体试样7的顶面上放置竖向加载板3，竖向加载板3的长度和宽度略小于试样7顶面的长度和宽度，在试样7的四个侧面上分别放置水平加载板5，水平加载板5的长度和宽度分别略小于试样7侧面的长度和宽度。

步骤c，上位机和压力变送器实时通信，对试样7受到的压力实时监测；

将所有的压力变松信号接收器与上位机连接好，实现无线压力变送器与上位机的实时通讯，上位机对所有的手动液压泵的压力进行实时监测。

步骤d，水平横向增压装置增压至预定载荷；

通过手动液压泵的手动杆给水平横向液压千斤顶4施加液压油，水平横向液压千斤顶4启动，左右两个水平横向液压千斤顶4同时对试样7施加位移载荷，达到预定载荷后停止施加位移载荷，并保持位移载荷不变。

步骤e，水平纵向增压装置增压至预定载荷；

通过手动液压泵的手动杆给水平纵向液压千斤顶6施加液压油，水平纵向液压千斤顶6启动，左右两个水平纵向液压千斤顶6同时对试样7施加位移载荷，达到预定载荷后停止施加位移载荷，并保持位移载荷不变。

步骤f，竖向增压装置增压至预定载荷；

通过手动液压泵的手动杆给竖向液压千斤顶2施加液压油，竖向液压千斤顶2启动，竖向液压千斤顶2对试样7施加位移载荷，达到预定载荷后停止施加位移载荷，并保持位移载荷不变。

步骤g，水平横向增压装置撤除载荷；

全部撤除左侧的水平横向液压千斤顶4的位移载荷，其它方向的位移载荷保持不变。还可以根据需要撤除其它一个或多个的方向的位移载荷，以使试样7受到的载荷与工程的实际相符合。

步骤h，预定时间内试样7的位移载荷不变，检测记录全程的压力数据；

根据研究需要，在预定时间内保持位移载荷不变后继续施加预定垂直方向或水平方向的位移载荷，达到预定位移载荷后继续在预定时间内保持位移载荷不变，根据研究需要可循环进行，监测记录全程的压力数据；前后两侧的水平加载板5中部开有与超声波监测探头9相适配的圆孔，超声波监测探头9分别安装在圆孔内且超声波监测探头9与左右两侧的水平加载板5之间、左右两侧的水平加载板5与试样7之间分别设有耦合剂；超声波监测探头9与前后两侧的两个水平纵向液压千斤顶6的活塞之间设有弹簧，将超声波监测探头9压紧在水平加载板5上。超声波监测探头9与非金属超声波检测仪相连通，对试样7内部进行监测，前后两侧的水平加载板5上开有供导线穿过的槽；还通过摄像机10监测记录试样7的图像数据。超声波监测探头9还可以安装在左右两侧的加载板内。

步骤i，上位机分析监测到的压力随时间的变化关系，绘制应力-时间曲线。

上位机分析检测到的压力随时间的变化关系，绘制应力-时间曲线，即试样松弛特性曲线。应力即为压力与压力作用面的面积的比值。

如图6所示：该应力松弛曲线中试样7的应力随着时间的延长逐渐减小，并且减小的越来越慢。

真三轴加卸载岩石应力松弛试验，能够根据实际需要选择对试样7的一个或多个方向时间载荷进行应力松弛试验，更符合实际现场情况，试验结果更符合实际，对工程具有更好的指导意义。

通过分析本应力松弛曲线，可深入了解长期载荷作用下岩石力学性质的衰减规律，为岩石工程的长期稳定与安全运营提供科学依据，同时也有助于丰富和完善岩石力学理论的研究，尤其对于岩石流变力学理论。此外，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。

岩石松弛特性与蠕变特性决定了软岩巷道支护与围岩相互作用的演变机制和过程，弄清岩石松弛特性无疑对进一步正确认识和解答不同类型巷道支护（加固）的对象、围岩稳定条件、支护（加固）与围岩相互作用的机制、各种支护（加固）技术优化选择设计方法等根本性问题提供重要的理论基础，具有重要的理论研究意义。

在巷道开挖过程中普遍存在岩石的卸荷松弛过程，目前并没有建立起综合反映应力和时间关系的理论模型，通过岩石应力松弛试验，研究岩石应力随时间的变化规律，有助于理论模型的建立。试验中得到不同应力水平下典型岩石类材料试件松弛特性曲线，建立岩石松弛曲线模型，为巷（隧）道稳定及控制研究提供理论依据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，包括承载框架（1）和设置在承载框架（1）上的增压装置，承载框架（1）中部安装有试样（7），其特征在于：所述的增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，分别独立的对试样（7）施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷；竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别通过无线压力变送器与上位机相连接，并将压力信号实时上传至上位机；还设置有与上位机相连的超声波监测装置和摄像装置，超声波监测装置包括超声波监测探头（9）和非金属超声波检测仪，超声波监测探头（9）设置在加载板中部的开孔内并通过支撑在增压装置上的弹簧压紧。

2.根据权利要求1所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，其特征在于：所述的承载框架（1）包括固定承载框架（101）和部分安装在固定承载框架（101）内的活动承载框架（102）；所述竖向增压装置安装在固定承载框架（101）顶部，所述水平横向增压装置安装在固定承载框架（101）的横向两侧，所述水平纵向增压装置安装在活动承载框架（102）的纵向两侧。

3.根据权利要求2所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，其特征在于：所述的固定承载框架（101）为前后两侧开口的矩形桶；所述活动承载框架（102）包括前后两侧的承载板和前后承载板之间的连接横梁，活动承载框架（102）底部固定有支撑底板（103），活动承载框架（102）通过支撑底板（103）固定在固定承载框架（101）上。

4.根据权利要求1所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，其特征在于：还设置有超声波监测装置，对所述试样（7）进行超声波实时监测。

5.根据权利要求1所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，其特征在于：所述的竖向增压装置包括竖向液压千斤顶（2）和手动液压泵。

6.根据权利要求1所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，其特征在于：所述的水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶（4）和手动液压泵，两个水平横向液压千斤顶（4）分别设置在所述的承载框架（1）的左右两侧；水平横向液压千斤顶（4）与手动液压泵一一对应。

7.根据权利要求1所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，其特征在于：所述的水平纵向增压装置包括两个水平纵向液压千斤顶（6）和手动液压泵，两个水平纵向液压千斤顶（6）分别设置在所述的承载框架（1）的前后两侧；水平纵向液压千斤顶（6）与手动液压泵一一对应。

8.一种利用权利要求1~7任一项所述的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，放置试样（7）在承载框架（1）中部；

步骤b，放置加载板到试样（7）的侧面和顶面；

步骤c，上位机和压力变送器实时通信，对试样（7）受到的压力实时监测；

步骤d，水平横向增压装置增压至预定载荷；

步骤e，水平纵向增压装置增压至预定载荷；

步骤f，竖向增压装置增压至预定载荷；

步骤g，水平纵向增压装置撤除载荷；

步骤h，预定时间内试样（7）的位移载荷不变，检测记录全程的压力数据；

步骤i，上位机分析监测到的压力随时间的变化关系，绘制应力-时间曲线。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：步骤a中所述的试样（7）底部与承载框架（1）之间设有垫板（8）以调整试样（7）的高度。

10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：所述的水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶（4）和手动液压泵，两个水平横向液压千斤顶（4）分别设置在所述的承载框架（1）的左右两侧；

步骤g中所述的撤除载荷的具体方法是撤除水平横向增压装置左侧的水平横向液压千斤顶（4）上的载荷。