CN105092384A - 基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统及方法，包括试验试件、加载装置、液压控制装置和充液皮囊，加载装置位于试件的外侧，充液皮囊位于加载装置和试件之间，充液皮囊包括板状皮囊和若干个分块皮囊，分块皮囊依次排布在板状皮囊的两侧，每个分块皮囊与板状皮囊均保持连通，液压控制装置向分块皮囊内注液、放液，加载装置通过充液皮囊将应力加载到试件上。本发明通过板状皮囊和分块皮囊的设置，不仅实现了对试件的柔性加载，而且当分块皮囊侧面的应力超过额定应力值时，通过放液使分块皮囊向内移动，有效解决了真三轴试验相邻两侧加载板的边角挤压效应，最终将获得较为准确的三维加载作用下的岩石的力学行为和渗透特性。

Description

基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统及方法

技术领域

本发明涉及真三轴试验系统的技术领域，具体涉及一种真三轴试验系统的可控边界的柔性加载系统及方法。

背景技术

为了保证室内岩石试验结果的准确性，尽可能还原能够模拟岩石真实原始应力状态的试验加载边界条件尤为重要。试件加载边界条件主要有两种：刚性加载和柔性加载。目前实验室试件的真三轴加载试验大多为刚性加载，即采用分级传力块或普通钢板，通过液压油缸把需要模拟的围岩压力加载到试件上，这样试件表面承受的压力不再是均布荷载，这种给定位移边界的试验，相当于施加了约束条件。当施加的压力达到一定荷载时，试件的某一部分可以发生破坏，但由于另一部分没有破坏，刚性加载边界的约束就会阻止试件的破坏发生。刚性加载试验机在进行真三轴加载试验时不能实现对试件的有效均布加载，不能很好地反映真实原岩的受力状态。

针对上述问题，CN101377480A公开了一种用于采场矿压三维物理模拟试验台的柔性加载系统，其是在压力提供装置与模型之间设置充液皮囊来克服刚性加载对实验结果的影响，然而，影响实验结果的因素还有真三轴加载出现的边角效应，即岩石真三轴加载试验过程中，需要对试验盒中的试件施加不同的三维应力，如果试件破裂前的变形量大于加载装置相对于试件的移动量时(尤其是对于类岩石试件，塑性强，变形量大)，加载装置的相邻钢板或皮囊将会发生挤压变形，内部试件不再受到三维方向的作用力，而变成二维或一维受力，失去了有效的真三轴应力加载，应力-应变曲线也将变得异常，最终试件不破裂或不因三轴加载而发生失稳破裂，即便是施加传力块也会出现边角效应，影响试件的加载试验效果，无法形象的研究现场岩体的真实三向受力特征和失稳破裂规律，边角效应明显时将严重损害试验加载装置，这是目前岩石真三轴加载试验装置面临的亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统及方法，该加载系统通过板状皮囊和位于其两侧分块皮囊配合，可消除试件真三轴加载过程中出现的边角效应和试件表面受力不均匀的问题。

本发明的任务之一是提供一种基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统。

其技术解决方案包括：

一种基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其包括试验试件、加载装置、液压控制装置和充液皮囊，所述加载装置位于所述试件的外侧，所述充液皮囊位于所述加载装置和试件之间，所述充液皮囊包括板状皮囊和若干个分块皮囊，若干个分块皮囊依次排布在板状皮囊的两侧，并且位于两侧的分块皮囊数量相同，每个分块皮囊与所述板状皮囊均保持连通，所述液压控制系统用于向所述分块皮囊内注液，所述加载装置通过所述充液皮囊将三维应力加载到所述试件上。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

通过在板状皮囊的两侧依次布设分块皮囊，即分块皮囊可完全覆盖住板状皮囊的两侧，而且，每个分块皮囊与板状皮囊之间保持连通，利用液压控制装置向分块皮囊和板状皮囊内注满液体，当试件通过加载装置进行加载时，试件变形后出现边角效应时，可将位于最外侧的分块皮囊内的液体放出，此时，分块皮囊减少一个，导致该柔性加载系统的边界缩短而向内移动，可使真三轴加载实验继续进行。

作为本发明的一个优选方案，每个分块皮囊的侧面都布设有应力传感器。

上述技术方案带来的有益技术效果是，方便对分块皮囊处的应力进行监测，从而与额定压力值进行比较，进一步来确定加载装置内的试件是否发生了边角效应。

作为本发明的另一个优选方案，所述应力传感器通过数据传输线连接有应力采集箱，所述应力采集箱连接有应力监测系统，所述应力监测系统可实时监测每块分块皮囊侧面受到的应力。

上述技术方案带来的有益技术效果是，应力传感器与应力监测系统连接，通过应力监测系统来监测分块皮囊侧面受到的应力，数值监测更加准确，降低实验误差。

优选的，每个分块皮囊与板状皮囊之间通过弹簧绑带来固定。

上述技术方案带来的有益技术效果是，用弹簧绑带来固定分块皮囊和板状皮囊，拆卸更加方便，而且不影响实验的正常进行。

优选的，所述液压控制装置通过进液管路与位于首位次上的分块皮囊的注液口相连，通过回液管路与位于末位次上的分块皮囊的出液口相连。

优选的，所述进液管路和回液管路各设置一个阀门。

上述技术方案带来的有益技术效果是，进液管路和回液管路上的阀门，便于控制液体的流量。

优选的，所述进液管路上至少设置一个流量计。

上述技术方案带来的有益技术效果是，可通过流量计来获得注入分块皮囊和板块皮囊内的液体量。

本发明的任务之二是提供上述柔性加载系统的加载方法，其包括以下步骤：

步骤a、将若干个分块皮囊通过弹簧绑带固定在板状皮囊的两侧，将试件放置在加载装置内，充液皮囊放置在试件和加载装置之间，打开液压控制装置向分块皮囊内输送液体，液体总量达到一定数值时关闭液压控制装置停止注液；

步骤b、加载装置进行加载，当位于板状皮囊两侧的分块皮囊侧面的应力超过额定应力值时，此时启动液压控制装置对分块皮囊放液，放液后的分块皮囊处，加载装置对试样的加载向内移动，完成试件的加载。

本发明充液皮囊由板状皮囊和分块皮囊连通而成，并且分块皮囊是一块一块依次排布紧密连接在板状皮囊的外侧，每块分块皮囊侧面都布设有应力传感器，每个分块皮囊用弹簧绑带固结在板状皮囊上，而且，位于板状皮囊两侧的分块皮囊数量相等，如每侧排布有n个，当试件通过加载装置进行真三轴加载过程中，试件变形后出现边角效应时，最外侧分块皮囊内的液体将通过液压控制装置放出，形成2n-1块分块皮囊，此时，柔性加载系统的边界长度缩短，实现真三轴加载试验的继续进行，有利于研究高渗透水压作用下不同三维应力和加载速率对试件内部裂隙扩展演化的影响规律，或高渗透水压作用下单位时间内通过预制裂隙的渗流量大小。

本发明充液皮囊位于试件和加载装置之间，可实现对试件的柔性加载，柔性加载相对于刚性加载，能更好地传递三维均布压力，板状皮囊和分块皮囊能很好的实现试件的变形传力功能，充液皮囊的应力随着其变形程度的增大而逐渐增大，而且柔性均布加载装置能模拟现场岩石的真实受力条件，获得较为准确的三维加载作用下的岩石的力学行为和渗透特性。

与CN101377480A相比，本发明具有以下优点：

(1)CN101377480A只能实现煤岩体的约束加载，而本发明的试验对象为岩石试块，通过设置柔性加载装置，试验结果更能反映出真实岩体的力学行为和破裂规律；

(2)CN101377480A不能实现煤岩体三个方向的同时加载，而本发明通过板状皮囊和分块皮囊的实时监测和利用，可以实现试件三个方向不同大小作用力的同时加载，更加真实的反映了现场岩体的三向受力状态；

(3)CN101377480A中煤岩体约束加载时没有考虑相邻皮囊的边角效应，而本发明通过分块皮囊的受力监测与液体释放移动，有效地解决了加载时相邻皮囊挤压产生的边角效应，实现了试件的真三轴有效加载，得到的试验结果更能反映出现场岩体的破裂规律。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明柔性加载系统的结构示意图；

图2为本发明分块皮囊的结构示意图；

图3为本发明加载状态图；

图中，1、应力监测系统，2、应力采集箱，3、板状皮囊，4、分块皮囊，5、应力传感器，6、流量计，7、阀门，8、液压控制装置，9、弹簧绑带，10、进液管路，11、回液管路，12、试件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图1、图3所示，本发明柔性加载系统，主要由应力监测系统1、液压控制装置8、应力采集箱2和位于加载装置与试件12之间的充液皮囊组成，应力监测系统1与应力采集箱2通过线路连接，应力采集箱2与分块皮囊上的应力传感器连接，液压控制装置8为充液皮囊注液或放液，即在液压控制装置8的顶部有两个注液口和两个回液口，当需要注液时，两个注液口接通进液管路10并将其通入至首位次的分块皮囊4上，此处的“首位次”是指位于板状皮囊3两侧顶部的分块皮囊，当达到一定的注液量后，两个回液口接通回液管路11并将其与位于末位次的分块皮囊4相连通，此处的“末位次”是指位于板状皮囊3两侧底部的分块皮囊；上述应力监测系统1、液压控制装置8和应力采集箱2不是本发明的改进点，在此不做详细说明。

下面对本发明主要改进点部分做详细说明。

本发明充液皮囊，位于试件12与加载装置之间，具体结构示意图如图3所示，目前现有技术中虽然有关于在试件12与加载装置之间设置充液皮囊的报道，如CN101377480A，其也许只实现了对试件的柔性加载，然而其试件加载过程中还会出现边角效应，因此，本发明对充液皮囊做了改进，本发明充液皮囊包括板状皮囊3和若干个分块皮囊4，若干个分块皮囊4依次排布在板状皮囊3的两侧，并且位于两侧的分块皮囊数量相同，如均为n个，每个分块皮囊与板状皮囊均保持连通，液压控制系统用于向分块皮囊内注液，加载装置通过充液皮囊将三维应力加载在试件上。

每一个分块皮囊4具有注液膨胀和回液收缩的独立功能，板状皮囊与分块皮囊保持连通，皮囊注液量可通过流量计6中的液体总量显示出来，当采用液压控制装置8加注到皮囊中的液体总量达到一定数值时停止注液，此时即可将其紧贴试件准备试验；进液管路10和回液管路11上均设置有阀门7，进液时关闭回液管路上的阀门，回液时关闭进液管路上的阀门。进液管路10和回液管路11均与液压控制装置8相连，进液管路10、分块皮囊4、回液管路11和液压控制装置8之间构成闭合回路。

如图2所示，在每个分块皮囊4的侧面嵌有应力传感器5，应力传感器5通过数据传输线连接到应力采集箱2上，应力监测系统1能够实时监测分块皮囊4侧面受到的应力，当真三轴加载试验的试件变形达到一定程度时，相邻两侧的分块皮囊4将产生挤压出现边角效应，这时通过应力监测系统1将显示最外侧分块皮囊侧面的应力超过额定应力值(试验前测试标定)，此时启动液压控制装置8开始对最外侧分块皮囊放液，最外侧分块皮囊中的液体经回液管路11流回液压控制装置，弹簧绑带9固定的分块皮囊数将减少为2n-1块，即柔性加载装置的边界向内移动，完成试件的继续加载。

本发明柔性加载装置的加载方法，是通过如下步骤来实现的：

加载装置位于立方体岩石试件12的外侧，加载刚板直接作用于板状皮囊3和分块皮囊4的外侧，借助板状皮囊3和分块皮囊4将三维应力加载到岩石试件上，如图3所示，当两个相邻的柔性加载皮囊因试件变形量较大出现相互挤压状态时，最先受到挤压的是分块皮囊4最外侧的一块皮囊，此时应力监测系统将监测到分块皮囊4最外侧一块皮囊的应力超过额定应力值，说明加载试验过程中加载装置发生了边角效应，此时，启动液压控制装置8开始对最外侧受挤压的分块皮囊放液，既能保证相邻柔性加载皮囊在加载过程中不会发生挤压影响试验的正常进行，又可以实现柔性装置长度可变的加载功能。

上述实施例仅是对本发明的一个说明，而并非限定，板状皮囊、分块皮囊的个数与排布方式还可根据实验要求来调整，用于固定板状皮囊和分块皮囊的弹簧绑带也可替换为具有弹性功能的固定体。

本领域技术人员在本发明的启示下，得出的可以消除边角效应的其它注液皮囊也应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其包括试验试件、加载装置、液压控制装置和充液皮囊，所述加载装置位于所述试件的外侧，所述充液皮囊位于所述加载装置和试件之间，其特征在于：所述充液皮囊包括板状皮囊和若干个分块皮囊，若干个分块皮囊依次排布在板状皮囊的两侧，并且位于两侧的分块皮囊数量相同，每个分块皮囊与所述板状皮囊均保持连通，所述液压控制系统用于向所述分块皮囊内注液和放液，所述加载装置通过所述充液皮囊将三维应力加载在所述试件上。

2.根据权利要求1所述的基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其特征在于：每个分块皮囊的侧面都布设有应力传感器。

3.根据权利要求2所述的基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其特征在于：所述应力传感器通过数据传输线连接有应力采集箱，所述应力采集箱连接有应力监测系统，所述应力监测系统可实时监测每块分块皮囊侧面受到的应力。

4.根据权利要求1所述的基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其特征在于：每个分块皮囊与板状皮囊之间通过弹簧绑带来固定。

5.根据权利要求1所述的基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其特征在于：所述液压控制装置通过进液管路与位于首位次上的分块皮囊的注液口相连，通过回液管路与位于末位次上的分块皮囊的出液口相连。

6.根据权利要求5所述的基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其特征在于：所述进液管路和回液管路上各设置一个阀门。

7.根据权利要求5所述的基于真三轴试验的可控边界的柔性加载系统，其特征在于：所述进液管路上至少设置一个流量计。

8.根据权利要求1-7任一项所述的柔性加载系统的加载方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a、将若干个分块皮囊通过弹簧绑带固定在板状皮囊的两侧，将试件放置在加载装置内，充液皮囊放置在试件和加载装置之间，打开液压控制装置向分块皮囊内输送液体，液体总量达到一定数值时关闭液压控制装置停止注液；

步骤b、加载装置进行加载，当位于板状皮囊两侧的分块皮囊侧面的应力超过额定应力值时，此时启动液压控制装置对分块皮囊放液，除放液皮囊外的其它分块皮囊向内移动，有效地解决了真三轴加载出现的边角效应，完成试件的继续加载。