CN107014690B - 一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法，装置由静载荷加载框架、动载荷加载框架、四个静载荷加载作动器、二个动载荷加载作动器及分离式霍普金森压杆机构组成，全部作动器与油源系统相连；动载荷加载作动器活塞轴轴向中心设有空心孔道，活塞轴端部均装有空心环状结构动态压力传感器，分离式霍普金森压杆机构分别通过空心孔道及动态压力传感器中心孔对岩样施加高速冲击载荷；两个动载荷加载作动器采用静压油路平衡支撑密封方式，作动器通过伺服阀与油源系统相连，油路上配装有蓄能器，通过伺服阀加大流量驱动活塞动态响应，通过蓄能器平衡低频扰动加载时的系统压力。本发明首次实现在同一台设备上自由施加低频扰动载荷和高速冲击载荷。

Description

一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法
技术领域
本发明属于室内岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法。
背景技术
深部岩体是深部水利水电工程、深部金属矿开采、高放核废物处置库等工程的载体，当深部岩体进行工程开挖后，受到爆破扰动以及破坏冲击作用，会时常诱发一系列的破坏失稳甚至是地质灾害，例如分区破裂化、时滞性岩爆、冲击型矿压及冲击型岩爆等，其本质是处于三向高地应力状态下因开挖卸荷损伤的深部岩体，在爆破损伤、爆破振动及岩爆冲击波等不同特征动静载荷作用下发生的临界破裂与动力失稳现象。
目前，在三向高应力下深部岩体破坏失稳的诱发机制研究中，扰动及冲击作用对深部岩体灾害的诱发机制尚不清楚，且严重缺乏基础性研究成果。鉴于深部岩体所处于的三向高地应力环境，相关试验研究需要在真三轴条件下开展。考虑到爆破振动冲击等动载荷作用，其高频成分可达兆赫级，而高速冲击往往致使岩石在高应变率下发生破坏，而岩体中的冲击波由于震荡和衰减，又可形成1Hz～100Hz的低频扰动，致使岩体在中低应变率下发生破坏。因此，亟需理解动载荷从高应变率到中低应变率作用下岩石临界破裂与动力失稳的诱发机制，以满足深部工程岩石力学的研究需要。
但是，现阶段针对深部岩体临界破裂与动力失稳研究的室内岩石力学试验中，岩石的低频扰动试验多集中在单轴或常规三轴基础上，无法模拟真实环境的三向高地应力状态。同时受到作动器衰减和摩擦因数的制约，施加的扰动频率只能达到最大10Hz左右，无法进一步扩大扰动频率的范围。再有，基于分离式霍普金森压杆技术(SHPB)的岩石高应变率冲击试验，分别经历了无静载荷的岩石高应变率冲击试验、在围压条件下的岩石高应变率冲击试验以及在“围压+轴压”条件下的岩石高应变率冲击试验，但到目前为止，在真三轴静载荷条件下的岩石高应变率冲击试验始终未见报道。
因此，为了更好的理解动载荷从高应变率到中低应变率作用下岩石临界破裂与动力失稳的诱发机制，研发一套低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验设备是非常必要的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法，首次实现了在真三轴静载荷条件下的岩石高应变率冲击试验，同时还能够满足真三轴条件下的岩石低频扰动试验，且扰动频率最大可达50Hz，填补了在三向高应力下深部岩体破坏失稳的诱发机制研究领域的空白，进一步扩展了深部工程岩石力学的研究范围。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置，包括静载荷加载框架、动载荷加载框架、第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器、第二水平动载荷加载作动器及分离式霍普金森压杆机构；所述第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器与油源系统相连；
所述静载荷加载框架采用口字型结构，静载荷加载框架的口字型中心为岩样加载处，静载荷加载框架通过第一底座固定安装在地面上；所述第一竖向静载荷加载作动器及第二竖向静载荷加载作动器对称设置在静载荷加载框架的上下横梁上，所述第一水平静载荷加载作动器及第二水平静载荷加载作动器对称设置在静载荷加载框架的前后立柱上；
在所述静载荷加载框架的左右两侧地面上分别设置有第二底座和第三底座，所述动载荷加载框架穿过静载荷加载框架的中孔并坐置于第二底座和第三底座上；在所述第二底座和第三底座上均设置有导轨，在静载荷加载框架底部安装有导轮，静载荷加载框架通过导轮与导轨滑动配合；所述第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器对称设置在动载荷加载框架的左右两端；
在所述第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器及第二水平静载荷加载作动器的活塞轴端部均加装有静力传感器；
在所述第一水平动载荷加载作动器的活塞轴轴向中心开设有第一空心孔道，在所述第二水平动载荷加载作动器的活塞轴轴向中心开设有第二空心孔道，第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器的活塞轴端部均加装有动态压力传感器，动态压力传感器采用空心环状结构，动态压力传感器的中心孔、第一空心孔道及第二空心孔道为同轴心设置；
所述分离式霍普金森压杆机构分别通过第一空心孔道、动态压力传感器的中心孔及第二空心孔道对岩样施加高速冲击载荷。
所述分离式霍普金森压杆机构包括发射器、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆及吸收器，在入射杆和透射杆表面贴附有应变片；所述发射器通过第四底座设置在地面上，所述撞击杆通过支撑架设置在第四底座上，撞击杆一端与发射器相连；所述入射杆位于第一空心孔道内；所述吸收器通过第五底座设置在地面上，所述吸收杆通过支撑架设置在第五底座上，所述透射杆位于第二空心孔道内；所述撞击杆、入射杆、透射杆及吸收杆为同轴心设置。
所述第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器结构相同且均采用静压油路平衡支撑密封方式，作动器的一侧油腔通过第一伺服阀与油源系统相连，且该侧油路上配装有第一蓄能器；作动器的另一侧油腔通过第二伺服阀与油源系统相连，且该侧油路上配装有第二蓄能器；通过第一伺服阀和第二伺服阀加大流量驱动活塞动态响应，通过第一蓄能器和第二蓄能器平衡低频扰动加载时的系统压力。
采用所述的低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：通过刚性压块完成岩样封装，并在刚性压块与岩样之间安装位移传感器；
步骤二：将动载荷加载框架从静载荷加载框架的中孔内推出，将封装好的岩样固定安装到动载荷加载框架内；
步骤三：调整位移传感器的位置和触针伸长量，使位移传感器处于试验量程范围内；
步骤四：将固定有岩样的动载荷加载框架推回静载荷加载框架中孔内，并使岩样处在三向加载的中心；
步骤五：通过对第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器实施位移控制，完成岩样的精确对中夹紧；
步骤六：通过对第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器对岩样进行真三轴静力加载；
步骤七：在目标应力水平点时保持真三轴静力加载的应力水平不变，通过第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器对岩样施加同相位对中低频扰动载荷，通过分离式霍普金森压杆机构对岩样施加高速冲击载荷；
步骤八：记录并观测岩样的变形情况。
在步骤七中，低频扰动和高速冲击的施加方式有三种，第一种为单独施加低频扰动载荷，第二种为单独施加高速冲击载荷，第三种为先施加低频扰动载荷再施加高速冲击载荷。
本发明的有益效果：
本发明首次实现了在真三轴静载荷条件下的岩石高应变率冲击试验，同时还能够满足真三轴条件下的岩石低频扰动试验，且扰动频率最大可达50Hz，填补了在三向高应力下深部岩体破坏失稳的诱发机制研究领域的空白，进一步扩展了深部工程岩石力学的研究范围。
本发明能够在同一台设备上自由设定低频扰动和高速冲击的施加方式，在开展岩石应力应变全过程中，能够对峰后任一状态进行一定时间的保持，同时在此基础上进行多次不同频率的动力扰动破坏试验。
本发明的水平动载荷加载作动器采用了静压油路平衡支撑密封方式，最大限度的降低了摩擦力，通过双伺服阀提高液压油的流量，有效加速了作动器的活塞启动速度，对于活塞轴内设置的空心孔道，其不但作为分离式霍普金森压杆机构的高应变率冲击试验通道，而且空心孔道的存在也有效减轻了活塞轴的自重。
附图说明
图1为本发明的一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置的立体图；
图2为本发明的一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置的正视图；
图3为图2中A-A剖视图；
图中，1—静载荷加载框架，2—动载荷加载框架，3—第一竖向静载荷加载作动器，4—第二竖向静载荷加载作动器，5—第一水平静载荷加载作动器，6—第二水平静载荷加载作动器，7—第一水平动载荷加载作动器，8—第二水平动载荷加载作动器，9—第一底座，10—第二底座，11—第三底座，12—导轨，13—导轮，14—静力传感器，15—第一空心孔道，16—第二空心孔道，17—动态压力传感器，18—发射器，19—撞击杆，20—入射杆，21—透射杆，22—吸收杆，23—吸收器，24—第四底座，25—第五底座，26—岩样。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～3所示，一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置，包括静载荷加载框架1、动载荷加载框架2、第一竖向静载荷加载作动器3、第二竖向静载荷加载作动器4、第一水平静载荷加载作动器5、第二水平静载荷加载作动器6、第一水平动载荷加载作动器7、第二水平动载荷加载作动器8及分离式霍普金森压杆机构；所述第一竖向静载荷加载作动器3、第二竖向静载荷加载作动器4、第一水平静载荷加载作动器5、第二水平静载荷加载作动器6、第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8与油源系统相连；
所述静载荷加载框架1采用口字型结构，静载荷加载框架1的口字型中心为岩样加载处，静载荷加载框架1通过第一底座9固定安装在地面上；所述第一竖向静载荷加载作动器3及第二竖向静载荷加载作动器4对称设置在静载荷加载框架1的上下横梁上，所述第一水平静载荷加载作动器5及第二水平静载荷加载作动器6对称设置在静载荷加载框架1的前后立柱上；
在所述静载荷加载框架1的左右两侧地面上分别设置有第二底座10和第三底座11，所述动载荷加载框架2穿过静载荷加载框架1的中孔并坐置于第二底座10和第三底座11上；在所述第二底座10和第三底座11上均设置有导轨12，在静载荷加载框架1底部安装有导轮13，静载荷加载框架1通过导轮13与导轨12滑动配合；所述第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8对称设置在动载荷加载框架2的左右两端；
在所述第一竖向静载荷加载作动器3、第二竖向静载荷加载作动器4、第一水平静载荷加载作动器5及第二水平静载荷加载作动器6的活塞轴端部均加装有静力传感器14；
在所述第一水平动载荷加载作动器7的活塞轴轴向中心开设有第一空心孔道15，在所述第二水平动载荷加载作动器8的活塞轴轴向中心开设有第二空心孔道16，第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8的活塞轴端部均加装有动态压力传感器17，动态压力传感器17采用空心环状结构，动态压力传感器17的中心孔、第一空心孔道15及第二空心孔道16为同轴心设置；
所述分离式霍普金森压杆机构分别通过第一空心孔道15、动态压力传感器17的中心孔及第二空心孔道16对岩样26施加高速冲击载荷。
所述分离式霍普金森压杆机构包括发射器18、撞击杆19、入射杆20、透射杆21、吸收杆22及吸收器23，在入射杆20和透射杆21表面贴附有应变片；所述发射器18通过第四底座24设置在地面上，所述撞击杆19通过支撑架设置在第四底座24上，撞击杆19一端与发射器18相连；所述入射杆20位于第一空心孔道15内；所述吸收器23通过第五底座25设置在地面上，所述吸收杆22通过支撑架设置在第五底座25上，所述透射杆21位于第二空心孔道16内；所述撞击杆19、入射杆20、透射杆21及吸收杆22为同轴心设置。
所述第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8结构相同且均采用静压油路平衡支撑密封方式，作动器的一侧油腔通过第一伺服阀与油源系统相连，且该侧油路上配装有第一蓄能器；作动器的另一侧油腔通过第二伺服阀与油源系统相连，且该侧油路上配装有第二蓄能器；通过第一伺服阀和第二伺服阀加大流量驱动活塞动态响应，通过第一蓄能器和第二蓄能器平衡低频扰动加载时的系统压力。
采用所述的低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：通过刚性压块完成岩样26封装，并在刚性压块与岩样26之间安装位移传感器；
步骤二：将动载荷加载框架2从静载荷加载框架1的中孔内推出，将封装好的岩样26固定安装到动载荷加载框架2内；
步骤三：调整位移传感器的位置和触针伸长量，使位移传感器处于试验量程范围内；
步骤四：将固定有岩样26的动载荷加载框架2推回静载荷加载框架1中孔内，并使岩样26处在三向加载的中心；
步骤五：通过对第一竖向静载荷加载作动器3、第二竖向静载荷加载作动器4、第一水平静载荷加载作动器5、第二水平静载荷加载作动器6、第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8实施位移控制，完成岩样26的精确对中夹紧；
步骤六：通过对第一竖向静载荷加载作动器3、第二竖向静载荷加载作动器4、第一水平静载荷加载作动器5、第二水平静载荷加载作动器6、第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8对岩样26进行真三轴静力加载；
步骤七：在目标应力水平点时保持真三轴静力加载的应力水平不变，通过第一水平动载荷加载作动器7及第二水平动载荷加载作动器8对岩样26施加同相位对中低频扰动载荷，通过分离式霍普金森压杆机构对岩样26施加高速冲击载荷；另外，低频扰动和高速冲击的施加方式有三种，第一种为单独施加低频扰动载荷，第二种为单独施加高速冲击载荷，第三种为先施加低频扰动载荷再施加高速冲击载荷。
步骤八：记录并观测岩样26的变形情况。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置，其特征在于：包括静载荷加载框架、动载荷加载框架、第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器、第二水平动载荷加载作动器及分离式霍普金森压杆机构；所述第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器与油源系统相连；
所述静载荷加载框架采用口字型结构，静载荷加载框架的口字型中心为岩样加载处，静载荷加载框架通过第一底座固定安装在地面上；所述第一竖向静载荷加载作动器及第二竖向静载荷加载作动器对称设置在静载荷加载框架的上下横梁上，所述第一水平静载荷加载作动器及第二水平静载荷加载作动器对称设置在静载荷加载框架的前后立柱上；
在所述静载荷加载框架的左右两侧地面上分别设置有第二底座和第三底座，所述动载荷加载框架穿过静载荷加载框架的中孔并坐置于第二底座和第三底座上；在所述第二底座和第三底座上均设置有导轨，在静载荷加载框架底部安装有导轮，静载荷加载框架通过导轮与导轨滑动配合；所述第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器对称设置在动载荷加载框架的左右两端；
在所述第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器及第二水平静载荷加载作动器的活塞轴端部均加装有静力传感器；
在所述第一水平动载荷加载作动器的活塞轴轴向中心开设有第一空心孔道，在所述第二水平动载荷加载作动器的活塞轴轴向中心开设有第二空心孔道，第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器的活塞轴端部均加装有动态压力传感器，动态压力传感器采用空心环状结构，动态压力传感器的中心孔、第一空心孔道及第二空心孔道为同轴心设置；
所述分离式霍普金森压杆机构分别通过第一空心孔道、动态压力传感器的中心孔及第二空心孔道对岩样施加高速冲击载荷；
所述分离式霍普金森压杆机构包括发射器、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆及吸收器，在入射杆和透射杆表面贴附有应变片；所述发射器通过第四底座设置在地面上，所述撞击杆通过支撑架设置在第四底座上，撞击杆一端与发射器相连；所述入射杆位于第一空心孔道内；所述吸收器通过第五底座设置在地面上，所述吸收杆通过支撑架设置在第五底座上，所述透射杆位于第二空心孔道内；所述撞击杆、入射杆、透射杆及吸收杆为同轴心设置；
所述第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器结构相同且均采用静压油路平衡支撑密封方式，作动器的一侧油腔通过第一伺服阀与油源系统相连，且该侧油路上配装有第一蓄能器；作动器的另一侧油腔通过第二伺服阀与油源系统相连，且该侧油路上配装有第二蓄能器；通过第一伺服阀和第二伺服阀加大流量驱动活塞动态响应，通过第一蓄能器和第二蓄能器平衡低频扰动加载时的系统压力。
2.采用权利要求1所述的一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：通过刚性压块完成岩样封装，并在刚性压块与岩样之间安装位移传感器；
步骤二：将动载荷加载框架从静载荷加载框架的中孔内推出，将封装好的岩样固定安装到动载荷加载框架内；
步骤三：调整位移传感器的位置和触针伸长量，使位移传感器处于试验量程范围内；
步骤四：将固定有岩样的动载荷加载框架推回静载荷加载框架中孔内，并使岩样处在三向加载的中心；
步骤五：通过对第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器实施位移控制，完成岩样的精确对中夹紧；
步骤六：通过对第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器对岩样进行真三轴静力加载；
步骤七：在目标应力水平点时保持真三轴静力加载的应力水平不变，通过第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器对岩样施加同相位对中低频扰动载荷，通过分离式霍普金森压杆机构对岩样施加高速冲击载荷；
步骤八：记录并观测岩样的变形情况。
3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于：在步骤七中，低频扰动和高速冲击的施加方式有三种，第一种为单独施加低频扰动载荷，第二种为单独施加高速冲击载荷，第三种为先施加低频扰动载荷再施加高速冲击载荷。
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