CN110031320B - 一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法，涉及岩石力学技术领域，包括刚度调节装置、试验加载装置、监测系统和控制系统，刚度调节装置包括外框架顶梁、外立柱、刚度调节油缸和底座，试验加载装置的加载油缸加载带动内顶梁上升，从而使内立柱拉伸变形，高压弹簧压缩变形；同一试件在设定的加载载荷值条件下，刚度调节油缸加载载荷增大，内顶梁的位移和内立柱的变形减小，加载刚度变大；试验时，根据位移传感器的监测数据，通过控制系统控制刚度调节油缸的载荷，实现内顶梁位移的实时控制，保证试验全程中的加载刚度满足设计值且恒定不变，解决了岩石力学试验机加载刚度不能定量调节的技术问题，还具有操作简便等优点。

Description

一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，和该装置加载刚度调节的方法，以及利用该装置进行岩石力学试验的方法。

背景技术

岩石力学试验是岩土工程、矿山开采、隧道建设等地下工程地层性状参数获取的主要技术手段。1970年，沙拉蒙首先全面论述了由于试验机刚度不同对岩石变形特性的影响，提出了用刚度较大的试验机来减少作用于岩石的附加能量，进而可求得峰值应力后的应力-应变曲线。这一观点后被从事岩石力学的研究人员和工程技术人员在岩石的力学试验中得到证实，从而获得了岩石的全应力应变曲线，该方法亦可用于分析峰后失稳破坏过程。通过对岩石的全应力应变曲线进行分析，可以计算得到岩石的变形模量、峰值强度、残余强度及冲击能量等力学参数，为岩石工程开挖方案设计及稳定性分析提供依据。

在工程实际地层中岩性结构呈现多样性，岩层之间的组合情况常常发生变化，由此可见岩层刚度是一个非定常数。室内试验表明，对于同一种岩石，当选用不同刚度试验机进行加载时，岩石变形破坏特征表现出明显的差异性，尤其是峰后的变形破坏行为。通过上述研究可知，为了更加准确的研究地下工程环境中岩石的真实力学响应特性，针对不同岩性顶板的岩石力学性能测试，需选用与顶板刚度相匹配的岩石力学试验机进行试验，因此需要提供一种加载刚度可定量调节与控制的岩石力学试验机，但是现有的岩石力学试验机加载刚度一般为恒定值。为解决该问题需要对现有的岩石力学试验机做进一步的改进，从而实现加载刚度可调节，实现符合岩石工程特征的力学相关参数测试。

发明内容

为解决岩石力学试验中加载刚度不能定量调节的技术问题，本发明提供了一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法，具体技术方案如下：

一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，包括刚度调节装置、试验加载装置、监测系统和控制系统，刚度调节装置包括外框架顶梁、外立柱、刚度调节油缸和底座，外框架顶梁和底座之间设置有外立柱，刚度调节油缸设置在外框架顶梁上；试验加载装置包括内顶梁、内立柱、加载油缸、承压柱和高压弹簧，内顶梁设置在刚度调节油缸的下方，内顶梁和底座之间设置有内立柱，加载油缸设置在底座上，承压柱设置在内顶梁下方。

优选的是，内顶梁的刚度大于内立柱的刚度，内立柱上端穿过内顶梁，内立柱上端套设有高压弹簧。在载荷作用下，该装置的内立柱会产生较大的拉伸变形，高压弹簧为柔性材料，在外荷载作用下的变形量大于小刚度内立柱的变形量，高压弹簧变形量与小刚度内立柱变形量叠加，进一步增大了内部试验加载装置的弹性变形量上限及弹性能存储量，从而进一步降低了试验机加载刚度的低值下限。

优选的是，外立柱设置有4根，外立柱的刚度大于内立柱的刚度；内立柱设置有4根，内立柱上端的截面呈T形。

优选的是，监测系统包括第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器设置在刚度调节油缸和内顶梁之间，第二压力传感器设置在内顶梁和承压柱之间。

优选的是，监测系统还包括位移传感器、竖直导杆和水平导杆，竖直导杆固定在外框架顶梁和底座上；水平导杆的一端沿竖直导杆滑动，另一端和内顶梁相连；水平导杆下方的竖直导杆上还固定设置有短支架，短支架上设置有位移传感器。

优选的是，控制系统控制刚度调节油缸和加载油缸加载，控制系统接收并记录监测系统的监测数据。

一种内外框架组合式岩石力学试验装置加载刚度调节方法，利用上述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，步骤包括：

第一步：设定加载刚度值，并确定岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系；

第二步：第二压力传感器将岩石试件荷载值实时传输至控制系统，位移传感器将内顶梁的实际位移大小值实时传输至控制系统，控制系统对比实际位移和设计位移的大小关系；

第三步：当实际位移大于设计位移，控制系统控制刚度调节油缸加载增大载荷；当实际位移小于设计位移，控制系统控制刚度调节油缸卸载减小载荷；重复本步骤至实际位移值等于设计位移值；

第四步：控制系统重复第三步的操作，保证试验过程中岩石试件荷载值和实际位移值的关系满足岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系。

一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验方法，利用上述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，步骤包括：

步骤A.设置试验装置的刚度值；

步骤B.安放岩石试件，监测系统将第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器的监测数据传输至控制系统；

步骤C.控制系统根据监测系统的反馈实时调节加载刚度，使岩石试件荷载值和内顶梁实际位移值满足岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系；

步骤D.通过加载油缸持续加载至岩石试件失稳破坏。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，通过刚度调节油缸和加载油缸的加载，以及高压弹簧和内立柱的变形实现岩石力学试验机的加载刚度调节；并可以根据监测系统的内顶梁位移以及加载应力反馈实时调节加载刚度，从而保证加载过程中试验机刚度保持不变。

(2)第一压力传感器设置在刚度调节油缸和内顶梁之间，实时监测与采集刚度调节油缸对内顶梁施加的荷载大小；第二压力传感器设置在内顶梁和承压柱之间，用来监测岩石试件受到的实际荷载值；位移传感器用来实时监测内顶梁的位移大小。

(3)该装置加载刚度调节方法，通过两个油缸共同作用，首先由加载油缸对岩石试件进行加载，刚性的内顶梁会在荷载作用下向上运动，同时带动刚度较小的内立柱发生拉伸变形，同时带动高压弹簧发生压缩变形，存储弹性能；再利用刚度调节油缸施加载荷，限制内顶梁的位移量，以及内立柱的拉伸变形量和高压弹簧的压缩变形量；利用监测系统的监测反馈值，调整刚度调节油缸的施加载荷，从而控制刚性内顶梁的位移量，达到试验机加载刚度自动调节与控制的目的。

(4)利用该装置进行岩石力学试验的方法，可以更加准确的研究地下工程环境中岩石的力学真实响应特性。

另外该装置还具有可改造性强，操作简便，调节灵活等优点。

附图说明

图1是内外框架组合式变刚度岩石力学试验装置结构示意图；

图2是图1中的A-A剖面结构示意图；

图3是图1中的B-B剖面结构示意图；

图4是加载刚度调节方法流程图；

图5是岩石试件荷载值与内顶梁位移函数关系图；

图中：1-外框架顶梁；2-外立柱；3-刚度调节油缸；4-底座；5-内顶梁；6-内立柱；7-加载油缸；8-承压柱；9-高压弹簧；10-第一压力传感器；11-第二压力传感器；12-位移传感器；13-竖直导杆；14-水平导杆；15-控制系统。

具体实施方式

结合图1至图5所示，本发明提供的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法，其具体实施方式如下。

一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机具体包括刚度调节装置、试验加载装置、监测系统和控制系统。刚度调节装置和试验加载装置相互配合从而实现试验装置刚度的调节，监测系统实时监测内顶梁的位移，以及油缸施加载荷的大小，控制系统控制刚度调节油缸和加载油缸的工作实现试验装置加载刚度的自动调节，另外该装置还具有可改造性强，操作简便，调节灵活等优点。

刚度调节装置包括外框架顶梁1、外立柱2、刚度调节油缸3和底座4，外框架顶梁1和外立柱2使用大刚度材料制作而成，使用材料的刚度大于10N/m，从而保证装置整体的稳定性。外框架顶梁1和底座4之间设置有外立柱2，外立柱2设置有4根，外立柱2的刚度大于内立柱6的刚度，刚度调节装置的外立柱2和试验加载装置的内立柱6整体俯视图呈回字形布置。刚度调节油缸设置在外框架顶梁1上，具体为刚度调节油缸3设置在外框架顶梁1的中心位置，刚度调节油缸3倒置设置向下加载，从而限定试验加载装置的内顶梁的位移。

试验加载装置具体包括内顶梁5、内立柱6、加载油缸7、承压柱8和高压弹簧9，其中内顶梁5设置在刚度调节油缸3的下方，内顶梁6和底座4之间设置有内立柱6，加载油缸7设置在底座4上，加载油缸7竖直向上加载，承压柱8设置在内顶梁5下方，用于传递加载力并固定岩石试件。内顶梁5的刚度大于内立柱的刚度，内顶梁5使用刚度较大的材料制作而成，并且内顶梁5在刚度调节油缸3的加载范围内变形可以忽略不计。内立柱6上端穿过内顶梁5，内立柱6上端套设有高压弹簧9，用于调节控制内顶梁5的位移。另外具体的是内立柱6也设置有4根，内立柱6的上端和高压弹簧共同嵌入内顶梁5，并可以沿内顶梁5上的配合孔伸缩，内立柱6上端的截面呈T字形。

该装置在使用时，如果将试验加载装置拆除，内外框架组合式变刚度岩石力学试验装置整体可以用做刚度固定的岩石力学试验装置，另外也可以对现有的固定刚度的岩石力学试验机进行改装。

监测系统包括第一压力传感器10和第二压力传感器11，第一压力传感器10设置在刚度调节油缸3和内顶梁5之间，用于实时监测与采集刚度调节油缸3对内顶梁5施加的荷载大小。第二压力传感器11设置在内顶梁5和承压柱8之间，用来监测岩石试件受到的实际荷载值。监测系统还包括位移传感器12、竖直导杆13和水平导杆14，竖直导杆13固定在外框架顶梁1和底座4上；水平导杆14的一端沿竖直导杆13滑动，另一端和内顶梁5相连，随内顶梁5移动；水平导杆14下方的竖直导杆13上还固定设置有短支架，短支架上设置有位移传感器12，位移传感器12用来实时监测内顶梁5的位移大小。

控制系统15控制刚度调节油缸3和加载油缸7的加载，控制系统15接收并记录监测系统的监测数据，并且控制系统根据监测系统的反馈实时调整刚度调节油缸加载或者是卸载，从而保证试验过程中满足监测数据满足岩石试件荷载值与内顶梁的设计位移函数关系。

通过对岩石力学室内试验进行研究，发现对于同一种岩石，当选用不同刚度试验机进行加载时，岩石变形破坏特征表现出明显的差异性，尤其是峰后的变形破坏行为。通过上述研究可知，为了更加准确的研究地下工程环境中岩石的真实力学响应特性，在进行试验时需要对试验机的刚度进行调整，才能避免加载刚度不同带来的试验误差。

本发明提供了一种内外框架组合式岩石力学试验装置加载刚度调节方法，利用上述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，如图4所示，调节步骤具体包括：

第一步：设定加载刚度值，并确定岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系，如图5中的直线所示。

第二步：第二压力传感器将岩石试件荷载值实时传输至控制系统，位移传感器将内顶梁的实际位移大小传输至控制系统，控制系统对比实际位移和设计位移的大小关系。

第三步：当实际位移大于设计位移，控制系统控制刚度调节油缸加载增大载荷，从而减小实际位移量；当实际位移小于设计位移，控制系统控制刚度调节油缸卸载减小载荷，从而增大实际位移量；重复本步骤至实际位移值等于设计位移值。

第四步：控制系统重复第三步的操作，保证试验过程中岩石试件荷载值和实际位移值的关系满足岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系，试验过程中的实际关系曲线如图5中曲线所示。

本方法的调节原理是：通过两个油缸共同作用，首先由加载油缸对岩石试件进行加载，刚性的内顶梁会在荷载作用下向上运动，带动刚度较小的内立柱发生拉伸变形，同时带动高压弹簧发生压缩变形，存储弹性能；再利用刚度调节油缸施加载荷，限制内顶梁的位移量，以及内立柱的拉伸变形量和高压弹簧的压缩变形量。当岩石试件承受相同的荷载值时，刚度调节油缸施加的荷载越大，刚性内顶梁的位移量越小，小刚度内立柱储存的能量越小，对试件破坏时的冲击荷载就越小，试验机的加载刚度越大。上述过程中根据位移传感器实时监测位移值，通过控制系统调整刚度调节油缸的施加载荷，实现对内顶梁位移的实时调控，保证试验加载过程中加载刚度满足设计值恒定不变，达到试验机加载刚度自动调节与控制的目的。

更为具体的是：试验前，首先根据试验机的具体结构设定加载刚度值，得到岩石试件所受荷载值Fr(t)与内顶梁的设计位移值Dr(t)的函数关系。试验过程中，监测系统的第二压力传感器实时监测岩石试件的荷载值Fr(t)，控制系统确定某时刻对应的内顶梁的设计位移值Dr(t)，并由位移传感器测得内顶梁该时刻的实际位移值Da(t)；控制系统将设计位移值Dr(t)与实际位移值Da(t)进行比较。当内顶梁的实际位移值Da(t)大于设计位移值Dr(t)时，控制系统控制刚度调节油缸加载，增加刚度调节油缸的荷载值Fa(t)，限制内顶梁的位移，直至实际位移Da(t)等于允许位移值Dr(t)；当设计位移Da(t)小于设计位移值Dr(t)时，控制系统控制刚度调节油缸卸载，减小刚度调节油缸的荷载值Fa(t)，从而增大实际位移Da(t)，使实际位移Da(t)等于允许位移值Dr(t)。控制系统通过上述位移信息和荷载信息的不断的反馈与调整，使内顶梁5的实际位移Da(t)等于设计位移值Dr(t)，满足岩石试件荷载值Fr(t)与内顶梁位移实际值Da(t)实时满足相应的函数关系。从而保证了加载刚度即为设定值并保持恒定，加载油缸持续加载的过程中通过调节保持加载刚度的恒定，直至岩石试件破坏失稳，实验结束。

另外本发明还提供了一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验方法，利用上述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，以及上述加载刚度调节方法，具体步骤包括：

步骤A.根据试验方案设置具体的试验装置加载刚度值，或者根据试验需要设定试验装置加载的刚度值。

步骤B.安放岩石试件，监测系统将第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器的监测数据传输至控制系统，控制系统根据控制原理，调整刚度调节油缸的加载，从而调整加载刚度至设定值。

步骤C.控制系统根据监测系统的反馈调节加载刚度，使岩石试件荷载值和内顶梁的实际位移值满足岩石试件荷载值与内顶梁设计的位移函数关系。

步骤D.通过加载油缸持续加载至岩石试件失稳破坏。

利用该装置进行岩石力学试验的方法，通过控制试验过程中的加载刚度从而进一步的缩小了室内试验和工程实际的误差，可以更好的研究地下工程环境中岩石的真实力学响应特性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，其特征在于，包括刚度调节装置、试验加载装置、监测系统和控制系统，所述刚度调节装置包括外框架顶梁、外立柱、刚度调节油缸和底座，外框架顶梁和底座之间固定连接有外立柱，刚度调节油缸固定在外框架顶梁上；所述试验加载装置包括内顶梁、内立柱、加载油缸、承压柱和高压弹簧，所述内顶梁固定连接在刚度调节油缸的下方，内顶梁和底座之间连接有内立柱，加载油缸固定在底座上，承压柱固定在内顶梁下方；所述内立柱上端套设有高压弹簧，内立柱的上端和高压弹簧共同嵌入内顶梁，并沿内顶梁上的配合孔伸缩；

所述监测系统包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在刚度调节油缸和内顶梁之间，所述第二压力传感器设置在内顶梁和承压柱之间；所述监测系统还包括位移传感器、竖直导杆和水平导杆，所述竖直导杆固定在底座上；所述水平导杆的一端沿竖直导杆滑动，另一端和内顶梁相连；所述水平导杆下方的竖直导杆上还固定设置有短支架，短支架上设置有位移传感器。

2.根据权利要求1所述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，其特征在于，所述内顶梁的刚度大于内立柱的刚度。

3.根据权利要求2所述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，其特征在于，所述外立柱设置有4根，外立柱的刚度大于内立柱的刚度；所述内立柱设置有4根，内立柱上端的截面呈T形。

4.根据权利要求1所述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，其特征在于，所述控制系统控制刚度调节油缸和加载油缸加载，控制系统实时接收并记录监测系统的监测数据。

5.一种内外框架组合式岩石力学试验装置加载刚度调节方法，利用权利要求1至4任一项所述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，其特征在于，步骤包括：

第一步：设定加载刚度值，并确定岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系；

第二步：第二压力传感器将岩石试件荷载值实时传输至控制系统，位移传感器将内顶梁的实际位移大小值实时传输至控制系统，控制系统对比实际位移和设计位移的大小关系；

第三步：当实际位移大于设计位移，控制系统控制刚度调节油缸加载增大载荷；当实际位移小于设计位移，控制系统控制刚度调节油缸卸载减小载荷；重复本步骤至实际位移值等于设计位移值；

第四步：控制系统重复第三步的操作，保证试验过程中岩石试件荷载值和实际位移值的关系满足岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系。

6.一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验方法，利用权利要求1至4任一项所述的一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，其特征在于，步骤包括：

步骤A.设置试验装置的刚度值；

步骤B.安放岩石试件，监测系统将第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器的监测数据传输至控制系统；

步骤C.控制系统根据监测系统的反馈实时调节加载刚度，使岩石试件荷载值和内顶梁实际位移值满足岩石试件荷载值与内顶梁设计位移的函数关系；

步骤D.通过加载油缸持续加载至岩石试件失稳破坏。

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