CN111175142A - 一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置及其标定调整方法 - Google Patents

Abstract

一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置，包括加载板、锁紧螺杆、集热导热块、加热元件、压力测试纸和垫片式压力传感器，与之配套使用的一种标定调整方法，包含如下步骤：步骤一：单侧围压加载方向上的预安装；步骤一中测量误差超出10％时，需要在步骤一之前对所述传感器进行步骤0；步骤0：标定测试；步骤二：单侧围压加载方向上的围压预加载；步骤三：围压预加载精度判断；步骤四：调整环节；步骤五：单侧围压加载方向上的正式安装与加载。上述的冷缩型夹板式岩石围压模拟装置及其标定调整方法具有结构简单、成本低廉和便于维护操作，确保了加载板向岩石试样块施加均匀且满足预设围压σ₀大小要求的围压。

Description

一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置及其标定调整方法

技术领域

本发明属于岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种岩石围压模拟装置及其标定调整方法，尤其涉及一种可配合TBM(硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)标准线切割试验台(以下简称TBM线切割试验台)石仓使用的冷缩型夹板式岩石围压模拟装置及其标定调整方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

赋存于地层中的岩体，尤其是深部岩层中的天然岩体，在自身重力、板块挤压及地壳收缩等因素的影响下，受到地应力作用(俗称围压)，也即处于地应力场中。所述围压会影响岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制等，以及影响开挖装置的破岩载荷特性、破岩效率和使用寿命等。显然，在涉及天然岩体，尤其涉及深部地层下岩体的岩石力学、岩土工程和隧道工程问题时，准确模拟再现岩体所处围压水平，对于客观准确地研究天然岩体的本构行为、破碎机制以及提高破岩效率有着重大意义。

一般来说，利用液压缸对顶的方式确实能够模拟获得岩石围压，但由于该方案需额外购置液压泵站等辅助设备和高精度伺服油缸，因此具有结构复杂、成本高昂和难以维护操作等局限性。目前，尚未有结构简易、成本低廉且精度可靠的围压模拟装置，也无配合这类简易的围压模拟装置使用的标定调整方法。以TBM隧道工程研究领域中采用试验法研究TBM滚刀滚压破岩性能为例，现有TBM线切割试验台所用石仓不具备岩石围压模拟功能，故难以满足工程应用研究中模拟深部岩层下TBM滚刀切削工况的要求。现有TBM线切割试验台的相关信息可参见《Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implicationsfor TBM performance prediction》、《Optimum spacing of TBM disc cutters:Anumerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method》和《Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in ahighly fractured rock formation:A case study in Kozyatagi-Kadikoy metrotunnel,Turkey》等文献。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种结构简易、成本低廉且精度可靠的冷缩型夹板式岩石围压模拟装置；同时，根据本发明装置的特点，提出一种与本发明装置配套使用的可有效保证围压模拟精度的标定调整方法。

本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置，包括加载板、锁紧螺杆、集热导热块、加热元件、压力测试纸和垫片式压力传感器，其特征在于：

所述加载板对称设置于岩石试样块的待加载侧面；所述加载板的左右两端利用所述锁紧螺杆进行紧固；所述集热导热块与所述锁紧螺杆接触；所述加热元件插入所述集热导热块内，用于将所述锁紧螺杆加热至给定理论加热温度T；所述集热导热块的热量传导至所述锁紧螺杆使得所述锁紧螺杆伸长而旋进螺母，所述锁紧螺杆冷却后收缩以拉紧所述加载板，使得所述加载板向所述岩石试样块的待加载侧面施加围压；

所述岩石试样块的待加载侧面与所述加载板之间设置有所述压力测试纸，所述加载板与所述螺母之间设置有所述垫片式压力传感器。

作为优选，所述加载板和所述锁紧螺杆采用铰制孔用螺栓配合，所述一对加载板的左右两端之间通过导向定位杆可靠定位与导向。

与本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置配套使用的一种标定调整方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：单侧围压加载方向上的预安装；给定室温T₀下，利用所述锁紧螺杆紧固相互正对的所述一对加载板，将位于其中一个围压加载方向上的所述岩石试样块的待加载侧面用所述加载板可靠夹持，所述锁紧螺杆的预紧力给定为F_t0；

作为优选，所述传感器的最大量程应不小于满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍，且所选用传感器在满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍范围下的测量误差应不高于10％；

当步骤一中测量误差超出10％时，需要在步骤一之前对所述传感器进行步骤0，以获得所述传感器的误差修正函数。

步骤0：标定测试，其步骤如下：

步骤0-1：所述压力测试纸的标定测试，其步骤如下：

步骤0-1-1，将所述压力测试纸平整放置于压力试验机加载柱正下方；所述压力测试纸的表面积不小于所述加载柱的底面积；以至压力测试纸满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍为标定区间，以等间距划分获得不同的标定测试压力P₁₁，以相同的加载速度完成加载测试；当加载至给定的标定测试压力P₁₁时，保持该压力值至少5分钟，再读取所述压力测试纸的压力读数值P₁₂。

更为优选，在承压板中心平整放置用于标定的完整岩石试样块；所述完整岩石试样块的上方平整放置有压力测试纸。

步骤0-1-2，当所述加载柱缓慢卸荷至零后，测量获得给定标定测试压力P₁₁下的所述压力测试纸上的压力读数值P₁₂。

步骤0-1-3，反复执行步骤0-1-1与步骤0-1-2，绘制出多组标定测试点，采用最小二乘法拟合标定测试点，获得所述压力测试纸的误差修正函数f₁，获得所述压力测试纸上的压力读数值P₁₂的修正值f₁(P₁₂)。

作为优选，在步骤0-1-2中，采用如下步骤统计获得所述压力测试纸上的压力读数值P₁₂：

步骤0-1-2-1：所述压力测试纸上所述测试区域的最外周环状区域舍去，随后将所述测试区域剩余的区域定义为压力测试纸的有效区域；

步骤0-1-2-2：所述有效区域的最外周环状区域(其面积占所述有效区域面积的30％)均匀划分出测试网格(虚拟网格)，而所述有效区域余下的内周区域均匀划分出相对较为稀疏的测试网格；测量每个测试网格中心处的颜色密度值，获得压力读数值样本；

步骤0-1-2-3：对所述压力读数值样本进行统计学分析，剔除异常样本，求取剩余压力读数值样本的均值作为压力读数值P₁₂。

更为优选，可选用型号为FPD-8010E压力分析系统统计分析有效区域内的压力读数值P₁₂。

步骤0-2：所述垫片式压力传感器的标定测试；与所述压力测试纸的标定测试过程类似，包括步骤如下：

步骤0-2-1，将所述垫片式压力传感器平整放置于压力试验机的承压板中心；所述压力试验机以相同的加载速度逐次加载至不同的标定测试压力P₂₁；当加载至给定的标定测试压力P₂₁时，保持该压力值至少5分钟，再读取所述垫片式压力传感器的压力读数值P₂₂。

步骤0-2-2，在以压力读数值P₂₂为横坐标轴，标定测试压力P₂₁为纵坐标轴的笛卡尔坐标系中，绘制出各标定测试点。

步骤0-2-3，反复执行步骤0-2-1与步骤0-2-2，绘制出多组标定测试点，采用最小二乘法拟合上述标定测试点，获得所述垫片式压力传感器的误差修正函数f₂，以及压力读数值P₂₂的修正值f₂(P₂₂)。

步骤二：单侧围压加载方向上的围压预加载；将所述锁紧螺杆加热至给定理论加热温度T，再拧紧所有所述螺母至给定预紧力F_t0；当所述锁紧螺杆冷却至室温T₀后，所述锁紧螺杆冷缩产生的拉力分别作用于一对第一侧板或一对第二侧板；

步骤三：围压预加载精度判断；从如下两个维度来评判：

维度一：围压预加载均匀程度。测试获得压力测试纸上测试区域内各测试网格对应的压力读数值的修正值样本，当所述样本的总体标准偏差σ_P不大于总体标准偏差的判断阈值[σ_P]时，则认定围压预加载均匀；

维度二：围压加载幅值水平的接近程度。当Y向实测围压值σ′_y相对于预设围压σ₀的相对误差e_P不大于误差的判断阈值[e_P]时，则认定围压预加载幅值水平达到预设围压σ₀的幅值水平；

记录围压预加载装配工艺参数；

维度一与维度二均满足时，则认定该围压加载方向上的围压模拟精度满足试验要求，将围压预加载装配工艺参数标记为该围压加载方向上的最终装配工艺参数，并进入步骤五；否则：

如果维度一满足，但维度二不满足，则进入步骤4-1；

如果维度一不满足，但实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F大于判断阈值[σ_F]，则进入步骤4-2；

如果维度一不满足，但实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F不大于判断阈值[σ_F]时，则进入步骤4-3；

步骤五：单侧围压加载方向上的正式安装与加载；根据最终装配工艺参数，参考步骤一和步骤二，完成本发明装置在该围压加载方向上的正式安装与加载；当本发明装置达到围压模拟的方向数要求时，则转入后续的切削试验环节；否则，在步骤五的基础上，转入步骤一，继续完成本发明装置在另一单侧围压加载方向上的预安装；

作为优选，步骤五中最终装配工艺参数，还包括最后一次预安装过程中，各所述锁紧螺杆的实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆。

步骤四：调整环节；包括如下可选的步骤：

步骤4-1：根据预设围压σ₀的相对误差e_P正负符号，以温度间隔量ΔT逐次降低/增加理论加热温度T，其余参考围压预加载装配工艺参数，再重复执行步骤一至步骤三，直至将预设围压σ₀的相对误差e_P降至相对最优值；

更为优选，步骤4-1中采用两点法进行寻优；可求出补偿e_σσ₀所需的理论最大温度间隔量ΔT_max，如下式表示：

则寻优范围的两个端点为T和

步骤4-2：以间隔量ΔF逐次降低/增加各所述锁紧螺杆的预紧力F_t0，其余参考围压预加载装配工艺参数，再重复执行步骤一至步骤三，直至将各所述锁紧螺杆实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F降至相对最优值；

作为优选，步骤4-2中，可以从实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆中选取一个接近平均值

的实测拉力值作为中位数，以其为参考，调整其他5根所述锁紧螺杆的预紧力F_t0。

步骤4-3：借助工程经验、理论分析和仿真分析等手段，提高并校核所述加载板的刚强度，直至各测试网格对应的压力读数值的修正值样本的总体标准偏差σ_P降至相对最优值；

作为优选，步骤4-3中，当预设围压σ₀处于高水平范围时(如高于10MPa)，应在上述经验措施的基础上，对加载板进行结构优化设计与校核，使得其最大扰度y_max小于许用值[y]。

相对于现有技术，本发明装置的有益之处在于：

(1)利用螺杆热胀冷缩产生的巨大拉力替代液压缸向岩石试样块施加围压，使得本发明无需额外配置液压泵站等辅助设备和高精度伺服油缸，因此具有结构简单、成本低廉和便于维护操作等优点；

(2)设置有压力测试纸，可用于评估本发明装置的围压模拟精度；垫片式压力传感器可动态检测各锁紧螺杆的拉力变化，用于指导本发明装置的装配过程；

(3)加载板和锁紧螺杆采用铰制孔用螺栓配合，加载板的左右两端之间通过导向定位杆提供可靠定位与导向，大大提高本发明装置的装配精度，有效防止加载板之间以及其与锁紧螺杆之间的相对位置发生错动。

与本发明装置配合使用的标定调整方法的有益之处在于：

(1)在进行预安装和预加载之前，开展了标定测试，掌握获得了传感器的误差修正函数，可降低传感器的测量误差对围压模拟精度的影响；

(2)从两个维度来评判围压预加载精度，确保了在加载板向岩石试样块均匀施压的前提下满足预设围压σ₀水平要求；

(3)利用借助工程经验、理论分析和仿真分析等手段，提高并校核所述加载板，尤其是开设有侧板通过槽的第二侧板在预设围压σ₀处于高水平范围时的刚强度，降低了加载板材料弯曲变形特性对围压模拟精度带来的不利影响，防止岩石被压溃；

(4)通过对调整修正锁紧螺杆的预紧力和理论加热温度T，降低了锁紧螺杆的材料非匀质性、制造加工误差、尺寸误差等对围压模拟精度带来的不利影响；

(5)记录有围压预加载装配工艺参数和最终装配工艺参数，可用于指导本发明装置的装配调试过程，尽可能消除人为因素的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置具体实施例一的三维结构示意图(画出岩石试样块，未画出垫片式压力传感器和热元件)。

图2是本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置具体实施例二的三维结构示意图(画出岩石试样块和石仓)。

图3是本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置具体实施例三的三维结构示意图(画出岩石试样块和石仓)。

图4是图3中第一侧板的三维结构示意图。

图5是图3中第二侧板的三维结构示意图。

图6是与本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置配套使用的一种标定调整方法的流程图。

图7是如图6所示步骤0中通过压力测试纸标定测试获得的标定测试点以及拟合获得的压力测试纸误差修正函数f₁的曲线示意图。

图8是压力测试纸完成标定测试后在有效区域内划出的测试网格示意图。

图9是如图6所示步骤0中通过垫片式压力传感器标定测试获得的标定测试点以及拟合获得的垫片式压力传感器误差修正函数f₂的曲线。

图10所示第一侧板两侧最大扰度的示意图。

具体实施例

以下具体实施方式进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

如图1至图3所示，为本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置，包括加载板、锁紧螺杆40、集热导热块42、加热元件、压力测试纸30和垫片式压力传感器60，其特征在于：

加载板对称设置于岩石试样块80的待加载侧面；加载板的左右两端利用锁紧螺杆40进行紧固；集热导热块42与锁紧螺杆40接触；加热元件插入集热导热块42内，用于将锁紧螺杆40加热至给定理论加热温度T；集热导热块42的热量传导至锁紧螺杆40使得锁紧螺杆40伸长而旋进螺母41，锁紧螺杆40冷却后收缩以拉紧加载板，使得加载板向岩石试样块80的待加载侧面施加围压；

岩石试样块80的待加载侧面与加载板之间设置有压力测试纸30，用于测试加载板向岩石试样块80的待加载侧面施加的围压值及其分布情况；加载板与螺母41之间设置有垫片式压力传感器60，用于测试锁紧螺杆40的拉力值。

更为具体地，当加载板仅为一对第一侧板10时，实际上构成了如图1所示本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置具体实施例一，可向岩石试样块80施加单侧预设围压，定义为Y向预设围压σ_y0；而当加载板包括一对第一侧板10和一对第二侧板20时，则构成了如图2所示本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置具体实施例二，可向岩石试样块80施加双侧预设围压，定义为X向预设围压σ_x0和Y向预设围压σ_y0。进一步地，如图3所示，第二侧板20的两侧对称地开设有如图5所示的侧板通过槽11；一对第二侧板20相互正对，且对称地设置于岩石试样块80X向的两个待加载侧面旁；一对第一侧板10同样相互正对，且对称地设置于岩石试样块80Y向的两个待加载侧面旁，同时第一侧板10的两侧穿过一对第二侧板20位于同一侧上的侧板通过槽11；加载板的左右两端开设有如图4和如图5所示的螺杆通过孔101；锁紧螺杆40通过螺杆通过孔101连接于一对第一侧板10之间，以及连接于一对第二侧板20之间；螺母41通过螺纹连接的方式将锁紧螺杆40紧固于加载板上。

为了提高本发明装置的装配精度，防止因加载板之间以及其与锁紧螺杆40之间的相对位置发生错动，所述加载板成对装夹制作，并一次性精加工出螺栓孔，加工精度提高至6级及以上；作为优选，在图2的基础上，加载板和锁紧螺杆40采用铰制孔用螺栓配合，一对加载板的左右两端之间通过导向定位杆49可靠定位与导向，构成了如图3所示本发明一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置具体实施例三。更为具体地，如图4和图5所示，在第一侧板10和第二侧板20上开设螺杆通过孔101和导向定位孔102。

以TBM隧道工程研究领域中采用试验法研究TBM滚刀滚压破岩性能为例，介绍发明装置的工作过程为：改变TBM线切割试验台的主体结构，在室温T₀下将本发明装置直接安装在现有TBM线切割试验台的石仓50上；利用加载板夹持岩石试样块80的侧面，利用锁紧螺杆40和螺母41构成的螺纹连接，使得所述加载板初步紧固于岩石试样块80的侧面上；利用加热元件，通过集热导热块42将锁紧螺杆40加热至给定理论加热温度T以使其伸长，再次拧紧螺母41；冷却至室温T₀后，利用锁紧螺杆冷却回缩后产生的巨大拉力，对岩石试样块80的侧面进行加载，以模拟岩石试样块80的平面围压状态。

为了提高本发明装置的围压模拟精度，尽可能地克服锁紧螺杆的材料非匀质性、制造加工误差、尺寸误差，加载板材料弯曲变形特性等对围压模拟精度带来的不利影响；为指导本发明装置的装配调节过程，尽可能消除人为因素对试验精度的影响，提出了与本发明装置配套使用的一种标定调整方法，相关附图见如图6至图10。

为了节省篇幅，以下将以如图2所示本发明装置具体实施例二为例，介绍说明如何利用本发明方法实现向岩石试样块80施加X向预设围压σ_x0和Y向预设围压σ_y0(统称为预设围压σ₀，假定均为6MPa)，包括如下步骤：

步骤一：单侧围压加载方向上的预安装；给定室温T₀下，完成本发明装置在任意一个围压加载方向上的预安装，也即利用锁紧螺杆40紧固相互正对的一对加载板，将位于其中一个围压加载方向上的岩石试样块80的待加载侧面用所述加载板可靠夹持，锁紧螺杆40的预紧力给定为F_t0。本例中，假定先完成如图1所示Y向上的预安装。

作为优选，为了消除测量误差，压力测试纸30和垫片式压力传感器60(以下统称为传感器)的最大量程应不小于满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍，且所选用传感器在满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍范围下的测量误差应不高于10％。本例中，压力测试纸30选用LW型富士压力测试纸，其最大量程为10MPa，因其值不小于7.8MPa，且在[0,7.8MPa]的量程范围下的测量误差为10％，故满足要求；

当步骤一中所述测量误差超出10％时，需要在步骤一之前对所述传感器进行步骤0，以获得所述传感器的误差修正函数。

步骤0：标定测试，其步骤如下：

步骤0-1：压力测试纸30的标定测试，其步骤如下：

步骤0-1-1，将压力测试纸30平整放置于压力试验机(如MTS混凝土试块压力机)的承压板中心，也即压力试验机加载柱正下方；压力测试纸30的表面积不小于所述加载柱的底面积；以至压力测试纸30满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍(即7.8MPa)为标定区间，以等间距划分获得不同的标定测试压力P₁₁，以相同的加载速度(推荐为0.01～0.1MPa/s)完成加载测试；当加载至给定的标定测试压力P₁₁时，保持该压力值至少5分钟，再读取压力测试纸30的压力读数值P₁₂。本例中，标定测试压力P₁₁可设定为0.78、1.56、2.34、…、7.8MPa共10个标定测试点。

更为优选，考虑到压力测试纸30实际设置于所述加载板与岩石试样块80之间，因此在承压板中心平整放置用于标定的完整岩石试样块(推荐为圆柱形试样，其底面积不大于所述加载柱的底面积)；所述完整岩石试样块的上方平整放置有压力测试纸30，其他同步骤0-1-1。

步骤0-1-2，由于所述加载柱向压力测试纸30施压时会使得压力测试纸30上出现深浅不一的红色，因此当所述加载柱缓慢卸荷至零后，利用密度计可测量获得给定标定测试压力P₁₁下的压力测试纸30上的压力读数值P₁₂；在以压力读数值P₁₂为横坐标轴，标定测试压力P₁₁为纵坐标轴的笛卡尔坐标系中，绘制出各标定测试点。

步骤0-1-3，采用全新的压力测试纸30，反复执行步骤0-1-1与步骤0-1-2，绘制出多组标定测试点，采用最小二乘法拟合标定测试点，获得压力测试纸30的误差修正函数f₁，利用该函数可获得压力测试纸30上的压力读数值P₁₂的修正值f₁(P₁₂)。本例中，如图7所示，误差修正函数f₁为线性函数。

值得说明的是，在上述有关压力测试纸30的标定测试过程中，由于尺寸边界效应和制造装配误差的影响，可能会使得与所述加载柱底面相接触区域内(该区域简称测试区域)的压力测试纸30的颜色并非总是均布(如造成压力测试纸30周边区域颜色较深，中间区域颜色较浅)，推荐在步骤0-1-2中采用如下步骤统计计算出压力读数值P₁₂：

1)如图8所示，将压力测试纸30上所述测试区域的最外周环状区域100(其面积占所述测试区域的面积的5％)舍去，随后将所述测试区域剩余的区域定义为压力测试纸30的有效区域110；

2)有效区域110的最外周环状区域1101(其面积占所述有效区域面积的30％)均匀划分出测试网格(虚拟网格)，而有效区域110余下的内周区域1102均匀划分出相对较为稀疏的测试网格；本例中，有效区域110共划分出120个小网格；然后通过密度计测量每个测试网格中心处的颜色密度值，获得120个压力读数值样本；

3)对所述压力读数值样本进行统计学分析，剔除异常样本，求取剩余压力读数值样本的均值作为压力读数值P₁₂。

更为优选，可选用型号为FPD-8010E压力分析系统统计分析有效区域110内的压力读数值P₁₂。

步骤0-2：垫片式压力传感器60的标定测试；与压力测试纸30的标定测试过程类似，包括步骤如下：

步骤0-2-1，将垫片式压力传感器60平整放置于压力试验机的承压板中心；压力试验机以相同的加载速度(推荐为0.01～0.1MPa/s)逐次加载至不同的标定测试压力P₂₁；当加载至给定的标定测试压力P₂₁时，保持该压力值至少5分钟，再读取垫片式压力传感器60的压力读数值P₂₂。

步骤0-2-2，在以压力读数值P₂₂为横坐标轴，标定测试压力P₂₁为纵坐标轴的笛卡尔坐标系中，绘制出各标定测试点。

步骤0-2-3，反复执行步骤0-2-1与步骤0-2-2，绘制出多组标定测试点，采用最小二乘法拟合上述标定测试点，获得如图9所示垫片式压力传感器60的误差修正函数f₂，利用该函数可获得垫片式压力传感器60的压力读数值P₂₂的修正值f₂(P₂₂)。

步骤二：单侧围压加载方向上的围压预加载；利用加热元件，通过集热导热块42将锁紧螺杆40加热至给定理论加热温度T，其值可以采用线膨胀理论预测获得，或者采用数值仿真分析、或者采用多次试验试凑获得；本例中，根据线膨胀理论，理论加热温度T由下式给出：

式中，σ₀为预设围压，本例中为Y向预设围压σ_y0；A为给定围压加载方向上所述加载板与岩石试样块80的接触面积，n为给定围压加载方向上所用锁紧螺杆40的根数，d为所用锁紧螺杆40的危险横截面直径，α为锁紧螺杆40的线膨胀系数，E为锁紧螺杆40的弹性模量，F_t0为锁紧螺杆40的预紧力，T₀为实验室环境下的室温。

本例中，由于σ_y0为6MPa，T₀为30℃，各围压加载方向上n均为3；α取值为1.2×10^-5/℃；E取值为2.1×10⁵MPa；假设锁紧螺杆40的规格为M42，则d为36.5mm；F_t0为1kN；故根据式(1)计算可知，图1中锁紧螺杆40理论上需加热至185.5℃。

此时，锁紧螺杆40受热膨胀伸长，使得螺母41放松，故再次拧紧所有螺母41至给定预紧力F_t0；当锁紧螺杆40冷却至室温T₀后，锁紧螺杆40冷缩产生的拉力分别作用于一对第一侧板10或一对第二侧板20；本例中，如图1所示Y向上设置有6根锁紧螺杆40，可获得各锁紧螺杆40的压力读数值，记为P₃₁、P₃₂、P₃₃、P₃₄、P₃₅、P₃₆；则由锁紧螺杆产生的理论围压值σ_y3为：

式中，F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆为锁紧螺杆40热胀冷缩时产生的实测拉力值；A₃₁～A₃₆分别为与各锁紧螺杆40相对应的垫片式压力传感器60与所述加载板的实际接触面积；其他同上。

一对第一侧板10或一对第二侧板20分别向所接触的岩石试样块80施加的实际围压值及其分布情况，可通过压力测试纸30离线测试获取(非实时)；本例中，假定与第一侧板10相接触的压力测试纸30的压力读数值为P₁₂，则Y向实测围压值σ′_y为f₁(P₁₂)。

理论上，F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆均应相等，且Y向实测围压值σ′_y等于Y向预设围压σ_y0；而实际上，由于制造误差和材料变形等前述不利因素的综合影响，导致围压模拟精度降低。

值得补充说明的是，步骤一和步骤二中，可以使用扭力扳手(如数显扭力扳手)采用十字交叉法将所述螺母预紧；此外，可以采用工业级的手持式红外成像测温仪等非接触式方法实时监控，也可采用热电偶等接触式方法实时监控理论加热温度T。

步骤三：围压预加载精度判断；从如下两个维度来评判：

维度一：围压预加载均匀程度。类似地，定义压力测试纸30上与所述加载板与岩石试样块80共同接触的区域为测试区域；在所述测试区域内均匀划分出测试网格，再获得各测试网格对应的压力读数值的修正值样本，当所述样本的总体标准偏差σ_P不大于总体标准偏差的判断阈值[σ_P]([σ_P]＝0.5)时，则认定围压预加载均匀，否则则认定存在应力集中现象；

维度二：围压加载幅值水平的接近程度。当Y向实测围压值σ′_y相对于预设围压σ₀的相对误差e_P不大于误差的判断阈值[e_P]([e_P]＝20％)时，则认定围压预加载幅值水平达到预设围压σ₀的幅值水平。

记录理论加热温度T，各锁紧螺杆40的实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆，各锁紧螺杆40的预紧力F_t0，各零部件的相对装配位置等与本发明装置的装配工艺相关的信息，以下引述为围压预加载装配工艺参数；

维度一与维度二均满足时，则认定该围压加载方向上的围压模拟精度满足试验要求，也即通过了该侧围压加载方向上的预安装加载测试，将围压预加载装配工艺参数标记为该围压加载方向上的最终装配工艺参数，并进入步骤五；否则按如下条件进行判断：

维度一满足，但维度二不满足，说明各锁紧螺杆40的材料匀质性、螺纹制造精度、尺寸精度等基本相同，未对围压预加载均匀程度产生影响，但导致理论加热温度T与实际值存在一定误差，需进入步骤4-1对理论加热温度T进行修正；

维度一不满足，但实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F大于判断阈值[σ_F]([σ_F]＝3)时，则说明各锁紧螺杆40受力不均匀，锁紧螺杆40的材料匀质性、螺纹制造精度、尺寸长度等因素也可能造成围压预加载不均匀；此时，应进入步骤4-2，先补偿锁紧螺杆40因自身制造加工误差较大对围压预加载精度的影响。

维度一不满足，但实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F不大于判断阈值[σ_F]时，则说明各锁紧螺杆40受力均匀，各锁紧螺杆40(一般为外购件)的制造加工误差较小；围压预加载不均匀，主要是由于加载板(为自制件)刚强度不够造成的；此时，应进入步骤4-3；

步骤五：单侧围压加载方向上的正式安装与加载；根据最终装配工艺参数，参考步骤一和步骤二，完成本发明装置在该围压加载方向上的正式安装与加载；当各锁紧螺杆40的实测拉力值与记录值(最终装配工艺参数)发生偏差时，通过适当调整螺母41，以使其保持一致。当本发明装置达到围压模拟的方向数(单侧/双侧)要求时，则转入后续的切削试验环节，如在TBM线切割试验台上开展滚刀直线滚压破岩实验，或其他有关岩石本构力学行为的试验研究(如激光破岩、水射流破岩试验等)；否则，在步骤五的基础上，转入步骤一，继续完成本发明装置在另一单侧围压加载方向上的预安装；

作为优选，步骤五中最终装配工艺参数，还包括最后一次预安装过程中，各锁紧螺杆40的实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆。

步骤四：调整环节；包括如下可选的步骤：

步骤4-1：根据预设围压σ₀的相对误差e_P正负符号，以温度间隔量ΔT逐次降低/增加理论加热温度T，其余参考围压预加载装配工艺参数，再重复执行步骤一至步骤三，直至将预设围压σ₀的相对误差e_P降至相对最优值(如利用凑试法经济合理地尝试有限次后获得的最优值)；

为了缩短试凑时间，温度间隔量ΔT为非恒定值，应根据最优搜索方向进行动态调整。本例中，假定相对误差e_P为-38％，则可按如下表1所示方案进行试凑试验。表中，通过第4次调整便可满足要求，同时兼顾经济性；当然还可以增加试凑次数，进一步满足更高的围压模拟精度要求。

表1试凑方案表

更为优选，步骤4-1中采用两点法进行寻优；此时，利用式(1)可以求出补偿e_σσ₀所需的理论最大温度间隔量ΔT_max，如下式表示：

则寻优范围的两个端点为T和

步骤4-2：以间隔量ΔF逐次降低/增加各锁紧螺杆40的预紧力F_t0，其余参考围压预加载装配工艺参数，再重复执行步骤一至步骤三，直至将各锁紧螺杆40实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F降至相对最优值(如利用凑试法经济合理地尝试有限次后获得的最优值)；

作为优选，步骤4-2中，可以从实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆中选取一个接近平均值

的实测拉力值作为中位数，以其为参考，调整其他5根锁紧螺杆40的预紧力F_t0。

步骤4-3：借助工程经验、理论分析和仿真分析等手段，提高并校核所述加载板的刚强度，直至压力测试纸30上各测试网格对应的压力读数值的修正值样本的总体标准偏差σ_P降至相对最优值；当所述加载板刚强度不够时，易使得所述加载板发生较大的弯曲形变，从而导致所述加载板与岩石试样块80之间出现应力集中现象(所述加载板两端区域的应力比中间区域的应力大)；一般而言，对于预设围压σ₀处于低水平范围时，如不高于5MPa，加载板可采用普通的5mm厚钢板或型钢；当预设围压σ₀处于中等水平范围时，如(5,10]MPa，第一侧板10因较为完整，一般仍可选用5mm厚钢板或型钢，而第二侧板20因开设有如图5所示的侧板通过槽11，故采用如下经验措施：

1)加载板板厚加厚(如至15mm)；

2)加载板两侧设置有加厚层，加厚层板厚加厚(如至25mm)；

3)中部等间距地对称布置有若干条沿板长方向设置的加强筋板12；加强筋板板厚加厚(如至10mm)。

当预设围压σ₀处于高水平范围时(如高于10MPa)，应在上述经验措施的基础上，对第一侧板10和第二侧板20进行结构优化设计与校核，使得最大扰度y_max小于许用值[y]。

本例中，为了节省篇幅，以采用有限元分析软件ANSYS为例，且以如图4所示第一侧板10的板厚为唯一的设计变量，并保持其他尺寸参数不变，来说明加载板刚强度提高和校核过程。假定第一侧板10的初始厚度为15mm，以0.5mm为搜索步长，[15mm,30mm]为搜索区间，以如图10所示第一侧板10两侧的最大扰度y_max为评价所述加载板刚强度的指标，以y_max小于许用值[y]为优化目标；利用APDL命令建立第一侧板10的参数化有限元模型，其边界条件同理想受载工况，开展批量化静力学有限元计算。更为具体地，第一侧板10上与岩石试样块80相接触的区域节点固定，垫片式压力传感器60向第一侧板10的两侧施加有面载荷；所述面载荷的施加区域的面积同A₃₁～A₃₆；面载荷大小由预设围压σ₀决定。

在本发明所提供的几个具体实施方式中，应该理解到，所揭露的组件和结构，可以通过其它的方式实现。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由同一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冷缩型夹板式岩石围压模拟装置，包括加载板、锁紧螺杆、集热导热块、加热元件、压力测试纸和垫片式压力传感器，其特征在于：

所述加载板对称设置于岩石试样块的待加载侧面；所述加载板的左右两端利用所述锁紧螺杆进行紧固；所述集热导热块与所述锁紧螺杆接触；所述加热元件插入所述集热导热块内，用于将所述锁紧螺杆加热至给定理论加热温度T；所述集热导热块的热量传导至所述锁紧螺杆使得所述锁紧螺杆伸长而旋进螺母，所述锁紧螺杆冷却后收缩以拉紧所述加载板，使得所述加载板向所述岩石试样块的待加载侧面施加围压；

所述岩石试样块的待加载侧面与所述加载板之间设置有所述压力测试纸，所述加载板与所述螺母之间设置有所述垫片式压力传感器。

2.根据权利要求1所述的冷缩型夹板式岩石围压模拟装置，其特征在于：

所述加载板和所述锁紧螺杆采用铰制孔用螺栓配合，所述一对加载板的左右两端之间通过导向定位杆可靠定位与导向。

3.一种与根据权利要求1或2所述的冷缩型夹板式岩石围压模拟装置配套使用的标定调整方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：单侧围压加载方向上的预安装；给定室温T₀下，利用所述锁紧螺杆紧固相互正对的所述一对加载板，将位于其中一个围压加载方向上的所述岩石试样块的待加载侧面用所述加载板可靠夹持，所述锁紧螺杆的预紧力给定为F_t0；

步骤二：单侧围压加载方向上的围压预加载；将所述锁紧螺杆加热至给定理论加热温度T，再拧紧所有所述螺母至给定预紧力F_t0；当所述锁紧螺杆冷却至室温T₀后，所述锁紧螺杆冷缩产生的拉力分别作用于一对第一侧板或一对第二侧板；

步骤三：围压预加载精度判断；从如下两个维度来评判：

维度一：围压预加载均匀程度；测试获得压力测试纸上测试区域内各测试网格对应的压力读数值的修正值样本，当所述样本的总体标准偏差σ_P不大于总体标准偏差的判断阈值[σ_P]时，则认定围压预加载均匀；

维度二：围压加载幅值水平的接近程度；当Y向实测围压值σ′_y相对于预设围压σ₀的相对误差e_P不大于误差的判断阈值[e_P]时，则认定围压预加载幅值水平达到预设围压σ₀的幅值水平；

记录围压预加载装配工艺参数；

维度一与维度二均满足时，则认定该围压加载方向上的围压模拟精度满足试验要求，将围压预加载装配工艺参数标记为该围压加载方向上的最终装配工艺参数，并进入步骤五；否则：

如果维度一满足，但维度二不满足，则进入步骤4-1；

如果维度一不满足，但实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F大于判断阈值[σ_F]，则进入步骤4-2；

如果维度一不满足，但实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F不大于判断阈值[σ_F]时，则进入步骤4-3；

步骤五：单侧围压加载方向上的正式安装与加载；根据最终装配工艺参数，参考步骤一和步骤二，完成冷缩型夹板式岩石围压模拟装置在该围压加载方向上的正式安装与加载；当达到围压模拟的方向数要求时，则转入后续的切削试验环节；否则，在步骤五的基础上，转入步骤一，继续完成冷缩型夹板式岩石围压模拟装置在另一单侧围压加载方向上的预安装；

步骤四：调整环节；包括如下可选的步骤：

步骤4-1：根据预设围压σ₀的相对误差e_P正负符号，以温度间隔量ΔT逐次降低/增加理论加热温度T，其余参考围压预加载装配工艺参数，再重复执行步骤一至步骤三，直至将预设围压σ₀的相对误差e_P降至相对最优值；

步骤4-2：以间隔量ΔF逐次降低/增加各所述锁紧螺杆的预紧力F_t0，其余参考围压预加载装配工艺参数，再重复执行步骤一至步骤三，直至将各所述锁紧螺杆实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆的总体标准偏差σ_F降至相对最优值；

步骤4-3：借助工程经验、理论分析和仿真分析等手段，提高并校核所述加载板的刚强度，直至总体标准偏差σ_P降至相对最优值。

4.根据权利要求3所述的标定调整方法，其特征在于：

步骤一中传感器的最大量程应不小于满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍，且所选用传感器在满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍范围下的测量误差应不高于10％；

当所述测量误差超出10％时，需要在步骤一之前对所述传感器进行步骤0，以获得所述传感器的误差修正函数；

步骤0：标定测试，其步骤如下：

步骤0-1：所述压力测试纸的标定测试，其步骤如下：

步骤0-1-1，将所述压力测试纸平整放置于压力试验机加载柱正下方；所述压力测试纸的表面积不小于所述加载柱的底面积；以至压力测试纸满足预设围压σ₀要求量程的1.3倍为标定区间，以等间距划分获得不同的标定测试压力P₁₁，以相同的加载速度完成加载测试；当加载至给定的标定测试压力P₁₁时，保持该压力值至少5分钟，再读取所述压力测试纸的压力读数值P₁₂；

步骤0-1-2，当所述加载柱缓慢卸荷至零后，测量获得给定标定测试压力P₁₁下的所述压力测试纸上的压力读数值P₁₂；

步骤0-1-3，反复执行步骤0-1-1与步骤0-1-2，绘制出多组标定测试点，采用最小二乘法拟合标定测试点，获得所述压力测试纸的误差修正函数f₁，获得所述压力测试纸上的压力读数值P₁₂的修正值f₁(P₁₂)；

步骤0-2：所述垫片式压力传感器的标定测试，包括步骤如下：

步骤0-2-1，将所述垫片式压力传感器平整放置于压力试验机的承压板中心；所述压力试验机以相同的加载速度逐次加载至不同的标定测试压力P₂₁；当加载至给定的标定测试压力P₂₁时，保持该压力值至少5分钟，再读取所述垫片式压力传感器的压力读数值P₂₂；

步骤0-2-2，在以压力读数值P₂₂为横坐标轴，标定测试压力P₂₁为纵坐标轴的笛卡尔坐标系中，绘制出各标定测试点；

步骤0-2-3，反复执行步骤0-2-1与步骤0-2-2，绘制出多组标定测试点，采用最小二乘法拟合上述标定测试点，获得所述垫片式压力传感器的误差修正函数f₂，以及压力读数值P₂₂的修正值f₂(P₂₂)。

5.根据权利要求4所述的标定调整方法，其特征在于：

在步骤0-1-1中，在承压板中心平整放置用于标定的完整岩石试样块；所述完整岩石试样块的上方平整放置有压力测试纸。

6.根据权利要求4所述的标定调整方法，其特征在于：

在步骤0-1-2中，采用如下步骤统计获得所述压力测试纸上的压力读数值P₁₂：

步骤0-1-2-1：所述压力测试纸上所述测试区域的最外周环状区域舍去，随后将所述测试区域剩余的区域定义为压力测试纸的有效区域；

步骤0-1-2-2：所述有效区域的最外周环状区域均匀划分出测试网格，而所述有效区域余下的内周区域均匀划分出相对较为稀疏的测试网格；测量每个测试网格中心处的颜色密度值，获得压力读数值样本；

步骤0-1-2-3：对所述压力读数值样本进行统计学分析，剔除异常样本，求取剩余压力读数值样本的均值作为压力读数值P₁₂。

7.根据权利要求3所述的标定调整方法，其特征在于：

步骤五中，最终装配工艺参数，还包括最后一次预安装过程中，各所述锁紧螺杆的实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆。

8.根据权利要求3所述的标定调整方法，其特征在于：

步骤4-1中，采用两点法进行寻优；可求出补偿e_σσ₀所需的理论最大温度间隔量ΔT_max，如下式表示：

则寻优范围的两个端点为T和

9.根据权利要求3所述的标定调整方法，其特征在于：

步骤4-2中，可以从实测拉力值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅和F₆中选取一个接近平均值F的实测拉力值作为中位数，以其为参考，调整其他5根所述锁紧螺杆的预紧力F_t0。

10.根据权利要求3所述的标定调整方法，其特征在于：

步骤4-3中，当预设围压σ₀处于高水平范围时，对加载板进行结构优化设计与校核，使得加载板的最大扰度y_max小于许用值[y]。

Images