CN112903456A - 一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，步骤为：将岩石试样、互扣式夹具及特制的变形测量传感器装置组装形成试样组合体；将试样组合体送入真三轴试验系统的压力室内；将变形测量传感器装置接入真三轴试验系统的最大主应力和中间主应力的控制器；封闭压力室，充油加压，以应力控加载到初始应力水平，以伺服变形控反馈最大主应力，以应力控逐渐加载中间主应力，以应力控逐渐降低最小主应力；当最大主应力加载到预定主应力方向变换位置时，切换伺服变形控反馈中间主应力，使中间主应力逐渐增大，直到超过最大主应力，实现最大主应力和中间主应力方向的变换；当岩石加载到最终破坏时，试验完成；导出数据采集系统记录的数据，对试验数据进行分析。

Description

一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法
技术领域
本发明属于岩石真三轴试验技术领域，特别是涉及一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法。
背景技术
随着隧道开挖和地下开采深度的增加，高地应力作用越加凸显，应力调整幅度更大、变化更复杂，导致围岩破坏程度更剧烈，这常常伴随着高强度岩爆、大变形等重大工程灾害，严重威胁人员和施工安全，造成巨大的经济损失。实际上，地下工程开挖后的应力调整包括两个方面：应力幅值变化和应力方向变化。目前，关于岩石工程的室内试验研究大多集中在应力幅值的改变上，忽略了应力方向变化对岩石破坏的影响，这对分析开挖诱导地下工程围岩破坏及其机理显然是不充分的。同时，地下工程开挖过程中应力方向实时动态调整已经得到证实，在地下工程表层围岩附近，应力调整大，岩体处于高风险破坏区，一旦该区域岩体发生破坏，应力的调整过程往往会延续到峰后，导致峰后阶段各个主应力之间存在相互转换的可能。
然而，至今主应力变换诱导岩石破坏的机理一直停滞于数值模拟阶段，还未曾在室内试验得以实现。因此，开展岩石峰后应力调整的试验十分必要，以帮助人们认识主应力变换作用下的岩石变形破坏特征，以更好的分析研究主应力变换诱导岩石破坏的作用机理，进而为深入认识理解工程岩体在主应力变换作用下的破裂机理和采取适当的预防措施提供借鉴和指导。
由于主应力变换试验的实现依赖于真三轴试验设备，但目前的真三轴应力控加载方式捕捉不到岩石的峰后破坏特征和完整的应力应变曲线，导致研究工作受阻。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，适用于“两刚一柔”型真三轴试验系统，试验中采用了一种全新设计的变形测量传感器装置，该变形测量传感器装置能够将岩石的变形信息同时反馈给最大主应力和中间主应力的控制器，可以实现伺服变形控的自由切换，保证了岩石能够在真三轴加卸载和主应力变换路径下得到峰后破坏特征和完整的应力应变曲线，为进一步研究岩石在主应力方向变化下的力学特性和破坏特征提供了可能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，包括如下步骤：
步骤一：先将岩石试样与互扣式夹具装配到一起，然后将特制的变形测量传感器装置安装到岩石试样与互扣式夹具之间，并形成试样组合体；
步骤二：先将试样组合体送入真三轴试验系统的压力室内，然后将试样组合体内的变形测量传感器装置的信号传输线与真三轴试验系统的最大主应力和中间主应力的控制器连接在一起；
步骤三：先封闭压力室，然后充油加压，并以应力控加载到初始应力水平，再以伺服变形控反馈最大主应力，以应力控逐渐加载中间主应力，以应力控逐渐降低最小主应力；当最大主应力加载到预定主应力方向变换位置时，切换伺服变形控反馈中间主应力，使中间主应力逐渐增大，直到超过最大主应力，最终实现最大主应力和中间主应力方向的变换；当岩石加载到最终破坏时，试验完成；
步骤四：导出数据采集系统记录的数据，对试验数据进行分析。
所述的变形测量传感器装置包括第一V型金属杆、第二V型金属杆、第一U型金属杆、第二U型金属杆、第一圆柱型磁铁、第二圆柱型磁铁、第三圆柱型磁铁、第四圆柱型磁铁、第一应变片、第二应变片、第一定位金属杆及第二定位金属杆；所述第一圆柱型磁铁固装在岩石试样的第一柔性加载面的中部，所述第二圆柱型磁铁固装在岩石试样的第二柔性加载面的中部；所述第三圆柱型磁铁固装在第一V型金属杆的尖端，第三圆柱型磁铁与第一圆柱型磁铁磁吸连接配合；所述第四圆柱型磁铁固装在第二V型金属的尖端，第四圆柱型磁铁与第二圆柱型磁铁磁吸连接配合；所述第一V型金属杆与第二V型金属杆平行分布且彼此正对；所述第一V型金属杆一端与同侧的第二V型金属杆一端之间通过第一U型金属杆固定连接，且第一U型金属杆的支臂与第一V型金属杆和第二V型金属杆之间均通过螺钉进行固定连接；所述第一V型金属杆另一端与同侧的第二V型金属杆另一端之间通过第二U型金属杆固定连接，且第二U型金属杆的支臂与第一V型金属杆和第二V型金属杆之间均通过螺钉进行固定连接；所述第一应变片固定贴装在第一U型金属杆的底梁表面，第一应变片通过数据传输线连接有第一数据接头；所述第二应变片固定贴装在第二U型金属杆的底梁表面，第二应变片通过数据传输线连接有第二数据接头；所述第一定位金属杆及第二定位金属杆均垂直固装在互扣式夹具的金属压块上，所述第一V型金属杆和第二V型金属杆同侧的两条支臂同时与第一定位金属杆抵靠接触滑动配合，所述第一V型金属杆和第二V型金属杆同侧的另两条支臂同时与第二定位金属杆抵靠接触滑动配合。
本发明的有益效果：
本发明的主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，适用于“两刚一柔”型真三轴试验系统，试验中采用了一种全新设计的变形测量传感器装置，该变形测量传感器装置能够将岩石的变形信息同时反馈给最大主应力和中间主应力的控制器，可以实现伺服变形控的自由切换，保证了岩石能够在真三轴加卸载和主应力变换路径下得到峰后破坏特征和完整的应力应变曲线，为进一步研究岩石在主应力方向变化下的力学特性和破坏特征提供了可能。
附图说明
图1为本发明的试样组合体的结构示意图；
图2为图1中A向视图；
图3为图1中B向视图；
图4为本发明的变形测量传感器装置的结构示意图；
图5为图4中C向视图；
图6为图4中D向视图；
图7为变形测量传感器装置接入真三轴试验系统后的伺服控制原理示意图；
图中，1—岩石试样，2—互扣式夹具，3—变形测量传感器装置，4—第一V型金属杆，5—第二V型金属杆，6—第一U型金属杆，7—第二U型金属杆，8—第一圆柱型磁铁，9—第二圆柱型磁铁，10—第三圆柱型磁铁，11—第四圆柱型磁铁，12—第一应变片，13—第二应变片，14—第一定位金属杆，15—第二定位金属杆，16—第一数据接头，17—第二数据接头。
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。
一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，包括如下步骤：
步骤一：先将岩石试样1与互扣式夹具2装配到一起，然后将图4～6所示特制的变形测量传感器装置3安装到岩石试样1与互扣式夹具2之间，并形成图1～3所示的试样组合体；
步骤二：先将试样组合体送入真三轴试验系统的压力室内，然后将试样组合体内的变形测量传感器装置3的信号传输线与真三轴试验系统的最大主应力和中间主应力的控制器连接在一起，如图7所示；
步骤三：先封闭压力室，然后充油加压，并以应力控加载到初始应力水平，再以伺服变形控反馈最大主应力，以应力控逐渐加载中间主应力，以应力控逐渐降低最小主应力；当最大主应力加载到预定主应力方向变换位置时，切换伺服变形控反馈中间主应力，使中间主应力逐渐增大，直到超过最大主应力，最终实现最大主应力和中间主应力方向的变换；当岩石加载到最终破坏时，试验完成；
步骤四：导出数据采集系统记录的数据，对试验数据进行分析。
本实施例中，真三轴试验系统的最大主应力和中间主应力的控制器型号为DOLI-EDC，该型号的控制器能够稳定可靠的采集数据，并将数据传输到计算机的软件端实时显示。具体的，将变形测量传感器装置3内的第一应变片12通过数据传输线和第一数据接头16接入最大主应力的控制器，同时将变形测量传感器装置3内的第二应变片13通过数据传输线和第二数据接头17接入中间主应力的控制器，以满足最大主应力和中间主应力的伺服变形控的自由切换要求。
所述的变形测量传感器装置3包括第一V型金属杆4、第二V型金属杆5、第一U型金属杆6、第二U型金属杆7、第一圆柱型磁铁8、第二圆柱型磁铁9、第三圆柱型磁铁10、第四圆柱型磁铁11、第一应变片12、第二应变片13、第一定位金属杆14及第二定位金属杆15；所述第一圆柱型磁铁8固装在岩石试样1的第一柔性加载面的中部，所述第二圆柱型磁铁9固装在岩石试样1的第二柔性加载面的中部；所述第三圆柱型磁铁10固装在第一V型金属杆4的尖端，第三圆柱型磁铁10与第一圆柱型磁铁8磁吸连接配合；所述第四圆柱型磁铁11固装在第二V型金属杆5的尖端，第四圆柱型磁铁11与第二圆柱型磁铁9磁吸连接配合；所述第一V型金属杆4与第二V型金属杆5平行分布且彼此正对；所述第一V型金属杆4一端与同侧的第二V型金属杆5一端之间通过第一U型金属杆6固定连接，且第一U型金属杆6的支臂与第一V型金属杆4和第二V型金属杆5之间均通过螺钉进行固定连接；所述第一V型金属杆4另一端与同侧的第二V型金属杆5另一端之间通过第二U型金属杆7固定连接，且第二U型金属杆7的支臂与第一V型金属杆4和第二V型金属杆5之间均通过螺钉进行固定连接；所述第一应变片12固定贴装在第一U型金属杆6的底梁表面，第一应变片12通过数据传输线连接有第一数据接头16；所述第二应变片13固定贴装在第二U型金属杆7的底梁表面，第二应变片13通过数据传输线连接有第二数据接头17；所述第一定位金属杆14及第二定位金属杆15均垂直固装在互扣式夹具2的金属压块上，所述第一V型金属杆4和第二V型金属杆5同侧的两条支臂同时与第一定位金属杆14抵靠接触滑动配合，所述第一V型金属杆4和第二V型金属杆5同侧的另两条支臂同时与第二定位金属杆15抵靠接触滑动配合。
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 (2)

1.一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：先将岩石试样与互扣式夹具装配到一起，然后将特制的变形测量传感器装置安装到岩石试样与互扣式夹具之间，并形成试样组合体；
步骤二：先将试样组合体送入真三轴试验系统的压力室内，然后将试样组合体内的变形测量传感器装置的信号传输线与真三轴试验系统的最大主应力和中间主应力的控制器连接在一起；
步骤三：先封闭压力室，然后充油加压，并以应力控加载到初始应力水平，再以伺服变形控反馈最大主应力，以应力控逐渐加载中间主应力，以应力控逐渐降低最小主应力；当最大主应力加载到预定主应力方向变换位置时，切换伺服变形控反馈中间主应力，使中间主应力逐渐增大，直到超过最大主应力，最终实现最大主应力和中间主应力方向的变换；当岩石加载到最终破坏时，试验完成；
步骤四：导出采集系统记录的数据，对试验数据进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种主应力可变换的真三轴加卸载试验方法，其特征在于：所述的变形测量传感器装置包括第一V型金属杆、第二V型金属杆、第一U型金属杆、第二U型金属杆、第一圆柱型磁铁、第二圆柱型磁铁、第三圆柱型磁铁、第四圆柱型磁铁、第一应变片、第二应变片、第一定位金属杆及第二定位金属杆；所述第一圆柱型磁铁固装在岩石试样的第一柔性加载面的中部，所述第二圆柱型磁铁固装在岩石试样的第二柔性加载面的中部；所述第三圆柱型磁铁固装在第一V型金属杆的尖端，第三圆柱型磁铁与第一圆柱型磁铁磁吸连接配合；所述第四圆柱型磁铁固装在第二V型金属的尖端，第四圆柱型磁铁与第二圆柱型磁铁磁吸连接配合；所述第一V型金属杆与第二V型金属杆平行分布且彼此正对；所述第一V型金属杆一端与同侧的第二V型金属杆一端之间通过第一U型金属杆固定连接，且第一U型金属杆的支臂与第一V型金属杆和第二V型金属杆之间均通过螺钉进行固定连接；所述第一V型金属杆另一端与同侧的第二V型金属杆另一端之间通过第二U型金属杆固定连接，且第二U型金属杆的支臂与第一V型金属杆和第二V型金属杆之间均通过螺钉进行固定连接；所述第一应变片固定贴装在第一U型金属杆的底梁表面，第一应变片通过数据传输线连接有第一数据接头；所述第二应变片固定贴装在第二U型金属杆的底梁表面，第二应变片通过数据传输线连接有第二数据接头；所述第一定位金属杆及第二定位金属杆均垂直固装在互扣式夹具的金属压块上，所述第一V型金属杆和第二V型金属杆同侧的两条支臂同时与第一定位金属杆抵靠接触滑动配合，所述第一V型金属杆和第二V型金属杆同侧的另两条支臂同时与第二定位金属杆抵靠接触滑动配合。
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