CN114235582B - 模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，步骤为：步骤一：改造承压垫块，在承压垫块上加工导向滑槽；步骤二：增设临空面隔油板，在临空面隔油板上加工导向滑轨；步骤三：加工制作岩石试样；步骤四：装夹定位岩石试样；步骤五：对岩石试样涂抹密封胶；步骤六：对密封胶进行烘干；步骤七：安装LVDT位移传感器和临空面隔油板；步骤八：开展真三轴压缩试验。本发明的模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，考虑了地下工程开挖边界岩石受力状态中的单面临空，满足五面加载、两刚一柔的真三轴试验条件，可使获取的地下工程开挖边界岩石强度特征和变形特征更加贴近真实值，为地下工程设计和灾害防控提供设计参数和理论基础。

Description

模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法。
背景技术
岩体是地下采矿、水电硐室开挖、非常规地质能源开采等地下工程对象的天然载体，工程开挖使得岩体的初始应力状态发生变化，当应力达到峰值强度时，岩石进入峰后变形阶段并发生破坏，而开挖边界岩石的强度特性和变形特征则直接影响到围岩的破坏领域和破坏形态，对于地下工程设计和灾害防控具有重要意义。
岩石的全应力-应变曲线是强度特性和变形特征的外在反映，主要通过岩石力学试验设备开展室内单轴、双轴、常规三轴和真三轴压缩试验获取。但是，现阶段在用于岩石力学试验的设备和方法中，绝大多数都未考虑地下工程开挖边界岩石受力状态中的单面临空，而少数设备和方法中虽然考虑了单面临空，但为了避免岩样破坏后夹具互相接触影响试验结果真实性的情况，不得不预留空白角(即夹具尺寸小于岩样尺寸造成的加载间隙)，从而导致加载过程中不能完全向岩石试样的受力面施加荷载。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，考虑了地下工程开挖边界岩石受力状态中的单面临空，同时满足五面加载、两刚一柔的真三轴试验条件，可使获取的地下工程开挖边界岩石强度特征和变形特征更加贴近真实值，为地下工程设计和灾害防控提供了设计参数和理论基础。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，包括如下步骤：
步骤一：改造承压垫块，在承压垫块上加工导向滑槽；
步骤二：增设临空面隔油板，在临空面隔油板上加工导向滑轨；
步骤三：加工制作岩石试样；
步骤四：装夹定位岩石试样；
步骤五：对岩石试样涂抹密封胶；
步骤六：对密封胶进行烘干；
步骤七：安装LVDT位移传感器和临空面隔油板；
步骤八：开展真三轴压缩试验。
在步骤一中，将四块承压垫块依次记为第一承压垫块、第二承压垫块、第三承压垫块及第四承压垫块，其中第一承压垫块和第三承压垫块作为最大主应力方向上的承压垫块，第二承压垫块和第四承压垫块作为中间主应力方向上的承压垫块；改造方式为：在位于岩石试样临空侧的第一承压垫块和第三承压垫块外表面加工导向滑槽，且该导向滑槽与最大主应力方向相平行；在位于岩石试样临空侧的第二承压垫块和第四承压垫块外表面加工导向滑槽，且该导向滑槽与中间主应力方向相平行。
在步骤二中，临空面隔油板采用矩形结构，在临空面隔油板的中心加工圆孔，在临空面隔油板一侧表面沿圆孔的周向加工四处导向滑轨，其中两处导向滑轨分别与第一承压垫块和第三承压垫块外表面的导向滑槽配合使用，另两处导向滑轨分别与第二承压垫块和第四承压垫块外表面的导向滑槽配合使用。
在步骤三中，岩石试样由采集于地下工程开挖边界的岩块制作，采用间隔取样方式在岩块上获取岩石试样，用以降低岩石试样的离散性，并将岩石试样加工成方形；采用游标卡尺对岩石试样的尺寸进行测量，采用电子分析天平对岩石试样的质量进行测量，采用波速测试仪对岩石试样的波速进行测量；选择尺寸、质量、波速相近的岩石试样作为试验用岩样，用以进一步降低岩石试样的离散性。
在步骤四中，将改造好的承压垫块与岩石试样进行涂胶前的装夹，装夹岩石试样前，准备一块调整垫板，调整垫板的尺寸与岩石试样的待涂胶表面的尺寸相同，调整垫板的厚度等于承压垫块与岩石试样厚度差值的一半；将调整垫板放置在岩石试样下部，再将岩石试样连同下部的调整垫板送入夹具内进行装夹；首先将四块承压垫块及岩石试样夹紧固定，使四块承压垫块上加工有导向滑槽的表面朝下，再通过锁紧螺栓依次将每两个相邻的承压垫块锁紧，此时岩石试样的上、下表面与承压垫块上、下表面的距离相等；装夹完成后，需在每个阶梯槽内加装密封橡胶条，密封橡胶条的直径大于阶梯槽的槽高，密封橡胶条的长度等于承压垫块的高度。
在步骤五中，首先从岩石试样顶端开始涂胶，涂胶范围包括岩石试样裸露在外的全部表面、每个承压垫块的凹槽倒角及阶梯槽内密封橡胶条的全部外表面；然后通过刮板刮平压实密封胶的上表面，且密封胶的上表面与承压垫块的上表面相平齐；松开夹具，将单面涂胶后的岩石试样与承压垫块组合体从夹具中取出，岩石试样未涂胶的裸露面作为临空面。
在步骤六中，将单面涂胶后的岩石试样及承压垫块组合体送入恒温箱中烘干，待密封胶全部烘干完毕后取出组合体。
在步骤七中，将三套LVDT位移传感器依次记为第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器及第三LVDT位移传感器；将第一LVDT位移传感器安装到第一承压垫块与第三承压垫块之间，且第一LVDT位移传感器与最大主应力方向相平行；将第二LVDT位移传感器安装到第二承压垫块和第四承压垫块之间，且第二LVDT位移传感器与中间主应力方向相平行；将临空面隔油板安装到单面涂胶后的岩石试样与承压垫块组合体的临空面所在侧，保证四处导向滑轨准确嵌合在与之对应的导向滑槽内；将第三LVDT位移传感器一端通过转接架与岩石试样的涂胶面相连，将第三LVDT位移传感器通过转接架并密封穿过临空面隔油板中心处的圆孔与岩石试样的临空面相连。
在步骤八中，将安装好LVDT位移传感器、临空面隔油板的岩石试样与承压垫块组合体送入真三轴压力室内；使第一承压垫块1朝上且第三承压垫块朝下，使第二承压垫块朝左且第四承压垫块朝右，使岩石试样的涂胶面超前；将LVDT位移传感器接入真三轴试验机；封闭真三轴压力室并完成充油；在竖直轴向上施加最大主应力，在水平轴向施加中间主应力，在水平法向施加最小主应力，且最小主应力仅作用在岩石试样的涂胶面，岩石试样在临空面一侧的最小主应力被施加在临空面隔油板上，最终使岩石试样达到五面加载、两刚一柔的真三轴试验条件，在此试验条件下直至岩石试样破坏。
本发明的有益效果：
本发明的模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，考虑了地下工程开挖边界岩石受力状态中的单面临空，同时满足五面加载、两刚一柔的真三轴试验条件，可使获取的地下工程开挖边界岩石强度特征和变形特征更加贴近真实值，为地下工程设计和灾害防控提供了设计参数和理论基础。
附图说明
图1为安装好LVDT位移传感器、临空面隔油板的岩石试样与承压垫块组合体的正视图；
图2为安装好LVDT位移传感器、临空面隔油板的岩石试样与承压垫块组合体的侧视图；
图3为改造后的承压垫块的结构示意图；
图4为临空面隔油板的结构示意图；
图中，1—第一承压垫块，2—第二承压垫块，3—第三承压垫块，4—第四承压垫块，5—导向滑槽，6—临空面隔油板，7—圆孔，8—导向滑轨，9—岩石试样，10—锁紧螺栓，11—密封橡胶条，12—密封胶，13—临空面，14—第一LVDT位移传感器，15—第二LVDT位移传感器，16—第三LVDT位移传感器。
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。
一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，包括如下步骤：
步骤一：改造承压垫块，在承压垫块上加工导向滑槽5，如图3所示；
步骤二：增设临空面隔油板6，在临空面隔油板6上加工导向滑轨8，如图4所示；
步骤三：加工制作岩石试样9；
步骤四：装夹定位岩石试样9；
步骤五：对岩石试样9涂抹密封胶12；
步骤六：对密封胶12进行烘干；
步骤七：安装LVDT位移传感器和临空面隔油板6；
步骤八：开展真三轴压缩试验。
在步骤一中，将四块承压垫块依次记为第一承压垫块1、第二承压垫块2、第三承压垫块3及第四承压垫块4，其中第一承压垫块1和第三承压垫块3作为最大主应力方向上的承压垫块，第二承压垫块2和第四承压垫块4作为中间主应力方向上的承压垫块；改造方式为：在位于岩石试样临空侧的第一承压垫块1和第三承压垫块3外表面加工导向滑槽5，且该导向滑槽5与最大主应力方向相平行；在位于岩石试样临空侧的第二承压垫块2和第四承压垫块4外表面加工导向滑槽5，且该导向滑槽5与中间主应力方向相平行。
在步骤二中，临空面隔油板6采用矩形结构，在临空面隔油板6的中心加工圆孔7，在临空面隔油板6一侧表面沿圆孔7的周向加工四处导向滑轨8，其中两处导向滑轨8分别与第一承压垫块1和第三承压垫块3外表面的导向滑槽5配合使用，另两处导向滑轨8分别与第二承压垫块2和第四承压垫块4外表面的导向滑槽5配合使用。
在步骤三中，岩石试样9由采集于地下工程开挖边界的岩块制作，采用间隔取样方式在岩块上获取岩石试样9，用以降低岩石试样9的离散性，并将岩石试样9加工成方形；采用游标卡尺对岩石试样9的尺寸进行测量，采用电子分析天平对岩石试样9的质量进行测量，采用波速测试仪对岩石试样9的波速进行测量；选择尺寸、质量、波速相近的岩石试样9作为试验用岩样，用以进一步降低岩石试样9的离散性。
在步骤四中，将改造好的承压垫块与岩石试样9进行涂胶前的装夹，装夹岩石试样9前，准备一块调整垫板，调整垫板的尺寸与岩石试样的待涂胶表面的尺寸相同，调整垫板的厚度等于承压垫块与岩石试样厚度差值的一半；将调整垫板放置在岩石试样9下部，再将岩石试样连同下部的调整垫板送入夹具内进行装夹；首先将四块承压垫块及岩石试样9夹紧固定，使四块承压垫块上加工有导向滑槽5的表面朝下，再通过锁紧螺栓10依次将每两个相邻的承压垫块锁紧，此时岩石试样的上、下表面与承压垫块上、下表面的距离相等；装夹完成后，需在每个阶梯槽内加装密封橡胶条11，密封橡胶条11的直径大于阶梯槽的槽高，密封橡胶条11的长度等于承压垫块的高度。
在步骤五中，首先从岩石试样9顶端开始涂胶，涂胶范围包括岩石试样9裸露在外的全部表面、每个承压垫块的凹槽倒角及阶梯槽内密封橡胶条11的全部外表面；然后通过刮板刮平压实密封胶12的上表面，且密封胶12的上表面与承压垫块的上表面相平齐；松开夹具，将单面涂胶后的岩石试样9与承压垫块组合体从夹具中取出，岩石试样9未涂胶的裸露面作为临空面13。
在步骤六中，将单面涂胶后的岩石试样9及承压垫块组合体送入恒温箱中烘干，待密封胶全部烘干完毕后取出组合体。
在步骤七中，将三套LVDT位移传感器依次记为第一LVDT位移传感器14、第二LVDT位移传感器15及第三LVDT位移传感器16；将第一LVDT位移传感器14安装到第一承压垫块1与第三承压垫块3之间，且第一LVDT位移传感器14与最大主应力方向相平行；将第二LVDT位移传感器15安装到第二承压垫块2和第四承压垫块4之间，且第二LVDT位移传感器15与中间主应力方向相平行；将临空面隔油板6安装到单面涂胶后的岩石试样9与承压垫块组合体的临空面13所在侧，保证四处导向滑轨8准确嵌合在与之对应的导向滑槽5内；将第三LVDT位移传感器16一端通过转接架与岩石试样9的涂胶面相连，将第三LVDT位移传感器16通过转接架并密封穿过临空面隔油板6中心处的圆孔7与岩石试样9的临空面13相连。
在步骤八中，将如图1、2所示的安装好LVDT位移传感器、临空面隔油板6的岩石试样9与承压垫块组合体送入真三轴压力室内；使第一承压垫块1朝上且第三承压垫块3朝下，使第二承压垫块2朝左且第四承压垫块4朝右，使岩石试样9的涂胶面超前；将LVDT位移传感器接入真三轴试验机；封闭真三轴压力室并完成充油；在竖直轴向上施加最大主应力，在水平轴向施加中间主应力，在水平法向施加最小主应力，且最小主应力仅作用在岩石试样9的涂胶面，岩石试样9在临空面13一侧的最小主应力被施加在临空面隔油板6上，最终使岩石试样9达到五面加载、两刚一柔的真三轴试验条件，在此试验条件下直至岩石试样9破坏。
本实施例中，岩石试样9采用尺寸为100mm×50mm×50mm的标准方形试样；承压垫块与岩石试样9的厚度差值为10mm；利用公式σ1-σ3＝F/W·H、ε1＝ΔL1/L、ε2＝ΔL2/L及ε3＝ΔL3/L计算岩石试样9的应力和应变；式中，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，F为试样负荷，ε1为最大主应力方向应变，ε2为中间主应力方向应变，ε3为最小主应力方向应变，L为试样长度，W为试样宽度，H为试样高度，ΔL1为最大主应力方向的变形量，ΔL2为中间主应力方向的变形量，ΔL3为最小主应力方向的变形量。
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 (7)

1.一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：改造承压垫块，在承压垫块上加工导向滑槽；将四块承压垫块依次记为第一承压垫块、第二承压垫块、第三承压垫块及第四承压垫块，其中第一承压垫块和第三承压垫块作为最大主应力方向上的承压垫块，第二承压垫块和第四承压垫块作为中间主应力方向上的承压垫块；改造方式为：在位于岩石试样临空侧的第一承压垫块和第三承压垫块外表面加工导向滑槽，且该导向滑槽与最大主应力方向相平行；在位于岩石试样临空侧的第二承压垫块和第四承压垫块外表面加工导向滑槽，且该导向滑槽与中间主应力方向相平行；
步骤二：增设临空面隔油板，在临空面隔油板上加工导向滑轨；临空面隔油板采用矩形结构，在临空面隔油板的中心加工圆孔，在临空面隔油板一侧表面沿圆孔的周向加工四处导向滑轨，其中两处导向滑轨分别与第一承压垫块和第三承压垫块外表面的导向滑槽配合使用，另两处导向滑轨分别与第二承压垫块和第四承压垫块外表面的导向滑槽配合使用；
步骤三：加工制作岩石试样；
步骤四：装夹定位岩石试样；
步骤五：对岩石试样涂抹密封胶；
步骤六：对密封胶进行烘干；
步骤七：安装LVDT位移传感器和临空面隔油板；
步骤八：开展真三轴压缩试验。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于：在步骤三中，岩石试样由采集于地下工程开挖边界的岩块制作，采用间隔取样方式在岩块上获取岩石试样，用以降低岩石试样的离散性，并将岩石试样加工成方形；采用游标卡尺对岩石试样的尺寸进行测量，采用电子分析天平对岩石试样的质量进行测量，采用波速测试仪对岩石试样的波速进行测量；选择尺寸、质量、波速相近的岩石试样作为试验用岩样，用以进一步降低岩石试样的离散性。
3.根据权利要求2所述的一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于：在步骤四中，将改造好的承压垫块与岩石试样进行涂胶前的装夹，装夹岩石试样前，准备一块调整垫板，调整垫板的尺寸与岩石试样的待涂胶表面的尺寸相同，调整垫板的厚度等于承压垫块与岩石试样厚度差值的一半；将调整垫板放置在岩石试样下部，再将岩石试样连同下部的调整垫板送入夹具内进行装夹；首先将四块承压垫块及岩石试样夹紧固定，使四块承压垫块上加工有导向滑槽的表面朝下，再通过锁紧螺栓依次将每两个相邻的承压垫块锁紧，此时岩石试样的上、下表面与承压垫块上、下表面的距离相等；装夹完成后，需在每个阶梯槽内加装密封橡胶条，密封橡胶条的直径大于阶梯槽的槽高，密封橡胶条的长度等于承压垫块的高度。
4.根据权利要求3所述的一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于：在步骤五中，首先从岩石试样顶端开始涂胶，涂胶范围包括岩石试样裸露在外的全部表面、每个承压垫块的凹槽倒角及阶梯槽内密封橡胶条的全部外表面；然后通过刮板刮平压实密封胶的上表面，且密封胶的上表面与承压垫块的上表面相平齐；松开夹具，将单面涂胶后的岩石试样与承压垫块组合体从夹具中取出，岩石试样未涂胶的裸露面作为临空面。
5.根据权利要求4所述的一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于：在步骤六中，将单面涂胶后的岩石试样及承压垫块组合体送入恒温箱中烘干，待密封胶全部烘干完毕后取出组合体。
6.根据权利要求5所述的一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于：在步骤七中，将三套LVDT位移传感器依次记为第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器及第三LVDT位移传感器；将第一LVDT位移传感器安装到第一承压垫块与第三承压垫块之间，且第一LVDT位移传感器与最大主应力方向相平行；将第二LVDT位移传感器安装到第二承压垫块和第四承压垫块之间，且第二LVDT位移传感器与中间主应力方向相平行；将临空面隔油板安装到单面涂胶后的岩石试样与承压垫块组合体的临空面所在侧，保证四处导向滑轨准确嵌合在与之对应的导向滑槽内；将第三LVDT位移传感器一端通过转接架与岩石试样的涂胶面相连，将第三LVDT位移传感器通过转接架并密封穿过临空面隔油板中心处的圆孔与岩石试样的临空面相连。
7.根据权利要求6所述的一种模拟地下工程开挖边界岩石受力状态的真三轴试验方法，其特征在于：在步骤八中，将安装好LVDT位移传感器、临空面隔油板的岩石试样与承压垫块组合体送入真三轴压力室内；使第一承压垫块朝上且第三承压垫块朝下，使第二承压垫块朝左且第四承压垫块朝右，使岩石试样的涂胶面超前；将LVDT位移传感器接入真三轴试验机；封闭真三轴压力室并完成充油；在竖直轴向上施加最大主应力，在水平轴向施加中间主应力，在水平法向施加最小主应力，且最小主应力仅作用在岩石试样的涂胶面，岩石试样在临空面一侧的最小主应力被施加在临空面隔油板上，最终使岩石试样达到五面加载、两刚一柔的真三轴试验条件，在此试验条件下直至岩石试样破坏。
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