一种可外装试样的岩石真三轴试验方法

摘要

本发明公开了一种可外装试样的岩石真三轴试验方法，通过将X向加载框架移出并安装试样组件，在将其推进主机Z向加载工作台中，结合Y向加载工作台对试样组件进行真三轴加载，加载过程中，可测量微小位移，及施加的加载力，加载试验完成后，加载工作台依次退出，拆卸安装小车上的试样组件，并关闭设备的管路及电源。本发明的主机垂直方向采用四柱式结构，两个水平方向采用整体铸造的加载框架，该装置结构稳定、刚度大；加载框架采用可滑动设计，可在外部进行装样和调试，活动空间大，便于安装和操作。

权利要求

1.一种可外装试样的岩石真三轴试验方法，包括如下具体步骤：

步骤（一）、检查线路、管路是否连接完好并进行调试；

步骤（二）、通过驱动Y向支撑架推移装置（212）推动Y向加载框架（213），将Y向加载工作台（2）推进Z向加载工作台（3）中；

步骤（三）、将试样按要求组装成试样组件，将岩样安装小车（7）退至X向支撑架（4）一侧的分支滑轨上，并安装在岩样安装小车（7）上，再将装有试样组件的岩样安装小车（7）通过分支滑轨推入X向加载框架（101）中；

步骤（四）、连同岩样安装小车（7）一起，将X向加载框架（101）沿着X向支撑架（4）上的X向框架导轨（401）推进Z向加载工作台（3）中；

步骤（五）、驱动轴向下油缸（314），通过轴向下活塞杆（311）和轴向下活塞（313）向上运动，推动Z向下压块（308）向上移动，从而托举载有试样组件的岩样安装小车（7）上升，直至试样组件的中心和水平设置的X向第一加载油缸、X向第二加载油缸以及Y向油缸（211）处于同一水平面上；

步骤（六）、驱动轴向上油缸（301），使得Z向上压块（307）向下运动，直至接触试样组件的上表面，通过轴向下油缸（314）和轴向上油缸（301）将试样组件连同岩样安装小车（7）固定住；

步骤（七）、驱动X向第一加载油缸、X向第二加载油缸、连接杆（201）及Y向油缸（211），从而推动X向第一传压柱（111）、X向压板（113）、Y向第一压块（204）及Y向第二压块（205）分别接触试样组件的四个侧表面；

步骤（八）、由于X向第一加载油缸为扰动油缸，若无需进行扰动加载，则轴向下油缸（314）、X向第一加载油缸以及连接杆（201）不动，通过驱动轴向上油缸（301）、X向第二加载油缸和Y向油缸（211）对试样组件进行加载试验；若需要进行扰动加载，则轴向下油缸（314）及连接杆（201）不动，通过驱动轴向上油缸（301）、X向第一加载油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸（211）对试样组件进行加载试验，并记录实验数据；

步骤（九）、加载过程中，由于自平衡作用，X向加载框架（101）及Y向加载框架（213）在水平方向上发生微小位移，并分别由X向位移测量装置（117）及Y向位移测量装置（209）测出微小位移量，且由X向第一传感器（108）及X向第二传感器（115）测出X向加载工作台（1）施加的加载力，由Y向第一传感器（207）测出Y向加载工作台（2）施加的加载力，由Z向第一传感器（303）测出Z向加载工作台（3）施加的加载力；

步骤（十）、加载试验完成后，根据是否进行扰动加载，首先撤走X向第一加载油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸（211）的加载，或者首先撤走X向第二加载油缸和Y向油缸（211）的加载；再撤走轴向上油缸（301）的加载，然后X向加载框架（101）及Y向加载框架（213）卸去自平衡作用自动回到自然状态位置处，轴向下油缸（314）下降直至落到Z向加载工作台（3）的底部，而载有试样组件的岩样安装小车（7）落在X向加载工作（1）上；

步骤（十一）、驱动X向支撑架推移装置（402）将X向加载框架（101）连同载有试样组件的岩样安装小车（7）一同推移至X向支撑架（4）的外侧尾部，且将载有试样组件的岩样安装小车（7）退回至X向支撑架（4）一侧的分支滑轨上；驱动Y向支撑架推移装置（212）将Y向加载框架（213）推移至Y向支撑架（5）的外侧尾部；

步骤（十二）、拆卸安装小车（7）上的试样组件，并关闭设备的管路及电源。

说明书

一种可外装试样的岩石真三轴试验方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩石三轴试验设备领域，涉及一种可外装试样的岩石真三轴试验方法。

背景技术

[0002] 在天然条件下，地壳和工程岩体是在复杂的组合应力状态下产生变形和破坏的。岩体是一种复杂的地质体，处于复杂的三维应力场中，岩体破坏通常是由于其所赋存的应力状态发生改变引起的。常规三轴岩石力学试验一般都是对岩石施加一定的围压，然后保持围压不变(即σ2＝σ3)增加最大主应力σ1使岩石发生破坏，这种试验方法只能研究轴对称的应力状态，不适用于中间主应力对岩体强度和变形的影响。真三轴试验可以解决常规三轴试验不能反映的复杂应力路径的演化问题，通过主应力σ1，σ2，σ3的独立变化，可以体现岩体实际受荷情况。

[0003] 岩石(特别是可溶于水的岩石，如岩盐、石膏、石灰岩等)的应力、溶解耦合过程研究是国际岩石力学领域最前沿的课题之一，是核废料地下处置、地下能源储存、地下二氧化碳储存、地热开发、石油开采、坝基、边坡、硐室等众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一，具有十分重要的研究意义。在岩石工程的安全性的诸多影响因素中，水是最活跃的一个因素，对于岩石，特别是可溶于水的岩石，其力学性质和溶解特性相互作用，相互影响：一方面，由于在一定的应力和应力变化作用下岩石发生塑性变形，从而产生不同尺度的裂隙，当岩石与水溶液接触时，由于裂隙的不断产生和扩展，岩石的溶蚀过程发生了变化；另一方面，由于水溶液对岩石裂隙产生溶蚀作用，从而进一步使裂隙开度增大，对岩石的力学性质产生影响。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种可外装试样的岩石真三轴试验方法，本发明的主机垂直方向采用四柱式结构，两个水平方向采用整体铸造的加载框架，该装置结构稳定、刚度大；加载框架采用可滑动设计，可在外部进行装样和调试，活动空间大，便于安装和操作。

[0005] 为了解决以上技术问题，本发明提供一种可外装试样的岩石真三轴试验方法，包括如下具体步骤：

[0006] 步骤(一)、检查线路、管路是否连接完好并进行调试；

[0007] 步骤(二)、通过驱动Y向支撑架推移装置推动Y向加载框架，将Y向加载工作台推进Z向加载工作台中；

[0008] 步骤(三)、将试样按要求组装成试样组件，将岩样安装小车退至X向支撑架一侧的分支滑轨上，并安装在岩样安装小车上，再将装有试样组件的岩样安装小车通过分支滑轨推入X向加载框架中；

[0009] 步骤(四)、连同岩样安装小车一起，将X向加载框架沿着X向支撑架上的X向框架导轨推进Z向加载工作台中；

[0010] 步骤(五)、驱动轴向下油缸，通过轴向下活塞杆和轴向下活塞向上运动，推动Z向下压块向上移动，从而托举载有试样组件的岩样安装小车上升，直至试样组件的中心和水平设置的X向第一加载油缸、X向第二加载油缸以及Y向油缸处于同一水平面上；

[0011] 步骤(六)、驱动轴向上油缸，使得Z向上压块向下运动，直至接触试样组件的上表面，通过轴向下油缸和轴向上油缸将试样组件连同岩样安装小车固定住；

[0012] 步骤(七)、驱动X向第一加载油缸、X向第二加载油缸、连接杆及Y向油缸，从而推动X向第一传压柱、X向压板、Y向第一压块及Y向第二压块分别接触试样组件的四个侧表面；

[0013] 步骤(八)、由于X向第一加载油缸为扰动油缸，若无需进行扰动加载，则轴向下油缸、X向第一加载油缸以及连接杆不动，通过驱动轴向上油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸对试样组件进行加载试验；若需要进行扰动加载，则轴向下油缸及连接杆不动，通过驱动轴向上油缸、X向第一加载油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸对试样组件进行加载试验，并记录实验数据；

[0014] 步骤(九)、加载过程中，由于自平衡作用，X向加载框架及Y向加载框架在水平方向上发生微小位移，并分别由X向位移测量装置及Y向位移测量装置测出微小位移量，且由X向第一传感器及X向第二传感器测出X向加载工作台施加的加载力，由Y向第一传感器测出Y向加载工作台施加的加载力，由Z向第一传感器测出Z向加载工作台施加的加载力；

[0015] 步骤(十)、加载试验完成后，根据是否进行扰动加载，首先撤走X向第一加载油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸的加载，或者首先撤走X向第二加载油缸和Y向油缸的加载；再撤走轴向上油缸的加载，然后X向加载框架及Y向加载框架卸去自平衡作用自动回到自然状态位置处，轴向下油缸下降直至落到Z向加载工作台的底部，而载有试样组件的岩样安装小车落在X向加载工作上；

[0016] 步骤(十一)、驱动X向支撑架推移装置将X向加载框架连同载有试样组件的岩样安装小车一同推移至X向支撑架的外侧尾部，且将载有试样组件的岩样安装小车退回至X向支撑架一侧的分支滑轨上；驱动Y向支撑架推移装置将Y向加载框架推移至Y向支撑架的外侧尾部；

[0017] 步骤(十二)、拆卸安装小车上的试样组件，并关闭设备的管路及电源。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 本发明设计的岩石真三轴试验系统，主机垂直方向采用四柱式结构，两个水平方向采用整体铸造的加载框架，该结构形式外型美观、刚度大；控制系统采用全数字伺服控制器，控制精度高、保护功能全、可靠性能强，并且可以实现试验力、变形、位移等三种方式的闭环控制，以及可以完成三种控制方式的平滑切换。电液伺服阀具有响应快、抗污染能力强等特点。试验装置的计算机系统具有良好的人机界面，可以显示试验力、位移、变形(垂直方向、两个水平方向)、控制方式、加载速率等多种试验和测量参数以及多种试验曲线。试验完成后可以显示试验结果，进行曲线分析，打印试验报告，数据导出文本和excel等格式。采用测控器与电子计算机相结合，使用操作非常简单方便。

附图说明

[0020] 图1为本发明的俯视图；

[0021] 图2为本发明的侧视图；

[0022] 图3为X向加载工作台的结构示意图；

[0023] 图4为Y向加载工作台的结构示意图；

[0024] 图5为Z向加载工作台的结构示意图；

[0025] 其中，1-X向加载工作台，2-Y向加载工作台，3-Z向加载工作台，4-X向支撑架，5-Y向支撑架，6-Z向支撑架，7-岩样安装小车；101-X向加载框架，102-X向加载框架车轮，103-X向加载框架吊环，104-下垫块，105-上垫块，106-X向第一活塞杆，107-X向传压板，108-X向第一传感器，109-旋臂，110-X向传压杆，111-X向第一传压柱，112-X向传压内轴，113-X向压板，114-X向关节轴承，115-X向第二传感器，116-X向第二活塞杆，117-X向位移测量装置；201-连接杆，202-Y向第一传压柱，203-Y向第一关节轴承，204-Y向第一压块，205-Y向第二压块，206-Y向第二关节轴承，207-Y向第一传感器，208-Y向传压板，209-Y向位移测量装置，
210-Y向活塞杆，211-Y向油缸，212-Y向支撑架推移装置，213-Y向加载框架；301-轴向上油缸，302-上位移测量装置，303-Z向第一传感器，304-Z向上传压板，305-Z向上关节轴承，
306-Z向上垫板，307-Z向上压块，308-Z向下压块，309-下位移测量装置，310-Z向下垫板，
311-轴向下活塞杆，312-加油口，313-轴向下活塞，314-轴向下油缸，315-过渡导轨；401-X向框架导轨，402-X向支撑架推移装置。

具体实施方式

[0026] 实施例1

[0027] 本实施例提供一种可外装试样的岩石真三轴试验装置，结构如图1、图2所示，包括均水平设置并互相垂直安装的X向支撑架4和Y向支撑架5，Z向支撑架6垂直X向支撑架4和Y向支撑架5沿竖直方向设置，X向支撑架4上安装有X向加载工作台1，X向加载工作台1可沿X向支撑架4的设置方向进行滑动，Y向支撑架5上安装有Y向加载工作台2，Y向加载工作台2可沿Y向支撑架5的设置方向进行滑动，Z向支撑架6上安装有Z向加载工作台3，Z向加载工作台3可沿Z向支撑架6的设置方向进行滑动；

[0028] 如图3所示，X向加载工作台1包括内部中空的X向加载框架101，X向加载框架101可滑动的安装在X向支撑架4上，X向加载框架101内部设有X向岩样位置处，X向岩样位置处下方设有下垫块104，其上方设有上垫块105；X向岩样位置处沿X向支撑架4的设置方向上的两侧分别水平设有X向第一加载油缸和X向第二加载油缸，X向第一加载油缸包括X向第一活塞杆106，X向第一活塞杆106端部连接X向传压板107，X向传压板107连接X向传压杆110，X向传压板107上还安装有X向第一传感器108，X向传压杆110连接X向传压内轴112，X向传压内轴112外侧设有X向第一传压柱111，X向第一传压柱111侧壁连接旋臂109，X向第一传压柱111外端部接近X向岩样位置处；X向第二加载油缸包括X向第二活塞杆116，X向第二活塞杆116端部连接X向第二传感器115，X向第二活塞杆116的侧壁上安装X向位移测量装置117，X向第二传感器115连接X向关节轴承114，X向关节轴承114端面安装X向压板113，X向压板113外端面接近X向岩样位置处；

[0029] 如图4所示，Y向加载工作台2包括内部中空的Y向加载框架213，Y向加载框架213可滑动的安装在Y向支撑架5上，Y向加载框架213内部设有Y向岩样位置处，Y向岩样位置处沿Y向支撑架5的设置方向上的两侧分别水平设有连接杆201和Y向油缸211，连接杆201一端连接Y向加载框架213，其另一端连接Y向第一传压柱202，Y向第一传压柱202的外端部安装Y向第一关节轴承203，Y向第一关节轴承203外侧连接Y向第一压块204，Y向第一压块204的外侧端面接近Y向岩样位置处；Y向油缸211固定安装在Y向加载框架213中，Y向油缸211包括Y向活塞杆210，Y向活塞杆210的外端部连接Y向传压板208，Y向传压板208的另一侧连接Y向第一传感器207，Y向传压板208的侧壁上安装Y向位移测量装置209，Y向第一传感器207的外侧安装有Y向第二关节轴承206，Y向第二关节轴承206外端部连接Y向第二压块205，Y向第二压块205的外侧端面接近Y向岩样位置处；

[0030] 如图5所示，Z向加载工作台3包括设于中部的Z向岩样位置处，Z向岩样位置处的上方设有轴向上油缸301，Z向岩样位置处的下方设有轴向下油缸314，轴向上油缸301的活塞杆朝下的外侧端部连接Z向上传压板304，Z向上传压板304的下端面连接Z向第一传感器303，Z向上传压板304侧壁上安装上位移测量装置302，Z向第一传感器303的下侧端面安装有Z向上关节轴承305，Z向上关节轴承305的下侧连接Z向上垫板306，Z向上垫板306下侧端面连接Z向上压块307；轴向下油缸314包括连接在一起的轴向下活塞313和轴向下活塞杆
311，轴向下活塞杆311上侧端面连接Z向下垫板310，Z向下垫板310的侧壁上安装有下位移测量装置309，Z向下垫板310上端面连接Z向下压块308。

[0031] 前述位移测量装置可采用位移传感器进行测量微小位移变化。前述X向支撑架4的一侧连接有分支滑轨，分支滑轨水平设置并垂直X向支撑架4，分支滑轨上设有岩样安装小车7，岩样安装小车7可沿分支滑轨滑入X向加载框架101中。前述Z向支撑架6包括4根竖直设置的相同的立柱。前述X向加载框架101下方设有X向加载框架车轮102，其上方设有X向加载框架吊环103，X向支撑架4的上方设有X向框架导轨401，X向加载框架车轮102与X向框架导轨401相配合。前述X向支撑架4的外侧端部安装有X向支撑架推移装置402，该推移装置采用推移液压缸或伺服电机，X向支撑架推移装置402连接X向加载框架101。前述旋臂109安装在X向加载框架101的侧壁上。

[0032] 前述Y向加载工作台2一侧端部与Y向支撑架5的一侧端部之间安装有Y向支撑架推移装置212，该推移装置采用推移液压缸或伺服电机。前述轴向下油缸314侧壁上设有加油口312。前述Y向加载工作台2与Y向支撑架5之间设有平行的过渡导轨315。

[0033] 实施例2

[0034] 本实施例提供一种可外装试样的岩石真三轴试验方法，包括如下具体步骤：

[0035] 步骤(一)、检查线路、管路是否连接完好并进行调试；

[0036] 步骤(二)、通过驱动Y向支撑架推移装置212推动Y向加载框架213，将Y向加载工作台2推进Z向加载工作台3中；

[0037] 步骤(三)、将试样按要求组装成试样组件，将岩样安装小车7退至X向支撑架4一侧的分支滑轨上，并安装在岩样安装小车7上，再将装有试样组件的岩样安装小车7通过分支滑轨推入X向加载框架101中；

[0038] 步骤(四)、连同岩样安装小车7一起，将X向加载框架101沿着X向支撑架4上的X向框架导轨401推进Z向加载工作台3中；

[0039] 步骤(五)、驱动轴向下油缸314，通过轴向下活塞杆311和轴向下活塞313向上运动，推动Z向下压块308向上移动，从而托举载有试样组件的岩样安装小车7上升，直至试样组件的中心和水平设置的X向第一加载油缸、X向第二加载油缸以及Y向油缸211处于同一水平面上；

[0040] 步骤(六)、驱动轴向上油缸301，使得Z向上压块307向下运动，直至接触试样组件的上表面，通过轴向下油缸314和轴向上油缸301将试样组件连同岩样安装小车7固定住；

[0041] 步骤(七)、驱动X向第一加载油缸、X向第二加载油缸、连接杆201及Y向油缸211，从而推动X向第一传压柱111、X向压板113、Y向第一压块204及Y向第二压块205分别接触试样组件的四个侧表面；

[0042] 步骤(八)、由于X向第一加载油缸为扰动油缸，若无需进行扰动加载，则轴向下油缸314、X向第一加载油缸以及连接杆201不动，通过驱动轴向上油缸301、X向第二加载油缸和Y向油缸211对试样组件进行加载试验；若需要进行扰动加载，则轴向下油缸314及连接杆201不动，通过驱动轴向上油缸301、X向第一加载油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸211对试样组件进行加载试验，并记录实验数据；

[0043] 步骤(九)、加载过程中，由于自平衡作用，X向加载框架101及Y向加载框架213在水平方向上发生微小位移，并分别由X向位移测量装置117及Y向位移测量装置209测出微小位移量，且由X向第一传感器108及X向第二传感器115测出X向加载工作台1施加的加载力，由Y向第一传感器207测出Y向加载工作台2施加的加载力，由Z向第一传感器303测出Z向加载工作台3施加的加载力；

[0044] 步骤(十)、加载试验完成后，根据是否进行扰动加载，首先撤走X向第一加载油缸、X向第二加载油缸和Y向油缸211的加载，或者首先撤走X向第二加载油缸和Y向油缸211的加载；再撤走轴向上油缸301的加载，然后X向加载框架101及Y向加载框架213卸去自平衡作用自动回到自然状态位置处，轴向下油缸314下降直至落到Z向加载工作台3的底部，而载有试样组件的岩样安装小车7落在X向加载工作1上；

[0045] 步骤(十一)、驱动X向支撑架推移装置402将X向加载框架101连同载有试样组件的岩样安装小车7一同推移至X向支撑架4的外侧尾部，且将载有试样组件的岩样安装小车7退回至X向支撑架4一侧的分支滑轨上；驱动Y向支撑架推移装置212将Y向加载框架213推移至Y向支撑架5的外侧尾部；

[0046] 步骤(十二)、拆卸安装小车7上的试样组件，并关闭设备的管路及电源。

[0047] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。