恒定侧向刚度常规三轴试验装置及其试验方法

摘要

本发明提供一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置及其试验方法，包括用于给岩石试件施加围压的围压加载系统、用于给岩石试件施加轴向压力的轴压加载系统、用于监测岩石试件所承受围压大小的围压监测系统、用于监测岩石试件所承受轴向压力大小的轴压监测系统、用于测量岩石试件侧向变形大小的侧向变形测量系统、用于测量岩石试件轴向变形大小的轴向变形测量系统和计算机控制系统，围压加载系统、轴压加载系统、围压监测系统、轴压监测系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统电连接。本发明设计巧妙，结构合理，具有广阔应用前景。

权利要求

1.一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置，其特征在于，包括用于给岩石试件施加围压的围压加载系统、用于给岩石试件施加轴向压力的轴压加载系统、用于监测岩石试件所承受围压大小的围压监测系统、用于监测岩石试件所承受轴向压力大小的轴压监测系统、用于测量岩石试件侧向变形大小的侧向变形测量系统、用于测量岩石试件轴向变形大小的轴向变形测量系统和计算机控制系统，围压加载系统、轴压加载系统、围压监测系统、轴压监测系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统电连接；

所述围压加载系统包括用于放置岩石试件且用于对岩石试件进行加载的三轴压力室以及与三轴压力室连接且用于给三轴压力室提供油压的第一伺服油源；

所述轴压加载系统包括加载框架、液压油缸以及用于驱动液压油缸给岩石试件施加轴向压力的第二伺服油源，所述液压油缸固定加载框架上；

所述围压监测系统包括用于测量三轴压力室内液压大小的液压传感器以及围压数据采集仪，所述液压传感器安装在三轴压力室内，围压数据采集仪记录液压数据后并将液压数据传递至计算机控制系统；

所述轴压监测系统包括用于测量岩石试件受到轴向压力大小的压力传感器和轴压数据采集仪，轴压数据采集仪记录岩石试件的轴压数据后并将其传递至计算机控制系统；

所述侧向变形测量系统包括用于测量岩石试件侧向变形的应变传感器以及应变数据采集仪，所述的应变数据采集仪记录岩石试件侧向变形数据后并将其传递至计算机控制系统；

所述轴向变形测量系统包括用于测量岩石试件轴向变形的位移计以及位移数据采集仪，所述位移数据采集仪记录岩石试件轴向变形数据后并将其传递至计算机控制系统；

所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据，所述控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载；

还包括非均匀加载装置，设置在加载岩石试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面的两侧。

2.一种利用如权利要求1所述的一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤如下：（1）首先，选用圆柱形的岩石试件套上防油乳胶套，并将其置于三轴压力室内；（2）然后通过围压加载系统对岩石试件施加围压；（3）再借助轴压加载系统对岩石试件施加轴向压力 ；（4）在施加轴向压力的过程中实时测量岩石试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；（5）最后，收集试验过程中记录和输出岩石试件的围压、轴压、侧向变形和轴向变形数据。

说明书

恒定侧向刚度常规三轴试验装置及其试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置及其试验方法。

背景技术

[0002] 在研究岩石的本构特性的过程中，需要对岩石试件进行三轴加载试验。现有的三轴试验装置，包括真三轴试验装置和常规三轴试验装置两大类。

[0003] 岩石真三轴试验系统一般采用立方体岩石试件，通过施加三个方向不等的压力(即 )，能够模拟三轴应力不等条件下岩石的力学特性。相对于常规三轴试验，真三轴能够再现自然环境中岩石所处的应力环境，因此，则更能解释自然应力状态下岩石变形与破坏的力学形为与机理。

[0004] 常规三轴试验装置一般采用圆柱岩石试件，通过压力机施加轴向压力，通过液压试验机配三轴压力腔施加侧向压力（即围压），达到两个方向不等压状态(即 )。相对于真三轴试验，具有试验操作和数据分析简单，试验结果直观的特点，被广泛用于测量岩石的基本力学参数。

[0005] 在工程现场，岩石在某一方向受到的压力增加时，在该方向（即轴向）会产生压缩变形，根据泊松效应，其侧向必然产生扩张变形，岩石在侧向变形从而挤压周围岩体的过程中，又必然受到周围岩体按特定比例（由岩体刚度控制）增加的反作用力，而侧向受力的大小又会直接影响岩石的多个力学参数。

[0006] 另外，由于工程现场围岩受力是非均匀的，随埋深的增加受力增大。然而现有的试验机加载时，每个加载面只能施加均匀应力，导致岩石破坏规律不准确，缺乏便捷的非均匀加载装置。

[0007] 针对上述现象进行试验研究对于岩土工程安全具有重要意义，然而，现有的试验设备不能实现根据岩石试件的变形来不断改变岩石试件的侧向压力。

发明内容

[0008] 本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置及其试验方法，结构简单，能根据岩石试件的变形来不断改变岩石试件的侧向压力，为岩土工程的设计和施工提供更准确的数据。

[0009] 本发明的具体实施方案是：提供一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置，包括用于给岩石试件施加围压的围压加载系统、用于给岩石试件施加轴向压力的轴压加载系统、用于监测岩石试件所承受围压大小的围压监测系统、用于监测岩石试件所承受轴向压力大小的轴压监测系统、用于测量岩石试件侧向变形大小的侧向变形测量系统、用于测量岩石试件轴向变形大小的轴向变形测量系统和计算机控制系统，围压加载系统、轴压加载系统、围压监测系统、轴压监测系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统电连接；

[0010] 所述围压加载系统包括用于放置岩石试件且用于对岩石试件进行加载的三轴压力室以及与三轴压力室连接且用于给三轴压力室提供油压的第一伺服油源；

[0011] 所述轴压加载系统包括加载框架、液压油缸以及用于驱动液压油缸给岩石试件施加轴向压力的第二伺服油源，所述液压油缸固定加载框架上；

[0012] 所述围压监测系统包括用于测量三轴压力室内液压大小的液压传感器以及围压数据采集仪，所述液压传感器安装在三轴压力室内，围压数据采集仪记录液压数据后并将液压数据传递至计算机控制系统；

[0013] 所述轴压监测系统包括用于测量岩石试件受到轴向压力大小的压力传感器和轴压数据采集仪，轴压数据采集仪记录岩石试件的轴压数据后并将其传递至计算机控制系统；

[0014] 所述侧向变形测量系统包括用于测量岩石试件侧向变形的应变传感器以及应变数据采集仪，所述的应变数据采集仪记录岩石试件侧向变形数据后并将其传递至计算机控制系统；

[0015] 所述轴向变形测量系统包括用于测量岩石试件轴向变形的位移计以及位移数据采集仪，所述位移数据采集仪记录岩石试件轴向变形数据后并将其传递至计算机控制系统。

[0016] 进一步的，所述计算机控制系统包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据，所述的控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载。

[0017] 进一步的，所述的恒定侧向刚度常规三轴试验装置，还包括非均匀加载装置，设置在加载岩石试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面的两侧。加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。

[0018] 进一步的，一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置的试验方法，包括步骤如下：（1）首先，选用圆柱形的岩石试件套上防油乳胶套，并将其置于三轴压力室内；（2）然后通过围压加载系统对岩石试件施加围压；（3）再借助轴压加载系统对岩石试件施加轴向压力 ；（4）在施加轴向压力的过程中实时测量岩石试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束；（5）最后，收集试验过程中记录和输出岩石试件的围压、轴压、侧向变形和轴向变形数据。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构合理，设计巧妙，实现了恒定侧向刚度边界条件下的加载试验，能根据岩石试件的变形来不断改变岩石试件的侧向压力，更真实的再现和测试岩石在工程现场的物理力学性质，为岩土工程的设计和施工提供更准确的数据。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例装置整体结构示意图；

[0021] 图2为本发明实施例恒定侧向刚度控制原理示意图；

[0022] 图3为本发明实施例岩石试件在轴向压力作用下产生侧向变形的示意图；

[0023] 图4为本发明实施例非均匀加载装置第一种形式的截面示意图；

[0024] 图5为本发明实施例非均匀加载装置第二种形式的截面示意图。

[0025] 图中： A‑围压加载系统，B‑轴压加载系统，C‑围压监测系统，D‑轴压监测系统，E‑侧向变形测量系统，F‑轴向变形测量系统，G‑计算机控制系统，1‑岩石试件，2‑三轴压力室，3‑材料一，4‑材料二，5‑贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0027] 实施例1：如图1 5所示，本实施例中，提供一种恒定侧向刚度常规三轴试验装置，~包括用于给岩石试件施加围压的围压加载系统A、用于给岩石试件1施加轴向压力的轴压加载系统B、用于监测岩石试件所承受围压大小的围压监测系统C、用于监测岩石试件所承受轴向压力大小的轴压监测系统D、用于测量岩石试件侧向变形大小的侧向变形测量系统E、用于测量岩石试件轴向变形大小的轴向变形测量系统F和计算机控制系统，围压加载系统、轴压加载系统、围压监测系统、轴压监测系统、侧向变形测量系统及轴向变形测量系统均与计算机控制系统电连接；

[0028] 所述围压加载系统A包括用于放置岩石试件且用于对岩石试件进行加载的三轴压力室2以及与三轴压力室连接且用于给三轴压力室提供油压的第一伺服油源；

[0029] 所述轴压加载系统B包括加载框架、液压油缸以及用于驱动液压油缸给岩石试件施加轴向压力的第二伺服油源，所述液压油缸固定加载框架上；

[0030] 所述围压监测系统C包括用于测量三轴压力室内液压大小的液压传感器以及围压数据采集仪，所述液压传感器安装在三轴压力室内，围压数据采集仪记录液压数据后并将液压数据传递至计算机控制系统；

[0031] 所述轴压监测系统D包括用于测量岩石试件1受到轴向压力大小的压力传感器和轴压数据采集仪，轴压数据采集仪记录岩石试件的轴压数据后并将其传递至计算机控制系统；

[0032] 所述侧向变形测量系统E包括用于测量岩石试件侧向变形的应变传感器以及应变数据采集仪，所述的应变数据采集仪记录岩石试件侧向变形数据后并将其传递至计算机控制系统；

[0033] 所述轴向变形测量系统F包括用于测量岩石试件轴向变形的位移计以及位移数据采集仪，所述位移数据采集仪记录岩石试件轴向变形数据后并将其传递至计算机控制系统。

[0034] 所述的恒定侧向刚度常规三轴试验装置，还包括非均匀加载装置，设置在加载岩石试件表面，包括至少两种不同弹性模量的材料，包括材料一3和材料二4，两种材料分布在贯穿整个非均匀加载装置上下的斜面5的两侧。加载装置对试件加载时首先将作用力加载非均匀加载装置上，由于各个位置弹性模量不同且连续变化，可将均匀加载变换为连续的非均匀力。

[0035] 本实施例中，所述计算机控制系统G包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，计算机控制系统用于提供人机交互界面，输入试验数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现恒定侧向刚度边界控制以及显示和输出试验结果；所述数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据，所述的控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制围压加载系统和轴压加载系统按照特定的路径进行加载。

[0036] 本实施例中，试验的时候，首先，可以先选用圆柱形的岩石试件1，并将岩石试件1套上防油乳胶套，并将其置于三轴压力室2内，然后通过围压加载系统对岩石试件施加围压，再借助轴压加载系统对岩石试件施加轴向压力 ，在施加轴向压力的过程中实时测量岩石试件的侧向变形，计算机控制系统根据侧向变形计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压，进而发出指令不断修正围压的大小，直至试验结束，最后，收集试验过程中记录和输出岩石试件的围压、轴压、侧向变形和轴向变形数据。

[0037] 实施例2：本实施例中，将试件随着其本身侧向变形的增加，侧向受力逐渐增加的边界条件，称为恒定侧向刚度边界条件。

[0038] 恒定侧向刚度控制的原理是：通过计算机控制系统输入初始试验数据，控制围压加载系统对岩石试件施加初始围压P0，然后控制轴压加载系统对岩石试件逐渐施加轴向压力；在施加轴向压力的过程中，岩石试件必然产生不断增大的侧向变形 ，参见图3，在轴压加载系统对岩石试件施加轴向压力的过程中，岩石试件必然产生侧向变形，计算机控制系统根据监测得到的岩石试件侧向变形 计算为了保持恒定侧向刚度所需要的围压P，计算公式为 ，其中P0为初始围压， 为岩石试件发生的侧向变形，K为岩石试件的侧向刚度 ，r为岩石试件半径， E为岩石试件弹性
模量， 为岩石试件泊松比；进而通过计算机控制系统发出指令适时修正围压的大小，形成控制循环；在轴压加载的整个过程中，该控制循环不断进行。

[0039] 恒定侧向刚度常规三轴试验装置的原理是：在工程现场，岩石在某一方向受到的压力增加时，必然导致其侧向变形的产生，岩石在侧向变形从而挤压周围岩体的过程中，又必然受到周围岩体不断增加的反作用力，能够产生这种按特定路径增加的反作用力的边界称为恒定侧向刚度边界。本发明所述的试验装置，通过围压加载系统、轴压加载系统、围压监测系统、轴压监测系统、侧向变形测量系统、轴向变形测量系统和计算机控制系统的协作控制，可以根据岩石试件的侧向变形不断改变岩石试件受到的侧向压力（即围压），从而实现恒定侧向刚度边界条件下的加载试验。

[0040] 本发明所述的恒定侧向刚度常规三轴试验装置的优势在于：实现了恒定侧向刚度边界条件下的加载试验，更真实的再现和测试岩石在工程现场的物理力学性质，为岩土工程的设计和施工提供更准确的数据。

[0041] 上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

[0042] 如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

[0043] 同时，上述本发明如果公开或涉及保护互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

[0044] 另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

[0045] 本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

[0046] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。