脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置及其试验方法

摘要

本发明公开了脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置及其试验方法，该装置由双轴伺服控制实时加卸载系统、应力‑应变监测系统、自动化控制及数据采集系统、声发射监测系统和便携式图像采集及分析系统五大系统组成，可模拟某些情况下地层中的围压状态及地下洞室施工过程中的单边开挖卸载工况；通过应力‑应变监测系统对岩样的整体应力应变水平进行记录；通过自动化控制及数据采集系统对局部单边卸载的速率进行控制与反馈；通过声发射系统、便携式图像采集及分析系统对单边卸载区域和其影响域内产生的裂缝的起裂、扩展及开闭合特性进行全程监测，观察并分析裂缝的形成及扩展机理，为研究由于开挖卸载所引起的洞室边墙劈裂破坏提供理论基础和实验依据。

说明书

技术领域

本发明涉及脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置及其试验方法。

背景技术

随着我国大型水利水电、核电地下工程及隧道与边坡工程的开发建设，在工程实践中遇到了大量的高陡边坡及大型地下洞室的开挖问题。从本质上而言，开挖卸荷即是地应力集中释放的过程，相较于加载条件，其状态下岩体力学特性有着显著区别。尤其对于大面积卸荷，由于地应力释放量大、卸荷量级高、影响范围广，使得工程岩体表现出复杂的力学特征。鉴于卸荷作用而导致的岩体变形破坏现象的普遍存在性，岩体卸荷力学特性已成为国内外学者研究的热点问题。

传统的室内试验方法通常是将天然岩体制成满足一定标准的试件或基于相似性原理建立相应物理模型，并通过记录外荷施加过程中应力应变的变化及宏观尺度下的破坏模式来分析其实验过程中的力学行为。后来，随着测量技术的发展，又以声发射等手段对宏观破裂过程加以印证。上述方法最大的优点是在对称荷载的作用下将试件或模型的变形过程定量地描述出来，以获得岩体力学参数和本构关系曲线，进而从宏观层次上把握研究对象的力学特性。

目前，在室内试验方面，关于岩体卸荷力学特性的研究已经展开，但其大都依托于传统的试验设备及方法，即在多轴加载试验装置的基础上，采用岩样对称面同时卸载的方法。该种处理忽视了实际岩体开挖工程中的单边卸载工况，没有从细观层次考虑卸载情况下岩样的破坏机理，具有一定的局限性，需要我们研制一种脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置及其试验方法。

发明内容

本发明是脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置及其试验方法，目的在于克服传统岩样卸载试验装置的缺陷与不足。根据矿物地质赋存条件下的地应力状态，公开一种可模拟地下洞室施工过程中局部单边开挖卸载工况且能够满足对由单边卸载所引起岩体宏细观破坏行为进行监测的的先进、高效、直观、可靠和安全的试验装置与试验方法。

本发明为解决上述传统卸载试验装置的不足采用以下技术方案：

脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置，包括双轴伺服控制实时加卸载系统、应力-应变监测系统、自动化控制及数据采集系统、声发射监测系统和便携式图像采集及分析系统；应力-应变监测系统、自动化控制及数据采集系统、声发射监测系统和便携式图像采集及分析系统分别与双轴伺服控制实时加卸载系统连接，应力-应变监测系统与自动化控制及数据采集系统连接；

所述的双轴伺服控制实时加卸载系统，通过三路加载系统的协同配合实现对岩样双轴压缩应力状态的模拟；双轴伺服控制实时加卸载系统包括矩形双向反力架，双向反力架的上梁、右梁和左梁上分别设有上部伺服油缸、右侧伺服油缸和左侧伺服油缸，双向反力架的下梁上设有下部支撑杆，上部伺服油缸和下部支撑杆同轴，右侧伺服油缸和左侧伺服油缸同轴，上部伺服油缸、右侧伺服油缸、左侧伺服油缸和下部支撑杆的自由端分别设有上部传压板、右侧传压板、左侧局部传压板和下部承压板，左侧局部传压板嵌套于左侧承压板的中部，上部传压板、右侧传压板、左侧承压板和下部承压板围成压力室，岩样被夹在压力室内，通过不断减小左侧局部传压板上压力的方式实现岩样单边卸载；

所述的应力-应变监测系统，用于记录岩样应力、应变状态的变化，并将采集到的数据传送给自动化控制及数据采集系统；应力-应变监测系统包括设于左侧伺服油缸的活塞杆出口处的水平向压力传感器、设于下部支撑杆下端的竖向压力传感器、设于左侧伺服油缸的活塞杆与左侧局部传压板连接处的局部压力传感器和粘贴于岩样表面的应变片；

所述的自动化控制及数据采集系统，通过输入加卸载过程的控制程序，自动控制双轴伺服控制实时加卸载系统对岩样施加荷载，并接收应力-应变监测系统采集到的岩样应力、应变状态的数据；

所述的声发射监测系统，用于监测岩样内部裂纹的起裂和扩展演化参数；声发射监测系统由声发射探头和声发射处理装置组成，在压力室周围的上部传压板和下部承压板上预留有声发射探头的布置点，利用声发射探头和声发射处理装置监测岩样的声发射变化，并进行三维声发射定位；

所述的便携式图像采集及分析系统，通过对比岩样卸载影响区域表面相同标记点不同时间序列上的位置差异获得其实时全场应变，以分析裂纹的贯通趋势；便携式图像采集及分析系统由图像采集设备、存储设备及图像分析软件组成。

双轴伺服控制实时加卸载系统在水平和竖直两个方向上的最大应力均可达200MPa。

岩样尺寸规格为：150×150×150mm，且在其表面喷洒有黑色与白色相间的油漆。

所述的左侧局部传压板尺寸规格为：70×70×10mm。

上部传压板、右侧传压板和左侧局部传压板均采用万向头连接的方式与各活塞杆连接。

声发射探头的数量为八组，且采用四边形对位布置的方式设置。

图像采集设备采用两组高速CCD镜头。

自动化控制及数据采集系统采用面板式的自动化控制和数据显示。

脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置的试验方法，采用如权利要求1所述的脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一，首先对岩样一侧自由面进行喷漆处理，在其另一侧粘贴应变片并将引出导线与应力-应变监测系统连接，将处理之后的岩样放置于下部承压板之上摆正，调整水平轴和反力架上梁，使上部传压板、右侧传压板、左侧承压板和下部承压板与岩样紧密接触，进行预加载，检测各系统的运行状态；

步骤二，通过上部传压板、右侧传压板分别对岩样施加竖向F_V及水平向荷载F_H，同时通过左侧局部传压板施加局部荷载，大小为F_H，以使得荷载在左侧加载面上均匀分布，其中a为左侧承压板边长，b为左侧局部传压板边长；

步骤三，维持岩样的双向应力状态直至应力、应变值稳定，通过减小左侧局部传压板所传递的荷载来达到对岩样左侧面局部区域的单边卸载，卸载的速度通过双轴伺服控制实时加卸载系统进行控制；以声发射探头、声发射处理装置和图像采集设备记录卸载过程中岩样的声发射现象及其影响范围内裂纹的扩展趋势；

步骤四，对各系统中所捕捉到的整个加卸载过程中应力、应变、起裂和裂纹扩展演化参数的特征信息进行分析，研究单边卸载区域和其影响域内裂缝的起裂和开闭合特性，以及裂缝的形成及扩展机理。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明可模拟岩样在多轴应力条件下的单边卸载，捕捉整个加卸载过程中应力、应变、起裂和裂纹扩展演化参数的特征信息，以便于模拟地下洞室施工过程中局部单边开挖工况，从而进一步分析由单边卸载所引起岩体破坏过程中的宏细观力学行为，为地下工程的稳定性研究提供理论支持。

附图说明

图1是本发明的脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置的结构示意图；

图2是本发明的双轴伺服控制实时加卸载系统的结构示意图；

图3是本发明的左侧局部传压板与左侧承压板的结构示意图。

其中，1-双轴伺服控制实时加卸载系统；2-应力-应变监测系统；3-自动化控制及数据采集系统；4-声发射监测系统；5-便携式图像采集及分析系统；6-双向反力架；7-上部伺服油缸；8-右侧伺服油缸；9-左侧伺服油缸；10-水平向压力传感器；11-竖向压力传感器；12-局部压力传感器；13-上部传压板；14-右侧传压板；15-左侧局部传压板；16-左侧承压板；17-下部承压板；18-声发射探头；19-岩样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1-3所示，脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置，包括双轴伺服控制实时加卸载系统、应力-应变监测系统、自动化控制及数据采集系统、声发射监测系统和便携式图像采集及分析系统；应力-应变监测系统、自动化控制及数据采集系统、声发射监测系统和便携式图像采集及分析系统分别与双轴伺服控制实时加卸载系统连接，应力-应变监测系统与自动化控制及数据采集系统连接；

所述的双轴伺服控制实时加卸载系统，通过三路加载系统的协同配合实现对岩样双轴压缩应力状态的模拟；双轴伺服控制实时加卸载系统包括矩形双向反力架，双向反力架的上梁、右梁和左梁上分别设有上部伺服油缸、右侧伺服油缸和左侧伺服油缸，双向反力架的下梁上设有下部支撑杆，上部伺服油缸和下部支撑杆同轴，右侧伺服油缸和左侧伺服油缸同轴，上部伺服油缸、右侧伺服油缸、左侧伺服油缸和下部支撑杆的自由端分别设有上部传压板、右侧传压板、左侧局部传压板和下部承压板，左侧局部传压板嵌套于左侧承压板的中部，该种布置方式既保证了岩样周边围压的施加，又能够有效进行局部单边卸载；上部传压板、右侧传压板、左侧承压板和下部承压板围成压力室，岩样被夹在压力室内，通过不断减小左侧局部传压板上压力的方式实现岩样单边卸载；其中，双向反力架、上部传压板、右侧传压板、左侧局部传压板和下部承压板均采用大刚度致密材料，保证结构的可靠性；

所述的应力-应变监测系统，用于记录岩样应力、应变状态的变化，并将采集到的数据传送给自动化控制及数据采集系统；应力-应变监测系统包括设于左侧伺服油缸的活塞杆出口处的水平向压力传感器、设于下部支撑杆下端的竖向压力传感器、设于左侧伺服油缸的活塞杆与左侧局部传压板连接处的局部压力传感器和粘贴于岩样表面的应变片；

所述的自动化控制及数据采集系统，通过输入加卸载过程的控制程序，自动控制双轴伺服控制实时加卸载系统对岩样施加荷载，并接收应力-应变监测系统采集到的岩样应力、应变状态的数据；

所述的声发射监测系统，用于监测岩样内部裂纹的起裂和扩展演化参数；声发射监测系统由声发射探头和声发射处理装置组成，在压力室周围的上部传压板和下部承压板上预留有声发射探头的布置点，利用声发射探头和声发射处理装置监测岩样的声发射变化，并进行三维声发射定位；

所述的便携式图像采集及分析系统，通过对比岩样卸载影响区域表面相同标记点不同时间序列上的位置差异获得其实时全场应变，以分析裂纹的贯通趋势；便携式图像采集及分析系统由图像采集设备、存储设备及图像分析软件组成。

双轴伺服控制实时加卸载系统在水平和竖直两个方向上的最大应力均可达200MPa。

岩样尺寸规格为：150×150×150mm，且在其表面喷洒有黑色与白色相间的油漆。

所述的左侧局部传压板尺寸规格为：70×70×10mm。

上部传压板、右侧传压板和左侧局部传压板均采用万向头连接的方式与各活塞杆连接，试验过程中传压板底部采用了万向头的连接方式，克服加卸载过程中岩样表面局部不平整的影响，以获取更为准确的试验数据。

声发射探头的数量为八组，且采用四边形对位布置的方式设置。

图像采集设备采用两组高速CCD镜头。

自动化控制及数据采集系统采用面板式的自动化控制和数据显示。

脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置的试验方法，采用如权利要求1所述的脆性岩体双轴应力状态下单边卸载试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一，首先对岩样一侧自由面进行喷漆处理，在其另一侧粘贴应变片并将引出导线与应力-应变监测系统连接，将处理之后的岩样放置于下部承压板之上摆正，调整水平轴和反力架上梁，使上部传压板、右侧传压板、左侧承压板和下部承压板与岩样紧密接触，进行预加载，检测各系统的运行状态；

步骤二，通过上部传压板、右侧传压板分别对岩样施加竖向F_V及水平向荷载F_H，同时通过左侧局部传压板施加局部荷载，大小为F_H，以使得荷载在左侧加载面上均匀分布，其中a为左侧承压板边长，b为左侧局部传压板边长；

步骤三，维持岩样的双向应力状态直至应力、应变值稳定，通过减小左侧局部传压板所传递的荷载来达到对岩样左侧面局部区域的单边卸载，卸载的速度通过双轴伺服控制实时加卸载系统进行控制；以声发射探头、声发射处理装置和图像采集设备记录卸载过程中岩样的声发射现象及其影响范围内裂纹的扩展趋势；

步骤四，对各系统中所捕捉到的整个加卸载过程中应力、应变、起裂和裂纹扩展演化参数的特征信息进行分析，研究单边卸载区域和其影响域内裂缝的起裂和开闭合特性，以及裂缝的形成及扩展机理。

试验结束后，采用自动的加卸载程序即可将系统所施加荷载全部卸除，将岩样取下以近距离观察其整体破坏模式。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。