作者：彭帥
提出問題
地下采礦、水電硐室開挖、非常規(guī)油氣資源開發(fā)等人類工程行為，都極易誘發(fā)地震、巖爆、大規(guī)模塌方等工程災(zāi)害。地殼巖石多處于三向應(yīng)力不等的真三軸應(yīng)力狀態(tài)(Feng 等，2016)，現(xiàn)有絕大多數(shù)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)僅能模擬常規(guī)三軸這種特殊應(yīng)力狀態(tài)，與地下巖體的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)明顯不符，如圖1所示。
此外，在同一加載軸系上僅設(shè)置一個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行主動(dòng)加載，在多軸應(yīng)力條件下無法保證試樣的幾何加載中心不變，進(jìn)而難以得到準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)。可見，巖石真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)開展巖體在復(fù)雜應(yīng)力路徑下的變形和強(qiáng)度特性研究至關(guān)重要。
圖1 真三軸和常規(guī)三軸應(yīng)力狀態(tài)示意圖
解決方案
為了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖石復(fù)雜的多軸應(yīng)力加載條件進(jìn)行模擬，東北大學(xué)提出巖石破裂過程微觀實(shí)時(shí)觀測(cè)真三軸裝置設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)關(guān)注集成壓力室框架剛度設(shè)計(jì)、雙對(duì)中加載和體變測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。由歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司（EPC）提供了一款定制的GDS巖石微觀真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（見圖2）。
圖2 GDS 巖石真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(TTA)
該試驗(yàn)系統(tǒng)采用混合加載的設(shè)計(jì)方式，豎直和水平方向各有兩個(gè)電機(jī)伺服作動(dòng)器，分別用于施加最大主應(yīng)力σ1和中間主應(yīng)力σ2，兩個(gè)高精度壓力體積控制器分別用于施加圍壓σ3和孔隙水壓力，可以實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)力、圍壓和孔壓的獨(dú)立控制。
系統(tǒng)加載框架剛度為1 GN/m，豎直和水平荷載最大可達(dá)32 kN，最大圍壓和孔壓為2 MPa，試樣尺寸為20 mm×5 mm×40 mm。豎向和水平方向配置了4個(gè)LVDT來監(jiān)測(cè)作動(dòng)器位移，還配有4個(gè)內(nèi)置編碼器變形測(cè)量精度高，同時(shí)可以相互驗(yàn)證。在高級(jí)加載模塊中，不僅可以實(shí)現(xiàn)同步對(duì)中加載功能，還可以采用荷載、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多種控制方式，對(duì)小尺寸巖樣進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力路徑下的多軸（單軸、雙軸、常規(guī)三軸、真三軸等）加載試驗(yàn)。三軸壓力室具有透明有機(jī)玻璃可視窗口，與客戶已有微觀顯微系統(tǒng)配合使用，便于單軸和雙軸加載條件下實(shí)時(shí)觀察巖石的破裂過程。
圖3 GDS TTA 試樣安裝圖示
該試驗(yàn)系統(tǒng)在同一方向上設(shè)置了兩個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行同步對(duì)中加載，這種加載方式對(duì)伺服控制的精度要求高，可避免加載過程中的偏心問題。圖4為雙軸條件下單作動(dòng)器加載和雙作動(dòng)器加載結(jié)果對(duì)比的圖示。
圖4 單一作動(dòng)器加載和雙軸同步加載對(duì)比示意圖
結(jié)論及致謝
該試驗(yàn)系統(tǒng)具有控制穩(wěn)定、伺服加載平穩(wěn)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，可以對(duì)不同類型巖石開展復(fù)雜應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度和變形測(cè)試，同時(shí)解決了多軸試驗(yàn)中的偏心加載問題。課題組目前正在進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)整理等工作，相關(guān)研究成果將在后續(xù)論文中發(fā)表。
該試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試和培訓(xùn)過程中，由歐美大地公司和GDS廠家多位工程師提供了技術(shù)支持和幫助，使得設(shè)備可以投入科研使用，在此深表感謝。同時(shí)，希望在以后的項(xiàng)目中可以繼續(xù)合作。
參考文獻(xiàn)
FENG Xia-ting, ZHANG Xi-wei, KONG Rui, et al. A Novel Mogi Type True Triaxial Testing Apparatus and Its Use to Obtain Complete Stress–Strain Curves of Hard Rocks[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, 49(5):1649-1662.
張希巍, 彭帥, 等. 一種用于研究巖石微觀破壞行為的多軸加載試驗(yàn)裝置[P], CN106596280A, 2017.
東北大學(xué)簡(jiǎn)介
東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自2011年獲教育部批準(zhǔn)成立以來，一直致力于開展深部金屬礦山復(fù)雜工程巖體穩(wěn)定性與災(zāi)變?cè)杏莼^程評(píng)價(jià)方法、災(zāi)變控制技術(shù)和安全高效開采技術(shù)研究。
實(shí)驗(yàn)室擁有優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件，自主研發(fā)了多套巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。先后承擔(dān)科研項(xiàng)目100余項(xiàng)，獲得國(guó)家發(fā)明專利60余項(xiàng)，出版專著10余部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇。2016年11月，獲批教育部和國(guó)家外專局“111計(jì)劃”。多年來，與美國(guó)、加拿大、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)建立了良好的合作關(guān)系。
GDS英文版案例：
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