技術(shù)小課堂丨拉壓復(fù)合加載式真三軸研制
為了更準確地模擬深部工程軟巖體所處的真三軸應(yīng)力狀態(tài),同時為研究單向快速卸載條件下的巖石變形破壞機制，本文研制了一種拉伸-壓縮-瞬時卸載復(fù)合加載式軟巖真三軸試驗機。該試驗機由加載框架、電動加載系統(tǒng)、夾具、電磁式瞬時卸載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。該試驗機的創(chuàng)新性和先進性功能有:(1)可實現(xiàn)多種應(yīng)力路徑下的單軸、雙軸、真三軸、巖爆、聲發(fā)射、低頻擾動等試驗；(2)采用電動伺服作動器實現(xiàn)真三軸剛性加載,具有加卸載平穩(wěn)、節(jié)能環(huán)保的特點；(3)加載頭采用球面壓頭，保證加載端面與試樣充分接觸，采用雙層滾排減小端部摩擦效應(yīng)的影響；(4)采用電磁吸盤技術(shù)的瞬時卸載裝置實現(xiàn)快速卸載功能；(5)采用力控制監(jiān)控位移的雙層控制方式，保證在加卸載過程中試樣中心不變，與加載中心重合。最終通過力、位移、變形標定工作后，再進行功能驗證和綜合試驗。結(jié)果表明。該試驗機的準確性、功能性、可靠性滿足軟巖真三軸應(yīng)力條件下的力學(xué)特性研究需求。
PART
深部工程巖體處于真三向應(yīng)力狀態(tài)(σ1>σ2>σ3)。研究表明，中間主應(yīng)力(σ2），對巖體的力學(xué)性質(zhì)影響較大，常規(guī)三軸(σ1>σ2=σ3)力學(xué)試驗已無法準確再現(xiàn)巖體的變形破壞行為。
高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形是困擾隧道與地下工程界的重大地質(zhì)災(zāi)害問題，已成為地下工程的世界性技術(shù)難題。國際巖石工程界普遍需要軟巖真三軸試驗設(shè)備，以解釋軟巖在真實復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形破壞行為和力學(xué)機理。真三軸卸荷試驗作為一種模擬開挖擾動誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要手段而受到廣泛關(guān)注，單向快速卸荷條件下的巖石變形破壞機制也是巖石力學(xué)試驗領(lǐng)域的熱門課題,業(yè)界普遍希望巖石真三軸試驗機引入瞬時卸荷功能。
另外，目前對于應(yīng)力空間第七象限三向拉伸以及其他雙向、三向拉伸區(qū)段的巖石強度理論，大多處于推測階段,缺乏多軸拉伸試驗數(shù)據(jù)驗證。而對于實際工程而言，巷道開挖后距側(cè)墻表面一定距離的巖石單元受力狀態(tài)應(yīng)為“兩壓一拉”，這種應(yīng)力狀態(tài)是巖爆、片幫等地質(zhì)災(zāi)害的誘導(dǎo)因素之一，因此開展巖石拉伸破壞試驗十分必要。
針對深部軟巖巖石力學(xué)問題，國內(nèi)學(xué)者進行了多方位深入的研究，并取得了諸多顯著成果。孫曉明等研制了真三軸軟巖非線性力學(xué)試驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)單軸、雙軸、三軸壓縮試驗，單向拉伸試驗，巖石或結(jié)構(gòu)面剪切試驗，一向拉一向壓一向拉兩向壓等多種組合試驗。張廣清等研制了軟巖真三軸試驗裝置，可實現(xiàn)大尺寸軟巖試樣的三向壓縮試驗。胡縣研制了雙向徐變試驗機，并進行雙向壓縮試驗研究軟巖的多軸力學(xué)特性。
目前，現(xiàn)有的軟巖真三軸試驗機多采用外框架和內(nèi)框架正交布置方式，在外框架的上、下、前、后4個方向上共設(shè)有4個加載油缸，內(nèi)框架采用自平衡結(jié)構(gòu)，并設(shè)有1個加載油缸，以實現(xiàn)真三軸六面受力加載模擬，布置在外框架后側(cè)的加載油缸可以實現(xiàn)單面快速卸荷。
但是，由于現(xiàn)有的軟巖真三軸試驗機采用油缸提供動力，使得加載過程能耗大，且對環(huán)境有一定的污染。再有，現(xiàn)有的軟巖真三軸試驗機的內(nèi)框架采用傳壓柱，這會減小真三軸試驗機的整機剛度，難以獲得巖石試樣的峰后力學(xué)行為。另外，現(xiàn)有的軟巖真三軸試驗機采用油壓提供卸荷動力，這種方式雖然在一定程度上能夠滿足快速卸荷的要求，但油壓卸荷存在資源浪費大且容易污染環(huán)境的缺點。油壓過大時不但對油路管道沖擊大，并且容易發(fā)生危險事故，而且配套的液壓站也存在體積大的弊端，導(dǎo)致空間占用率高且成本增加。最后，現(xiàn)有的軟巖真三軸試驗機大多不能提供三向拉伸試驗平臺，也就無法開展巖石在多軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為研究工作。
基于上述分析，本文研制了拉伸-壓縮-瞬時卸載復(fù)合加載式軟巖真三軸試驗機，模擬深部軟巖體多軸應(yīng)力狀態(tài)，為研究軟巖大變形破壞行為和力學(xué)機理提供了試驗設(shè)備基礎(chǔ)。
PART
(1)3個方向具有獨立的剛性加卸載能力。
(2)具有靜態(tài)加載能力，可獲得軟巖等材料全應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)力-位移曲線、應(yīng)力-時間曲線、力-變形曲線、力-位移曲線、力-時間曲線、變形-時間曲線、位移-時間曲線。
(3)具有力、位移和變形控制方式了，并可平滑切換，加卸載路徑可實現(xiàn)計算機編程控制，具備循環(huán)加卸載功能。
(4)可完成單軸、雙軸、真三軸壓縮、真三軸拉伸、拉伸壓縮復(fù)合(1軸拉伸 2軸壓縮/2軸拉伸 1軸壓縮)、瞬時卸載（巖爆)、聲發(fā)射、低頻擾動等試驗。
(5)采用電磁卸載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個軸指定方向上瞬時卸載，形成自由面。
(6)采用球頭-雙層滾排加載頭，消除試樣加載過程中表面應(yīng)力分布不均和端部摩擦效應(yīng)。
(7)夾具采用互扣式聯(lián)動夾具結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力空白角。
(8)夾具設(shè)有聲發(fā)射傳感器安裝孔，避免外界因素對聲發(fā)射信號產(chǎn)生干擾，進而完成聲發(fā)射試驗。
(9)試驗過程中試樣形心位置不變，與加載軸中心重合。
(1)最大加載能力:
水平X軸：壓縮100kN，拉伸 50kN;
水平Y(jié)軸：壓縮200kN，拉伸 50kN;
垂直Z軸：壓縮300kN，拉伸 50kN。
(2)試驗系統(tǒng)測力精度≤±0.5%示值。
(3)瞬時卸載速率=200kN/s，卸荷行程 20mm。
(4)試樣尺寸：50mmx50mmx100mm。
(5)加載速率：力5N/s~5kN/s，
變形 0.003mm/min~2mm/min，
位移0.01mm/min~50mm/min。
(6)最大主應(yīng)力加載框架剛度1.0GN/m，其余主應(yīng)力加載框架剛度 0.7GN/m。
PART
軟巖真三軸試驗機主要有主機系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成，如圖1所示。
1. 主機系統(tǒng) 2. 電控系統(tǒng) 3. 軟件系統(tǒng)
圖 1 軟巖真三軸試驗機
主機系統(tǒng)主要由Y軸加載框架、XZ 軸加載框架、加載壓頭、夾具、電磁式瞬時卸載機構(gòu)、電動伺服作動器、力傳感器和附件等組成，如圖 2 所示。
1.Y軸加載框架 2.y軸電動伺服作動器
3.加載壓頭和夾具 4.支撐底座
5.Z軸電動伺服作動器 6.XZ軸加載框架
7.電磁式瞬時卸載機構(gòu) 8.X軸電動伺服作動器
9.XZ軸加載框架移動機構(gòu)
圖2主機系統(tǒng)
加載框架采用“口”字形鑄造封閉結(jié)構(gòu)，框架制造后經(jīng)熱處理消除應(yīng)力，然后進行加工，平臺精度高，剛度好，加載框架底部均安裝滾輪和導(dǎo)軌，XZ軸加載框架可自由推出，方便安裝試樣和進行雙軸加載試驗。
載荷加載由電動伺服作動器實現(xiàn)。該作動器是將伺服電機與滾珠絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠-螺母傳動副轉(zhuǎn)換成直線運動，同時將伺服電機精確的轉(zhuǎn)速控制、精確的轉(zhuǎn)數(shù)控制和精確的扭矩控制轉(zhuǎn)變成精確的速度控制、精確的位置控制和精確的推力控制實現(xiàn)試驗機的載荷加載功能。各軸電動伺服作動器固定在加載框架上，力傳感器固定在作動器活塞桿前端。隨活塞桿移動，測量施加載荷值的同時用于閉環(huán)控制。
力傳感器前端安裝球頭-雙層滾排的加載頭，可保證載荷施加均勻的同時消除端部摩擦效應(yīng)。
壓縮夾具采用六面互扣式夾具，保證無應(yīng)力空白角。夾具壓塊具有安裝聲發(fā)射傳感器孔，可擴展聲發(fā)射試驗，詳細結(jié)構(gòu)見 4.1 節(jié)內(nèi)容。
拉伸夾具(見圖3)主要靠高強度煤接膠傳遞拉向載荷，夾具拉桿安裝在加載頭前端法蘭,無需拆卸加載頭，同時拉桿內(nèi)鑲嵌關(guān)節(jié)軸承，同軸兩側(cè)拉桿形成十字鉸接結(jié)構(gòu)，保證試樣受到拉向載荷時,不會產(chǎn)生附加的彎矩和剪切力，避免影響測力精度。
電磁式瞬時卸載機構(gòu)嵌入式安裝在X軸框架上，與加載作動器串聯(lián)，其工作原理詳見4.3節(jié)內(nèi)容。
控制系統(tǒng)所用的控制器采用Doli公司的代表產(chǎn)品，型號為EDCi20，其性價比較高，是數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制的檢測儀器。控制器工作原理為：電控系統(tǒng)給定的電信號與從力傳感器(或位移傳感器)輸出的反饋信號相比較，將此差值信號放大后送至伺服電機驅(qū)動器，從而構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。電控系統(tǒng)框圖如圖 4 所示。
軟件系統(tǒng)為SyncTestExpert多通道靜態(tài)試驗軟件 V1.2中文版試驗軟件，其功能是按巖石材料三軸靜加載試驗的要求，對試驗過程進行控制和對試驗數(shù)據(jù)進行采集、處理。試驗結(jié)束后，可以將試驗曲線和試驗報告打印出來。軟件界面如圖5所示。
PART
為消除應(yīng)力空白角，壓縮夾具采用六面互扣式夾具，如圖6所示，防止在試樣壓縮變形過程中產(chǎn)生應(yīng)力空白角。但是，軟巖在壓縮試驗過程中，特別是峰值后階段，σ3方向會發(fā)生大膨脹變形，隨著試樣的膨脹，夾具 σ2和σ1方向的夾具壓塊會出現(xiàn)縫隙，產(chǎn)生應(yīng)力空白角。為解決該問題，夾具各壓塊的相鄰壓塊之間設(shè)置了 T 形滑塊和滑槽的連接機構(gòu)，使其相對運動方向上具有自由度，其余兩個方向上限制自由度，從而解決應(yīng)力空白角問題。
圖 6 互扣式夾具
為解決應(yīng)力空白角，本試驗機采用互扣式夾具。然而這種方式下會產(chǎn)生較大的切向滑動摩擦力，從而減小直接作用在巖石試樣上的載荷，進而導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)缺乏準確性。另外，由于巖石試樣具有天然非均質(zhì)性，如果巖石試樣加工精度有限，還會導(dǎo)致加載過程中巖石試樣表面產(chǎn)生非均勻且不平行的變形，從而使巖石試樣表面受力不均,進而會影響到巖石試樣的破壞特性。
針對此問題，本試驗機采用球面壓頭與雙層滾排式壓縮傳力加載頭(如圖7所示)。消除切向滑動摩擦力引起的附加載荷，在加載過程中能夠確保巖石試樣表面實現(xiàn)均布載荷。加載頭的垂向和橫向滾排十字交叉分布，前端布置球面壓頭，這3個部件直接采用高剛度、高硬度隔板隔開。
電磁式瞬時卸載裝置(如圖8所示)由2個電磁吸盤、磁盤安裝座、加載作動器安裝座等組成。2個電磁吸盤固定在磁盤安裝座上，磁盤安裝座固定在XZ軸加載框架上，加載作動器安裝座布置在2個電磁吸盤中間，X軸電動伺服作動器固定在加載作動器安裝座上隨其移動。
瞬時卸載裝置的工作原理為：對試樣加載時，前端電磁吸盤吸住加載作動器安裝座，當需要卸載時，前端電磁吸盤退磁，后端電磁吸盤充磁，將加載作動器安裝座吸回，此時試樣和加載作動器的加載桿相互脫離，試樣該端面加載力瞬時卸掉。
同步控制首先需要控制器同步，控制器同步的概念包括同步采集和同步控制。同步控制就是系統(tǒng)中所有的控制器在某一時間點必須統(tǒng)一內(nèi)部時鐘，然后一起執(zhí)行命令。
本文同步控制方式為：試驗機5個控制器之間采用同步線連接，實現(xiàn)同步聯(lián)動，控制方式為位移控制和力控制兩種方式。當試驗過程中控制方式為位移控制時，不管兩根加載軸是聯(lián)動還是獨立加載，均可實現(xiàn)試樣中心的精確定位及穩(wěn)定性。當試驗過程中控制方式為力控制時，實時檢測位移量來實現(xiàn)閉環(huán)控制。這樣，不管兩根加載軸是聯(lián)動還是獨立加載，均可通過檢測位移來實現(xiàn)試樣中心的精確定位。同步控制原理見圖9。
PART
為驗證本試驗機是否滿足研制要求，進行了一系列標定工作和功能驗證工作。
各軸試驗加載力均采用標準力傳感器，按GB/T 16825.1-2002《靜力單軸試驗機的檢驗 第1部分：拉力和(或) 壓力試驗機測力系統(tǒng)的檢驗與校準》標準中的要求進行標定，結(jié)果見表1，標定結(jié)果滿足研制要求。
瞬時卸載裝置采用軟件進行施加滿載保載測試，軟件命令值和反饋值見表2，可以看出，最大載荷能夠達到 100kN，且精度較高。另外進行了瞬時卸載功能驗證，試驗加載力-時間曲線如圖10所示。試驗結(jié)果顯示，卸載用時約0.02s，滿足要求。
另外，從試驗功能的角度，采用巖石材料做了三向壓縮試驗和三向拉伸試驗(如圖11所示)。試驗結(jié)果表明，夾具以及配套工裝都達到了預(yù)期的功能要求。
圖10 加載力-時間關(guān)系
圖 11 壓縮和拉伸試驗圖
為了研究軟巖在真實復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)、單向快速卸荷條件、三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)或壓縮拉伸復(fù)合應(yīng)力狀態(tài))下的變形破壞行為和力學(xué)機理，本文研制了拉伸壓縮-瞬時卸載復(fù)合加載式軟巖真三軸試驗機。該試驗機具有電動加載、消除應(yīng)力空白角、保證試樣受力均勻、單向電磁式瞬時卸載、試驗過程中試樣中心不變等功能特點，同時可實現(xiàn)多種應(yīng)力路徑下的單軸、雙軸、真三軸、巖爆、聲發(fā)射、低頻擾動等試驗。
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