技術小課堂丨拉壓復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的影響；(4)采用電磁吸盤技術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力條件下的力學特性研究需求。
PART
深部工程巖體處于真三向應力狀態(tài)(σ1>σ2>σ3)。研究表明，中間主應力(σ2），對巖體的力學性質(zhì)影響較大，常規(guī)三軸(σ1>σ2=σ3)力學試驗已無法準確再現(xiàn)巖體的變形破壞行為。
高地應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)災害問題，已成為地下工程的世界性技術難題。國際巖石工程界普遍需要軟巖真三軸試驗設備，以解釋軟巖在真實復雜應力狀態(tài)下的變形破壞行為和力學機理。真三軸卸荷試驗作為一種模擬開挖擾動誘發(fā)地質(zhì)災害的重要手段而受到廣泛關注，單向快速卸荷條件下的巖石變形破壞機制也是巖石力學試驗領域的熱門課題,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)應為“兩壓一拉”，這種應力狀態(tài)是巖爆、片幫等地質(zhì)災害的誘導因素之一，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問題，國內(nèi)學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個方向上共設有4個加載油缸，內(nèi)框架采用自平衡結(jié)構，并設有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力狀態(tài)下的力學行為研究工作。
基于上述分析，本文研制了拉伸-壓縮-瞬時卸載復合加載式軟巖真三軸試驗機，模擬深部軟巖體多軸應力狀態(tài)，為研究軟巖大變形破壞行為和力學機理提供了試驗設備基礎。
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力-應變曲線、應力-位移曲線、應力-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，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力分布不均和端部摩擦效應。
(7)夾具采用互扣式聯(lián)動夾具結(jié)構，消除應力空白角。
(8)夾具設有聲發(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)最大主應力加載框架剛度1.0GN/m，其余主應力加載框架剛度 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、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 8.X軸電動伺服作動器
9.XZ軸加載框架移動機構
圖2主機系統(tǒng)
加載框架采用“口”字形鑄造封閉結(jié)構，框架制造后經(jīng)熱處理消除應力，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。
壓縮夾具采用六面互扣式夾具，保證無應力空白角。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)鑲嵌關節(jié)軸承，同軸兩側(cè)拉桿形成十字鉸接結(jié)構，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?？刂破鞴ぷ髟頌椋弘娍叵到y(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)生應力空白角。為解決該問題，夾具各壓塊的相鄰壓塊之間設置了 T 形滑塊和滑槽的連接機構，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，從而解決應力空白角問題。
圖 6 互扣式夾具
為解決應力空白角，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期的功能要求。
圖10 加載力-時間關系
圖 11 壓縮和拉伸試驗圖
為了研究軟巖在真實復雜應力狀態(tài)(三向壓縮應力狀態(tài)、單向快速卸荷條件、三向拉伸應力狀態(tài)或壓縮拉伸復合應力狀態(tài))下的變形破壞行為和力學機理，本文研制了拉伸壓縮-瞬時卸載復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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