基于真三軸試驗(yàn)的可控邊界的柔性加載系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的可控邊界的柔性加載系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了保證室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，盡可能還原能夠模擬巖石真實(shí)原始應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)加載邊界條件尤為重要。試件加載邊界條件主要有兩種:剛性加載和柔性加載。目前實(shí)驗(yàn)室試件的真三軸加載試驗(yàn)大多為剛性加載，即采用分級(jí)傳力塊或普通鋼板，通過液壓油缸把需要模擬的圍巖壓力加載到試件上，這樣試件表面承受的壓力不再是均布荷載，這種給定位移邊界的試驗(yàn)，相當(dāng)于施加了約束條件。當(dāng)施加的壓力達(dá)到一定荷載時(shí)，試件的某一部分可以發(fā)生破壞，但由于另一部分沒有破壞，剛性加載邊界的約束就會(huì)阻止試件的破壞發(fā)生。剛性加載試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)行真三軸加載試驗(yàn)時(shí)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的有效均布加載，不能很好地反映真實(shí)原巖的受力狀態(tài)。
[0003]針對(duì)上述問題，CNlO 1377480A公開了一種用于采場(chǎng)礦壓三維物理模擬試驗(yàn)臺(tái)的柔性加載系統(tǒng)，其是在壓力提供裝置與模型之間設(shè)置充液皮囊來克服剛性加載對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，然而，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素還有真三軸加載出現(xiàn)的邊角效應(yīng)，即巖石真三軸加載試驗(yàn)過程中，需要對(duì)試驗(yàn)盒中的試件施加不同的三維應(yīng)力，如果試件破裂前的變形量大于加載裝置相對(duì)于試件的移動(dòng)量時(shí)(尤其是對(duì)于類巖石試件，塑性強(qiáng)，變形量大)，加載裝置的相鄰鋼板或皮囊將會(huì)發(fā)生擠壓變形，內(nèi)部試件不再受到三維方向的作用力，而變成二維或一維受力，失去了有效的真三軸應(yīng)力加載，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也將變得異常，最終試件不破裂或不因三軸加載而發(fā)生失穩(wěn)破裂，即便是施加傳力塊也會(huì)出現(xiàn)邊角效應(yīng)，影響試件的加載試驗(yàn)效果，無法形象的研究現(xiàn)場(chǎng)巖體的真實(shí)三向受力特征和失穩(wěn)破裂規(guī)律，邊角效應(yīng)明顯時(shí)將嚴(yán)重?fù)p害試驗(yàn)加載裝置，這是目前巖石真三軸加載試驗(yàn)裝置面臨的亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于真三軸試驗(yàn)的可控邊界的柔性加載系統(tǒng)及方法，該加載系統(tǒng)通過板狀皮囊和位于其兩側(cè)分塊皮囊配合，可消除試件真三軸加載過程中出現(xiàn)的邊角效應(yīng)和試件表面受力不均勻的問題。
[0005]本發(fā)明的任務(wù)之一是提供一種基于真三軸試驗(yàn)的可控邊界的柔性加載系統(tǒng)。
[0006]其技術(shù)解決方案包括:
[0007]—種基于真三軸試驗(yàn)的可控邊界的柔性加載系統(tǒng)，其包括試驗(yàn)試件、加載裝置、液壓控制裝置和充液皮囊，所述加載裝置位于所述試件的外側(cè)，所述充液皮囊位于所述加載裝置和試件之間，所述充液皮囊包括板狀皮囊和若干個(gè)分塊皮囊，若干個(gè)分塊皮囊依次排布在板狀皮囊的兩側(cè)，并且位于兩側(cè)的分塊皮囊數(shù)量相同，每個(gè)分塊皮囊與所述板狀皮囊均保持連通，所述液壓控制系統(tǒng)用于向所述分塊皮囊內(nèi)注液，所述加載裝置通過所述充液皮囊將三維應(yīng)力加載到所述試件上。
[0008]上述技術(shù)方案直接帶來的有益技術(shù)效果是:
[0009]通過在板狀皮囊的兩側(cè)依次布設(shè)分塊皮囊，即分塊皮囊可完全覆蓋住板狀皮囊的兩側(cè)，而且，每個(gè)分塊皮囊與板狀皮囊之間保持連通，利用液壓控制裝置向分塊皮囊和板狀皮囊內(nèi)注滿液體，當(dāng)試件通過加載裝置進(jìn)行加載時(shí)，試件變形后出現(xiàn)邊角效應(yīng)時(shí)，可將位于最外側(cè)的分塊皮囊內(nèi)的液體放出，此時(shí)，分塊皮囊減少一個(gè)，導(dǎo)致該柔性加載系統(tǒng)的邊界縮短而向內(nèi)移動(dòng)，可使真三軸加載實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。
[0010]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，每個(gè)分塊皮囊的側(cè)面都布設(shè)有應(yīng)力傳感器。
[0011]上述技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果是，方便對(duì)分塊皮囊處的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而與額定壓力值進(jìn)行比較，進(jìn)一步來確定加載裝置內(nèi)的試件是否發(fā)生了邊角效應(yīng)。
[0012]作為本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方案，所述應(yīng)力傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線連接有應(yīng)力采集箱，所述應(yīng)力采集箱連接有應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每塊分塊皮囊側(cè)面受到的應(yīng)力。
[0013]上述技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果是，應(yīng)力傳感器與應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)分塊皮囊側(cè)面受到的應(yīng)力，數(shù)值監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確，降低實(shí)驗(yàn)誤差。
[0014]優(yōu)選的，每個(gè)分塊皮囊與板狀皮囊之間通過彈簧綁帶來固定。
[0015]上述技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果是，用彈簧綁帶來固定分塊皮囊和板狀皮囊，拆卸更加方便，而且不影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。
[0016]優(yōu)選的，所述液壓控制裝置通過進(jìn)液管路與位于首位次上的分塊皮囊的注液口相連，通過回液管路與位于末位次上的分塊皮囊的出液口相連。
[0017]優(yōu)選的，所述進(jìn)液管路和回液管路各設(shè)置一個(gè)閥門。
[0018]上述技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果是，進(jìn)液管路和回液管路上的閥門，便于控制液體的流量。
[0019]優(yōu)選的，所述進(jìn)液管路上至少設(shè)置一個(gè)流量計(jì)。
[0020]上述技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果是，可通過流量計(jì)來獲得注入分塊皮囊和板塊皮囊內(nèi)的液體量。
[0021]本發(fā)明的任務(wù)之二是提供上述柔性加載系統(tǒng)的加載方法，其包括以下步驟:
[0022]步驟a、將若干個(gè)分塊皮囊通過彈簧綁帶固定在板狀皮囊的兩側(cè)，將試件放置在加載裝置內(nèi)，充液皮囊放置在試件和加載裝置之間，打開液壓控制裝置向分塊皮囊內(nèi)輸送液體，液體總量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)關(guān)閉液壓控制裝置停止注液；
[0023]步驟b、加載裝置進(jìn)行加載，當(dāng)位于板狀皮囊兩側(cè)的分塊皮囊側(cè)面的應(yīng)力超過額定應(yīng)力值時(shí)，此時(shí)啟動(dòng)液壓控制裝置對(duì)分塊皮囊放液，放液后的分塊皮囊處，加載裝置對(duì)試樣的加載向內(nèi)移動(dòng)，完成試件的加載。
[0024]本發(fā)明充液皮囊由板狀皮囊和分塊皮囊連通而成，并且分塊皮囊是一塊一塊依次排布緊密連接在板狀皮囊的外側(cè)，每塊分塊皮囊側(cè)面都布設(shè)有應(yīng)力傳感器，每個(gè)分塊皮囊用彈簧綁帶固結(jié)在板狀皮囊上，而且，位于板狀皮囊兩側(cè)的分塊皮囊數(shù)量相等，如每側(cè)排布有η個(gè)，當(dāng)試件通過加載裝置進(jìn)行真三軸加載過程中，試件變形后出現(xiàn)邊角效應(yīng)時(shí)，最外側(cè)分塊皮囊內(nèi)的液體將通過液壓控制裝置放出，形成2η_1塊分塊皮囊，此時(shí)，柔性加載系統(tǒng)的邊界長度縮短，實(shí)現(xiàn)真三軸加載試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，有利于研究高滲透水壓作用下不同三維應(yīng)力和加載速率對(duì)試件內(nèi)部裂隙擴(kuò)展演化的影響規(guī)律，或高滲透水壓作用下單位時(shí)間內(nèi)通過預(yù)制裂隙的滲流量大小。
[0025]本發(fā)明充液皮囊位于試件和加載裝置之間，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的柔性加載，柔性加載相對(duì)于剛性加載，能更好地傳遞三維均布?jí)毫?，板狀皮囊和分塊皮囊能很好的實(shí)現(xiàn)試件的變形傳力功能，充液皮囊的應(yīng)力隨著其變形程度的增大而逐漸增大，而且柔性均布加載裝置能模擬現(xiàn)場(chǎng)巖石的真實(shí)受力條件，獲得較為準(zhǔn)確的三維加載作用下的巖石的力學(xué)行為和滲透特性。
[0026]與CN101377480A相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0027](1)CN101377480A只能實(shí)現(xiàn)煤巖體的約束加載，而本發(fā)明的試驗(yàn)對(duì)象為巖石試塊，通過設(shè)置柔性加載裝置，試驗(yàn)結(jié)果更能反映出真實(shí)巖體的力學(xué)行為和破裂規(guī)律；
[0028](2)CN101377480A不能實(shí)現(xiàn)煤巖體三個(gè)方向的同時(shí)加載，而本發(fā)明通過板狀皮囊和分塊皮囊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和利用，可以實(shí)現(xiàn)試件三個(gè)方向不同大小作用力的同時(shí)加載，更加真實(shí)的反映了現(xiàn)場(chǎng)巖體的三向受力狀態(tài)；
[0029](3)CN101377480A中煤巖體約束加載時(shí)沒有考慮相鄰皮囊的邊角效應(yīng)，而本發(fā)明通過分塊皮囊的受力監(jiān)測(cè)與液體釋放移動(dòng)，有效地解決了加載時(shí)相鄰皮囊擠壓產(chǎn)生的邊角效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了試件的真三軸有效加載，得到的試驗(yàn)結(jié)果更能反映出現(xiàn)場(chǎng)巖體的破裂規(guī)律。
【附圖說明】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說明:
[0031]圖1為本發(fā)明柔性加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖