岩石三轴试验机的发展与展望

岩石三轴试验机的发展与展望

1我国岩石试验研究的现状世界上第一个真正的机器已经开发了300多年，现代机械工具的应用已经广泛使用于土木工程、建筑材料、民防研究、应用等领域。特别在岩土工程领域,试验机承担着边坡稳定、巷道(隧道)围岩维护、冲击地压、地震效应等方面的研究和工程应用的重任。近年来,由于我国工程建设的快速发展,遇到的工程地质条件越来越复杂,隧道向大断面方向发展,矿井巷道向千米以上深部发展。工程塌方、突水和冲击地压等地质灾害越来越多,广大岩土工程工作者遇到了前所未有的挑战,迫切需要对岩石的力学和工程性质进行深入地研究。三轴试验机是研究岩石力学性质的重要工具,科研院所和大专院校的实验室逐渐添置或改造了原有的三轴试验机。近30年来,我国岩石试验机设计和生产水平得到大幅度地提高,然而几乎没有这方面的系统资料介绍。在其设计和生产过程中,往往遇到功能不好界定,参数不易选取等问题。为此,笔者结合自己在三轴试验机研制和设计中的经验,并参考了大量的资料,调查了主要三轴试验机生产厂家,完成此文,以便为岩石三轴试验机的设计和选购提供参考。文中不但介绍了国内三轴试验机的主要种类、功能和参数,还介绍了试验机的发展历史,以便读者对三轴试验机在科研和工程中的应用加以全面了解。2国外机械产品技术的发展从开始的杠杆加载和手工操作,到目前的液压加载和计算机控制,试验机的功能越来越多,性能越来越好。在试验机的发展过程中有两大进步,一是刚性试验机的应用;二是反馈伺服系统的实现。国外试验机发展较早,技术较为先进。20世纪50年代,我国的试验机设计和生产才刚刚起步,整个20世纪无论从功能上或是性能参数上与国际上的差距都较大。进入21世纪,我国的试验机设计和生产水平逐步提高,与国际知名厂家相比差距越来越小。2.1刚性试验与加载试验研究国外材料试验与试验机研制可以追溯到16世纪,从简单的篮子盛有重物加载到杠杆系统加载再到液压加载,经历了近5个世纪。20世纪30年代到60年代,人们在为增加压力机的刚度而努力,直到出现了液压伺服技术,并结合提高试验机的刚度才形成了可以绘制材料全应力-应变曲线较为成熟的技术。下面就结合相关资料介绍材料试验和试验机的发展历程。最早的关于材料试验记录是1500年后Vinci完成的金属丝拉伸试验,他试验了多种金属丝的强度。1638年Galileo报导了材料的直接拉伸强度试验、固体以及空心梁的弯曲实验。1740年Mariotte完成了木材、纸和金属的拉伸强度以及嵌入梁和简支梁的强度试验研究。1678年Hooke报导了他所完成的金属丝弹性和弹簧伸长实验。1729年Leiden大学的Musschenbroeck制造了第一台试验机,它是依靠一套简单的杠杆式装置进行加载。大约1770年Gauthey研究巴黎圣·吉纳维夫教堂的支柱时,设计了一台也是由杠杆系统加载的试验机,并且第一次完成了边长为5cm立方体岩石的力学试验。1865年Kiiryaldy在伦敦索斯沃克大街开设第一个工业用试验室,其中安装有一台1000000磅的试验机,这个时期,比较大型的试验机相继被研制出来并投入使用。在试验中,人们逐步发现试验机的刚度对试验结果具有重要影响,因而采用不同的方法提高试验机的刚度以获得材料的全应力-应变曲线。1935年Speath在对铸铁做压力试验时曾怀疑试验机的刚度小于铸铁的刚度而引起试验的失真。1938年Kiendl和Maldari测到混凝土强度极限以后的读数,当时没有引起人们的重视。1943年由Whitney第一次明确提出并解释了试验机刚度对试件破坏有影响。1949年Blanks和McHerry在试验中发现,试验机刚度的重要性并强调要控制试件的破坏过程就必须提高试验机的刚度。1962年Turner和Barnard研制了一种刚性机架、油缸面积大、且高度低的试验机,该机能产生一个与载荷无关的恒应变率,从而为测得材料的完整应力-应变曲线打下基础。1962年Blanks第一次测得混凝土的荷载-位移全过程曲线。1964年Hinde研制了一种通过两个压力油缸相连接的双动式作动筒刚性补偿器,以此来增大液压试验机的有效刚性。1965年,南非的Cook通过在普通材料试验机上增加一截钢管,对钢管和试件同时加载而有效地减轻了试件破坏的突变程度,深入研究了试验机刚度对岩石强度的影响。1966年,Cook和Hojem通过先对试件预加载,尔后利用试验机架柱热膨胀收缩的方法第一次得到大理岩完整的全应力-应变曲线。1966年Hughes和Chap-Man通过并联在十字头下面的压缩钢块而增大了1000t万能试验机的有效刚性。1970年Wawersick和Fairharst采用手工伺服控制刚性试验机测得了多种岩石的应力-应变曲线。20世纪70年代初期研制成功电液伺服试验机。液压伺服是刚性试验机的一种控制方式,它是利用脉冲反馈原理驱动机械运转的自动控制技术。在伺服控制刚性试验机中,压头的位移和位移速率、荷载和加荷速率等都能靠反馈来完成。由于电液伺服试验机能够绘制岩石试件的峰后应力-应变曲线,所以在岩土工程研究和应用领域发挥了更重要的作用,并促进了岩土力学的发展。目前国际上以MTS公司、Instron公司和岛津公司等生产的电液伺服三轴试验机最为著名。另外德国申克公司生产MEW系列试验机,日本圆井制作所、日本谷腾株式会社、日本千曲株式会社和英国钟楼公司等也生产岩石试验机。2.2进口仪器的研制我国早期的三轴试验机主要有长江-500型岩石三轴应力试验机和国家地震局地质研究所设计的三轴试验机。长江-500型岩石三轴应力试验机生产于20个世纪50年代,由长江流域规划办公室与长春试验机厂联合设计,是我国最早的岩石三轴试验机之一,其技术指标和各项参数的测量和记录装置与国外设备相比较为落后。长江-500型岩石三轴应力试验机在常温下工作,轴向力和围压均采用摆锤式测力机构,依靠手动调节流量实现对轴向力和围压的施加。该机主要技术参数为,最大轴向力为5000kN,侧向压力为150MPa;适用试件尺寸(直径×高)为φ90mm×200mm,主体外形尺寸(长×宽×高)为1460mm×800mm×5485mm。国家地震局地质研究所设计的三轴试验机围压可达1000MPa,设计温度指标为300℃~400℃,最大试样尺寸为φ40mm×96mm。刚性试验机代表着试验机设计和生产的水平,然而20世纪80年代之前我国实验室装备的刚性试验机主要依靠外国进口,根据林天健在《刚性试验机》一文中的介绍,当时只有少数科研单位实验室装备有刚性试验机,液压伺服试验机更是极少。80年代以后,随着我国改革开放的发展,多家单位进口国际上先进的岩石三轴试验机,如水利部黄河水利委员会水科所装备了由日本谷腾株式会社生产的轴压为2000kN、围压20MPa的岩石三轴仪。中国科学院武汉岩土力学研究所与北京水科院最早从美国引进了MTS815型岩石试验系统,该控制系统采用模拟控制技术,当时国内将其称之为刚性试验机,技术参数:轴压为4500kN、围压为140MPa。1986年长沙矿山研究院从美国引进的MTS815型电伺服单轴试验机,后改造为三轴试验机;成都理工大学“地质灾害防治与工程地质环境保护”国家专业实验室1994年利用世界银行教育贷款购买的MTS815型单轴程控伺服岩石试验机。长江科学院利用水利部岩石力学与工程重点试验室建设专项资金于2007年购置了MTS815.04型岩石三轴试验机,该机为专门用于岩石及混凝土试验的多功能电液伺服控制的刚性试验机,具备轴压、围压和孔隙水压3套独立的闭环伺服控制功能,属当前最先进的室内岩石力学试验设备之一。另外,中国矿业大学、西安科技大学、四川大学、山东科技大学、重庆大学等也先后引进了MTS岩石试验机。中国矿业大学(北京)岩石混凝土破坏力学实验室和日本岛津公司合作研制的EHF-UG500kN型全数字液压伺服三轴试验系统。这些进口机器有些本身具备多种试验功能;有些经过升级改造,使其具备了全数字化控制;有些改造后具备岩石三轴试验、渗透、声发射和高低温试验等功能。20世纪80年代初、中期,我国开始加大岩石试验仪器的研制。当时的长春试验机厂与武汉水电学院联合研制的RYS-7岩石三轴流变仪装备在武汉水电学院实验室,该仪器轴向力为100kN、围压为30MPa。由中国科学院地质与地球物理研究所和长春试验机研究所协作研制的用于高温高压岩石力学性质研究的高温高压三轴试验机是当时具有代表性的三轴试验机。该试验机系统采用计算机控制试验过程并实现试验结果的处理。轴向加载系统采用电-液伺服控制系统,高压容器采用安全可靠的缠绕结构。最高温度达1000℃,最大围压为1GPa,可进行岩石在高温、高压下的应力-应变全曲线试验及蠕变、松弛等项目测试。在真三轴试验机和三维地质模型研制方面,1984年顾金才研制成功PYD-50三向加载地质力学模型试验装置,后来经过多次改进其功能不断完善,曾经为龙滩水电站地下厂房和黄河小浪底水利枢纽工程地下厂房完成地质力学模型试验。1989年中国科学院武汉岩土力学研究所许东俊主持研制了RT3型岩石高压真三轴仪试验机。2006年中国科学院武汉岩土力学研究所白世伟科研团队研制成功大型岩土工程模型试验机,可进行地下工程三维试验及软岩试件力学特性试验。三维模型尺寸:可达800mm×800mm×800mm;平面模型可达1000mm×1000mm×300mm或800mm×800mm×200mm;X、Y、Z3个方向额定加载均可达3000kN。中国矿业大学(北京校区)岩土工程研究所装备有真三轴软岩非线性力学试验系统,该系统实现三向荷载独立控制,最大压力为450kN,最大拉力为75kN,试件规格为100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm和450mm×150mm×150mm。山东大学朱维申研究团队研制了规格为2.5m×2.5m×0.8m的洞群地质力学模型架、3.2m×7m×4.0m的三维地质力学模型试验组合式台架和4.5m×2m×3.5m的三维钢结构模型试验台架等。中国矿业大学刘长武研制了规格为2.6m×1.4m×1.8m三维采矿物理模拟试验装置。另外武汉大学、清华大学、西南交通大学等科研院所也装备了三轴力学模型试验装置。在动三轴试验机研制方面,1987年中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RDT-10000型高压岩石动力三轴仪是我国最早自行研制,也是目前最大吨位具有冲击加载性能的大吨位岩石动三轴试验机,该三轴试验仪具有高压、高速的特点。其三轴室压为0~1000MPa,轴向最大荷载达2.2MN(轴压为0~4000MPa),快速加载只需4~9ms就可以使荷载由0上升至峰值,应变速率达100s-1,因而具有冲击加载性能。试件的尺寸有φ20mm×40mm及φ30mm×60mm两种类型。曾完成秦山核电站基岩单轴快速加载和乍浦核电站的碎屑凝灰岩试件高围压下(8000MPa)的动轴压三轴试验等多个试验项目。目前,动态控制技术已广泛应用到了岩石三轴试验仪器上,既可以实现单轴动态控制,也可以实现轴向力与围压的同步、异步动态控制,动态频率一般在50Hz左右。在具有渗透功能的试验机研制方面,由于能源储备、环境污染预防及工程灾害治理的需要,我国研制出多台带有低渗透试验功能的岩石三轴试验机。成都理工大学研制了岩石高压渗透试验装置,其围压和渗透压可达30MPa,轴向荷载可达4000kN,试样直径分别为50、100、150、200、300mm,并且可对相应规格下的方柱体试样进行渗透性测试。重庆大学研制了含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,其最大轴压为100MPa,最大围压为10MPa,最高加热稳定温度为100℃,最大瓦斯压力为2MPa,试件尺寸为φ50mm×100mm。中国矿业大学在MTS815.02型岩石伺服试验机系统的基础上改进了渗透试验系统,其轴压为2700kN,围压为50MPa,系统孔隙水压可达50MPa。中国石油勘探开发研究院渗流流体力学研究所从美国TerracTek公司引进的高温高压岩石三轴试验仪,全部采用电液伺服控制,能同时进行声学、渗透性、强度试验。太原理工大学采矿研究所自行研制的MDS-200型(大岩样)三轴渗透实验台,可对100mm×100mm×200mm的长方体裂隙岩块进行渗透性测试。国内自行研制的TAW-2000微机控制岩石三轴试验机和RL-200型岩石流变仪分别于2007年和2009年出口南非共和国,装备于Rocklab实验室。表明了我国岩石三轴试验机的制造技术已经步入了成熟稳定阶段并得到国际上的认可。3我国三轴岩挤出机的现状3.1真三轴模拟系统的基本功能目前,国内生产的岩石三轴试验机主要分为常规三轴试验机和真三轴试验机两大类。根据不同研究目的,在此基础上又派生出了具有蠕变、静动态、高低温、渗透等功能的三轴试验机或附有剪切功能的复合试验机等。(1)常规三轴试验机:常规三轴试验机(又称围压三轴试验机,俗称假三轴试验机),是岩石三轴试验机的基本类型,其侧向应力(σ2=σ3)通称围压,由一套系统通过柔性介质施加。基本功能有轴向应力σ1施加系统、侧向应力(σ2=σ3)施加系统、孔隙水施加系统等,可以实现应力、应变、位移不同路径控制及其速率控制,可以绘制应力-应变全曲线。(2)真三轴试验机:在某些场合下,常规三轴试验机无法满足工程和科研的需要,为了较真实地模拟地下围岩的受力或破坏状态,真三轴试验机起到了不可替代的作用。真三轴试验机基本功能有轴向应力σ1施加系统、一个水平方向的侧向应力σ2施加系统、另一个水平方向的侧向应力σ3施加系统、孔隙水施加系统等。可以实现应力、应变、位移不同路径控制及其速率控制,绘制应力-应变全曲线,并具有三向三面至三向六面对应力σ1、σ2、σ3施加荷载的功能。真三轴试验机的侧向应力σ2和σ3是由两套独立系统通过刚性或柔性介质分别施加,这是与常规三轴试验机的本质区别。(3)岩石三轴蠕变试验机:在常规三轴试验机和真三轴试验机上增加了蠕变装置,不仅可以实现原有功能,还可以实现岩石的长时蠕变试验。(4)静动三轴试验机:静动三轴试验机可以实现轴向应力、侧向应力(或围压)、孔隙水的静态或动态施加,具有幅频和波形控制功能。(5)高低温三轴试验机:在常规三轴试验机和真三轴试验机上增加温度环境装置,可以模拟样品在地下高温或低温环境中的受力变形和破坏特征。(6)CT三轴试验机:CT三轴试验机可以实现轴向力、围压施加,还具有幅频控制功能。对于常规三轴试验机和真三轴试验机,试验过程中只能获得试样的外部受力和变形情况,而不能获取样品内部结构的变化情况。CT三轴试验机通过试验过程中对试件的实时扫描,详细记录样品内部结构的变化情况,它是岩石三轴试验机发展的一大突破。(7)渗透三轴试验机:在三轴试验机力学试验系统基础上增加试件的渗透试验功能的试验机。渗透系统与轴压系统及围压系统相互独立,实现试件整个变形破坏过程中渗透量的变化测量,可以研究单轴、一定围压、卸荷过程中试件应力与流体渗透的耦合变化特征。(8)复合试验机:在常规三轴试验机和真三轴试验机上同时增加了蠕变、剪切、高低温环境等装置及声波、超声波等测试手段,实现了一机多用。通过对相关回路和控制通道的切换组合,即可进行所需功能的试验。复合试验机装置多,占地面积大,操作较为繁琐。(9)现场(原位)真三轴试验系统:现场(原位)真三轴试验系统可以施加轴向应力σ1、σ2、σ3,还应具有长时蠕变功能。通过现场制作原位样品,加装真三轴试验装置,实现原位样品的真三轴试验。3.2我国岩石模拟系统的研究进展当前,我国岩石三轴试验机的制造技术日臻成熟,特别是全数字(液-电、机-电)伺服反馈技术的熟练应用及采用国外如德国Doli公司EDC全数字测控器、美国MOOG伺服阀、日本Panasonic伺服电机、日本NACHI静音油泵等关键元器件之后,使岩石三轴试验机在功能、性能、稳定性等方面都得到了显著改善,并可以根据不同需要进行针对性地研制,已具有批量、规模化生产的能力。目前国内岩石试验机具有的试验功能一般有:三轴试验、剪切试验、蠕变试验、高温试验、低温试验、耦合试验、差应变试验和渗流试验等;常用的控制方式有:应力控制、应变控制、位移控制、速率控制、压力/流量控制、幅频控制和波形控制等;检测手段有:声发射、超声波和CT扫描等。国内岩石试验机通常采用的技术参数如表1所示。我国研制的具有高、低温试验功能的岩石三轴试验机,其温度控制范围一般在-40~+180℃,个别控制在-50~+200℃范围内。对于高低温三轴试验机,合理选择围压介质极为重要。根据使用需要和国内油料市场的供给情况,通常选择二甲基硅油作为围压介质。这种介质可在-50℃~+180℃温度范围内长期使用,在隔绝空气或在惰性气体中长期使用温度可达+200℃。二甲基硅油的型号很多,通常选用的型号为201-100。近年来,国内部分大专院校、科研院所根据各自的研究需要设计研制了不同性能参数的岩石三轴试验机,总体发展趋势是功能逐渐增多,控制精度越来越高。其发展是用户和厂家共同研究的成果,部分具有代表性的岩石三轴试验机及其装备的实验室如表2所示。4试验目的和试验系统目前,国内生产的岩石三轴试验机基本覆盖了科研、教育、工程等领域,可以满足科学研究、教学演示、工程应用的正常需要。但对新学科的需要和深层次的研究,在某些功能方面还略显欠缺,仍需进一步加强研发工作以满足科研的需要。一台(套)岩石三轴试验机的研制需要工程科研理论和制造技术的共同支撑。由于我国矿井、地铁和基坑冻结法施工的需要,以及青藏铁路等高原常年低温环境工程建设的需要,要求研制低温岩石三轴试验机;由于地下核爆炸试验和深部岩石力学研究的需要,要求研制高温岩石三轴试验机;由于矿井开采深度的不断加深,像淮南、山东等矿井开采深度已达1000m以上,深部承压水或老塘水的水压较大,为了预防矿井突水,要求研制高压渗透岩石三轴试验机;由于地下核废料处理、石油开采、矿山安全的处理等需要,要求研制低渗透岩石三轴试验机;由于分形和断裂力学的研究需要,要求研究带有CT等功能的岩石三轴试验机;由于防护工程、爆破工程、地震工程和其他高压、高速工作的研究需要,要求研究动三轴岩石试验机;由于目前大部分岩石渗流-力学耦合试验主要测试试样在压缩或卸荷过程中的渗流参数,而岩石更多地表现为剪切破坏特性,因而需要研制剪切-渗流耦合试验机等;为了模型试验的需要,要求研制三轴仿真试验系统;为了更加准确地测试工程岩体的变形破坏特征,要求研制现场(原位)真三轴试验系统。从制造技术上,要求加强多种试验环境、多种测试手段、不同路径的同步及异步静(动)态控制和测试技术等。从当前设计制造技术和使用要求综合考虑,岩石三轴试验机的主要发展趋势概括如下:(1)ct岩石三轴机空气试验的展望CT扫描是当前岩石三轴试验机的新功能,有着广泛的发展和实用前景。CT扫描虽然只是一种监测手段,但它完全弥补了常规三轴试验机所无法实现的功能。目前的CT岩石三轴试验机,已经实现了沿轴向直线移动、断层扫描功能。根据需要,应该向具有绕轴线旋转、沿轴向直线移动、断层扫描功能的方向发展。目标是在试验过程中对试件内部结构的变化进行全方位监测,进一步了解试件内部结构的局部变化、细微变化及变化趋势,掌握试件在不同受力条件下的性状。为岩石断裂力学微观研究、分形研究和工程