專利名稱：一種卸載時主應力方向可變換的巖石真三軸壓力室的制作方法
技術領域：
本發明涉及深部采礦力學模擬試驗裝置，特別是ー種用于剛性-柔性混合型巖石真三軸試驗機上的卸載時主應カ方向可以變換的巖石真三軸壓カ室。
背景技術：
天然巖土材料在原位狀態通常是處于三維應カ條件下的，用三個主應力(0ぃO 2，O 3)來描述原巖應カ狀態。為此，常用真三軸試驗機來模擬O1SO2SO3的應カ條件下的巖石力學行為。為了方便施加三個方向相互正交的荷載，真三軸試樣通 常加工成正方體或者長方體。采用x，y，z三個方向相互正交的加載單元組成真三軸加載系統，S卩ox、oy、O z分別對應O i、O 2、O 3。早期的真三軸試驗機多在雙軸試驗機的基礎上增加另ー個剛性加載單元模擬O3，形成三個方向剛性加載系統，試驗中無需壓力室。這種三個方向純剛性加載的真三軸試驗機在試驗中為了防止各個相鄰面上的壓板發生接觸干渉，通常設置ー小的間隙，由此導致巖樣存在應カ空白角和應變測量不直接等問題，限制了其發展。此后出現的一種剛性-柔性混合型巖石真三軸試驗機由于克服了以上缺點(小主應カO 3采用柔性加載)，使其成為目前的主流實驗設備。該種真三軸試驗機上的真三軸壓カ室是確保柔性荷載成功施加的重要部件，壓カ室由壓カ室主體和四個通過活塞孔安裝在壓カ室上下壁和左右室壁上的階梯型活塞組成，四個活塞的前端面分別通過墊塊與巖石試樣相接觸，起到傳遞カ的作用，其中豎直向的兩個活塞構成豎向活塞副，水平向的兩個活塞構成水平向活塞畐Ij，豎向活塞副和水平向活塞副構成加載執行機構。豎向活塞副和水平向活塞副中各有一個活塞的后端面與作動器(液壓千斤頂)相接。這種采用四個活塞的壓カ室雖然比使用兩個活塞的壓カ室制造復雜，但是配合浮動框架使用(參考CN101458192A中國專利)，可以保證在加載試驗過程中，試樣的幾個中心不發生偏移，有助于減少摩擦和偏載，提高試驗的可靠性。此真三軸壓カ室四個活塞的階梯形處與對應的壓力室孔壁形成ー個空腔，該空腔的環形面積與活塞在壓カ室內的端面面積相等，在活塞體上加工一個細小的鉆孔，使壓カ室的液壓油與該空腔連通。由于空腔的環形面積與活塞在壓カ室內的端面面積相等，活塞兩端承受的壓力相等，在圍壓(。3)改變時活塞不發生移動，故此活塞稱為自平衡活塞，起到自平衡作用的空腔稱為自平衡腔。壓カ室的壓カ控制系統由獨立的伺服加壓裝置和壓カ傳感器組成，目的是施加試驗過程中需要的小主應カO3，即所謂的圍壓。該真三軸壓カ室采用兩剛ー柔加載方式，其中大主應力O1和中主應力O 2采用作動器對活塞剛性加載，小主應カO 3采用液壓油泵柔性加載，即壓カ室的四個連通活塞采用“自平衡”形式施壓，一旦施加圍壓，四個活塞不發生移動，處于自平衡狀態。這種“自平衡”壓カ室的優點是，偏應力(O「O 3或O2-O 3)可以通過作動器獨立施加和控制；靜水壓力(O i= O 2= O 3)條件易于模擬；便于實施等向加載；試樣安裝方便快捷，對中較易實現。此種剛性-柔性混合型壓カ室經歷了由普通型壓カ室(非自平衡)向自平衡壓カ室的發展過程。非自平衡壓カ室由于三個方向的カ是獨立控制，使其對控制系統的性能要求非常高，加之試樣安裝很不不便，很快被自平衡壓カ室所代替。采納自平衡壓カ室的真三軸在模擬從初始靜水壓カ條件下加載，然后維持O3和O2在相應的設定值，増加O1至試樣破壞這樣的應カ路徑，具有很好的執行力。但是當模擬實際深部巖體開挖導致的強卸載應カ路徑時，即開挖巷道的臨空面變成零應カ狀態(開挖前該面法向近似對應大主應カ或中主應力)，此時初始的大主應カ或者中主應カ方向的應カ很可能卸荷至零，自然小于柔性加載的小主應カ(圍壓力)，即此卸載過程中主應カ方向發生變換，初始的小主應カ方向變成大主應カ或者中主應カ方向。針對此類巖體卸載過程中主應カ方向變換的力學行為，此種真三軸壓カ室受其結構特點制約，無法模擬上述應カ路徑，即自平衡活塞即使通過外部作動器卸載到偏應カ等于零，但由于自平衡腔內的壓カ等于圍壓，故與該活塞接觸的試樣端面無法小于圍壓，真三軸壓カ室只能卸載到O 1 = 0 2= 0 3 =某ー應力水平條件(特例是同步卸載至零)，無法模擬初始0 i和O2方向的應カ卸載至零的應カ路徑，盡管它有眾多優點，但面對此種特殊的主應カ方向變化的卸載應カ路徑，表現出功能不足。因此，非常有必要對上述兩剛ー柔巖石真三軸試驗機的真三軸壓カ室加以功能性完善，以解決上述巖體卸載過程中主應カ方向變化時應カ路徑實施問題
發明內容
本發明的目的是針對上述自平衡式真三軸壓カ室用于深部巖體開挖存在的卸載路徑能力不足的缺陷為真三軸試驗機提供一種卸載時主應力方向可變換的巖石真三軸壓力室，以解決其卸載應カ路徑不足的問題。為實現上述目的，本發明提供的卸載時主應カ方向可變換的巖石真三軸壓カ室，在壓カ室的上下室壁和左右室壁的中間部位通過活塞孔分別安裝平面內呈十字交叉布置的四個自平衡活塞(I. 2,2. 2,3. 2,4. 2)，其中豎直向的兩個活塞(I. 2,3. 2)構成豎向活塞畐IJ，水平向的兩個活塞(2. 2,4. 2)構成水平向活塞副，四個自平衡活塞的前端面分別通過墊塊與試樣(5)相接觸，豎向活塞副和水平向活塞副的兩個活塞中有一個活塞的后端面與作動器相接，其特征在干所述四個自平衡活塞分別有與壓カ室活塞部位構成的壓カ腔(I. 3,2. 3,3. 3,4. 3)和背壓腔(I. 4,2. 4,3. 4,4. 4)，其中壓カ腔分別通過管路和單向閥(V1、V2、V3)與壓カ室相接；背壓腔通過管路和單向閥(V6、V7、V8、V9)分別與大氣和調位手動泵(H2)相接；自平衡活塞設有壓カ控制系統，該系統由壓力傳感器(P1)、力傳感器(loadcell)、作動器、EDC控制器、Moog伺服閥和調壓手動泵(Hl)組成，其中EDC控制器通過導線分別與壓力傳感器(P1)、力傳感器(load cell)和Moog伺服閥相接，壓カ傳感器(Pl)置于壓カ腔與壓カ室的連接管路中，外部油路系統通過Moog伺服閥與作動器相接，作動器通過力傳感器(load cell)與其中一個活塞的后端面相接，壓カ室通過單向閥(V3、V4、V5)分別與調壓手動泵(Hl)和大氣相接。為便于巖石試樣的放入和取出，在壓カ室前部的立面上有供試樣(5)出入的孔，孔上安裝由壓カ蓋(7)和壓カ蓋夾具(8)構成的封門。本發明真三軸壓カ室，試驗過程中，自平衡壓カ室和四個自平衡活塞可以用于常規加載路徑試驗。一旦卸載至靜水壓カ條件吋，自平衡活塞壓力腔的外置油路和自平衡活塞壓カ控制系統共同工作，完成自平衡-非自平衡轉換，實現主應カ方向變換條件下的完全卸載；真三軸壓カ室充滿油，通過控制圍壓實現柔性方向加載。與現有技術相比，本發明真三軸壓カ室的優點是，在保留原有兩剛ー柔巖石真三軸壓カ室自平衡活塞優點的基礎上，増加了自平衡-非自平衡轉換功能，克服了原真三軸壓カ室只能實現卸載到靜水壓カ條件的缺陷，實現了完全應カ路徑的卸載(即原有大主應力和中主應カ方向荷載可同步或異步卸載，能使該方向的應カ小于圍壓產生的應力)，解決了卸載應カ路徑不足的問題。
圖I是本發明真三軸壓カ室正面結構示意圖；圖2是本發明真三軸壓カ室側視結構示意圖；圖3是水平向自平衡活塞的壓カ系統結構框圖。
圖中1. I-豎直向上自平衡活塞壓蓋；1. 2-豎直向上自平衡活塞；1.3_豎直向上自平衡活塞壓力腔；I. 4-豎直向上自平衡活塞背壓腔；2. I-水平向左自平衡活塞壓蓋；
2.2-水平向左自平衡活塞；2. 3-水平向左自平衡活塞壓力腔；2. 4-水平向左自平衡活塞背壓腔；3. I-豎直向下自平衡活塞壓蓋；3. 2-豎直向下自平衡活塞；3. 3-豎直向下自平衡活塞壓カ腔；3. 4-豎直向下自平衡活塞背壓腔；4. I-水平向右自平衡活塞壓蓋；4. 2水平向右自平衡活塞；4. 3水平向右自平衡活塞壓力腔；4. 4-水平向右自平衡活塞背壓腔；5_巖石試樣；6_圍壓接ロ ；7_壓カ室蓋；8_壓カ室蓋夾具；V1—V9-單向閥；C1-泄壓用油箱、C2-調位用油箱；load cell-傳感器；P1_壓カ傳感器；G1_壓カ表；H1_調壓用手動泵；H2-調位用手動泵。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進ー步說明。結合圖I和2，本發明真三軸壓カ室采用立式結構，容納巖石試樣5的室內尺寸為50X50X 100mm。為方便式巖石試樣的放入和取出，在壓カ室的前部立面上開孔，作為試樣的進出通道，孔上安裝由壓カ室蓋7和壓カ室蓋夾具8構成的封門。壓カ室后壁上有與外接油路系統相接的圍壓接ロ 6。在壓カ室的上下室壁和左右室壁的中間部位開設平面內呈十字交叉布置的四個活塞孔，同向孔在加工過程中一次成型，以保證同軸度，并確保豎直向和水平向孔的軸線交叉在同一平面內，保證垂直度。通過豎直向的上自平衡活塞壓蓋I. I和下自平衡活塞壓蓋3. I將自平衡活塞I. 2和3. 2安裝在壓カ室的上下活塞孔中，構成豎向活塞副，通過水平向的左自平衡活塞壓蓋2. I和右自平衡活塞壓蓋4. I將自平衡活塞2. 2和4. 2安裝在壓カ室左右活塞孔中，構成水平向活塞副，豎向活塞副和水平向活塞副構成加載執行機構。四個自平衡活塞的壓カ分別通過墊塊作用在試樣的四個50X IOOmm的矩形斷面上。四個自平衡活塞分別有與壓カ室活塞部位構成的壓カ腔I. 3,2. 3,3. 3、4. 3和背壓腔 1.4、2.4、3.4、4.4。結合圖3，構成豎向和水平向活塞副的四個自平衡活塞的壓カ腔分別通過管路和單向閥(圖3給出的水平向活塞副中連接壓力腔和壓カ室的單向閥為VI、V2、V3，豎向活塞副與水平向活塞副類同，從略)與壓カ室相接，構成壓力腔外置油路，進行常規加載路徑試驗時，壓カ腔與壓カ室接通，起到自平衡作用。背壓腔分別通過管路和單向閥(圖3示例中為V6、Tl、V8、V9)與調位用手動泵H2和調位用油箱C2相接(油箱C2與大氣相通)，構成背壓腔輔助油路，加載前，通過閥門關閉背壓腔與大氣的連通，用調位用手動泵H2調節活塞的初始位置；加載時開啟閥門，使背壓腔和大氣聯通，確保加載不受背壓影響；實驗結束后，通過手動泵H2向背壓腔打油，驅動自平衡活塞復位。為實現自平衡-非自平衡轉換，本發明真三軸壓カ室設有自平衡活塞壓力控制系統，該系統由壓力傳感器P1、力傳感器load cell、作動器、EDC控制器、Moog伺服閥和調壓用手動泵Hl組成，其中EDC控制器通過導線分別與壓力傳感器P1、力傳感器load cell和Moog伺服閥相接，壓カ傳感器Pl置于自平衡活塞壓力腔與壓カ室的連接管路中，外部油路系統通過Moog伺服閥與作動器相接，作動器通過カ傳感器load cell與其中一個活塞的后端面相接，壓カ室通過單向閥(圖3示例中為V3、V4、V5)分別與調壓用手動泵Hl和泄壓用油箱Cl相接，油箱Cl與大氣相通，手動泵Hl接有壓カ表Gl。進行自平衡-非自平衡轉換時，關閉與壓カ室相接的閥門V3，用手動泵Hl對自平衡活塞外置油路中的壓カ卸載，EDC控制器接收壓カ傳感器Pl和力傳感器load cell的反饋信號，輸出控制信號給Moog伺服閥，Moog伺服閥執行EDC控制器的命令，調節外部油路系統對作動器的供油，進而調節活塞所 受壓力。本發明真三軸壓カ室的工作原理和使用方法如下真三軸壓カ室的四個加載活塞I. 2,2. 2,3. 2和4. 2采用自平衡方式，由活塞I. 2和3. 2構成的豎向活塞副和由活塞2. 2和4. 2構成的水平向活塞副作為主要加載執行機構，作用在長方體巖石試樣左右斷面上的應カ在加載階段可以施加最大IOOOMPa的大主應力，作用在長方體巖石試樣上下斷面上的應カ在加載階段可以施加最大600MPa的中主應力，壓カ室最大可以承受IOOMPa壓力。自平衡活塞壓力腔油路采用外置方式，目的是實現自平衡-非自平衡轉換。巖石試樣和四個墊塊組成試樣集成體。實驗時,打開壓カ室蓋放入試樣,通過調位用手動泵調節試樣的初始位置，隨后豎直向活塞加緊，左右向活塞通過調壓用手動泵隨動加緊；扣上壓カ室蓋，鎖緊壓カ室蓋夾具，試樣的定位和安裝完成。常規加載路徑試驗采用自平衡模式，以左右方向為例(參照圖3)，VI，V2和V3打開，V4和V5關閉，V6，V7和V8打開，V9關閉。初始靜水壓カ設定，液壓油通過圍壓接ロ接入，設置預加的應カ狀態，此時不施加偏應力，四個自平衡活塞不發生移動，隨后施加偏應力，左右方向活塞對應大主應カ，豎直方向活塞對應中主應カ。在此加載過程中，根據試驗需要完成加載路徑的試驗。卸載時主應カ方向可變換的應カ路徑試驗從ー個上述的加載應カ路徑上的某點開始執行卸載，可以分為主應カ方向不變的卸載和主應カ方向變化的卸載。正如本發明目的是為了模擬深部金屬礦硬巖強卸荷エ況，即原來大主應力方向的應カ卸載到完全為零條件，此路徑必須在本發明自平衡-非自平衡轉換的真三軸壓カ室實現。以左右方向卸載為例(參照圖3)，壓カ傳感器Pl和力傳感器Load cell為控制信號反饋源，EDC控制器接收兩個傳感器的信號并輸出控制命令給Moog伺服閥，Moog伺服閥執行EDC控制器的控制命令，實現自平衡-非自平衡轉換控制。其操作步驟是首先卸載到偏壓カ為零，然后關閉V3，打開V4，通過調壓用手動泵Hl緩慢卸載。控制部分主要依賴于由壓力傳感器P1、力傳感器Load cell和EDC控制器構成的控制系統。系統根據式①的關系控制Moog伺服閥動作。自平衡活塞壓力腔外置油路的壓力通過調壓用手動泵緩慢釋放，失去的壓カ按式①由壓力傳感器Pl監測，式①中兩個傳感器之間的邏輯關系體現在失去的液壓壓カ通過Moog伺服閥控制作動器迅速補上。換句話說，自平衡活塞壓力腔由于液壓壓カ的失去，導致該方向的力(PiXA)喪失，但是失去カ受式①約束，Moog伺服閥根據式①進行計算，控制作動器產生目標值所需要的力，該カ值信號由力傳感器Load cell提供反饋。需要說明的是，自平衡活塞壓力腔油壓卸載操作由調壓用手動泵完成，建議分級分次緩慢卸載，操作時間控制在3-5分鐘完成，目的是做到平滑轉換。最終自平衡活塞壓力腔內釋放的壓カ完全由軸向加載系統承擔，轉變為由主油缸控制，切換到非自平衡狀態，根據卸載實驗需要繼續卸載到需要的應カ點(包括絕對零應カ點)。作動器所需產生的補償カ值Fi根據式①計算Fi=PXA-PiXA ①式中Fi-第i步,力傳感器load cell所需施加的目標值，N ；P——非自平衡轉換時的圍壓壓力，Pa ；A——自平衡活塞環形面積，m2 ；Pi——第i步，卸載打開自平衡活塞壓力腔時管路內的壓力，Pa ；本真三軸壓カ室大主應力方向和中主應カ方向都可以獨立或者同步實現自平衡-非自平衡轉換。實驗結束后，關閉自平衡活塞背壓腔接通大氣的閥門，通過調位用手動泵加壓，SP可使自平衡活塞復位，然后打開壓カ室的封門，取出巖石試樣。利用上述方法，可以模擬深部巷道或隧道的自由面由于開挖卸載到零應カ的情況，特別是該自由面在卸載以前因受構造應カ影響可能處于大主應カ或者中主應カ條件。通過完成自平衡-非自平衡平滑轉換，在執行完全卸載應カ路徑時，實現主應カ方向的變換，彌補了原自平衡真三軸壓カ室只能完成靜水壓力的不足，擴大了真三軸實驗的應カ路徑范圍。
權利要求
1.一種卸載時主應力方向可變換的巖石真三軸壓カ室，在壓カ室的上下室壁和左右室壁的中間部位通過活塞孔分別安裝平面內呈十字交叉布置的四個自平衡活塞(I. 2、2. 2、3.2,4. 2)，其中豎直向的兩個活塞(I. 2,3. 2)構成豎向活塞副，水平向的兩個活塞(2. 2、4.2)構成水平向活塞副，四個自平衡活塞的前端面分別通過墊塊與巖石試樣(5)相接觸，豎向活塞副和水平向活塞副的兩個活塞中有一個活塞的后端面與作動器相接，其特征在于所述四個自平衡活塞分別有與壓カ室活塞部位構成的壓カ腔(I. 3,2. 3,3. 3,4. 3)和背壓腔(1.4、2.4、3.4、4.4)，其中壓カ腔分別通過管路和單向閥(VI、V2、V3)與壓カ室相接；背壓腔通過管路和單向閥(V6、V7、V8、V9)分別與大氣和調位用手動泵(H2)相接；自平衡活塞設有壓カ控制系統，該系統由壓力傳感器(P1)、力傳感器(load cell)、作動器、EDC控制器、Moog伺服閥和調壓用手動泵(Hl)組成，其中EDC控制器通過導線分別與壓力傳感器(P1)、力傳感器(load cell)和Moog伺服閥相接，壓カ傳感器(Pl)置于壓カ腔與壓カ室的連接管路中，外部油路系統通過Moog伺服閥與作動器相接，作動器通過カ傳感器(loadcell)與其中一個活塞的后端面相接，壓カ室通過單向閥(V3、V4、V5)分別與調壓用手動泵(Hl)和大氣相接。
2.根據權利要求I所述的卸載時主應カ方向可變換的巖石真三軸壓カ室，其特征在干在壓カ室前部的立面上有供巖石試樣(5)出入的孔，孔上安裝由壓カ室蓋(7)和壓カ室蓋夾具(8)構成的封門。
全文摘要
一種巖石真三軸壓力室，在其室壁上有十字交叉布置的四個自平衡活塞，每個活塞有壓力腔和背壓腔，其中壓力腔通過設有單向閥的外置油路與壓力室相接，背壓腔通過管路和單向閥分別與大氣和調位用手動泵相接；自平衡活塞設有壓力控制系統，該系統通過手動泵對活塞壓力腔外置油路進行泄壓，由EDC控制器接收壓力傳感器和力傳感器的反饋信號并輸出控制指令給Moog伺服閥，伺服閥按指令通過控制外接油路對作動器的供油調節活塞所收壓力。該真三軸壓力室在保留原兩剛一柔真三軸壓力室優點的基礎上增加了自平衡-非自平衡轉換功能，彌補了原真三軸壓力室只能卸載到靜水壓力條件的不足，實現了完全應力路徑的卸載。
文檔編號G01N3/02GK102735532SQ201210225079
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者任金來, 馮夏庭, 張希巍, 李元輝, 楊成祥, 田軍 申請人:東北大學