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1、巖石三軸拉伸試驗(yàn)裝置研制及應(yīng)用 巖石三軸拉伸試驗(yàn)裝置研制及應(yīng)用 2018/08/16 摘要：為準(zhǔn)確地測(cè)量巖石試樣在不同圍壓作用下的拉伸強(qiáng)度與變形特性，對(duì)用于巖石三軸壓縮試驗(yàn)的MTS815材料試驗(yàn)機(jī)為主體設(shè)備進(jìn)行了一系列技術(shù)改造，一方面設(shè)計(jì)加工了一套試驗(yàn)機(jī)活塞與三軸室的隨動(dòng)連鎖裝置，使原本只能提供壓縮載荷的MTS815試驗(yàn)機(jī)也能精確提供軸向拉伸荷載；另一方面設(shè)計(jì)開發(fā)一種多自由度巖石試樣三軸拉伸夾具，解決巖石等脆性材料在拉伸過(guò)程中難以始終保持對(duì)中的技術(shù)難題。提出一套完整

2、的測(cè)試技術(shù)方法，能實(shí)現(xiàn)0～140MPa圍壓范圍內(nèi)各種巖石試件的復(fù)雜三軸直接拉伸測(cè)試研究，利用研發(fā)的配套裝置與測(cè)試方法對(duì)頁(yè)巖試樣進(jìn)行了三軸拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法完全能夠進(jìn)行不同圍壓條件下的巖石三軸拉伸試驗(yàn)，得到相應(yīng)的三軸拉伸試驗(yàn)曲線；頁(yè)巖在低圍壓和高圍壓下呈現(xiàn)不同的破壞特征和破壞形式，低圍壓下依然呈現(xiàn)脆性特征，高圍壓下則是由脆性向塑性轉(zhuǎn)換。 關(guān)鍵詞：MTS815材料試驗(yàn)機(jī)；巖石三軸拉伸；隨動(dòng)連鎖裝置；三軸拉伸夾具；三軸拉伸試驗(yàn)曲線 1引言 巖石的抗拉強(qiáng)度是巖石力學(xué)中的一個(gè)重要指標(biāo)，由于巖石內(nèi)部有微裂隙、孔隙等，使其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)

3、度，試驗(yàn)中只需要很小的力就使巖石發(fā)生破壞[1]。直接拉伸試驗(yàn)存在著各種各樣的難題諸如巖石試件的加工、與試驗(yàn)機(jī)的連接以及對(duì)中控制偏心等問(wèn)題，關(guān)于直接拉伸試驗(yàn)只有較少的研究。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)拉伸試驗(yàn)的難題提出了一系列的試驗(yàn)方法，國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的長(zhǎng)江科學(xué)院巖基室[2]曾設(shè)計(jì)出了原理類似于壓力試驗(yàn)機(jī)球形絞座的巖石拉伸夾具，進(jìn)行了多種巖石的軸向拉伸試驗(yàn)，但不能避免偏心拉伸。陶紀(jì)南[3]使用了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中的試驗(yàn)裝置，但試驗(yàn)成功率較低。Hawkes等[4]將巖石試樣粘貼在金屬夾頭上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，但金屬套筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法避免扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。Stimpson等[5]將巖石加工成特殊的中空

4、圓柱狀進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，但這種具有同心的中空?qǐng)A柱狀試樣的加工十分困難，難于普遍使用。余賢斌等[6]利用滾動(dòng)軸承傳遞拉伸荷載，可以避免試樣受到偏心拉伸，但連接件過(guò)多，一旦軸承轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，即會(huì)引起顯著地偏心受拉或扭轉(zhuǎn)破壞。Okubo等[7–8]采用環(huán)氧樹脂膠粘法在伺服控制實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同巖石的拉伸試驗(yàn)，但粘接試樣的固定板和加載裝置也未能做到精確對(duì)中，也產(chǎn)生了偏心拉伸的問(wèn)題，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了巨大的影響。吳永勝等[9]、陳忠[10]、張志雄[11]對(duì)巖石劈裂，壓縮及軸向拉伸進(jìn)行試驗(yàn)研究，也未能徹底消除試驗(yàn)中的偏心問(wèn)題。尤明慶等[12]利用設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置在伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行圍壓下圓柱巖樣的直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)

5、的成功率較低，數(shù)據(jù)的離散型較大，利用的價(jià)值較低。Li等[13]較大幅度地改進(jìn)試驗(yàn)夾具，使得巖石的直接拉伸試驗(yàn)成功率大大升高。Tufekci等[14]設(shè)計(jì)了一種新的爪式離合器機(jī)構(gòu)測(cè)試巖石的直接拉伸強(qiáng)度，并比較了直接法與間接法的直接拉伸強(qiáng)度。由于拉伸試驗(yàn)存在的一系列難題，目前測(cè)試巖石的抗拉強(qiáng)度的主流方法是采用巴西劈裂等間接方法[15–18]。間接方法中巖石試樣的受力狀態(tài)過(guò)于復(fù)雜，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性無(wú)法保證，且這些方法只適用于單軸條件下[4,19–20]。在工程上地下工程中的圍巖多處于三向應(yīng)力狀態(tài)，尤其在巷道開挖載荷后其圍巖徑向方向會(huì)受到兩向受壓和一向受拉的應(yīng)力狀態(tài)[21]，因此迫切需要研制一種三軸拉

6、伸裝置解決對(duì)中控制偏心問(wèn)題，進(jìn)行不同圍壓下的拉伸試驗(yàn)。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者等設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)r石進(jìn)行三軸拉伸的裝置和試驗(yàn)方法，可以有效地保證以上兩點(diǎn)，選用頁(yè)巖進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定后印證該裝置設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)方便且效果很好，能有效地完成巖石三軸拉伸試驗(yàn)過(guò)程，準(zhǔn)確分析巖石破壞的類型。 2隨動(dòng)聯(lián)鎖裝置的研制 2.1原有儀器的優(yōu)點(diǎn)與缺陷 美國(guó)MTS815力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大載荷量程為2600kN，載荷測(cè)量精度為0.5%。伺服液壓系統(tǒng)具有很高的靈敏度，可很好地保證了測(cè)試的精度，是目前為止精度最高、性能最先進(jìn)的巖石力學(xué)試驗(yàn)裝備。MTS815材料試驗(yàn)機(jī)是一種用于巖石壓縮的試

7、驗(yàn)儀器，原儀器作動(dòng)器活塞與加載平臺(tái)分離只有當(dāng)作動(dòng)器活塞向上運(yùn)動(dòng)（施加壓載荷），升高到一定程度時(shí)才能與加載平臺(tái)接觸并一起運(yùn)動(dòng)，并將壓載荷傳遞到巖石試件上。當(dāng)作動(dòng)器活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)壓載荷逐漸減小，直至壓載荷為0，此時(shí)作動(dòng)器活塞與加載平臺(tái)重新分離，加載平臺(tái)下降到導(dǎo)向軌道高度停止運(yùn)動(dòng)，無(wú)法把拉載荷作用到巖石試件上。 2.2隨動(dòng)聯(lián)鎖裝置的研制裝置主要由軌道、帶有螺孔的平面鋼板和直角型鋼塊組成。平面鋼板主要用于與試驗(yàn)儀器的作動(dòng)器活塞相連，使用4個(gè)螺絲與作動(dòng)器活塞連接，保證平面鋼板能與作動(dòng)器的活塞上下移動(dòng)，由于加載平臺(tái)只有在最底部的時(shí)候才能左右滑動(dòng)，從而導(dǎo)致平面鋼板無(wú)法放置在加載平臺(tái)與作動(dòng)器活

8、塞之間。為了解決這一問(wèn)題，在原有加載平臺(tái)兩端所用的軌道上放置了與平面鋼板相同厚度的加工軌道。解決平面鋼板與加載平臺(tái)能同步移動(dòng)的問(wèn)題是使用4個(gè)帶有螺栓的直角型鋼塊，每個(gè)鋼塊上帶有2個(gè)螺栓，一個(gè)與加載平臺(tái)進(jìn)行固定連接，另外一個(gè)與平面鋼板進(jìn)行連接，4個(gè)直角型鋼塊分別放在加載平臺(tái)的4個(gè)角處，保證受力均勻，實(shí)現(xiàn)了加載平臺(tái)與作動(dòng)器活塞同步上下移動(dòng)。 3三軸拉伸夾具的研制 裝置主要由以下幾部分構(gòu)成：（1）連接頭連接頭用于與試樣兩端進(jìn)行粘接，有上下2個(gè)相同的連接頭，連接頭與試樣連接的一端直徑要大于或者等于試樣的尺寸，上連接頭另一端能與萬(wàn)向節(jié)的T型滑槽進(jìn)行掛接，下連接頭的另一端與

9、下聯(lián)結(jié)塊的T型滑槽進(jìn)行連接。萬(wàn)向節(jié)與下聯(lián)結(jié)塊的T型滑槽可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，用以調(diào)節(jié)連接頭與其掛接的方位，保證連接頭與試樣不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。連接頭與試樣的粘接使用的是美國(guó)3M膠，是由粘接劑和固定劑組成，粘接劑和固定劑混合使用比例為3:2，混合均勻并且粘接時(shí)不能有較大的滑動(dòng)，3M膠完全凝固后的強(qiáng)度會(huì)大于巖樣的拉伸強(qiáng)度（包括單軸和三軸），通過(guò)測(cè)試，24h后3M膠的拉伸強(qiáng)度為42～45MPa，隨著粘接時(shí)間的延長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度會(huì)逐漸變大，最大能達(dá)到54～55MPa。（2）萬(wàn)向節(jié)所研制的萬(wàn)向節(jié)有多自由度，在不同的方位可以進(jìn)行左右或者前后的移動(dòng)，與連接頭連接的一端設(shè)置有T型滑槽，能與連接頭進(jìn)行有效的連接，另一端設(shè)置有豎向

10、螺紋，用于與上聯(lián)結(jié)塊設(shè)置的螺孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)連接。萬(wàn)向節(jié)所獨(dú)有的多自由度的功能可以有效地防止由于試樣不平造成的拉伸載荷方向與試樣軸線不重合造成的附加彎曲載荷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。由于這一功能的產(chǎn)生使得巖石等脆性材料在拉伸過(guò)程中難以始終保持對(duì)中的技術(shù)難題得到解決。（3）聯(lián)結(jié)塊所設(shè)計(jì)的聯(lián)結(jié)塊包括上聯(lián)結(jié)塊和下聯(lián)結(jié)塊，裝置有所不同，上聯(lián)結(jié)塊中部設(shè)置有螺孔，用于與萬(wàn)向節(jié)連接，周圍分布有6個(gè)等直徑的螺孔，與MTS815材料試驗(yàn)機(jī)的力傳感器進(jìn)行連接，將拉力能有效地傳遞到力傳感器中進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。下聯(lián)結(jié)塊一端與連接頭進(jìn)行連接，另一端的周圍同樣設(shè)置有6個(gè)等直徑的螺孔，用于與MTS815的加載平臺(tái)進(jìn)行固定連接。本裝置與國(guó)內(nèi)外

11、同類型的試驗(yàn)裝置相比有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）隨動(dòng)聯(lián)鎖試驗(yàn)裝置的研制使得加載平臺(tái)與作動(dòng)器活塞可以上下同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了MTS815試驗(yàn)儀器可以進(jìn)行主動(dòng)壓縮和主動(dòng)拉伸的功能。（2）三軸拉伸試驗(yàn)夾具的研制使得當(dāng)加載平臺(tái)向下移動(dòng)時(shí)載荷傳感器能夠接收到拉伸的信號(hào)，夾具中的特有的萬(wàn)向節(jié)可以提供一個(gè)多自由度的調(diào)整，在粘接試樣時(shí)保證試樣兩端與連接頭粘接牢固，使試樣與連接頭位于同一軸線處。試驗(yàn)前利用萬(wàn)向節(jié)特有的自由度進(jìn)行小范圍的調(diào)整，再給予一定的初始應(yīng)力，保證在注油的過(guò)程中拉伸夾具不發(fā)生擾動(dòng)，一系列的措施可以解決由于試樣不平造成的拉伸載荷方向與試樣軸線不重合造成的附加彎曲載荷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，也相應(yīng)的解決了試樣對(duì)中

12、的問(wèn)題。（3）巖石三軸拉伸試驗(yàn)裝置不僅適用于軟巖的直接拉伸也適用于硬巖的直接拉伸，應(yīng)用范圍廣。（4）能夠在不同圍壓條件使用，能在低圍壓和高圍下進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)試。 4試驗(yàn)使用 上述基于MTS815材料試驗(yàn)機(jī)的巖石三軸拉伸裝置，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行了不同圍壓下的三軸拉伸試驗(yàn)。三軸拉伸試驗(yàn)是指試樣首先在三軸腔中固定，然后向三軸腔中注油，施加圍壓，采用位移或者力控制使軸向拉力逐漸增大直至試樣破壞的過(guò)程。 4.1試驗(yàn)方案試樣為頁(yè)巖，將試樣事先做好“狗骨頭”的形狀，為使巖樣均勻受壓，在頁(yè)巖周圍涂上軟膠泥，做成圓柱形狀，見(jiàn)圖5。試驗(yàn)中采用位移控制，加載速率為0.12mm/

13、min，對(duì)頁(yè)巖分別進(jìn)行圍壓為0、10、15、20、40、60、80MPa的三軸拉伸試驗(yàn)。 4.2試驗(yàn)方法（1）試樣粘接用3M膠將頁(yè)巖試樣粘接于上連接頭與下連接頭之間，使巖樣與連接頭保持在同一軸線處，靜置48h后3M膠完全凝固，在連接頭的端口處安裝具有一定耐油性和彈性的橡膠圈，再在連接頭與巖樣一體的裝置上套上熱縮管，熱縮管的長(zhǎng)度要覆蓋上連接頭與下連接頭的橡膠圈處，用熱風(fēng)機(jī)從中間向兩邊吹熱縮管，保證熱縮管能夠很好地固定在被測(cè)試巖樣與上下連接頭處。（2）儀器安裝將軌道、帶有螺孔的平面鋼板和直角型鋼塊分別安裝在加載平臺(tái)與作動(dòng)器活塞處，組成隨動(dòng)聯(lián)鎖裝置。夾具處將上聯(lián)結(jié)塊安裝在MTS815

14、的載荷傳感器處，用螺絲與上聯(lián)結(jié)塊周圍的螺孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)連接，再將萬(wàn)向節(jié)上方的豎向螺紋與上聯(lián)結(jié)塊的豎向螺孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)連接，同樣利用螺絲將下聯(lián)結(jié)塊周圍的螺孔與MTS815的下方加載平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)連接，再將與巖樣粘接的連接頭掛接于下聯(lián)結(jié)塊與萬(wàn)向節(jié)處，調(diào)整萬(wàn)向節(jié)，保證萬(wàn)向節(jié)、連接頭、被測(cè)試巖樣和下聯(lián)結(jié)塊的中心位于同一軸線處。（3）拉伸試驗(yàn)試樣安裝完畢后拔下三軸室插銷，將三軸室平穩(wěn)落到加載平臺(tái)上，將其周圍的粗螺釘緊固，形成內(nèi)部密閉空間。向三軸室腔體內(nèi)注油，完畢后對(duì)被測(cè)巖樣施加一定的圍壓值（按試驗(yàn)方案要求，施加不同的圍壓狀態(tài)）。最后，采用軸向位移控制模式，以0.1mm/min的速率對(duì)被測(cè)試巖樣施加拉載荷，直到巖樣

15、斷裂破壞，加載過(guò)程中由控制電腦實(shí)時(shí)記錄載荷、位移等原始數(shù)據(jù)。巖樣斷裂破壞后應(yīng)盡快結(jié)束試驗(yàn)，防止由于過(guò)度拉伸造成的熱縮管外套損傷而引起的試樣進(jìn)油。試驗(yàn)完畢后進(jìn)行回油操作，打開三軸室，取下巖樣，觀察試樣的斷裂面，拍照和記錄。（4）數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)結(jié)束后試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)以標(biāo)準(zhǔn)excel（或dat）格式保存在指定文件夾內(nèi)，數(shù)據(jù)主要包括時(shí)間、位移、載荷、圍壓等參數(shù)。研究者可利用這些參數(shù)根據(jù)研究目的進(jìn)行計(jì)算分析，得出不同圍壓條件下巖石試件的三軸直接拉伸力學(xué)特性及規(guī)律。 5試驗(yàn)結(jié)果分析 5.1偏應(yīng)力計(jì)算及其拉伸位移曲線利用上述的試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法進(jìn)行了不同圍壓下的拉伸試驗(yàn)，用t表

16、示拉伸偏應(yīng)力。 5.2破壞模式由圖6可知，頁(yè)巖主要有拉伸破壞和剪切破壞兩種破壞方式，拉伸破壞時(shí)斷裂面與拉力方向幾乎垂直，斷面不平整，斷裂面上的拉應(yīng)力為主應(yīng)力，剪切破壞時(shí)破壞面與最大主平面呈現(xiàn)一定的夾角，主應(yīng)力是處于壓應(yīng)力的狀態(tài)。（1）拉伸破壞圖7為頁(yè)巖處于10MPa低圍壓下破壞的斷面形狀。斷裂面呈水平狀，整個(gè)斷面粗糙不平。破壞的特點(diǎn)與單軸拉伸相似，拉伸的位移相對(duì)不大。 5.3破壞現(xiàn)象分析結(jié)合上述的斷面圖形和位移曲線（見(jiàn)圖6）可知，在0MPa即無(wú)圍壓的條件下頁(yè)巖的拉伸位移曲線呈現(xiàn)出了3個(gè)階段，分別為上凹階段、直線階段和破壞階段。上凹階段即為裂隙擴(kuò)展階段，曲線斜率在

17、不斷增加，主要是拉應(yīng)力的作用使得裂隙不斷發(fā)生擴(kuò)展；直線階段即為穩(wěn)定階段，表明頁(yè)巖在拉應(yīng)力的作用下，裂隙在穩(wěn)定擴(kuò)展；破壞階段頁(yè)巖到達(dá)峰值強(qiáng)度以后突然發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞。具有圍壓的條件下分為低圍壓和高圍壓，低圍壓下曲線起始處仍然呈現(xiàn)上凹階段，但沒(méi)有單軸條件下明顯，隨著圍壓的增大，“上凹”現(xiàn)象逐漸消失。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是裂隙擴(kuò)展階段側(cè)向壓力的存在時(shí)抵消了一部分拉應(yīng)力對(duì)裂隙擴(kuò)展所產(chǎn)生的作用，仍是拉應(yīng)力在起主導(dǎo)作用，圍壓越大，抵消作用越明顯，直到高圍壓條件下側(cè)向壓應(yīng)力的作用起到完全的主導(dǎo)作用。在低圍壓的直線穩(wěn)定階段，拉應(yīng)力依然為主導(dǎo)作用，直到頁(yè)巖發(fā)生破壞，而高圍壓下側(cè)向壓應(yīng)力已經(jīng)抵消拉

18、應(yīng)力產(chǎn)生的作用，起到主導(dǎo)作用，高圍壓下峰前呈現(xiàn)明顯的塑性階段，破壞階段依然為脆性破壞。 6結(jié)論 （1）基于新型MTS815材料試驗(yàn)機(jī)研制的一種新型的三軸拉伸試驗(yàn)裝置，分為隨動(dòng)聯(lián)鎖裝置和三軸拉伸夾具，使原本只能提供壓縮載荷的MTS815試驗(yàn)機(jī)也能精確提供軸向拉伸荷載，解決了巖石等脆性材料在拉伸過(guò)程中難以始終保持對(duì)中的技術(shù)難題。針對(duì)三軸拉伸試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套完整的三軸拉伸試驗(yàn)方法，可有效地進(jìn)行三軸拉伸試驗(yàn)。（2）利用新裝置對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行了不同圍壓下的拉伸試驗(yàn)，繪制出了拉伸位移曲線，總體上拉伸應(yīng)力隨著圍壓的增大而增大，在無(wú)圍壓或者低圍壓下曲線呈“上凹–直線–破壞”狀態(tài)，高圍壓條件下曲線呈“直線–平緩–破壞”狀態(tài)。（3）頁(yè)巖的低圍壓和高圍壓的破壞形式分別為拉伸破壞和剪切破壞。壓應(yīng)力和拉應(yīng)力在高圍壓和低圍壓下不同時(shí)期所起的主導(dǎo)作用，低圍壓下拉應(yīng)力依然起到主導(dǎo)作用，高圍壓下側(cè)向壓應(yīng)力起到了主導(dǎo)的作用，使高圍壓下頁(yè)巖由脆性向塑性發(fā)展。