一种卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室

1.一种卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室，在压力室的上下室壁和左右室壁的中间部位通过活塞孔分别安装平面内呈十字交叉布置的四个自平衡活塞（1.2、2.2、
3.2、4.2），其中竖直向的两个活塞（1.2、3.2）构成竖向活塞副，水平向的两个活塞（2.2、
4.2）构成水平向活塞副，四个自平衡活塞的前端面分别通过垫块与岩石试样（5）相接触，竖向活塞副和水平向活塞副的两个活塞中有一个活塞的后端面与作动器相接，其特征在于：
所述四个自平衡活塞分别有与压力室活塞部位构成的压力腔（1.3、2.3、3.3、4.3）和背压腔（1.4、2.4、3.4、4.4），其中压力腔分别通过管路和单向阀（V1、V2、V3）与压力室相接；背压腔通过管路和单向阀（V6、V7、V8、V9）分别与大气和调位用手动泵（H2）相接；四个自平衡活塞设有压力控制系统，该压力控制系统由压力传感器（P1）、力传感器（load cell）、作动器、EDC控制器、Moog伺服阀和调压用手动泵（H1）组成，其中EDC控制器通过导线分别与压力传感器（P1）、力传感器（load cell）和Moog伺服阀相接，压力传感器（P1）置于压力腔与压力室的连接管路中，外部油路系统通过Moog伺服阀与作动器相接，作动器通过力传感器（load cell）与竖向活塞副和水平向活塞副的两个活塞的其中一个活塞的后端面相接，压力室通过单向阀（V3、V4、V5）分别与调压用手动泵（H1）和大气相接。
2.根据权利要求1所述的卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室，其特征在于：在压力室前部的立面上有供岩石试样（5）出入的孔，孔上安装由压力室盖（7）和压力室盖夹具（8）构成的封门。

一种卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室\n技术领域\n[0001] 本发明涉及深部采矿力学模拟试验装置，特别是一种用于刚性-柔性混合型岩石真三轴试验机上的卸载时主应力方向可以变换的岩石真三轴压力室。\n背景技术\n[0002] 天然岩土材料在原位状态通常是处于三维应力条件下的，用三个主应力（σ1,σ2,σ3）来描述原岩应力状态。为此，常用真三轴试验机来模拟σ1≥σ2≥σ3的应力条件下的岩石力学行为。为了方便施加三个方向相互正交的荷载，真三轴试样通常加工成正方体或者长方体。采用x，y，z三个方向相互正交的加载单元组成真三轴加载系统，即σx、σy、σz分别对应σ1、σ2、σ3。早期的真三轴试验机多在双轴试验机的基础上增加另一个刚性加载单元模拟σ3，形成三个方向刚性加载系统，试验中无需压力室。这种三个方向纯刚性加载的真三轴试验机在试验中为了防止各个相邻面上的压板发生接触干涉，通常设置一小的间隙，由此导致岩样存在应力空白角和应变测量不直接等问题，限制了其发展。此后出现的一种刚性-柔性混合型岩石真三轴试验机由于克服了以上缺点（小主应力σ3采用柔性加载），使其成为目前的主流实验设备。该种真三轴试验机上的真三轴压力室是确保柔性荷载成功施加的重要部件，压力室由压力室主体和四个通过活塞孔安装在压力室上下壁和左右室壁上的阶梯型活塞组成，四个活塞的前端面分别通过垫块与岩石试样相接触，起到传递力的作用，其中竖直向的两个活塞构成竖向活塞副，水平向的两个活塞构成水平向活塞副，竖向活塞副和水平向活塞副构成加载执行机构。竖向活塞副和水平向活塞副中各有一个活塞的后端面与作动器（液压千斤顶）相接。这种采用四个活塞的压力室虽然比使用两个活塞的压力室制造复杂，但是配合浮动框架使用（参考CN101458192A中国专利），可以保证在加载试验过程中，试样的几个中心不发生偏移，有助于减少摩擦和偏载，提高试验的可靠性。此真三轴压力室四个活塞的阶梯形处与对应的压力室孔壁形成一个空腔，该空腔的环形面积与活塞在压力室内的端面面积相等，在活塞体上加工一个细小的钻孔，使压力室的液压油与该空腔连通。由于空腔的环形面积与活塞在压力室内的端面面积相等，活塞两端承受的压力相等，在围压（σ3）改变时活塞不发生移动，故此活塞称为自平衡活塞，起到自平衡作用的空腔称为自平衡腔。压力室的压力控制系统由独立的伺服加压装置和压力传感器组成，目的是施加试验过程中需要的小主应力σ3，即所谓的围压。该真三轴压力室采用两刚一柔加载方式，其中大主应力σ1和中主应力σ2采用作动器对活塞刚性加载，小主应力σ3采用液压油泵柔性加载，即压力室的四个连通活塞采用“自平衡”形式施压，一旦施加围压，四个活塞不发生移动，处于自平衡状态。这种“自平衡”压力室的优点是，偏应力（σ1-σ3或σ2-σ3）可以通过作动器独立施加和控制；静水压力（σ1=σ2=σ3）条件易于模拟；便于实施等向加载；试样安装方便快捷，对中较易实现。此种刚性-柔性混合型压力室经历了由普通型压力室（非自平衡）向自平衡压力室的发展过程。非自平衡压力室由于三个方向的力是独立控制，使其对控制系统的性能要求非常高，加之试样安装很不不便，很快被自平衡压力室所代替。采纳自平衡压力室的真三轴在模拟从初始静水压力条件下加载，然后维持σ3和σ2在相应的设定值，增加σ1至试样破坏这样的应力路径，具有很好的执行力。但是当模拟实际深部岩体开挖导致的强卸载应力路径时，即开挖巷道的临空面变成零应力状态（开挖前该面法向近似对应大主应力或中主应力），此时初始的大主应力或者中主应力方向的应力很可能卸荷至零，自然小于柔性加载的小主应力（围压力），即此卸载过程中主应力方向发生变换，初始的小主应力方向变成大主应力或者中主应力方向。针对此类岩体卸载过程中主应力方向变换的力学行为，此种真三轴压力室受其结构特点制约，无法模拟上述应力路径，即自平衡活塞即使通过外部作动器卸载到偏应力等于零，但由于自平衡腔内的压力等于围压，故与该活塞接触的试样端面无法小于围压，真三轴压力室只能卸载到σ1=σ2=σ3=某一应力水平条件（特例是同步卸载至零），无法模拟初始σ1和σ2方向的应力卸载至零的应力路径，尽管它有众多优点，但面对此种特殊的主应力方向变化的卸载应力路径，表现出功能不足。因此，非常有必要对上述两刚一柔岩石真三轴试验机的真三轴压力室加以功能性完善，以解决上述岩体卸载过程中主应力方向变化时应力路径实施问题。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是针对上述自平衡式真三轴压力室用于深部岩体开挖存在的卸载路径能力不足的缺陷为真三轴试验机提供一种卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室，以解决其卸载应力路径不足的问题。\n[0004] 为实现上述目的，本发明提供的卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室，在压力室的上下室壁和左右室壁的中间部位通过活塞孔分别安装平面内呈十字交叉布置的四个自平衡活塞（1.2、2.2、3.2、4.2），其中竖直向的两个活塞（1.2、3.2）构成竖向活塞副，水平向的两个活塞（2.2、4.2）构成水平向活塞副，四个自平衡活塞的前端面分别通过垫块与试样（5）相接触，竖向活塞副和水平向活塞副的两个活塞中有一个活塞的后端面与作动器相接，其特征在于：所述四个自平衡活塞分别有与压力室活塞部位构成的压力腔（1.3、2.3、3.3、4.3）和背压腔（1.4、2.4、3.4、4.4），其中压力腔分别通过管路和单向阀（V1、V2、V3）与压力室相接；背压腔通过管路和单向阀（V6、V7、V8、V9）分别与大气和调位手动泵（H2）相接；四个自平衡活塞设有压力控制系统，该压力控制系统由压力传感器（P1）、力传感器（loadcell）、作动器、EDC控制器、Moog伺服阀和调压手动泵（H1）组成，其中EDC控制器通过导线分别与压力传感器（P1）、力传感器（load cell）和Moog伺服阀相接，压力传感器（P1）置于压力腔与压力室的连接管路中，外部油路系统通过Moog伺服阀与作动器相接，作动器通过力传感器（load cell）与竖向活塞副和水平向活塞副的两个活塞的其中一个活塞的后端面相接，压力室通过单向阀（V3、V4、V5）分别与调压手动泵（H1）和大气相接。\n[0005] 为便于岩石试样的放入和取出，在压力室前部的立面上有供试样（5）出入的孔，孔上安装由压力盖（7）和压力盖夹具（8）构成的封门。\n[0006] 本发明真三轴压力室，试验过程中，自平衡压力室和四个自平衡活塞可以用于常规加载路径试验。一旦卸载至静水压力条件时，自平衡活塞压力腔的外置油路和自平衡活塞压力控制系统共同工作，完成自平衡-非自平衡转换，实现主应力方向变换条件下的完全卸载；真三轴压力室充满油，通过控制围压实现柔性方向加载。\n[0007] 与现有技术相比，本发明真三轴压力室的优点是，在保留原有两刚一柔岩石真三轴压力室自平衡活塞优点的基础上，增加了自平衡-非自平衡转换功能，克服了原真三轴压力室只能实现卸载到静水压力条件的缺陷，实现了完全应力路径的卸载（即原有大主应力和中主应力方向荷载可同步或异步卸载，能使该方向的应力小于围压产生的应力），解决了卸载应力路径不足的问题。\n附图说明\n[0008] 图1是本发明真三轴压力室正面结构示意图；\n[0009] 图2是本发明真三轴压力室侧视结构示意图；\n[0010] 图3是水平向自平衡活塞的压力系统结构框图。\n[0011] 图中：1.1-竖直向上自平衡活塞压盖；1.2-竖直向上自平衡活塞；1.3-竖直向上自平衡活塞压力腔；1.4-竖直向上自平衡活塞背压腔；2.1-水平向左自平衡活塞压盖；\n2.2-水平向左自平衡活塞；2.3-水平向左自平衡活塞压力腔；2.4-水平向左自平衡活塞背压腔；3.1-竖直向下自平衡活塞压盖；3.2-竖直向下自平衡活塞；3.3-竖直向下自平衡活塞压力腔；3.4-竖直向下自平衡活塞背压腔；4.1-水平向右自平衡活塞压盖；4.2–水平向右自平衡活塞；4.3–水平向右自平衡活塞压力腔；4.4-水平向右自平衡活塞背压腔；\n5-岩石试样；6-围压接口；7-压力室盖；8-压力室盖夹具；V1—V9-单向阀；C1-泄压用油箱、C2-调位用油箱；load cell-传感器；P1-压力传感器；G1-压力表；H1-调压用手动泵；\nH2-调位用手动泵。\n具体实施方式\n[0012] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n[0013] 结合图1和2，本发明真三轴压力室采用立式结构，容纳岩石试样5的室内尺寸为\n50×50×100mm。为方便式岩石试样的放入和取出，在压力室的前部立面上开孔，作为试样的进出通道，孔上安装由压力室盖7和压力室盖夹具8构成的封门。压力室后壁上有与外接油路系统相接的围压接口6。在压力室的上下室壁和左右室壁的中间部位开设平面内呈十字交叉布置的四个活塞孔，同向孔在加工过程中一次成型，以保证同轴度，并确保竖直向和水平向孔的轴线交叉在同一平面内，保证垂直度。通过竖直向的上自平衡活塞压盖1.1和下自平衡活塞压盖3.1将自平衡活塞1.2和3.2安装在压力室的上下活塞孔中，构成竖向活塞副，通过水平向的左自平衡活塞压盖2.1和右自平衡活塞压盖4.1将自平衡活塞2.2和4.2安装在压力室左右活塞孔中，构成水平向活塞副，竖向活塞副和水平向活塞副构成加载执行机构。四个自平衡活塞的压力分别通过垫块作用在试样的四个50×100mm的矩形断面上。四个自平衡活塞分别有与压力室活塞部位构成的压力腔1.3、2.3、3.3、4.3和背压腔1.4、2.4、3.4、4.4。\n[0014] 结合图3，构成竖向和水平向活塞副的四个自平衡活塞的压力腔分别通过管路和单向阀（图3给出的水平向活塞副中连接压力腔和压力室的单向阀为V1、V2、V3，竖向活塞副与水平向活塞副类同，从略）与压力室相接，构成压力腔外置油路，进行常规加载路径试验时，压力腔与压力室接通，起到自平衡作用。背压腔分别通过管路和单向阀（图3示例中为V6、V7、V8、V9）与调位用手动泵H2和调位用油箱C2相接（油箱C2与大气相通），构成背压腔辅助油路，加载前，通过阀门关闭背压腔与大气的连通，用调位用手动泵H2调节活塞的初始位置；加载时开启阀门，使背压腔和大气联通，确保加载不受背压影响；实验结束后，通过手动泵H2向背压腔打油，驱动自平衡活塞复位。\n[0015] 为实现自平衡-非自平衡转换，本发明真三轴压力室设有自平衡活塞压力控制系统，该系统由压力传感器P1、力传感器load cell、作动器、EDC控制器、Moog伺服阀和调压用手动泵H1组成，其中EDC控制器通过导线分别与压力传感器P1、力传感器load cell和Moog伺服阀相接，压力传感器P1置于自平衡活塞压力腔与压力室的连接管路中，外部油路系统通过Moog伺服阀与作动器相接，作动器通过力传感器load cell与其中一个活塞的后端面相接，压力室通过单向阀（图3示例中为V3、V4、V5）分别与调压用手动泵H1和泄压用油箱C1相接，油箱C1与大气相通，手动泵H1接有压力表G1。进行自平衡-非自平衡转换时，关闭与压力室相接的阀门V3，用手动泵H1对自平衡活塞外置油路中的压力卸载，EDC控制器接收压力传感器P1和力传感器load cell的反馈信号，输出控制信号给Moog伺服阀，Moog伺服阀执行EDC控制器的命令，调节外部油路系统对作动器的供油，进而调节活塞所受压力。\n[0016] 本发明真三轴压力室的工作原理和使用方法如下：\n[0017] 真三轴压力室的四个加载活塞1.2、2.2、3.2和4.2采用自平衡方式，由活塞1.2和3.2构成的竖向活塞副和由活塞2.2和4.2构成的水平向活塞副作为主要加载执行机构，作用在长方体岩石试样左右断面上的应力在加载阶段可以施加最大1000MPa的大主应力，作用在长方体岩石试样上下断面上的应力在加载阶段可以施加最大600MPa的中主应力，压力室最大可以承受100MPa压力。自平衡活塞压力腔油路采用外置方式，目的是实现自平衡-非自平衡转换。\n[0018] 岩石试样和四个垫块组成试样集成体。实验时，打开压力室盖放入试样，通过调位用手动泵调节试样的初始位置，随后竖直向活塞加紧，左右向活塞通过调压用手动泵随动加紧；扣上压力室盖，锁紧压力室盖夹具，试样的定位和安装完成。\n[0019] 常规加载路径试验：采用自平衡模式，以左右方向为例（参照图3），V1，V2和V3打开，V4和V5关闭，V6，V7和V8打开，V9关闭。初始静水压力设定，液压油通过围压接口接入，设置预加的应力状态，此时不施加偏应力，四个自平衡活塞不发生移动，随后施加偏应力，左右方向活塞对应大主应力，竖直方向活塞对应中主应力。在此加载过程中，根据试验需要完成加载路径的试验。\n[0020] 卸载时主应力方向可变换的应力路径试验：从一个上述的加载应力路径上的某点开始执行卸载，可以分为主应力方向不变的卸载和主应力方向变化的卸载。正如本发明目的是为了模拟深部金属矿硬岩强卸荷工况，即原来大主应力方向的应力卸载到完全为零条件，此路径必须在本发明自平衡-非自平衡转换的真三轴压力室实现。\n[0021] 以左右方向卸载为例（参照图3），压力传感器P1和力传感器Load cell为控制信号反馈源，EDC控制器接收两个传感器的信号并输出控制命令给Moog伺服阀，Moog伺服阀执行EDC控制器的控制命令，实现自平衡-非自平衡转换控制。其操作步骤是：首先卸载到偏压力为零，然后关闭V3，打开V4，通过调压用手动泵H1缓慢卸载。控制部分主要依赖于由压力传感器P1、力传感器Load cell和EDC控制器构成的控制系统。系统根据式①的关系控制Moog伺服阀动作。自平衡活塞压力腔外置油路的压力通过调压用手动泵缓慢释放，失去的压力按式①由压力传感器P1监测，式①中两个传感器之间的逻辑关系体现在失去的液压压力通过Moog伺服阀控制作动器迅速补上。换句话说，自平衡活塞压力腔由于液压压力的失去，导致该方向的力（Pi×A）丧失，但是失去力受式①约束，Moog伺服阀根据式①进行计算，控制作动器产生目标值所需要的力，该力值信号由力传感器Load cell提供反馈。需要说明的是，自平衡活塞压力腔油压卸载操作由调压用手动泵完成，建议分级分次缓慢卸载，操作时间控制在3-5分钟完成，目的是做到平滑转换。最终自平衡活塞压力腔内释放的压力完全由轴向加载系统承担，转变为由主油缸控制，切换到非自平衡状态，根据卸载实验需要继续卸载到需要的应力点（包括绝对零应力点）。\n[0022] 作动器所需产生的补偿力值Fi根据式①计算：\n[0023] Fi＝P×A-Pi×A ①\n[0024] 式中：\n[0025] Fi——第i步，力传感器load cell所需施加的目标值，N；\n[0026] P——非自平衡转换时的围压压力，Pa；\n[0027] A——自平衡活塞环形面积，m2；\n[0028] Pi——第i步，卸载打开自平衡活塞压力腔时管路内的压力，Pa；\n[0029] 本真三轴压力室大主应力方向和中主应力方向都可以独立或者同步实现自平衡-非自平衡转换。\n[0030] 实验结束后，关闭自平衡活塞背压腔接通大气的阀门，通过调位用手动泵加压，即可使自平衡活塞复位，然后打开压力室的封门，取出岩石试样。\n[0031] 利用上述方法，可以模拟深部巷道或隧道的自由面由于开挖卸载到零应力的情况，特别是该自由面在卸载以前因受构造应力影响可能处于大主应力或者中主应力条件。\n通过完成自平衡-非自平衡平滑转换，在执行完全卸载应力路径时，实现主应力方向的变换，弥补了原自平衡真三轴压力室只能完成静水压力的不足，扩大了真三轴实验的应力路径范围。