一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法与流程

本发明属于力学性能测试技术领域，具体涉及一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法。

背景技术：

岩石在多方向外力作用下的力学性能测试对于研究岩石这一脆性介质的性质具有重要的意义。受各种方向作用的岩石，其力学性能的测试属于固体力学的研究范畴，其对于岩石在不同方向受力情况下的力学特性研究起着基础性的指导作用，特别是在工程实况下岩石的受力状态具有直接的作用。对于岩石类准脆性材料，力学性能是决定该岩体工程稳定性的重要因素。因此，如何获得岩石在真实受力状态下的力学性能参数是亟待解决的问题。

现有用于岩石力学性能测试的装置，其测试装置分为真三轴岩石力学测试系统和假三轴岩石力学测试系统，其测得的力学性能参数反映了该岩石在不同加载方向、不同加载应力的围压下的力学特性。对于真三轴岩石力学测试系统，其反映了岩石在真实受力状态下的受力情况。对于假三轴岩石力学测试系统，其反映了岩石在某特定受力状态下的受力情况。但是，目前还没有一种装置能同时达到测试岩石在真三轴或者假三轴下的受力情况。如果能同时获得该两种受力情况下的力学参数，对于岩石这种材料会有更深刻的认识，对于岩石这种工程材料的应用会有更为广泛的前景。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题为：提供一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法，实现对岩石在不同受力状态下的力学性能的测定。

本发明采用了如下技术方案：

一种真假三轴岩石力学性能测试装置，包括加载支架、可伸缩加载腔、加载球形头、岩体、X1向作动器、X2向作动器、Y1向作动器、Y2向作动器、Z向作动器、加载平台和装置基座；加载支架安装在装置基座上，加载平台安装在装置基座上；X1向作动器和X2向作动器位于加载平台的两侧，且X1向作动器和X2向作动器均安装在装置基座上；Y1向作动器和Y2向作动器位于加载平台的另两侧，且Y1向作动器和Y2向作动器均安装在装置基座上，加载支架中的水平加载横梁底部设有可伸缩加载腔，可伸缩加载腔位于加载平台上方，Z向作动器位于可伸缩加载腔的内部，加载球形头安装在可伸缩加载腔的底部。

所述的加载腔装有液压油。

所述的加载支架的竖直加载柱安装在装置基座上。

一种真假三轴岩石力学性能测试方法，包括如下步骤：

步骤一、设备布局；

步骤二、放置岩体；

步骤三、真三轴试验；

步骤四、假三轴试验。

所述步骤一中，X1向作动器、X2向作动器、Y1向作动器、Y2向作动器、Z向作动器均回归原位。

所述步骤二中，将待测试岩体放置于加载平台的正中位置；与X1向作动器、X2向作动器、Y1向作动器、Y2向作动器的加载端头部均保持相同的距离。

所述步骤三中，可伸缩加载腔给Z向作动器加载Z向作用力，使Z向作动器前端的加载球形头伸出，直至接触到岩体样品；待Z向作用力稳定后，同时施加X向与Y向作用力；改变X、Y、Z三个方向的作用力大小，进行加载。

所述步骤四中，Z向作动器从可伸缩加载腔内部伸出，Z向作动器与加载平台相接触并固定连接；可伸缩加载腔加载Z向作用力，直至Z向作动器前端的加载球形头接触到岩体；待Z向作用力稳定后，将液压加载油注入可伸缩加载腔内部，并注满；改变Z向的作用力及围压的大小，进行加载。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法，能够通过电脑控制系统，获得加载过程中，该岩体的力学基本特性参数；

(2)本发明的一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法，能够模拟天然岩体的真实受力情况以及某特定情况下的受力情况；

(3)本发明的一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法，不仅操作方便、测量便捷，而且测量结果准确可靠；

(4)本发明的一种真假三轴岩石力学性能测试装置及其方法，特别适合于岩石、混凝土类准脆性材料的渗透性能测试。

附图说明

图1为本发明所述一种真假三轴岩石力学性能测试装置结构示意图；

图2为本发明所述一种真假三轴岩石力学性能测试装置侧面示意图及真三轴受力情况下的示意图；

图3为本发明所述一种真假三轴岩石力学性能测试装置在假三轴受力情况下的示意图；

图中：1-加载支架、2-可伸缩加载腔、3-加载球形头、4-岩体、5-X1 向作动器、6-X2 向作动器、7-Y1 向作动器、8-Y2 向作动器、9-Z 向作动器、10-加载平台、11-装置基座、12-地基。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的一种真假三轴岩石力学性能测试装置，包括加载支架1、可伸缩加载腔2、加载球形头3、X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8、Z向作动器9、加载平台10、装置基座11、地基12。装置基座11通过地脚螺栓水平固定安装在地基12的正上方；加载支架1由水平加载横梁与四根竖直加载柱组成，加载支架1四根竖直加载柱的底部通过连接螺栓固定安装在装置基座11上；加载平台10通过连接螺栓安装在装置基座11顶部中心。如图1所示，X1向作动器5、X2向作动器6位于加载平台10的两侧，且X1向作动器5、X2向作动器6位于加载平台10与加载支架1的竖直加载柱之间，X1向作动器5和X2向作动器6底部均通过连接螺栓安装在装置基座11上。如图2所示，Y1向作动器7、Y2向作动器8位于加载平台10的另两侧，且Y1向作动器7、Y2向作动器8位于加载平台10与加载支架1的竖直加载柱之间，Y1向作动器7、Y2向作动器8底部均通过连接螺栓安装在装置基座11上。X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8用于水平方向的前、后、左、右四个方向的水平加载；岩体4安置在加载平台10上；可伸缩加载腔2的顶部与加载支架1中的水平加载横梁通过连接螺栓固定连接，并且可伸缩加载腔2位于岩体4的正上方；Z向作动器9位于可伸缩加载腔2的内部，用于竖直方向的垂直加载；加载球形头3安装在可伸缩加载腔2的底部，可实现对岩体4的加载。

如图3所示，可伸缩加载腔2在不同的测试状态下，可实现加载腔体伸出或缩回的功能。

加载支架1均采用不锈钢材质。

加载腔2装有液压油，可用于施加并分配给各个作动器。X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8、Z向作动器9可同时对岩体4施加作用力，亦可单独从某个方向施加作用力，各个作动器彼此独立工作，互不影响。

本发明的一种真假三轴岩石力学性能测试方法，包括如下步骤：

步骤1.设备布局

如图1、图2所示，将X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8、Z向作动器9均回归原位。Z向作动器9回归原位状态目的是将可伸缩加载腔2抬升足够的高度，保证有足够的操作空间，得以放置岩体4在加载平台10上。

步骤2.放置岩体4

如图1、图2所示，将待测试岩体4放置于加载平台10的正中位置，待测试岩体4与水平方向的作动器，也就是与X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8的加载端头部均保持相同的距离。

步骤3.真三轴试验

如图1、图2所示，可伸缩加载腔2中的Z向作动器9处于缩回状态，即Z向作动器9位于可伸缩加载腔2内部；可伸缩加载腔2向Z向作动器9缓慢加载Z向作用力，Z向作动器9前端的加载球形头3缓慢伸出，直至接触到岩体4样品；

使Z向作用力施加至预定的一个较小的载荷值，保证岩体4处于稳定状态；

待Z向作用力稳定后，同时施加水平方向作用力，即X向与Y向作用力；通过位移加载模式，保证X向与Y向作用力同时施加至岩体4的侧面；

改变X、Y、Z三个方向的作用力大小，进行加载，直至达到预定作用力值，整个试验过程均自动保存数据，完成试验；

此时岩体4的受力状态是：三个方向均为不同的加载力，即为真三轴状态加载；

在整个真三轴试验过程中，可伸缩加载腔2中的Z向作动器9为缩回状态，岩石4为完全出露状态。岩石4受X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8、Z向作动器9的加载。

步骤4.假三轴试验

如图3所示，Z向作动器9从可伸缩加载腔2内部缓慢伸出，Z向作动器9与加载平台10相接触、且两者通过连接螺栓固定，并通过密封圈进行密封；X1向作动器5、X2向作动器6、Y1向作动器7、Y2向作动器8在整个过程中，始终为缩回状态，保持不动，不参与假三轴试验过程；

可伸缩加载腔2缓慢向Z向作动器9加载Z向作用力，Z向作动器9前端的加载球形头3缓慢伸出，直至接触到岩体4样品；

可伸缩加载腔2使Z向作用力施加至预定的一个较小的载荷值，保证被测岩体4处于稳定状态；

待Z向作用力稳定后，将液压加载油注入可伸缩加载腔2内部，并注满，保证岩体4处于被液压油包围的状态，此时，被测岩体周边压力为相同的静水压力，也就是X、Y向作用力是相同的数值，岩体处于假三轴加载状态；

改变Z向的作用力及围压的大小，进行加载，直至达到预定作用力值，完成试验。

进行假三轴试验时，可伸缩加载腔2为完全伸出状态，与加载平台10相接触。在可伸缩加载腔2的内部有加载液压油，可对岩石施加静态的、各向均匀的围压。同时，该测试的样品岩石4处于Z向作动器9加载的状态。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。