基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载装置和系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载装置和系统，属岩石力学试验技术领域。

背景技术：

地球表面由一层厚约60-120公里的岩石覆盖，岩石作为地壳分布最为广泛的天然材料，与土木、采矿、水利等工程领域息息相关。当今世界一些权威学者提出：21世纪是地下空间开发利用的世纪。随着城市规模的不断扩大，土地、水等稀缺资源日益紧张，向地下要空间已经成为推动城市可持续发展、建设具有高防灾减灾水平、构建资源节约型、环境友好型社会和城市的重要举措，在交通建设飞速进行、浅部资源逐渐短缺等时代背景下，深部地下空间的利用、深部矿产资源的开采逐渐向常态化方向发展。

然而，深部岩体的开挖力学环境与浅部岩石常规力学加载有明显地不同，“三高一扰动”的提出很好地证明了这一点，即高地应力、高地温、高渗透压及强烈的开采扰动。深部岩体所处的并非单调加载环境，而是经历了临空面形成高应力下的卸载损伤、地温升高、地下水压力和涌出量增加、以及循环多次的外界动力作用(放炮或机械凿岩震动，覆岩断裂冒落、岩爆、微震等)同步、混合的扰动过程，力学加载环境更为复杂。到目前为止，由于人们缺乏深部岩石工程经验，对上述扰动过程中深部岩体力学响应的研究与认识相对不足，使得在深部岩石工程当中对突发性的事故和灾害难以做到有效的预测和控制，工程支护设计无法满足深部岩体工程的安全条件，从而产生岩爆等现象，严重威胁着工程人员的人身安全和工程质量。常规三轴试验机几乎没有可以实现动态扰动加载的功能。

鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载装置，满足不同高地应力和动力扰动因素的协同作用要求，从而促进深部岩石力学试验的发展，弥补以往岩石三轴试验机无法满足深部岩石力学试验在扰动部分的功能缺失。

本实用新型的另一目的在于提供一种可实现动力扰动与围压的独立、同步控制，可实现高应力环境下受外界动力扰动的力学响应研究，满足不同轴向应力、不同围压以及不同扰动频率、振幅等协同作用要求的基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载系统。

为了达到上述目的，本实用新型采用这样的技术方案：

基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载装置,包括底座、设置在底座上的加载主油缸、与底座或者加载主油缸的缸体连接的加载框架、下压头、与下压头配合的上压头以及围压筒机构，上压头与下压头之间形成用于放置岩样的夹持空间，加载主油缸的活塞杆对应下压头设置，还包括穿设在围压筒机构中的大扰动杆，大扰动杆的下端连接内置负荷传感器，大扰动杆的上端连接有支撑板，支撑板的上端连接外置传感器，加载框架具有支撑横梁，外置传感器连接在支撑横梁的下端，还包括扰动油缸，扰动油缸的缸体固定在支撑横梁上，扰动油缸的活塞杆沿竖直方向设置且伸入加载框架中，还包括设置在外置传感器中的扰动力传感器，扰动力传感器的下端对应设有能够作用在大扰动杆上的小扰动杆，扰动力传感器的上端对应扰动油缸的活塞杆的下端设置，在支撑板上设有通孔，小扰动杆设置在通孔中。

作为本实用新型的一种优选方式，所述内置负荷传感器为2000KN的传感器，所述外置传感器为3000KN的传感器，所述扰动力传感器为500KN的传感器。

作为本实用新型的一种优选方式，所述加载框架包括底梁、第一纵梁、第二纵梁以及所述支撑横梁，第一纵梁和第二纵梁平行立设在底梁上，所述支撑横梁设置在第一纵梁和第二纵梁上。

作为本实用新型的一种优选方式，还包括送样小车，所述底梁上设有供送样小车行走的第一导轨和第二导轨，第一导轨和第二导轨平行设置。

作为本实用新型的一种优选方式，所述加载主油缸的活塞杆的上端设有定位插销，在所述送样小车设有与定位插销配合的定位槽。

作为本实用新型的一种优选方式，所述下压头固定在所述送样小车上，所述上压头通过连接机构与所述下压头可拆卸地锁定在一起。

作为本实用新型的一种优选方式，所述围压筒机构包括可沿所述大扰动杆轴向移动的围压筒和与围压筒连接的加压机构，所述送样小车上设有与围压筒配设的支撑座，围压筒的下端与支撑座通过螺栓锁定在一起，在支撑座上设有定位杆，在围压筒的下端对应设有与定位杆配合的导向槽。

作为本实用新型的一种优选方式，所述支撑板为钢板，所述小扰动杆连接在所述扰动力传感器的下端。

本实用新型还提出一种基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载系统，包括力学加载系统、数据采集系统以及进行数据处理的应变测量系统，力学加载系统包括底座、设置在底座上的加载主油缸、与底座或者加载主油缸的缸体连接的加载框架、下压头、与下压头配合的上压头以及围压筒机构，上压头与下压头之间形成用于放置岩样的夹持空间，加载主油缸的活塞杆对应下压头设置，还包括穿设在围压筒机构中的大扰动杆，大扰动杆的下端连接内置负荷传感器，大扰动杆的上端连接有支撑板，支撑板的上端连接外置传感器，加载框架具有支撑横梁，外置传感器连接在支撑横梁的下端，还包括扰动油缸，扰动油缸的缸体固定在支撑横梁上，扰动油缸的活塞杆沿竖直方向设置且伸入加载框架中，还包括设置在外置传感器中的扰动力传感器，扰动力传感器的下端对应设有能够作用在大扰动杆上的小扰动杆，扰动力传感器的上端对应扰动油缸的活塞杆的下端设置，在支撑板上设有通孔，小扰动杆设置在通孔中，内置负荷传感器、外置传感器、扰动力传感器以及围压筒机构均连接至数据采集系统，数据采集系统与应变量系统连接。

采用本实用新型的装置，除了可以进行常规的力学加载试验的负荷测试外，还可以通过扰动油缸、小扰动杆和大扰动杆施加轴向的扰动力，满足不同高地应力和动力扰动因素的协同作用要求，从而促进深部岩石力学试验的发展，弥补以往岩石三轴试验机无法满足深部岩石力学试验在扰动部分的功能缺失。

附图说明

图1为本实用新型基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载装置的俯视图；

图2为图1中A—A向剖视图；

图3为本实用新型的侧视图；

图4为图2中B处的放大图；

图5为本实用新型中频率0.1Hz振幅0.5kN的荷载扰动余弦曲线；

图6为本实用新型中频率1Hz振幅3.5mm的位移扰动余弦曲线；

图7为本实用新型中频率70Hz振幅0.5kN的荷载扰动余弦曲线；

图中：

10-底座 20-主加载油缸

21-主加载油缸的活塞杆 22-定位插销

30-加载框架 31-第一纵梁

32-第二纵梁 33-底梁

34-支撑横梁 35-第一导轨

36-第二导轨 40-送样小车

41-支撑座 42-定位槽

50-岩样 51-下压头

52-上压头 60-围压筒

71-内置负荷传感器 72-大扰动杆

73-外置传感器 74-小扰动杆

75-扰动力传感器 76-钢板

80-扰动油缸 81-扰动油缸的活塞杆

具体实施方式

为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图7，基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载装置, 包括底座10、设置在底座10上的加载主油缸20、与底座10或者加载主油缸20的缸体连接的加载框架30、下压头51、对应下压头51设置的上压头 52以及围压筒机构，其中围压筒机构可以现有岩石试验机中的围压筒机构，实施例中，加载框架30连接在主加载油缸20的缸体上。

本实用新型中上压头52与下压头51之间形成用于放置岩样50的夹持空间，加载主油缸的活塞杆21沿竖直方向设置，加载主油缸的活塞杆21 对应下压头51设置，还包括穿设在围压筒机构中的大扰动杆72，大扰动杆 72沿竖直方向设置，大扰动杆72的下端连接内置负荷传感器71，大扰动杆72的上端连接有支撑板，支撑板沿水平方向设置，支撑板的上端连接外置传感器73，加载框架30具有支撑横梁34，外置传感器73连接在支撑横梁34的下端。

本实用新型还包括扰动油缸80，扰动油缸80的缸体固定在支撑横梁 34上，扰动油缸的活塞杆81沿竖直方向设置且伸入加载框架30中，还包括设置在外置传感器73中的扰动力传感器75，扰动力传感器75以能够上下移动的方式连接在外置传感器73中，扰动力传感器75的下端对应设有能够作用在大扰动杆72上的小扰动杆74，扰动力传感器75的上端对应扰动油缸的活塞杆81的下端设置，具体可以固定在扰动油缸的活塞杆81的下端。在支撑板上设有通孔，小扰动杆74设置在通孔中。

作为本实用新型的一种优选方式，所述内置负荷传感器71为2000KN 的传感器，所述外置传感器73为3000KN的传感器，所述扰动力传感器75 为500KN的传感器，扰动油缸80为300KN的油缸。

作为本实用新型的一种优选方式，所述加载框架30包括底梁33、第一纵梁31、第二纵梁32以及所述支撑横梁34，第一纵梁31和第二纵梁32 平行立设在底梁33上，所述支撑横梁34设置在第一纵梁31和第二纵梁32 上，第一纵梁31、第二纵梁32以及支撑横梁34围成龙门式结构。

作为本实用新型的一种优选方式，还包括送样小车40，所述底梁33 上设有供送样小车40行走的第一导轨35和第二导轨36，第一导轨35和第二导轨36平行设置，送样小车40在第一导轨35和第二导轨36上行走。

作为本实用新型的一种优选方式，所述加载主油缸的活塞杆20的上端设有定位插销22，在所述送样小车40的底部设有与定位插销22配合的定位槽42，通过定位插销22与定位槽42的配合，使得主加载油缸20能够准确地将送样小车40顶起。

作为本实用新型的一种优选方式，所述下压头51固定在所述送样小车 40上，所述上压头52通过连接机构与所述下压头51可拆卸地锁定在一起。在使用时，将岩样50放置在下压头51上，之后通过连接机构将上压头52 连接在下压头50上，将下压头51、岩样50以及上压头52三者的固定在一起。连接机构例如可以采用热缩套管，通过热缩套管将实现上压头52、岩样50以及下压头51套接在一起，之后通过热缩实现三者的连接。更优选地，下压头51通过螺丝锁定在送样小车40上，试验时，将下压头51从送样小车40中取下，然后放上岩样50，在岩样50上面再放上压头52，然后用热缩管套在这三个上面，然后加热，把下压头51、岩样50、上压头52 箍在一起。再把下压头51、岩样50、上压头52整体放到送样小车40上，用螺丝将其固定，然后再做加载试验。

作为本实用新型的一种优选方式，所述围压筒机构包括可沿所述大扰动杆72轴向移动的围压筒60和与围压筒60连接的加压机构，由升降系统来控制围压筒60的缓缓升降，保证围压筒60稳定降落到送样小车40，然后用螺丝或螺栓固定，然后再向围压筒60当中充液压油，然后再给岩样加围压。所述送样小车40上设有与围压筒60配设的支撑座41，围压筒60的下端与支撑座41通过螺栓锁定在一起，在支撑座41上设有定位杆42，在围压筒60的下端对应设有与定位杆42配合的导向槽。需要加压时，将围压筒60降下，并使得定位杆42插入导向槽中实现围压筒60与支撑座41 的定位，之后，通过螺钉将围压筒60锁定在支撑座41上使得围压筒60内形成密闭腔室。本实用新型中由升降系统来控制围压筒60的缓缓升降，保证围压筒60稳定降落到送样小车40，然后用螺丝或螺栓固定，然后再向围压筒60当中充液压油，然后再给岩样50加围压，这些结构在现有的围压筒机构中已有介绍，这里不再详述。

作为本实用新型的一种优选方式，所述支撑板76为钢板，所述小扰动杆74连接在所述扰动力传感器75的下端，在实施例中，小扰动杆74设置在大扰动杆72的上端，其呈倒“T”型，通过扰动力传感器75向小扰动杆 74施加扰动力，并通过小扰动杆74将扰动力传递至大扰动杆72中。

本实用新型还提出一种基于常规岩石试验机的动态扰动伺服三轴加载系统，包括力学加载系统、数据采集系统以及进行数据处理的应变测量系统，力学加载系统包括底座10、设置在底座10上的加载主油缸20、与底座10或者加载主油缸20的缸体连接的加载框架30、下压头51、与下压头 51配合的上压头52以及围压筒机构，上压头52与下压头51之间形成用于放置岩样50的夹持空间，加载主油缸的活塞杆21对应下压头51设置，还包括穿设在围压筒机构中的大扰动杆72，大扰动杆72的下端连接内置负荷传感器71，大扰动杆72的上端连接有支撑板，支撑板的上端连接外置传感器73，加载框架30具有支撑横梁，外置传感器73连接在支撑横梁34的下端，还包括扰动油缸80，扰动油缸80的缸体固定在支撑横梁34上，扰动油缸的活塞杆81沿竖直方向设置且伸入加载框架30中，还包括设置在外置传感器73中的扰动力传感器75，扰动力传感器75的下端对应设有能够作用在大扰动杆72上的小扰动杆74，扰动力传感器75的上端对应扰动油缸的活塞杆81的下端设置，在支撑板上设有通孔，小扰动杆74设置在通孔中，内置负荷传感器71、外置传感器73、扰动力传感器75以及围压筒机构均连接至数据采集系统，数据采集系统与应变量系统连接。

本实用新型的加载系统包括主试验机、EDC控制柜、MOOG阀、伺服加载箱、伺服油源、气泵、计算机控制系统等。轴向荷载的施加和控制上采用电液伺服控制，由伺服油源提供动力加载，试验过程中通过宽调速范围的高性能电液伺服比例阀组(MOOG阀)及计算机数字控制等技术，组成全数字式闭环调速控制系统，使主加载油缸20将送样小车40以及送样小车 40上固定好的岩样50通过一定的位移速度向上抬起，通过送样小车40底部的定位插销22与定位槽42对准，待上压头52上端面与内置负荷传感器 71接触时，负荷的数值依靠2000KN负荷传感器反馈给计算机，这是常规力学加载试验的负荷测试，而做动态扰动三轴试验时需要切换至加载框架下端的3000KN外置负荷传感器和500KN扰动力传感器(此时内置负荷传感器71关闭)，两者组合使用。围压筒机构的围压加载先通过围压气驱泵对围压筒内的液压油进行加压，待加载至目标值左右后关闭围压气驱泵，再通过计算机操作将围压调到目标值。整个加载过程依照采样程序进行数据采集并处理，采用微机控制，自动记录试验数据，围压加载过程与岩石常规力学加载一致。

动态扰动加载时施加轴向的扰动力，扰动过程仍然在常规三轴试验用围压筒内进行，可以实现高地应力与扰动力同时进行，这也是基于岩石试验机的动力扰动三轴加载系统的优势之一。扰动力由加载框架30上方300 KN扰动油缸施加，通过大扰动杆72作用在岩样50上端面，扰动荷载的最高频率可达到70Hz。扰动荷载的波形有多种形式：余弦波、三角波、方波等，所施加扰动力的振幅分为位移和荷载两种。当进行动态扰动三轴试验时，需要将常规力学加载的2000KN负荷传感器通过改变负荷控制方式转化成3000KN外置负荷传感器和500KN扰动力传感器，其中3000KN外置负荷传感器73下部连接一块刚性较大的钢板76，钢板76呈圆环状，钢板 76下部连接大扰动杆72，大扰动杆72将轴向荷载通过钢板76传递到3000 KN外置负荷传感器73上，用来采集轴向荷载的数值。500KN扰动力传感器75设置在外置传感器73的内侧，扰动油缸80将扰动力直接加载至500KN 扰动力传感器75上，目的在于直接采集扰动力的数值。500KN扰动力传感器外侧下端连接一小扰动杆74，并通过钢板76中心孔直接作用在大扰动杆 72上，扰动力再通过大扰动杆72施加到岩样50上端。两套系统独立施加，在后期的数据处理中需要将二者相加。

应变测量系统由轴向引申计(轴向LVDT)、链式环向引申计(环向LVDT)、数据线以及计算机组成。轴向引伸计量程为0-10mm，链式环向引伸计量程为0-3mm，测量精度为±0.5％，变形速率控制范围均在0.001-2mm/min，应变计的位移量通过数据线传输到电子计算机，经处理后显示在测试软件内。

数据采集系统主要是在试验过程中将负荷传感器采集到的轴向荷载、围压以及扰动力数值反馈到计算机，扰动荷载的控制采用德国Dol i公司生产的EDC580型全数字桌面式伺服控制器，可以进行荷载、变形、位移等多个通道的测量与控制，并且具有自我保护程序以防止试验中的传感器损坏。

本实用新型通过对常规岩石三轴试验机的改造，增加了动态扰动加载系统和扰动力、变形测量系统，能够满足深部岩石力学试验对于高地应力和模拟开采扰动的要求，最大的特色在于在常规三轴试验机上设置动态扰动加载系统，并且扰动力可以达到300KN，扰动频率达到70Hz，最终的负荷数值可通过轴向荷载与扰动力相加得到。本试验机结构简单、使用方便、便于推广到室内深部岩石力学试验领域。

实施例

以围压30MPa，50KN应力水平下做振幅为12KN，频率5Hz的扰动作用。

(1)首先，在试验之前将控制模式转化为扰动控制。

(2)将岩样50安装好后放置并固定在送样小车40上的试验平台中，将送样小车40推入主试验机定位中心，将各负荷传感器、轴向和环向引伸计的数据线连接好。

(3)打开电控柜，打开TEST软件并连接，调节试样参数和引伸计位置，完毕后打开伺服油源，用TEST软件控制底油缸向上移动，此时关注主加载油缸20的定位插销22是否进入送样小车40底部的定位槽42，确保岩样50位置处于中心处，送样小车40抬起后移动转换至岩样50 上压头与内置负荷传感器71接触(力大约1KN)。

(4)将围压筒60放下，并用螺丝拧紧后向围压筒60内充油，待油充满后停止。

(5)打开围压气驱泵加围压，待加载至目标值左右后关闭围压气驱泵，再通过计算机操作将围压调到目标值。

(6)用TEST软件将轴向应力以负荷控制或变形控制方式增加到35KN，然后打开DOLI软件并连接，首先，通过扰动油缸80向扰动力传感器施 75加作用力(力大约1KN)。将扰动力水平提高到15KN后设置扰动频率为5Hz，半振幅为12KN，即扰动力在3-27KN之间做每秒5次的循环扰动(可设扰动波形有余弦波、三角波、方波等)。

(7)最终得到的数据要通过轴向荷载的值与扰动荷载的值相加得到岩样 50在38-62KN之间做频率为5Hz的扰动作用。

本实用新型的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。