巖石三軸拉伸試驗裝置研制及應用范文

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摘要：為準確地測量巖石試樣在不同圍壓作用下的拉伸強度與變形特性，對用于巖石三軸壓縮試驗的MTS815材料試驗機為主體設備進行了一系列技術改造，一方面設計加工了一套試驗機活塞與三軸室的隨動連鎖裝置，使原本只能提供壓縮載荷的MTS815試驗機也能精確提供軸向拉伸荷載；另一方面設計開發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程中難以始終保持對中的技術難題。提出一套完整的測試技術方法，能實現0～140MPa圍壓范圍內各種巖石試件的復雜三軸直接拉伸測試研究，利用研發的配套裝置與測試方法對頁巖試樣進行了三軸拉伸試驗。結果表明，試驗裝置和試驗方法完全能夠進行不同圍壓條件下的巖石三軸拉伸試驗，得到相應的三軸拉伸試驗曲線；頁巖在低圍壓和高圍壓下呈現不同的破壞特征和破壞形式，低圍壓下依然呈現脆性特征，高圍壓下則是由脆性向塑性轉換。

關鍵詞：MTS815材料試驗機；巖石三軸拉伸；隨動連鎖裝置；三軸拉伸夾具；三軸拉伸試驗曲線

1引言

巖石的抗拉強度是巖石力學中的一個重要指標，由于巖石內部有微裂隙、孔隙等，使其強度遠遠低于抗拉強度，試驗中只需要很小的力就使巖石發生破壞[1]。直接拉伸試驗存在著各種各樣的難題諸如巖石試件的加工、與試驗機的連接以及對中控制偏心等問題，關于直接拉伸試驗只有較少的研究。近些年來國內外學者針對拉伸試驗的難題提出了一系列的試驗方法，國內最早進行拉伸試驗的長江科學院巖基室[2]曾設計出了原理類似于壓力試驗機球形絞座的巖石拉伸夾具，進行了多種巖石的軸向拉伸試驗，但不能避免偏心拉伸。陶紀南[3]使用了一種結構簡單、可以實現自動對中的試驗裝置，但試驗成功率較低。Hawkes等[4]將巖石試樣粘貼在金屬夾頭上進行拉伸試驗，但金屬套筒結構復雜，無法避免扭轉效應。Stimpson等[5]將巖石加工成特殊的中空圓柱狀進行軸向拉伸試驗，但這種具有同心的中空圓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，但連接件過多，一旦軸承轉動受阻，即會引起顯著地偏心受拉或扭轉破壞。Okubo等[7–8]采用環氧樹脂膠粘法在伺服控制實驗機上進行不同巖石的拉伸試驗，但粘接試樣的固定板和加載裝置也未能做到精確對中，也產生了偏心拉伸的問題，對試驗結果產生了巨大的影響。吳永勝等[9]、陳忠[10]、張志雄[11]對巖石劈裂，壓縮及軸向拉伸進行試驗研究，也未能徹底消除試驗中的偏心問題。尤明慶等[12]利用設計的試驗裝置在伺服試驗機上進行圍壓下圓柱巖樣的直接拉伸試驗，試驗的成功率較低，數據的離散型較大，利用的價值較低。Li等[13]較大幅度地改進試驗夾具，使得巖石的直接拉伸試驗成功率大大升高。Tufekci等[14]設計了一種新的爪式離合器機構測試巖石的直接拉伸強度，并比較了直接法與間接法的直接拉伸強度。由于拉伸試驗存在的一系列難題，目前測試巖石的抗拉強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過于復雜，測試結果的準確性無法保證，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力狀態，尤其在巷道開挖載荷后其圍巖徑向方向會受到兩向受壓和一向受拉的應力狀態[21]，因此迫切需要研制一種三軸拉伸裝置解決對中控制偏心問題，進行不同圍壓下的拉伸試驗。針對以上問題，筆者等設計出一種能夠對巖石進行三軸拉伸的裝置和試驗方法，可以有效地保證以上兩點，選用頁巖進行測試，測定后印證該裝置設計合理，實現方便且效果很好，能有效地完成巖石三軸拉伸試驗過程，準確分析巖石破壞的類型。

2隨動聯鎖裝置的研制

2.1原有儀器的優點與缺陷

美國MTS815力學實驗系統最大載荷量程為2600kN，載荷測量精度為±0.5%。伺服液壓系統具有很高的靈敏度，可很好地保證了測試的精度，是目前為止精度最高、性能最先進的巖石力學試驗裝備。MTS815材料試驗機是一種用于巖石壓縮的試驗儀器，原儀器作動器活塞與加載平臺分離只有當作動器活塞向上運動（施加壓載荷），升高到一定程度時才能與加載平臺接觸并一起運動，并將壓載荷傳遞到巖石試件上。當作動器活塞向下運動時壓載荷逐漸減小，直至壓載荷為0，此時作動器活塞與加載平臺重新分離，加載平臺下降到導向軌道高度停止運動，無法把拉載荷作用到巖石試件上。

2.2隨動聯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儀器的作動器活塞相連，使用4個螺絲與作動器活塞連接，保證平面鋼板能與作動器的活塞上下移動，由于加載平臺只有在最底部的時候才能左右滑動，從而導致平面鋼板無法放置在加載平臺與作動器活塞之間。為了解決這一問題，在原有加載平臺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能同步移動的問題是使用4個帶有螺栓的直角型鋼塊，每個鋼塊上帶有2個螺栓，一個與加載平臺進行固定連接，另外一個與平面鋼板進行連接，4個直角型鋼塊分別放在加載平臺的4個角處，保證受力均勻，實現了加載平臺與作動器活塞同步上下移動。

3三軸拉伸夾具的研制

裝置主要由以下幾部分構成：（1）連接頭連接頭用于與試樣兩端進行粘接，有上下2個相同的連接頭，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向節的T型滑槽進行掛接，下連接頭的另一端與下聯結塊的T型滑槽進行連接。萬向節與下聯結塊的T型滑槽可以進行旋轉，用以調節連接頭與其掛接的方位，保證連接頭與試樣不會產生移動。連接頭與試樣的粘接使用的是美國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不能有較大的滑動，3M膠完全凝固后的強度會大于巖樣的拉伸強度（包括單軸和三軸），通過測試，24h后3M膠的拉伸強度為42～45MPa，隨著粘接時間的延長，拉伸強度會逐漸變大，最大能達到54～55MPa。（2）萬向節所研制的萬向節有多自由度，在不同的方位可以進行左右或者前后的移動，與連接頭連接的一端設置有T型滑槽，能與連接頭進行有效的連接，另一端設置有豎向螺紋，用于與上聯結塊設置的螺孔進行旋轉連接。萬向節所獨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試驗結果的影響。由于這一功能的產生使得巖石等脆性材料在拉伸過程中難以始終保持對中的技術難題得到解決。（3）聯結塊所設計的聯結塊包括上聯結塊和下聯結塊，裝置有所不同，上聯結塊中部設置有螺孔，用于與萬向節連接，周圍分布有6個等直徑的螺孔，與MTS815材料試驗機的力傳感器進行連接，將拉力能有效地傳遞到力傳感器中進行監測記錄。下聯結塊一端與連接頭進行連接，另一端的周圍同樣設置有6個等直徑的螺孔，用于與MTS815的加載平臺進行固定連接。本裝置與國內外同類型的試驗裝置相比有如下技術優勢：（1）隨動聯鎖試驗裝置的研制使得加載平臺與作動器活塞可以上下同步移動，實現了MTS815試驗儀器可以進行主動壓縮和主動拉伸的功能。（2）三軸拉伸試驗夾具的研制使得當加載平臺向下移動時載荷傳感器能夠接收到拉伸的信號，夾具中的特有的萬向節可以提供一個多自由度的調整，在粘接試樣時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。試驗前利用萬向節特有的自由度進行小范圍的調整，再給予一定的初始應力，保證在注油的過程中拉伸夾具不發生擾動，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試驗結果的影響，也相應的解決了試樣對中的問題。（3）巖石三軸拉伸試驗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行準確地測試。

4試驗使用

上述基于MTS815材料試驗機的巖石三軸拉伸裝置，對頁巖進行了不同圍壓下的三軸拉伸試驗。三軸拉伸試驗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程。

4.1試驗方案試樣為頁巖，將試樣事先做好“狗骨頭”的形狀，為使巖樣均勻受壓，在頁巖周圍涂上軟膠泥，做成圓柱形狀，見圖5。試驗中采用位移控制，加載速率為0.12mm/min，對頁巖分別進行圍壓為0、10、15、20、40、60、80MPa的三軸拉伸試驗。

4.2試驗方法（1）試樣粘接用3M膠將頁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，熱縮管的長度要覆蓋上連接頭與下連接頭的橡膠圈處，用熱風機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與作動器活塞處，組成隨動聯鎖裝置。夾具處將上聯結塊安裝在MTS815的載荷傳感器處，用螺絲與上聯結塊周圍的螺孔進行旋轉連接，再將萬向節上方的豎向螺紋與上聯結塊的豎向螺孔進行旋轉連接，同樣利用螺絲將下聯結塊周圍的螺孔與MTS815的下方加載平臺進行旋轉連接，再將與巖樣粘接的連接頭掛接于下聯結塊與萬向節處，調整萬向節，保證萬向節、連接頭、被測試巖樣和下聯結塊的中心位于同一軸線處。（3）拉伸試驗試樣安裝完畢后拔下三軸室插銷，將三軸室平穩落到加載平臺上，將其周圍的粗螺釘緊固，形成內部密閉空間。向三軸室腔體內注油，完畢后對被測巖樣施加一定的圍壓值（按試驗方案要求，施加不同的圍壓狀態）。最后，采用軸向位移控制模式，以0.1mm/min的速率對被測試巖樣施加拉載荷，直到巖樣斷裂破壞，加載過程中由控制電腦實時記錄載荷、位移等原始數據。巖樣斷裂破壞后應盡快結束試驗，防止由于過度拉伸造成的熱縮管外套損傷而引起的試樣進油。試驗完畢后進行回油操作，打開三軸室，取下巖樣，觀察試樣的斷裂面，拍照和記錄。（4）數據處理試驗結束后試驗數據會自動以標準excel（或dat）格式保存在指定文件夾內，數據主要包括時間、位移、載荷、圍壓等參數。研究者可利用這些參數根據研究目的進行計算分析，得出不同圍壓條件下巖石試件的三軸直接拉伸力學特性及規律。

5試驗結果分析

5.1偏應力計算及其拉伸位移曲線利用上述的試驗裝置及其試驗方法進行了不同圍壓下的拉伸試驗，用t表示拉伸偏應力。

5.2破壞模式由圖6可知，頁巖主要有拉伸破壞和剪切破壞兩種破壞方式，拉伸破壞時斷裂面與拉力方向幾乎垂直，斷面不平整，斷裂面上的拉應力為主應力，剪切破壞時破壞面與最大主平面呈現一定的夾角，主應力是處于壓應力的狀態。（1）拉伸破壞圖7為頁巖處于10MPa低圍壓下破壞的斷面形狀。斷裂面呈水平狀，整個斷面粗糙不平。破壞的特點與單軸拉伸相似，拉伸的位移相對不大。

5.3破壞現象分析結合上述的斷面圖形和位移曲線（見圖6）可知，在0MPa即無圍壓的條件下頁巖的拉伸位移曲線呈現出了3個階段，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展階段，曲線斜率在不斷增加，主要是拉應力的作用使得裂隙不斷發生擴展；直線階段即為穩定階段，表明頁巖在拉應力的作用下，裂隙在穩定擴展；破壞階段頁巖到達峰值強度以后突然發生破壞，表現出明顯的脆性破壞。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上凹階段，但沒有單軸條件下明顯，隨著圍壓的增大，“上凹”現象逐漸消失。導致這一現象的主要原因是裂隙擴展階段側向壓力的存在時抵消了一部分拉應力對裂隙擴展所產生的作用，仍是拉應力在起主導作用，圍壓越大，抵消作用越明顯，直到高圍壓條件下側向壓應力的作用起到完全的主導作用。在低圍壓的直線穩定階段，拉應力依然為主導作用，直到頁巖發生破壞，而高圍壓下側向壓應力已經抵消拉應力產生的作用，起到主導作用，高圍壓下峰前呈現明顯的塑性階段，破壞階段依然為脆性破壞。

6結論

（1）基于新型MTS815材料試驗機研制的一種新型的三軸拉伸試驗裝置，分為隨動聯鎖裝置和三軸拉伸夾具，使原本只能提供壓縮載荷的MTS815試驗機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程中難以始終保持對中的技術難題。針對三軸拉伸試驗裝置及試驗設計了一套完整的三軸拉伸試驗方法，可有效地進行三軸拉伸試驗。（2）利用新裝置對頁巖進行了不同圍壓下的拉伸試驗，繪制出了拉伸位移曲線，總體上拉伸應力隨著圍壓的增大而增大，在無圍壓或者低圍壓下曲線呈“上凹–直線–破壞”狀態，高圍壓條件下曲線呈“直線–平緩–破壞”狀態。（3）頁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。壓應力和拉應力在高圍壓和低圍壓下不同時期所起的主導作用，低圍壓下拉應力依然起到主導作用，高圍壓下側向壓應力起到了主導的作用，使高圍壓下頁巖由脆性向塑性發展。

作者：馬春德1,2;郭春志1;潘素平2;周亞楠1 單位：1.中南大學資源與安全工程學院，2.中南大學高等研究中心