基于真三軸試驗的可控邊界的柔性加載系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及真三軸試驗系統的技術領域，具體涉及一種真三軸試驗系統的可控邊界的柔性加載系統及方法。
【背景技術】
[0002]為了保證室內巖石試驗結果的準確性，盡可能還原能夠模擬巖石真實原始應力狀態的試驗加載邊界條件尤為重要。試件加載邊界條件主要有兩種:剛性加載和柔性加載。目前實驗室試件的真三軸加載試驗大多為剛性加載，即采用分級傳力塊或普通鋼板，通過液壓油缸把需要模擬的圍巖壓力加載到試件上，這樣試件表面承受的壓力不再是均布荷載，這種給定位移邊界的試驗，相當于施加了約束條件。當施加的壓力達到一定荷載時，試件的某一部分可以發生破壞，但由于另一部分沒有破壞，剛性加載邊界的約束就會阻止試件的破壞發生。剛性加載試驗機在進行真三軸加載試驗時不能實現對試件的有效均布加載，不能很好地反映真實原巖的受力狀態。
[0003]針對上述問題，CNlO 1377480A公開了一種用于采場礦壓三維物理模擬試驗臺的柔性加載系統，其是在壓力提供裝置與模型之間設置充液皮囊來克服剛性加載對實驗結果的影響，然而，影響實驗結果的因素還有真三軸加載出現的邊角效應，即巖石真三軸加載試驗過程中，需要對試驗盒中的試件施加不同的三維應力，如果試件破裂前的變形量大于加載裝置相對于試件的移動量時(尤其是對于類巖石試件，塑性強，變形量大)，加載裝置的相鄰鋼板或皮囊將會發生擠壓變形，內部試件不再受到三維方向的作用力，而變成二維或一維受力，失去了有效的真三軸應力加載，應力-應變曲線也將變得異常，最終試件不破裂或不因三軸加載而發生失穩破裂，即便是施加傳力塊也會出現邊角效應，影響試件的加載試驗效果，無法形象的研究現場巖體的真實三向受力特征和失穩破裂規律，邊角效應明顯時將嚴重損害試驗加載裝置，這是目前巖石真三軸加載試驗裝置面臨的亟待解決的難題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種基于真三軸試驗的可控邊界的柔性加載系統及方法，該加載系統通過板狀皮囊和位于其兩側分塊皮囊配合，可消除試件真三軸加載過程中出現的邊角效應和試件表面受力不均勻的問題。
[0005]本發明的任務之一是提供一種基于真三軸試驗的可控邊界的柔性加載系統。
[0006]其技術解決方案包括:
[0007]—種基于真三軸試驗的可控邊界的柔性加載系統，其包括試驗試件、加載裝置、液壓控制裝置和充液皮囊，所述加載裝置位于所述試件的外側，所述充液皮囊位于所述加載裝置和試件之間，所述充液皮囊包括板狀皮囊和若干個分塊皮囊，若干個分塊皮囊依次排布在板狀皮囊的兩側，并且位于兩側的分塊皮囊數量相同，每個分塊皮囊與所述板狀皮囊均保持連通，所述液壓控制系統用于向所述分塊皮囊內注液，所述加載裝置通過所述充液皮囊將三維應力加載到所述試件上。
[0008]上述技術方案直接帶來的有益技術效果是:
[0009]通過在板狀皮囊的兩側依次布設分塊皮囊，即分塊皮囊可完全覆蓋住板狀皮囊的兩側，而且，每個分塊皮囊與板狀皮囊之間保持連通，利用液壓控制裝置向分塊皮囊和板狀皮囊內注滿液體，當試件通過加載裝置進行加載時，試件變形后出現邊角效應時，可將位于最外側的分塊皮囊內的液體放出，此時，分塊皮囊減少一個，導致該柔性加載系統的邊界縮短而向內移動，可使真三軸加載實驗繼續進行。
[0010]作為本發明的一個優選方案，每個分塊皮囊的側面都布設有應力傳感器。
[0011]上述技術方案帶來的有益技術效果是，方便對分塊皮囊處的應力進行監測，從而與額定壓力值進行比較，進一步來確定加載裝置內的試件是否發生了邊角效應。
[0012]作為本發明的另一個優選方案，所述應力傳感器通過數據傳輸線連接有應力采集箱，所述應力采集箱連接有應力監測系統，所述應力監測系統可實時監測每塊分塊皮囊側面受到的應力。
[0013]上述技術方案帶來的有益技術效果是，應力傳感器與應力監測系統連接，通過應力監測系統來監測分塊皮囊側面受到的應力，數值監測更加準確，降低實驗誤差。
[0014]優選的，每個分塊皮囊與板狀皮囊之間通過彈簧綁帶來固定。
[0015]上述技術方案帶來的有益技術效果是，用彈簧綁帶來固定分塊皮囊和板狀皮囊，拆卸更加方便，而且不影響實驗的正常進行。
[0016]優選的，所述液壓控制裝置通過進液管路與位于首位次上的分塊皮囊的注液口相連，通過回液管路與位于末位次上的分塊皮囊的出液口相連。
[0017]優選的，所述進液管路和回液管路各設置一個閥門。
[0018]上述技術方案帶來的有益技術效果是，進液管路和回液管路上的閥門，便于控制液體的流量。
[0019]優選的，所述進液管路上至少設置一個流量計。
[0020]上述技術方案帶來的有益技術效果是，可通過流量計來獲得注入分塊皮囊和板塊皮囊內的液體量。
[0021]本發明的任務之二是提供上述柔性加載系統的加載方法，其包括以下步驟:
[0022]步驟a、將若干個分塊皮囊通過彈簧綁帶固定在板狀皮囊的兩側，將試件放置在加載裝置內，充液皮囊放置在試件和加載裝置之間，打開液壓控制裝置向分塊皮囊內輸送液體，液體總量達到一定數值時關閉液壓控制裝置停止注液；
[0023]步驟b、加載裝置進行加載，當位于板狀皮囊兩側的分塊皮囊側面的應力超過額定應力值時，此時啟動液壓控制裝置對分塊皮囊放液，放液后的分塊皮囊處，加載裝置對試樣的加載向內移動，完成試件的加載。
[0024]本發明充液皮囊由板狀皮囊和分塊皮囊連通而成，并且分塊皮囊是一塊一塊依次排布緊密連接在板狀皮囊的外側，每塊分塊皮囊側面都布設有應力傳感器，每個分塊皮囊用彈簧綁帶固結在板狀皮囊上，而且，位于板狀皮囊兩側的分塊皮囊數量相等，如每側排布有η個，當試件通過加載裝置進行真三軸加載過程中，試件變形后出現邊角效應時，最外側分塊皮囊內的液體將通過液壓控制裝置放出，形成2η_1塊分塊皮囊，此時，柔性加載系統的邊界長度縮短，實現真三軸加載試驗的繼續進行，有利于研究高滲透水壓作用下不同三維應力和加載速率對試件內部裂隙擴展演化的影響規律，或高滲透水壓作用下單位時間內通過預制裂隙的滲流量大小。
[0025]本發明充液皮囊位于試件和加載裝置之間，可實現對試件的柔性加載，柔性加載相對于剛性加載，能更好地傳遞三維均布壓力，板狀皮囊和分塊皮囊能很好的實現試件的變形傳力功能，充液皮囊的應力隨著其變形程度的增大而逐漸增大，而且柔性均布加載裝置能模擬現場巖石的真實受力條件，獲得較為準確的三維加載作用下的巖石的力學行為和滲透特性。
[0026]與CN101377480A相比，本發明具有以下優點:
[0027](1)CN101377480A只能實現煤巖體的約束加載，而本發明的試驗對象為巖石試塊，通過設置柔性加載裝置，試驗結果更能反映出真實巖體的力學行為和破裂規律；
[0028](2)CN101377480A不能實現煤巖體三個方向的同時加載，而本發明通過板狀皮囊和分塊皮囊的實時監測和利用，可以實現試件三個方向不同大小作用力的同時加載，更加真實的反映了現場巖體的三向受力狀態；
[0029](3)CN101377480A中煤巖體約束加載時沒有考慮相鄰皮囊的邊角效應，而本發明通過分塊皮囊的受力監測與液體釋放移動，有效地解決了加載時相鄰皮囊擠壓產生的邊角效應，實現了試件的真三軸有效加載，得到的試驗結果更能反映出現場巖體的破裂規律。
【附圖說明】
[0030]下面結合附圖對本發明做進一步清楚、完整的說明:
[0031]圖1為本發明柔性加載系統的結構示意圖