作者：彭帅


提出问题

地下采矿、水电硐室开挖、非常规油气资源开发等人类工程行为，都极易诱发地震、岩爆、大规模塌方等工程灾害。地壳岩石多处于三向应力不等的真三轴应力状态(Feng 等，2016)，现有绝大多数岩石力学试验机仅能模拟常规三轴这种特殊应力状态，与地下岩体的实际应力状态明显不符，如图1所示。

此外，在同一加载轴系上仅设置一个作动器进行主动加载，在多轴应力条件下无法保证试样的几何加载中心不变，进而难以得到准确的岩石力学参数。可见，岩石真三轴试验系统的开发对开展岩体在复杂应力路径下的变形和强度特性研究至关重要。

图1  真三轴和常规三轴应力状态示意图
 

解决方案

为了对现场岩石复杂的多轴应力加载条件进行模拟，东北大学提出岩石破裂过程微观实时观测真三轴装置设计方案，重点关注集成压力室框架刚度设计、双对中加载和体变测量等关键技术。由欧美大地仪器设备中国有限公司（EPC）提供了一款定制的GDS岩石微观真三轴试验系统（见图2）。

图2  GDS 岩石真三轴试验系统(TTA)

该试验系统采用混合加载的设计方式，竖直和水平方向各有两个电机伺服作动器，分别用于施加最大主应力σ1和中间主应力σ2，两个高精度压力体积控制器分别用于施加围压σ3和孔隙水压力，可以实现轴向应力、围压和孔压的独立控制。

系统加载框架刚度为1 GN/m，竖直和水平荷载最大可达32 kN，最大围压和孔压为2 MPa，试样尺寸为20 mm×5 mm×40 mm。竖向和水平方向配置了4个LVDT来监测作动器位移，还配有4个内置编码器变形测量精度高，同时可以相互验证。在高级加载模块中，不仅可以实现同步对中加载功能，还可以采用荷载、位移、应力、应变等多种控制方式，对小尺寸岩样进行复杂应力路径下的多轴（单轴、双轴、常规三轴、真三轴等）加载试验。三轴压力室具有透明有机玻璃可视窗口，与客户已有微观显微系统配合使用，便于单轴和双轴加载条件下实时观察岩石的破裂过程。

图3  GDS TTA 试样安装图示

该试验系统在同一方向上设置了两个作动器进行同步对中加载，这种加载方式对伺服控制的精度要求高，可避免加载过程中的偏心问题。图4为双轴条件下单作动器加载和双作动器加载结果对比的图示。

图4  单一作动器加载和双轴同步加载对比示意图

结论及致谢

该试验系统具有控制稳定、伺服加载平稳、测量精度高等特点，可以对不同类型岩石开展复杂应力路径下的强度和变形测试，同时解决了多轴试验中的偏心加载问题。课题组目前正在进行试验和数据整理等工作，相关研究成果将在后续论文中发表。

该试验系统调试和培训过程中，由欧美大地公司和GDS厂家多位工程师提供了技术支持和帮助，使得设备可以投入科研使用，在此深表感谢。同时，希望在以后的项目中可以继续合作。

参考文献

FENG Xia-ting, ZHANG Xi-wei, KONG Rui, et al. A Novel Mogi Type True Triaxial Testing Apparatus and Its Use to Obtain Complete Stress–Strain Curves of Hard Rocks[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, 49(5):1649-1662.

张希巍, 彭帅, 等. 一种用于研究岩石微观破坏行为的多轴加载试验装置[P], CN106596280A, 2017.

东北大学简介

东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室自2011年获教育部批准成立以来，一直致力于开展深部金属矿山复杂工程岩体稳定性与灾变孕育演化过程评价方法、灾变控制技术和安全高效开采技术研究。

实验室拥有优越的实验条件，自主研发了多套岩石力学实验设备。先后承担科研项目100余项，获得国家发明专利60余项，出版专著10余部，发表学术论文300余篇。2016年11月，获批教育部和国家外专局“111计划”。多年来，与美国、加拿大、英国、澳大利亚等国家有关研究机构和大学建立了良好的合作关系。

GDS英文版案例：

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