重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室课题组2020年在岩土工程学术期刊《Engineering Geology》发表了题为“Experimental study on progressive failure process and permeability characteristics of red sandstone under seepage pressure”（渗流压力作用下红砂岩渐进破坏过程及渗透特性的试验研究）的学术论文。本研究利用GDS岩石高压三轴试验系统HPTAS，对红砂岩开展不同渗流压力下的三轴压缩试验，建立渗透性-应力分段函数关系模型，系统揭示渗流压力对岩石强度、变形及渗透演化的耦合控制机制，证实岩石应力阈值随渗流压力增大而降低且渗透性曲线峰值滞后于应力-应变曲线峰值，为地下工程渗流-应力耦合作用下岩体稳定性评价提供直接依据。
https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2019.105406
*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。
以下是对这项成果的简要介绍：
论文摘要
地下空间岩体常处于地应力场与渗流场耦合作用环境中，表现出复杂的力学行为和渗透特性。本研究采用岩石高压三轴自动化系统（HPTAS），对不同渗流压力下的红砂岩开展三轴压缩试验，分析了岩石破坏过程中强度、变形、轴向应变刚度及渗透性的变化规律。
结果表明：随着渗流压力的变化，岩石强度及其抵抗变形的能力亦随之改变，且应力阈值随渗流压力增大而降低。此外，渗流压力不影响应变刚度的变化趋势，但会改变其数值大小。在整个应力-应变过程中，渗透性曲线呈先降低、后迅速增大、最终趋于稳定的演变特征，且渗透性曲线峰值滞后于应力-应变曲线峰值。基于峰值前渐进破坏过程中的渗透性演化规律，本研究建立了渗透性与应力的分段函数关系模型，理论计算值与试验结果吻合良好。上述试验结果可为渗流-应力耦合作用下的地质工程岩体稳定性监测与控制提供参考。
试验设备
本研究使用了GDS岩石高压三轴自动化试验系统HPTAS。
相关图表
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本研究以江西省赣州市郊区边坡工程开挖现场的红砂岩为研究对象
利用高压岩石三轴自动化系统（HPTAS）开展不同渗流压力条件下的三轴压缩试验
岩石和裂缝的体积应变偏差应力曲线
各种渗流压力下的应力阈值
岩石在不同渗流压力下的应力-应变曲线
各渗流压力的轴向应变刚度曲线
应力-应变过程中岩石渗透率演化曲线
达到峰值应力前渐进式破坏过程的渗透率变化曲线
渗透率测试结果与理论计算值的比较
研究结论
随着渗流压力的增大，岩石破坏过程中应力特征值减小；
在岩石渐进破坏过程中，轴向应变刚度随轴应力的增大呈先增大后减小的趋势；
在应力-应变过程中，渗透率值先减小后增大；
在岩石渐进破坏过程中，渗透率随轴应力的增大呈先减小后增大的趋势，峰值强度对应的渗透率随渗流压力的增大而逐渐增大；
高压静态三轴测试系统 (1MN)
GDS静态高荷载加载架底部通过一个液压作动器施加荷载，可达1000kN。为了增加效率和减少整套设备的价格，作动器使用200cc/64MPaGDS高级压力体积控制器施加。
主要特点 | 优点 |
为了增加效率和减少整套设备的价格，作动器使用200cc/64Mpa的高级压力体积控制器来驱动 | 采用GDS的控制器取代液压油源来施加轴向力，可以大大降低设备功率。比如液压加载油源可能总功率达到50kW，而控制器仅仅只需要大概1kW的功率。并且，GDS的高级压力控制器的稳定性和精度是有保证的。无需配备高功率的液压油源，因而工作过程中不会因为液压源产生噪音。 |
加载以后静态加载架利用作动器背面的低压压缩空气提升作动器 | 这样如想施加较小的压力，可以在驱动器的顶部安装一个简单的手动调节阀来施加。该方法的创新之处在于，无需再在作动器顶部腔体上连接第二个压力控制器就可以施加较小的压力，且效率和精度更高。一旦安装了调节阀，只需一个能提供5bar大小的空压机即可实现。 |
理想的蠕变和松弛实验工具 | 非常适合用于位移非常小，荷载需要非常稳定和良好控制的地方。 |
可选无限体积控制器 | 用于要求连续位移幅度大于5mm的试验。请参阅下一页的设置示意图。 |
256kN 荷载架 (GDSLF256)
GDS 256kN 荷载架自带智能操作键盘以及USB接口用于实现电脑控制。新型加载架升级了DigiRFM，在保留传统256kN荷载架基本功能的情况下提高了位移/速率控制精度。
新型GDSLF256荷载架有一个LED显示屏，用于显示当前速度、位移，适用于进行独立编程。
主要特点 | 优点 |
位移控制: | 传统的荷载架只能通过速度/速率控制方式运行。所有的GDS荷载架也可以通过键盘或软件以位移控制方式运行。这一功能在设置或者分解测试时非常有用，也比只能实现速率控制的荷载架的控制精度更高。 |
荷载控制: | 这个荷载架有一个用于荷载传感器的内置数据采集通道，允许闭环控制作为标准配置，这也意味着可以更好的进行力控制。也比传统只能采用速率控制的荷载架达到更好的控制。 |
安全回路: | 当采用计算机控制时，荷载架通过USB连接的状态被持续监测。如果通讯中断，荷载架将自动停止以确保不损坏试样或者传感器。当试验过程中短暂断电或笔记本电脑没电时，这也将节省许多试样以及测试设备。 |
闭环反馈控制: 1. 通过内置通道进行力控制 2.通过远程反馈模块（DigiRFM） | 最多可添加2个DigiRFM模块到荷载架，以提高其性能。通常使用如下配置：1.连接位移和孔压传感器，对于常规的三轴系统就不需要配置额外的采集仪; 2.允许进行其他反馈控制，如本地位移传感器或内置荷重传感器 |
