新型多功能靜載和沖擊擾動巖石試驗系統及應用

樊寶杰,趙伏軍,劉永宏,田芯宇,陳品崟

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;2. 湖南省城市地質調查監測所,湖南 長沙 410000)

地下工程中,圍巖因其他工程影響或機械設備的振動而常受到周期性的擾動載荷,巖石在周期性擾動載荷作用下容易積累損傷變形,導致各種地質災害,巖石的疲勞損傷破壞是巖石力學領域面臨的最嚴峻問題之一[1-7].劉偉等[8]利用霍普金森沖擊試驗平臺對弱風化花崗巖進行逐級循環沖擊,研究其受爆炸沖擊影響下的力學特征和滲透系數的變化;王俊光等[9]在擾動蠕變實驗臺上開展片麻巖的分級加載試驗,得到片麻巖蠕變特性受擾動載荷影響的規律;宮鳳強等[10]利用MTS Landmark電液伺服試驗機對紅砂巖進行“不同預靜載+擾動載荷”的加載試驗,分析紅砂巖在不同預靜載和動態擾動載荷下的斷裂韌度規律及斷裂特征;Yang等[11]采用RMT-150B巖石力學測試系統對砂巖峰后循環加卸載的力學特性進行試驗研究,探討深部巷道圍巖經歷多次峰后循環加卸載下的力學特征;王天佐等[12]在MTS815上開展恒下限和變下限的力學試驗,研究紅砂巖的損傷演化規律;Liu等[13]利用MTS-815電液伺服巖石試驗系統對白云巖進行循環擾動加載,揭示白云石在多級循環加載下疲勞行為的重要三相演化過程;戴國亮等[14]通過分離式霍普金森壓桿對鈣質砂和石英砂進行反復沖擊,研究沖擊次數、含水率等因素對2種砂樣力學特征的影響.目前,大多沖擊擾動試驗系統針對的試樣對象多為小尺寸標準試件,且只能單軸加載周期循環載荷.為此,本團隊自主研制可對大尺寸試件進行單軸、多軸,靜載荷與動態擾動載荷隨意組合加載的多功能靜載和沖擊擾動巖石試驗系統,以便于進一步開展多參數,不同靜動載荷耦合加載下巖石的疲勞損傷及破壞機理的研究.

1 試驗設備功能

該試驗系統由液壓站、伺服加載系統、沖擊裝置、數據采集系統、操作臺等組成,如圖1和圖2所示.該試驗系統可實現對600 mm×600 mm×300 mm,600 mm×300 mm×200 mm,400 mm×300 mm×200 mm等試件的試驗,適用于各類煤、巖樣和大尺寸相似材料試樣進行沖擊、靜態加載、卸載、動態擾動等多種加載方式的試驗.

圖1 靜載和沖擊擾動巖石試驗系統

1-主機底座;2-螺母M130×6;3-定位螺母;4-立柱;5-擾動油缸組件;6-反力架組件;7-預緊油缸組件;8-擾動反力架;9-擾動反力板;10-活動鋼板;11-移動平臺;12-螺紋立柱;13-機架及傳動電機;14-鏈輪壓墊;15-傳動齒輪;16-軸承護蓋;17-沖擊組件;18-沖擊導向組件;19-地腳螺栓M30×600;20-保險插銷

傳動電機(13)轉動,鏈條回轉帶動螺紋立柱(12)的齒輪(15)轉動進而驅動立柱轉動,立柱利用柱身的螺紋控制Z軸移動平臺的上升和下降.

1.1 靜態加載模式

Z軸施加靜態載荷為0～2 000 kN,X軸施加靜態載荷為0～1 000 kN,Y軸施加靜態載荷范圍為0～100 kN,3個軸可分別單獨加載,也可雙軸或者三軸組合加載.X軸、Y軸、Z軸均可實現快速卸載,卸載時間≤0.1 s.X軸、Y軸配備彈簧位移計,Z軸配置彈簧位移計和激光位移計.試驗時可設置應力下降比設置為0～70%,系統每秒記錄100次應力值.

多軸加載時應先對加載參數進行設置.此處以三軸加載為例:將X、Y、Z這3個軸的加載方式選為靜載;設定預壓力、允許載荷最大值、下降比;設置目標載荷、加載速度、保持時間;若加載分為多個階段,可增加測試步驟;點擊“執行測試”,試驗開始,試驗數據自動記錄.具體如圖3所示.

圖3 三軸靜態加載參數設置

1.2 動態擾動加載模式

試驗前需先設置擾動均值、擾動幅值比例、擾動波形、擾動頻率、擾動次數等參數.擾動應力幅值比例設置為0～30%,擾動波形有正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波可選,擾動頻率為0～20 Hz,擾動次數為0～99 999次.X軸、Y軸、Z軸可分別單獨施加擾動載荷,也可雙軸、三軸隨意組合施加動、靜載荷.試驗系統自動記錄時間-應力,時間-應變,時間擾動次數,應力-應變等數據.

1.3 沖擊模式

磁環通過螺桿固定在Z軸壓板上,通過電磁閥開關控制落錘吸附或下落.落錘兩側有行程導軌,確保落錘只能垂直上升和下落.試驗中,可單獨操作Z軸進行落錘沖擊,也可先控制Y軸、X軸對試樣施加靜態載荷,然后利用Z軸對試樣開展落錘沖擊.落錘沖擊高度可在0～1 500 mm 自由設定.落錘規格300 mm × 300 mm,由多塊鐵板組成,總質量20～50 kg,每塊鐵板5 kg,落錘端部R為100 mm 半球狀沖擊頭.

調節落錘質量和沖擊高度控制落錘的沖擊能.根據牛頓第二定律、動量定理、熱力學第一定律等計算落錘碰撞時間,落錘沖擊能等.

2 設備功能測試

2.1 靜態加載測試

試驗對象均為鐵塊,600 mm × 300 mm ×200 mm.Z軸、X軸、Y軸組合加載,應力-時間關系曲線如圖4所示.

圖4 多軸組合加載應力-時間關系曲線

2.2 動態擾動加載測試

1)單軸擾動加載測試

Z軸單軸動態擾動加載,擾動均值110 kN,擾動賦值比例7%,頻率2 Hz,擾動次數80次,應力-時間關系曲線見圖5.

圖5 Z軸應力-時間關系曲線

2)多軸動態擾動加載及擾動載荷波形測試

X軸,Y軸,Z軸組合擾動加載:X軸,Y軸,Z軸組合擾動加載的應力-時間關系曲線見圖6.圖6中塊狀陰影為擾動載荷.

圖6 X軸,Y軸,Z軸組合擾動加載應力-時間關系曲線

2.3 沖擊測試

落錘沖擊試驗時,先將磁環用螺桿固定在Z軸的壓板上,接上電磁閥控制線.把落錘放在Z軸壓板正下方,并用行程導向架固定.控制移動平臺下降,點擊吸附按鈕使電磁閥通電,磁環吸附落錘;控制移動平臺上升,落錘隨平臺一起上升.平臺移動至合適高度,點擊釋放按鈕,電磁閥斷電,落錘與磁環分離,落錘靠重力自由落體沖擊試件,具體見圖1.本次選取落錘質量50 kg,沖擊高度500 mm進行試驗,落錘沖擊加速度-時間關系曲線如圖7所示.

圖7 落錘沖擊加速度-時間關系曲線

設備可以捕捉到碰撞瞬間試樣對落錘的反作用力F引起的加速度a,試驗系統可直接顯示落錘與試樣碰撞瞬間的沖擊力F、碰撞時間t,落錘的沖擊能Ep.

3 試驗系統可行性驗證

3.1 單軸動靜態加載試驗方案

為驗證試驗系統的可行性,本節利用自制大尺寸石膏試樣(150 mm×150 mm×300 mm)進行單軸動態擾動試驗.試樣如圖8所示.

圖8 大尺寸石膏試樣

第一組:進行單軸壓縮,得到其單軸抗壓強度σc等基本力學參數.

第二組:以1 kN/s的加載速率將試件分別加載至0.8σc,0.85σc,0.9σc,然后施加0.25σc為周期載荷幅值,直至試件破壞.擾動載荷波形為正弦波,頻率2 Hz.

第三組:以1 kN/s的加載速率將試件加載至0.9σc,然后分別施加0.15σc,0.2σc,0.25σc為周期載荷幅值的擾動載荷,直至試件破壞.擾動載荷波形為正弦波,頻率2 Hz.

3.2 試驗結果及分析

大尺寸石膏試件單軸壓縮應力-應變曲線如圖9所示.

圖9 大尺寸類巖石試件單軸壓縮應力-應變曲線

由圖9可知,大尺寸石膏試件單軸抗壓強度σc均值7.38MPa,破壞時的應變均在0.16%～0.17%.

擾動載荷幅值為0.25σc,擾動載荷均值為0.8σc,0.85σc,0.9σc的大尺寸石膏試件應力-應變曲線如圖10所示.

圖10 擾動載荷幅值為0.25σc,不同擾動載荷均值下試件的應力-應變曲線

由圖10可知,試樣破壞時的應變分別為0.158%,0.162%,0.168%.

擾動載荷均值為0.9σc,擾動載荷幅值為0.15σc,0.2σc,0.25σc的大尺寸石膏試件應力-應變曲線如圖11所示.

圖11 擾動載荷均值為0.9σc,不同擾動載荷幅值下試件的應力-應變曲線

由圖11可知,試樣破壞時的應變分別為0.155%,0.163%,0.168%.對比圖8～圖10發現,試樣破壞主要受應變影響,應變積累到一定程度,試樣破壞.擾動加載時,試樣破壞時c點的應力應變剛好對應單軸壓縮的應力-應變曲線,說明擾動加載時試樣的破壞受單軸壓縮全應力-應變曲線的控制.這與葛修潤等[15]的研究成果相似.

擾動加載時,試樣破壞時的循環次數如表1和表2所示.

表1 第二組試件加載參數與循環次數關系

表2 第三組試件加載參數與循環次數關系

由表1和表2可知,動態擾動加載時,隨擾動載荷均值或擾動載荷幅值的增加,試樣破壞時的循環數呈非線性顯著降低.應力上限為1.1σc時,擾動均值0.9σc、擾動幅值0.2σc,試驗破壞時的循環次數為182,147,169;擾動均值0.85σc、擾動幅值0.25σc,試驗破壞時的循環次數為689,616,648.應力上限為1.05σc時,擾動均值0.9σc、擾動幅值0.15σc,試驗破壞時的循環次數為274,326,303;擾動均值0.8σc、擾動幅值0.25σc,試驗破壞時的循環次數為1 244,1 182,1 478.應力上限相同,擾動載荷均值、幅值不同時,高擾動載荷均值下試件破壞時的循環數更少,說明動態擾動加載時,上限應力確定的情況下,試樣破壞對擾動載荷均值的敏感度高于擾動載荷幅值.這與唐禮忠等[16]的研究成果具有相似性.

3.3 三軸加載試驗

試驗對象為混凝土試塊,400 mm × 400 mm × 400 mm.X軸,Y軸,Z軸組合加載:X軸,Y軸,Z軸組合加載應力-時間關系曲線見圖12.

圖12 X軸,Y軸,Z軸軸組合加載應力-時間關系曲線

4 結論

1)新型多功能靜載和沖擊擾動巖石試驗系統是根據靜載加載和動態擾動加載相互組合的原理設計與研制的.該設備主要由操作臺、液壓站、伺服加載系統、數據采集系統、落錘沖擊裝置等組成.

2)該試驗系統功能多樣化,可實現單軸、多軸的靜態載荷和動態擾動載荷任意組合加載試驗.利用伺服加載系統和落錘沖擊裝置可實現圍壓下的落錘沖擊試驗.

3)單軸周期擾動加載時試樣的破壞受單軸壓縮全應力-應變曲線的控制.當上限應力確定后,試樣破壞受擾動載荷均值的影響大于擾動載荷幅值.該試驗系統操作簡單,可調控變量多,試驗數據真實可靠.