新型多功能静载和冲击扰动岩石试验系统及应用

2022-02-16樊宝杰赵伏军刘永宏田芯宇陈品崟

矿业工程研究 2022年4期

樊宝杰,赵伏军,刘永宏,田芯宇,陈品崟

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;2. 湖南省城市地质调查监测所,湖南长沙 410000)

地下工程中,围岩因其他工程影响或机械设备的振动而常受到周期性的扰动载荷,岩石在周期性扰动载荷作用下容易积累损伤变形,导致各种地质灾害,岩石的疲劳损伤破坏是岩石力学领域面临的最严峻问题之一[1-7].刘伟等[8]利用霍普金森冲击试验平台对弱风化花岗岩进行逐级循环冲击,研究其受爆炸冲击影响下的力学特征和渗透系数的变化;王俊光等[9]在扰动蠕变实验台上开展片麻岩的分级加载试验,得到片麻岩蠕变特性受扰动载荷影响的规律;宫凤强等[10]利用MTS Landmark电液伺服试验机对红砂岩进行“不同预静载+扰动载荷”的加载试验,分析红砂岩在不同预静载和动态扰动载荷下的断裂韧度规律及断裂特征;Yang等[11]采用RMT-150B岩石力学测试系统对砂岩峰后循环加卸载的力学特性进行试验研究,探讨深部巷道围岩经历多次峰后循环加卸载下的力学特征;王天佐等[12]在MTS815上开展恒下限和变下限的力学试验,研究红砂岩的损伤演化规律;Liu等[13]利用MTS-815电液伺服岩石试验系统对白云岩进行循环扰动加载,揭示白云石在多级循环加载下疲劳行为的重要三相演化过程;戴国亮等[14]通过分离式霍普金森压杆对钙质砂和石英砂进行反复冲击,研究冲击次数、含水率等因素对2种砂样力学特征的影响.目前,大多冲击扰动试验系统针对的试样对象多为小尺寸标准试件,且只能单轴加载周期循环载荷.为此,本团队自主研制可对大尺寸试件进行单轴、多轴,静载荷与动态扰动载荷随意组合加载的多功能静载和冲击扰动岩石试验系统,以便于进一步开展多参数,不同静动载荷耦合加载下岩石的疲劳损伤及破坏机理的研究.

1 试验设备功能

该试验系统由液压站、伺服加载系统、冲击装置、数据采集系统、操作台等组成,如图1和图2所示.该试验系统可实现对600 mm×600 mm×300 mm,600 mm×300 mm×200 mm,400 mm×300 mm×200 mm等试件的试验,适用于各类煤、岩样和大尺寸相似材料试样进行冲击、静态加载、卸载、动态扰动等多种加载方式的试验.

图1 静载和冲击扰动岩石试验系统

1-主机底座;2-螺母M130×6;3-定位螺母;4-立柱;5-扰动油缸组件;6-反力架组件;7-预紧油缸组件;8-扰动反力架;9-扰动反力板;10-活动钢板;11-移动平台;12-螺纹立柱;13-机架及传动电机;14-链轮压垫;15-传动齿轮;16-轴承护盖;17-冲击组件;18-冲击导向组件;19-地脚螺栓M30×600;20-保险插销

传动电机(13)转动,链条回转带动螺纹立柱(12)的齿轮(15)转动进而驱动立柱转动,立柱利用柱身的螺纹控制Z轴移动平台的上升和下降.

1.1 静态加载模式

Z轴施加静态载荷为0～2 000 kN,X轴施加静态载荷为0～1 000 kN,Y轴施加静态载荷范围为0～100 kN,3个轴可分别单独加载,也可双轴或者三轴组合加载.X轴、Y轴、Z轴均可实现快速卸载,卸载时间≤0.1 s.X轴、Y轴配备弹簧位移计,Z轴配置弹簧位移计和激光位移计.试验时可设置应力下降比设置为0～70%,系统每秒记录100次应力值.

多轴加载时应先对加载参数进行设置.此处以三轴加载为例:将X、Y、Z这3个轴的加载方式选为静载;设定预压力、允许载荷最大值、下降比;设置目标载荷、加载速度、保持时间;若加载分为多个阶段,可增加测试步骤;点击“执行测试”,试验开始,试验数据自动记录.具体如图3所示.

图3 三轴静态加载参数设置

1.2 动态扰动加载模式

试验前需先设置扰动均值、扰动幅值比例、扰动波形、扰动频率、扰动次数等参数.扰动应力幅值比例设置为0～30%,扰动波形有正弦波、矩形波、三角波、锯齿波可选,扰动频率为0～20 Hz,扰动次数为0～99 999次.X轴、Y轴、Z轴可分别单独施加扰动载荷,也可双轴、三轴随意组合施加动、静载荷.试验系统自动记录时间-应力,时间-应变,时间扰动次数,应力-应变等数据.

1.3 冲击模式

磁环通过螺杆固定在Z轴压板上,通过电磁阀开关控制落锤吸附或下落.落锤两侧有行程导轨,确保落锤只能垂直上升和下落.试验中,可单独操作Z轴进行落锤冲击,也可先控制Y轴、X轴对试样施加静态载荷,然后利用Z轴对试样开展落锤冲击.落锤冲击高度可在0～1 500 mm 自由设定.落锤规格300 mm × 300 mm,由多块铁板组成,总质量20～50 kg,每块铁板5 kg,落锤端部R为100 mm 半球状冲击头.

调节落锤质量和冲击高度控制落锤的冲击能.根据牛顿第二定律、动量定理、热力学第一定律等计算落锤碰撞时间,落锤冲击能等.

2 设备功能测试

2.1 静态加载测试

试验对象均为铁块,600 mm × 300 mm ×200 mm.Z轴、X轴、Y轴组合加载,应力-时间关系曲线如图4所示.

图4 多轴组合加载应力-时间关系曲线

2.2 动态扰动加载测试

1)单轴扰动加载测试

Z轴单轴动态扰动加载,扰动均值110 kN,扰动赋值比例7%,频率2 Hz,扰动次数80次,应力-时间关系曲线见图5.

图5 Z轴应力-时间关系曲线

2)多轴动态扰动加载及扰动载荷波形测试

X轴,Y轴,Z轴组合扰动加载:X轴,Y轴,Z轴组合扰动加载的应力-时间关系曲线见图6.图6中块状阴影为扰动载荷.

图6 X轴,Y轴,Z轴组合扰动加载应力-时间关系曲线

2.3 冲击测试

落锤冲击试验时,先将磁环用螺杆固定在Z轴的压板上,接上电磁阀控制线.把落锤放在Z轴压板正下方,并用行程导向架固定.控制移动平台下降,点击吸附按钮使电磁阀通电,磁环吸附落锤;控制移动平台上升,落锤随平台一起上升.平台移动至合适高度,点击释放按钮,电磁阀断电,落锤与磁环分离,落锤靠重力自由落体冲击试件,具体见图1.本次选取落锤质量50 kg,冲击高度500 mm进行试验,落锤冲击加速度-时间关系曲线如图7所示.

图7 落锤冲击加速度-时间关系曲线

设备可以捕捉到碰撞瞬间试样对落锤的反作用力F引起的加速度a,试验系统可直接显示落锤与试样碰撞瞬间的冲击力F、碰撞时间t,落锤的冲击能Ep.

3 试验系统可行性验证

3.1 单轴动静态加载试验方案

为验证试验系统的可行性,本节利用自制大尺寸石膏试样(150 mm×150 mm×300 mm)进行单轴动态扰动试验.试样如图8所示.

图8 大尺寸石膏试样

第一组:进行单轴压缩,得到其单轴抗压强度σc等基本力学参数.

第二组:以1 kN/s的加载速率将试件分别加载至0.8σc,0.85σc,0.9σc,然后施加0.25σc为周期载荷幅值,直至试件破坏.扰动载荷波形为正弦波,频率2 Hz.

第三组:以1 kN/s的加载速率将试件加载至0.9σc,然后分别施加0.15σc,0.2σc,0.25σc为周期载荷幅值的扰动载荷,直至试件破坏.扰动载荷波形为正弦波,频率2 Hz.

3.2 试验结果及分析

大尺寸石膏试件单轴压缩应力-应变曲线如图9所示.

图9 大尺寸类岩石试件单轴压缩应力-应变曲线

由图9可知,大尺寸石膏试件单轴抗压强度σc均值7.38MPa,破坏时的应变均在0.16%～0.17%.

扰动载荷幅值为0.25σc,扰动载荷均值为0.8σc,0.85σc,0.9σc的大尺寸石膏试件应力-应变曲线如图10所示.

图10 扰动载荷幅值为0.25σc,不同扰动载荷均值下试件的应力-应变曲线

由图10可知,试样破坏时的应变分别为0.158%,0.162%,0.168%.

扰动载荷均值为0.9σc,扰动载荷幅值为0.15σc,0.2σc,0.25σc的大尺寸石膏试件应力-应变曲线如图11所示.

图11 扰动载荷均值为0.9σc,不同扰动载荷幅值下试件的应力-应变曲线

由图11可知,试样破坏时的应变分别为0.155%,0.163%,0.168%.对比图8～图10发现,试样破坏主要受应变影响,应变积累到一定程度,试样破坏.扰动加载时,试样破坏时c点的应力应变刚好对应单轴压缩的应力-应变曲线,说明扰动加载时试样的破坏受单轴压缩全应力-应变曲线的控制.这与葛修润等[15]的研究成果相似.

扰动加载时,试样破坏时的循环次数如表1和表2所示.

表1 第二组试件加载参数与循环次数关系

表2 第三组试件加载参数与循环次数关系

由表1和表2可知,动态扰动加载时,随扰动载荷均值或扰动载荷幅值的增加,试样破坏时的循环数呈非线性显著降低.应力上限为1.1σc时,扰动均值0.9σc、扰动幅值0.2σc,试验破坏时的循环次数为182,147,169;扰动均值0.85σc、扰动幅值0.25σc,试验破坏时的循环次数为689,616,648.应力上限为1.05σc时,扰动均值0.9σc、扰动幅值0.15σc,试验破坏时的循环次数为274,326,303;扰动均值0.8σc、扰动幅值0.25σc,试验破坏时的循环次数为1 244,1 182,1 478.应力上限相同,扰动载荷均值、幅值不同时,高扰动载荷均值下试件破坏时的循环数更少,说明动态扰动加载时,上限应力确定的情况下,试样破坏对扰动载荷均值的敏感度高于扰动载荷幅值.这与唐礼忠等[16]的研究成果具有相似性.