田 軍 盧高明 李元輝 石 磊 任金來

（深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110819）

在深部金屬礦山安全開采過程中，采場和巷道由于受高地應(yīng)力、高地?zé)帷⒏呖紫端畨旱葪l件的影響，穩(wěn)定性成為制約采礦工程安全的首要問題［1］，其中最主要的頻發(fā)地質(zhì)災(zāi)害是硬巖的巖爆和流變問題。近些年來，水利、水電、采礦等地下工程項(xiàng)目與日俱增且不斷向深部發(fā)展，與此同時(shí)大量的公路、鐵路、地下廠房等大型工程項(xiàng)目在西藏高山峽谷地區(qū)投入建設(shè)，頻繁發(fā)生的復(fù)雜應(yīng)力條件下脆性巖石破壞災(zāi)害是制約地下工程開展的首要問題，尤其是硬巖巖爆災(zāi)害［2-3］。硬巖脆性破壞包括峰前漸進(jìn)性破壞［4-5］和峰后應(yīng)力快速跌落［6-7］兩個過程。同時(shí)，由于各項(xiàng)工程服務(wù)年限較長，易造成巖體局部或整體發(fā)生與時(shí)間有關(guān)的破壞或失穩(wěn)，因此巖石流變特性的研究與工程項(xiàng)目的安全開展密切相關(guān)［8-9］。因此，在室內(nèi)開展高應(yīng)力條件下硬巖破壞過程及機(jī)理的試驗(yàn)研究是有必要的。

1 硬巖三軸儀研發(fā)的必要性

巖石材料試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)是開展巖石力學(xué)研究的重要部分，早在18世紀(jì)，科研工作者開始嘗試在普通材料試驗(yàn)機(jī)上開展巖石單軸壓縮試驗(yàn)（UCS）。自此之后，試驗(yàn)機(jī)的功能不斷被優(yōu)化，Von Karman于1910首次通過金屬壓力室施加圍壓來模擬巖石三向受載狀態(tài)，成為世界上第一臺常規(guī)三軸儀。20世紀(jì)60年代，Cook等通過對比巖石在普通壓力機(jī)和剛性壓力機(jī)的破壞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的高剛度是實(shí)現(xiàn)巖石峰后曲線捕捉的必要條件［10］。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，巖石三軸儀的整體制作水平不斷提高，但是研制能夠?qū)崿F(xiàn)硬巖短期全程破壞和長期流變試驗(yàn)功能的試驗(yàn)機(jī)依然比較困難。

因此，針對開展深部工程巖體力學(xué)研究的需要，東北大學(xué)聯(lián)合長春朝陽試驗(yàn)機(jī)有限公司，完成了新型硬巖三軸儀Rockman207的開發(fā)。重點(diǎn)解決試驗(yàn)系統(tǒng)框架剛度、閉環(huán)伺服響應(yīng)時(shí)間、體變測量及傳感器精確性等問題，基于此實(shí)現(xiàn)硬巖峰后行為的捕捉以及巖石長期流變性能試驗(yàn)功能。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與新特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

研發(fā)設(shè)計(jì)的Rockman207硬巖三軸試驗(yàn)系統(tǒng)集常規(guī)三軸試驗(yàn)和流變試驗(yàn)功能于一體，包括加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中加載系統(tǒng)中軸向應(yīng)力加載和圍壓加載可獨(dú)立控制，其中軸向加載最大輸出荷載可達(dá)到2 000 kN，圍壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高輸出圍壓為100 MPa。Rockman207三軸儀系統(tǒng)原理圖見圖1所示。

為獲取硬巖的峰后脆性行為，常規(guī)三軸儀在設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)需要考慮系統(tǒng)框架剛度、閉環(huán)伺服液壓控制系統(tǒng)和反饋控制信號時(shí)間等問題。Rockman207的主框架在設(shè)計(jì)時(shí)采用有限元分析方法，通過整體鑄造工藝，使其剛度達(dá)到9 GN/m，解決了設(shè)備的高剛度問題。該試驗(yàn)系統(tǒng)采用Doli公司提供的EDC220全數(shù)字伺服控制器，具有較低的伺服響應(yīng)時(shí)間（1 ms），采用的D633 Moog伺服閥，其響應(yīng)時(shí)間小于12 ms。脆性巖石完成斷裂過程的時(shí)間大致為30 ms，因此設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間可以滿足硬巖試驗(yàn)的需要。

如圖1所示，控制單元在圖1中分別標(biāo)記為A、B和C。其中A和B是軸向應(yīng)力控制單元，C是圍壓控制單元。軸向應(yīng)力控制主要由Moog伺服閥和EDC01控制器組成，兩者聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)力的加載功能，同時(shí)軸向或徑向變形傳感器作為反饋控制獲得巖石破壞全過程曲線，而圍壓加載C通過圍壓泵和EDC02聯(lián)合工作完成。控制單元中的EDC除具有控制加載功能外還兼具數(shù)據(jù)采集功能，分別連接測力傳感器、LVDT傳感器、位移傳感器和溫度傳感器，安裝位置和功能均在圖1中標(biāo)記。油源提供軸向加載所需要的動力，冷水機(jī)為其降溫。

硬巖流變試驗(yàn)對試驗(yàn)機(jī)的要求和短期試驗(yàn)相比大有不同，它需要試驗(yàn)機(jī)在保證長期穩(wěn)定工作的同時(shí)還要達(dá)到省電、降噪等要求，因此流變模式下軸向應(yīng)力控制需要由Moog伺服閥控制改為伺服蠕動泵控制，在圖1中標(biāo)記為B。開展流變試驗(yàn)，軸向應(yīng)力控制由模式A切換至模式B時(shí)也要在EDC控制器上轉(zhuǎn)換相應(yīng)的硬件線路。

2.2 主要特點(diǎn)

硬巖三軸試驗(yàn)系統(tǒng)具有以下主要新特點(diǎn)：

（1）體變測量采用由美國Micro公司提供的耐高溫高壓內(nèi)置超小型LVDT位移傳感器（見圖2），精度為0.05%，在對試樣加載過程中，通過采用變形控制可獲得硬巖破壞的峰后曲線。

（2）將國產(chǎn)的徑向變形測量支架改為美國GCTS公司設(shè)計(jì)的徑向變形測量支架，同時(shí)結(jié)合新型的低摩擦自穩(wěn)球頭，不僅提高了徑向測量精度而且確保了豎向兩側(cè)LVDT測量結(jié)果的一致性。

（3）通過增加試驗(yàn)系統(tǒng)框架的剛度、減小控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間及采用高精度的LVDT傳感器，使試驗(yàn)系統(tǒng)測量精度顯著提升。

3 功能分析和驗(yàn)證

3.1 自平衡活塞和自穩(wěn)球頭

自平衡活塞端面所承受的圍壓產(chǎn)生的上浮力被平衡腔內(nèi)的壓力所平衡，在圍壓作用下其無相對運(yùn)動，好處是軸向作動器輸出的力直接作用的試樣上，即為偏應(yīng)力（σ1-σ3）。而自平衡活塞與壓力室界面的摩擦力會影響偏應(yīng)力的測量，為此，首先完成不同圍壓下靜摩擦力的標(biāo)定工作，標(biāo)定測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，偏應(yīng)力隨著圍壓水平的增加而不斷增加，在圍壓水平達(dá)到25 MPa左右時(shí)，偏應(yīng)力值最大，即達(dá)到了最高摩擦力（約為4 kN），隨后偏應(yīng)力開始降低。在試驗(yàn)過程中，可根據(jù)此標(biāo)定結(jié)果將試驗(yàn)過程中的摩擦力過濾掉，以提高獲得應(yīng)力—應(yīng)變曲線的精確度。

軸向加載中引入球頭的目的是克服試樣端面不平導(dǎo)致的受力不均。通過對球頭進(jìn)行表面處理和提高加工精度，降低接觸面的摩擦力，進(jìn)一步提高球頭的自穩(wěn)定性［12］，從而提高巖樣左右兩側(cè)LVDT測量的可靠性（與應(yīng)變片相比，LVDT測量誤差在±1%之內(nèi)，見圖3）。為了使LVDT傳感器的測量結(jié)果與應(yīng)變片保持較高的重合性，根據(jù)ASTM試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用球頭在上，試樣在下的安裝方式，并對球頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次優(yōu)化，最終獲得理想試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 新型體變測量傳感器功能分析和驗(yàn)證

對試樣變形的測量采用高精度小體積且耐高壓的LVDT傳感器。變形測量系統(tǒng)由1個環(huán)向LVDT傳感器、2個軸向LVDT傳感器和測量支架構(gòu)成（圖2）。2個軸向傳感器對稱地固定在試樣的兩側(cè)，通過求平均值的方式計(jì)算軸向變形；環(huán)向傳感器固定在試樣的中心位置，用來測量試樣的環(huán)向變形。該LVDT傳感器可在100 MPa的圍壓條件下正常工作，量程為1.2 mm。為了獲得硬巖試樣破壞過程全曲線，對軸向傳感器標(biāo)定量程為±0.6 mm，環(huán)向傳感器標(biāo)定量程為±0.3 mm。為了說明軸向傳感器固定位置對試樣軸向變形測量的影響，分別將固定位置設(shè)置在壓頭和試樣上，與應(yīng)變片結(jié)果進(jìn)行對比分析，測試結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，將軸向傳感器固定在試樣上時(shí)，與應(yīng)變片結(jié)果最為接近，這說明將軸向LVDT傳感器固定在試樣上時(shí)具有較高的測量精度。

（1）臨床診斷冠狀動脈狹窄的應(yīng)用進(jìn)展。冠狀動脈CTA成像技術(shù)可以劃分三種冠狀動脈狹窄斑塊，即包括鈣化冠狀動脈狹窄斑塊、非鈣化冠狀動脈狹窄斑塊、混合斑塊，又可稱為軟斑塊、硬斑塊、混合斑塊。臨床結(jié)合冠狀動脈患者的疾病特點(diǎn)，因此出現(xiàn)斑塊容易產(chǎn)生不同程度的血管狹窄（包括輕度狹窄、中度狹窄、高度狹窄、完全閉塞）。臨床相關(guān)研究通過給予58例房顫患者（均未服用倍它樂克藥物）進(jìn)行64層螺旋CT冠狀動脈成像檢查，并且將血管圖像質(zhì)量劃分為三個等級，即好、中、差；依據(jù)CAG為參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合血管節(jié)段水平情況進(jìn)行分析；分析結(jié)果顯示，64層螺旋CT冠狀動脈成像檢查方法對于房顫患者的冠狀動脈狹窄陰性預(yù)測價(jià)值顯著。

對于硬巖試樣來說，環(huán)向變形一般為微米級別，這就使環(huán)向變形的精確測量變得困難。為了獲得較高的測試精度，采用美國GCTS公司生產(chǎn)的環(huán)向滾珠支架。以標(biāo)準(zhǔn)鋼樣為測試對象，與應(yīng)變片測試結(jié)果進(jìn)行對比（所有標(biāo)定使用的應(yīng)變片均為美國MTS公司生產(chǎn)），軸向和環(huán)向變形的測量結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果表明，軸向和環(huán)向LVDT的測試結(jié)果都比應(yīng)變片稍微偏大，但誤差范圍在可控范圍內(nèi)。

3.3 主要試驗(yàn)功能

該硬巖三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能有：

（1）可安裝徑高比為1∶2的多種直徑尺寸圓柱形試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）可采用多種控制方式，負(fù)荷和變形控制方式可任意組合和切換，通過負(fù)荷與變形控制方式的轉(zhuǎn)換，獲得試樣破壞全過程應(yīng)力—應(yīng)變曲線；

（3）可進(jìn)行的力學(xué)試驗(yàn)包括：硬巖全過程剪切破壞試驗(yàn)、單軸和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)、應(yīng)力路徑試驗(yàn)、單個試樣分級加載試驗(yàn)、疲勞破壞變形試驗(yàn)等。

4 典型試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 硬巖全過程破壞試驗(yàn)

為了調(diào)查Rockman207對硬巖獲得全應(yīng)力—應(yīng)變的執(zhí)行性能，將昆明黃砂巖巖塊進(jìn)行取芯、切割和磨平處理，按照ISRM建議的試驗(yàn)方法加工成徑高比1∶2（直徑50 mm、高100 mm）的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。分別設(shè)置不同的圍壓水平（0、30、70、100 MPa），試樣擴(kuò)容前采用負(fù)荷控制（1 kN/s），擴(kuò)容后以相同的環(huán)形變形速率轉(zhuǎn)換為環(huán)向變形控制，獲得不同圍壓水平下黃砂巖破壞全過程應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示。

從全應(yīng)力破壞曲線來看，在低圍壓水平時(shí)（0、30 MPa），試樣破壞行為主要表現(xiàn)為脆性特征，為典型單斜面剪切破壞，峰后曲線表現(xiàn)為漸進(jìn)式破壞，屬于典型的II型曲線，說明試樣破巖過程中不斷釋放能量給試驗(yàn)機(jī)［14］；在高圍壓水平時(shí)（70、100 MPa），試樣破壞行為表現(xiàn)為脆延性特征，試樣破壞面為張拉破壞，破壞面近似與圓柱形試樣母線平行。該試驗(yàn)結(jié)果表明，采用環(huán)向變形控制方式可以得到試樣破壞的峰后曲線。通過進(jìn)行昆明黃砂巖全程破壞試驗(yàn)，說明該硬巖三軸試驗(yàn)系統(tǒng)具備進(jìn)行硬巖峰后行為調(diào)查的能力。

4.2 硬巖流變試驗(yàn)

為考核Rockman207在流變工作模式下的長期試驗(yàn)?zāi)芰翱煽啃誀顩r，輔助完成了一個紅透山片麻巖試樣的流變試驗(yàn)。該試驗(yàn)持續(xù)1個月，圖7中數(shù)字標(biāo)記點(diǎn)為流變試驗(yàn)所處階段，共計(jì)6個加載階段，圍壓加載到15 MPa后施加偏壓至197 MPa，開始流變階段，加載和卸載過程見圖7中的應(yīng)力路徑，試樣的應(yīng)力路徑混合了單軸和三軸蠕變。

軸向和環(huán)向變形隨時(shí)間的關(guān)系被清晰地表達(dá)在圖8中，在階段1處三軸應(yīng)力條件下，瞬時(shí)軸向應(yīng)變?yōu)?.31%，由于應(yīng)力水平較高，誘發(fā)了硬巖的微小蠕變。在隨后卸載應(yīng)力階段2、3和4處，沒有觀察到蠕變。在進(jìn)入單軸應(yīng)力狀態(tài)以后，在應(yīng)力階段5和6處發(fā)生了明顯的變形，為蠕變階段。在第5階段發(fā)生了階躍型變形，試樣變形突增后仍具有一定的殘余強(qiáng)度，該階段試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)間約6 d。在第6階段執(zhí)行約第6.5 d的時(shí)候，類似的階躍變形被再次觀察到，變形量是0.009%，在運(yùn)行到7.5 d決定終止試驗(yàn)。值得注意的是，紅透山片麻巖試樣長時(shí)間蠕變失穩(wěn)破壞時(shí)主要發(fā)生豎向的張拉破壞，未出現(xiàn)剪切破壞模式。實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的失效破壞模式和現(xiàn)場的邊幫劈理破壞模式極其相近。所選用的混合應(yīng)力路徑蠕變試驗(yàn)和深部采場的應(yīng)力變化路徑接近，對深部金屬礦山開采因應(yīng)力路徑改變誘發(fā)的災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)意義。

4.3 硬巖周期載荷試驗(yàn)

周期荷載試驗(yàn)?zāi)軌蛟u價(jià)巖石的損傷破壞過程［15-17］，對試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性具有較高要求。為了評估Rockman207的周期加載試驗(yàn)性能，對直徑50 mm、高100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形北山花崗巖試樣進(jìn)行40 MPa圍壓下的靜態(tài)壓縮和疲勞破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用余弦波加載，頻率為0.1 Hz，單軸疲勞試驗(yàn)的上限應(yīng)力為74 MPa，下限應(yīng)力為27 MPa；三軸疲勞試驗(yàn)的上限應(yīng)力為437 MPa，下限應(yīng)力為268 MPa。靜態(tài)壓縮試驗(yàn)先進(jìn)行應(yīng)力控制，加載速率為0.5 MPa/s，加載至試樣塑性變形時(shí)，轉(zhuǎn)為變形控制，速率為0.035 mm/min；周期加載的全過程采用應(yīng)力控制，上限應(yīng)力之前速率為0.5 MPa/s。

三軸靜態(tài)加載和周期加載曲線如圖9所示，由靜態(tài)加載曲線表明該圍壓下花崗巖的破壞為脆性破壞且屬于Ⅱ型峰后曲線破壞特征，單軸和三軸條件下，周期加載試驗(yàn)分別在循環(huán)了1 134次和673次之后，試樣發(fā)生疲勞破壞。

比較2組曲線可以看出，靜態(tài)加載和周期加載的軸向和環(huán)向曲線具有較好的重合度，同時(shí)比較2個加載路徑下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線表明，試樣疲勞破壞時(shí)受到靜態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變曲線軸向變形和環(huán)向變形的控制，疲勞破壞時(shí)軸向變形和環(huán)向變形的極限變形量與其上限應(yīng)力在靜態(tài)曲線所對應(yīng)的變形量相當(dāng)。在進(jìn)行疲勞破壞試驗(yàn)時(shí)，該三軸儀最長連續(xù)工作時(shí)間超過10 h，試樣循環(huán)次數(shù)超過7 000次，說明試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較高的控制精度。

5 結(jié)論

（1）針對硬巖巖爆和流變問題，研制了能夠獲得硬巖全應(yīng)力—應(yīng)變曲線和開展長期流變試驗(yàn)的Rockman207硬巖三軸流變儀，詳細(xì)闡述了該試驗(yàn)系統(tǒng)的總體構(gòu)成和關(guān)鍵技術(shù)，并通過不同類型的硬巖試驗(yàn)對該設(shè)備進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

（2）通過提高試驗(yàn)系統(tǒng)框架的整體剛度、選擇合適的快速伺服響應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)基于內(nèi)置LVDT傳感器的新體變測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了硬巖峰后曲線的捕捉。

（3）對新型體變測量傳感器和自行設(shè)計(jì)的新型自穩(wěn)球頭進(jìn)行了試驗(yàn)測試，結(jié)果表明該設(shè)備能夠有效地捕捉流變試驗(yàn)的微小變形，保證各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）該試驗(yàn)系統(tǒng)可開展多尺寸試樣、多應(yīng)力路徑組合的試驗(yàn)，能夠滿足硬巖室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)的要求。通過一系列的硬巖三軸壓縮試驗(yàn)、流變試驗(yàn)和周期加載試驗(yàn)證明了該設(shè)備的多功能性。