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        數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室的自主創(chuàng)新

        2022-04-07 09:07:24伍法權
        分析測試技術與儀器 2022年1期
        關鍵詞:試驗機單軸背包

        伍 劼,伍法權,喬 磊,張 芳

        (1.浙江巖創(chuàng)科技有限公司,浙江 紹興 312000;2.紹興文理學院,浙江 紹興 312000)

        如今中國基礎設施項目規(guī)模龐大,包括了鐵路工程、公路工程、大型水電站、南水北調工程等.這些大型工程中一半及以上是巖體工程.這些工程多地處高山峽谷、艱險山區(qū),使得勘測、試驗較為困難,或者根本不具備工作條件.落后的勘察裝備決定了地質工作的低效率和資料的低可靠性,工程風險難以控制,決策依據(jù)不足,常常引發(fā)工程事故,行業(yè)呼吁便捷智能與信息化技術革命.

        針對行業(yè)痛點,結合當下新材料新技術的發(fā)展,本文提出模塊化背包實驗室的概念.模塊化背包實驗室基于統(tǒng)計巖體力學理論(statistical mechanics of rock masses,SMRM)研究成果,優(yōu)化機械結構設計.該自主創(chuàng)新技術為行業(yè)改造探索出一條既高效又便捷的新途徑.

        1 巖石力學試驗設備發(fā)展現(xiàn)狀

        1.1 國外巖石力學試驗裝備

        國外巖石力學試驗機的研制經歷了500多年的革新,從一開始由物體自重對杠桿系統(tǒng)產生壓力再到液壓系統(tǒng)加載.

        1949年Blanks和McHerry從多次巖石材料破壞試驗中發(fā)現(xiàn),試驗機具有足夠的剛度可以提高試驗的準確性[1].巖石材料單軸壓縮和三軸壓縮試驗中,想要成功獲得巖石材料完整的應力-應變曲線,要求必須盡可能提高萬能試驗機整體的機械剛度.1966年美國Hughes和日本Chap-Man采用在十字頭下面安裝并聯(lián)連續(xù)壓縮試驗鋼塊的改進方法,提升了1 000萬級t型萬能試驗機整體的機械有效剛性[2].1966年,Cook和Hojem等利用對試件進行預熱加載試驗和試驗機框架的熱膨脹與收縮,第一次分析得到了大理巖的全尺寸應力-熱應變曲線[3].1970年由Wawersick和Fairharst聯(lián)合提出并第一次運用了手動和伺服兩種方式控制剛性試驗機的設計概念,測算得到多種巖石應力的應力-應變特性曲線[4].自進入20世紀70年代初期以后,電液伺服試驗機的研究問世,快速推動了巖土工程研究與應用的發(fā)展.目前國際上以美國的MTS、英國的GDS為代表.

        MTS815型液壓伺服力學系統(tǒng),其主要功能是獲得各類巖體、混凝土、煤體等復雜的應力流動條件影響下產生的混合力學性質數(shù)據(jù)以及其滲流特性,具有現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)精度高、性能良好、穩(wěn)定高效等性能特點,可以連續(xù)進行現(xiàn)場高或低速連續(xù)數(shù)據(jù)連續(xù)采集,并且控制方式多樣.設備參數(shù):軸向最大加載載荷2 800 kN,圍壓最大80 MPa,孔隙水壓最大80 MPa,溫度最高200 ℃.設備主要功能:(1)劈裂、單軸壓縮、循環(huán)加卸載試驗.(2)三軸壓縮、循環(huán)加卸載、卸圍壓試驗.(3)滲流試驗.

        GDS公司生產的TC型被動三軸壓力室,可以滿足我國當代大型土工實驗室各種復雜材料的壓力試驗工作需求.能夠施加0~4 MPa的圍壓,完成直徑50~550 mm的巖石三軸壓縮試驗,系列型號參數(shù)如表1所列.

        表1 GDS各型號三軸壓力室試件尺寸

        1.2 國內巖石力學試驗裝備

        我國的單軸、三軸等巖石力學試驗裝備研發(fā)起步較晚,但發(fā)展迅速,國內以長江系列和RMT系列為代表.20世紀50年代,長江-500型巖石三軸壓力試驗機[5]通過長江流域規(guī)劃辦公室與長春試驗機廠不懈努力最終研制成功,是我國近代最早的巖石三軸試驗機之一,但其總體技術指標和各項參數(shù)與國外設備相比較為落后.該試驗機施加荷載方式落后,軸向力和圍壓均采用擺錘式測力裝置,依靠手動調節(jié)流量實現(xiàn)對軸向力和圍壓的施加, 其技術參數(shù)范圍小,只能夠施加5 MN軸壓、150 MPa圍壓,試件尺寸φ90 mm×200 mm.所以往后的三十年里,我國大型巖石實驗室裝備體系中應用的大型巖石剛性試驗機產品主要還是依靠進口.直到20世紀80年代初、中期,我國才開始加大各類試驗儀器的研制并取得重要突破.長春試驗機廠與武漢水電學院聯(lián)合設計生產了RYS-7系列巖石三軸流變儀[5].1984年,陳安敏等[6]成功研制PYD-50三向加載地質力學模型試驗裝置.1987年中國科學院武漢巖土力學研究研制出RDT-10000型高壓巖石動力三軸儀[7].1989年中國科學院武漢巖土力學研究所許東俊主持研制了RT3型巖石高壓真三軸儀試驗機[8].2006年中國科學院武漢巖土力學研究所白世偉科研團隊成功研制大型巖土工程模型試驗機[9].直到現(xiàn)在,中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150型液壓伺服巖石力學功能試驗機,才再次表明了我國伺服巖石試驗機的先進設計、制造技術水平已經全面步入到相當成熟及穩(wěn)定運行階段,并逐漸得到國際上的認可.

        2 數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室研發(fā)歷程

        工程勘察現(xiàn)場對巖石力學參數(shù)有著廣泛的需求,室內大型試驗儀器已經不能滿足工程現(xiàn)場對各種巖石力學參數(shù)快速獲取的需求,巖石力學背包實驗室的設計研發(fā)很好的解決了這一問題.

        巖石力學背包實驗室圍繞巖石單軸和三軸抗壓強度這兩個重要參數(shù),設計了單軸試驗儀、三軸試驗儀和點荷載試驗儀(巖石點荷載強度可轉化為巖石單軸抗壓強度)3個模塊,先后進行了四代的產品迭代,從一、二代的原理驗證機到三代的模塊化試驗系統(tǒng),再到四代的可實現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)自動采集和無線網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室.以下介紹數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室各系統(tǒng)模塊的研發(fā)歷程.

        2.1 關于點荷載儀的研發(fā)

        點荷載試驗作為間接推算巖石單軸抗壓強度的方法,有其重要的實際意義和工程應用價值.點荷載儀受自身重量和加載方式(手搖式油壓泵)的制約,使得便攜性和試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差.伍法權教授團隊[10]基于上述問題對已有的點荷載儀資料進行整理,并根據(jù)點荷載的應用場景進行研發(fā).在2019年研發(fā)出了第一代便攜式手搖點荷載儀,儀器使用齒輪減速機,實現(xiàn)了點荷載儀的小型化和相對均勻的連續(xù)加載.在第一代便攜式手搖點荷載的基礎上,以面向野外試驗為目的進行研發(fā)和改進,張慶同[11]研發(fā)出第二代液壓式點荷載儀.該型點荷載儀體積小,重量輕,使用手動油壓泵進行加載,加載過程不連續(xù),第一代和第二代點荷載儀均為獨立體系.隨著研究的深入和設計理念的轉變,為更好的服務于工程,高效利用儀器各零部件,提出以通用基礎框架為基礎,各功能模塊相互替換的模塊化背包實驗室[12].第三代點荷載儀為可替換的點荷載試驗模塊,仍然使用手動油壓泵進行加載,加載過程不連續(xù).第四代點荷載儀仍基于模塊化設計理念,并成功研發(fā)出小型電液伺服加載系統(tǒng),首次完成電伺服點荷載試驗儀的研發(fā)[13].

        2.2 關于單軸試驗儀的研發(fā)

        巖石單軸抗壓強度是衡量巖體力學性質的基本參數(shù),是巖體破壞判斷的重要依據(jù),同時也能夠為工程設計和巖體工程分類提供重要的數(shù)據(jù).

        單軸壓縮試驗與點荷載試驗操作步驟基本相同,所以只需在點荷載儀的基礎上更換高剛性平壓頭,便可實現(xiàn)單軸試驗功能.單軸試驗儀的研發(fā)過程同點荷載儀的研發(fā)過程一致,此處不再重復概述.

        2.3 關于三軸試驗儀及三軸壓力室的研發(fā)

        巖石三軸試驗是模擬處于地層深處受復雜地應力影響的巖塊應力狀態(tài).由于試驗過程中需要施加圍壓,故三軸試驗儀系統(tǒng)龐大且復雜,不適用于巖體工程現(xiàn)場原位試驗.團隊基于上述問題利用小型液壓泵技術,研發(fā)出了第一代便攜式巖石三軸試驗儀原理機[14].該型三軸試驗儀使用手搖式液壓泵施加軸壓與圍壓,試驗過程較為繁瑣.第二代便攜式三軸儀在第一代的基礎上將圍壓艙和油壓艙的供油系統(tǒng)進行整合,提高了油壓的利用率,進一步減少了三軸儀的重量.

        第三代三軸試驗儀是基于模塊化三軸壓縮室[15-16],通過通用基礎框架和三軸壓力室的模塊化組裝實現(xiàn)三軸試驗,進一步將三軸儀輕便化.第四代三軸試驗儀是在第三代的基礎上,配合研發(fā)的多油路伺服加載系統(tǒng),實現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集.

        3 數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室優(yōu)勢體現(xiàn)

        3.1 試驗過程高度整合、數(shù)據(jù)全面

        數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室試驗流程主要包括巖芯鉆取、試樣切磨、巖石力學試驗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸、后臺運算,可以提供全流程技術支持,試驗流程如圖1所示.

        圖1 數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室試驗流程

        數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室集點荷載試驗儀、單軸試驗儀、三軸試驗儀和自研切磨樣設備為一體,能夠智能、便捷、高效地獲得巖石力學參數(shù).可大幅度提升工作效率與信息化水平,保證資料可靠性,有效降低工程安全風險,提升現(xiàn)場工作便捷化和智能化水平.

        3.2 操作過程高度簡潔、試驗數(shù)據(jù)準確可靠

        數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室設計之初便研究分析了市面上現(xiàn)有的各型巖石力學試驗設備,充分挖掘影響試驗效率的因素,設計過程中反復推敲打磨,尋找最優(yōu)操作方法.具體表現(xiàn)為:(1)第四代點荷載儀中定位短柱的設計使用,完美解決了點荷載試驗前需手動控制加壓設備進行試件預加載的問題,簡化操作步驟,提高數(shù)據(jù)準確性.(2)三軸壓力室創(chuàng)新性的設計,摒棄依靠熱縮管隔離試件與圍壓油(液壓油)的傳統(tǒng)技術.避免三軸試驗設備每次試驗時要經歷加油排油的繁瑣過程,三軸試驗過程中不再接觸液壓油.巖石試件裝樣和卸樣可在50 s內完成,節(jié)省工作時間.

        通過試驗檢驗能否符合力學的傳遞性質是對三軸壓力室創(chuàng)新設計的重點,這是對三軸壓力倉式功能性評價的依據(jù).

        采用美國MTS公司生產的MTS815型巖石力學電液伺服試驗機試驗對比驗證便攜式三軸壓力倉的可行性.通過一組(2個)直徑50 mm的粉砂巖在MTS815上的三軸壓縮試驗.按照國際巖石力學學會的單軸抗壓強度試驗建議,采用的加載方式為位移控制法,圍壓條件為3.8 MPa,軸向均使用MTS位移控制加載,加載速度為0.001 mm/s,對比結果如圖2所示,試驗數(shù)據(jù)證明自制三軸壓力倉可靠.

        圖2 MTS巖石力學試驗機與自制三軸壓力艙室應力-應變曲線對比

        3.3 設備小巧,經濟價值高

        數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室放眼行業(yè)未來發(fā)展,主張便攜化和智能化的創(chuàng)新理念,設計考慮尺寸效應對巖石力學性質的影響,實現(xiàn)巖石力學試驗設備的小巧便攜與智能化,將傳統(tǒng)重達噸級的巖石力學室內大型試驗設備精簡到約100千克.

        同時背包實驗室整合現(xiàn)場與室內工作,減少90%的試驗工作量,成本節(jié)省70%以上,試驗時間節(jié)省80%以上,具體如表2所列.

        表2 便攜式三軸壓縮試驗儀對比電液伺服試驗機

        4 背包實驗室應用實例

        便攜式背包實驗室現(xiàn)場測試儀器采用小尺寸巖石樣本.基于研究巖石尺寸效應對樣本強度的影響可以預測標準試件巖石單軸抗壓強度.利用回彈值參考系和強度轉換公式,點荷載巖石強度指數(shù)可以在現(xiàn)場快速估算巖石強度.具有較高的精準度,為工程提供技術參數(shù)[17-18].

        4.1 千枚巖點荷載試驗

        第四代點荷載試驗儀(如圖3所示)主要包括:通用基礎框架、可拆卸式點荷載壓頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電液伺服加載系統(tǒng).

        圖3 點荷載試驗儀

        試驗材料為千枚巖,選取不規(guī)則的巖石試樣與巖芯鉆機鉆取直徑為50 mm的圓柱形試樣作為對比.圓柱樣試件的加載方向將沿著垂直于層理方向進行試驗.總共分為兩種類型,分別是方塊體與不規(guī)則試樣加載以及圓柱試樣軸向加載.

        進行點荷載試驗時將千枚巖試樣放置于上、下兩個球狀圓錐加載頭之間,調試儀器,設置加載速率等參數(shù),啟動加壓,等待試件破壞完成試驗.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時監(jiān)測壓力與位移的曲線數(shù)值.得到巖石的點荷載強度,再通過經驗公式預測巖石的單軸抗壓強度值.圖4為試驗測得兩組試樣點荷載強度統(tǒng)計值.

        圖4 千枚巖點荷載強度頻率統(tǒng)計圖

        對千枚巖點荷載強度數(shù)據(jù)進行分析,兩組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布,能較好的反映兩種加載方式下的點荷載強度值.不規(guī)則試樣軸向加載方式獲取的點荷載強度均值為4.76 MPa,圓柱試樣軸向加載方式獲取的點荷載強度均值為3.08 MPa.

        4.2 粉砂巖單軸和三軸壓縮試驗

        第四代三軸試驗儀(如圖5所示)主要包括:通用基礎框架、三軸壓力室、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電液伺服加載系統(tǒng),試驗時不施加圍壓即為單軸壓縮試驗.試驗需使用直徑為20~50 mm的圓柱形試樣,可以通過配套的便攜式巖芯鉆機和切磨儀現(xiàn)場制備.

        圖5 三軸壓縮試驗儀

        試驗材料為粉砂巖,為了獲取直徑20~50 mm之間的粉砂巖單軸和三軸尺寸效應規(guī)律,為此設計研發(fā)了一套小尺寸試樣三軸壓力室共有4種尺寸,尺寸包括20 mm×40 mm、30 mm×60 mm、40 mm×80 mm和50 mm×100 mm.

        試驗操作時,先將下壓頭插入壓力室下底孔,巖石試樣通過壓力室上底孔插入試驗艙,再將上壓頭插入壓力室上底孔.將千斤頂放置于下部框架中,托舉整個壓力室放置于上部框架中,調節(jié)活塞柱與下壓頭同軸.固定好儀器后輸入尺寸參數(shù)和圍壓預設值(每種直徑分別進行了0.0、3.8 MPa兩種不同圍壓的三軸壓縮試驗)以及加載速率后開始試驗.在數(shù)據(jù)采集盒中可以實時讀取壓力與位移的曲線關系,當試驗完成后,取出破壞試樣,記錄數(shù)據(jù).

        不同尺寸、不同圍壓的粉砂巖試樣三軸強度尺寸效應如圖6所示.可以發(fā)現(xiàn)即使在不同的圍壓情況下,粉砂巖試件的三軸抗壓強度都隨著試件尺寸的增大而增加.兩種圍壓的對比情況顯示直徑20 mm的試件強度變化最大.直徑在20~30 mm和40~50 mm范圍內圍壓一定時,強度變化趨于穩(wěn)定.試件的直徑在30~40 mm的范圍之間三軸強度變化最大.

        圖6 粉砂巖試件抗壓強度尺寸效應曲線

        5 結論與展望

        自主設計研發(fā)的數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室,尚存在許多問題,還需要進一步完善:(1)雖然數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室通過前期工作已經完成了可靠的驗證,儀器的質量檢測和力學參數(shù)標定,但是在使用過程中還存在一些問題,例如各個模塊之間的切換是否足夠簡便,還需要大量的試驗驗證和優(yōu)化.數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室在能夠實現(xiàn)各個功能的前提下繼續(xù)進行結構優(yōu)化,使之能夠更輕便,操作更便捷.(2)目前數(shù)智物聯(lián)巖石力學背包實驗室受到材料與設計結構的限制只能施加不大于4 MPa的圍壓.下一步嘗試使用承壓能力更強的材料來對結構進行優(yōu)化,使之能夠承受更高圍壓的三軸試驗.(3)小尺寸巖石試樣的單軸壓壓縮試驗數(shù)據(jù)支撐不足,小尺寸范圍內的單軸抗壓強度和三軸抗壓強度尺寸效應規(guī)律研究不夠充分.

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