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岩 土 力 学 Rock and So il M echanics 第 21 卷 第 3 期 2000 年 9 月 Vol. 21 No. 3 S ept . 2000 文章编号: 1000-7598-( 2000) 03-0289-05 适用于岩石力学细观实验研究的加载仪 葛修润, 李廷芥, 张梅英, 刘继光 ( 中国科学院 武汉岩土力学研究所, 湖北 武汉 430071) 摘要 : 根据岩石工程力学性质研究的需要, 研制了岩石 细观力 学加载 仪( YXJY- 5T ) 。 该仪器设 备配装 在光学 体视显 微 镜下 , 可以观察岩样在加载过程中, 四个平面( 岩石试样为长方形柱 体) 变形破坏的全 过程, 并 获得岩样 的应力- 应变曲 线 和相对应的细观结构变化的图像。 关 键 词: 岩石 ; 细观试验加载仪 ; 细观结构 ; 加载过程 ; 变 形破坏 中图分类号: T U 502+ . 1 文献标识码: B 作 者 简 介: 葛修润, 男, 1934 年出生, 中国工程院院士, 研究员, 博导, 主要从事岩石 力学与工程数值方法研究。 Loading apparatus for the meso-mechanical experiment rock GE X iu- run, LI T i ng-ji e, ZH A NG Mei-y ing , L I U Ji-guang ( Institute of Rock and Soil M echanics, the Chinese Academy of Sciences, W uhan 430071, China) Abstract: According to the requirement of studying for engineering mechanical properties of rock material, a loading apparatus for mesomechanical experiment of rocks has been developed. T he appratus can be used as an additional instrument for optical solid microscope, and w ith the microscope, the complete failure progress of the four faces of rock samples ( rectangular in shape) under loading can be observed. In this way, the stress- strain curve and the related graphic of the changing microstructure of rock smaples can also be attained. Key Words: rock ; loading apparatus for t he meso- mechanics ; microstructure ; loading pregress ; deformation failure 如果配装摄像仪, 还可获得变形全过程的录像; 接连计 1 前 言 由于科学技术的发展, 促使各门学科的研究更加 算机, 可自动采集各种应力- 应变的数值及图形。 2 仪器设备的结构和工作原理 深入和开拓, 岩石力学学科也不例外。随着国民经济 岩石细观力学加载仪由加载平台、标准液压源、 载 和工程建设的迅猛发展, 对岩石力学学科提出更为广 荷测量显示系统和压头位移测量显示系统四大部分组 泛和深入的课题。 目前的宏观实验研究远不能解决岩石工程力学中 成, 见图 1, 2。 的问题, 许多学者开始重视岩石力学的细观行为, 共同 认识到宏观的变形破坏为细观变形的积累扩展而成, 掌握细观变形破坏的规律, 可以为岩石工程中出现的 ( 1) 加载平台 加载平台由压头( 1- 1) 、油缸旋转支架( 1- 2) 、 可移 动水平底座( 1- 3) 、测量百分尺尺头( 1- 4) ( 1- 5) 等组成 问题给予更科学的解释并加以解决。不少研究者开始 ( 见图 3) 。压头与油缸的活塞相连接, 油缸活塞上所 受的压力传递到压头上, 使岩样受压, 油缸内压力缓慢 引用先进的仪器设备, 如: 扫描电子显微镜、计算机断 增加, 岩样所受的载荷也随之增加。 层扫描仪( 简称 CT 仪) 等, 进行在加载条件下观察分 析岩石变形破坏的全过程。由于上述仪器为大型精密 压头 安 装 在 可 旋 转 的 支 架 上, 拔 开 空 位 插 销 仪器, 对实验的条件和试样的要求较为严格和苛刻, 试 ( 1- 6) , 借助手柄( 1- 7) , 可移动支架到四个固定的观察 位置, 使岩样四个平面均可被观察。转动和移动过程 验时须受到加载方式、荷载大小, 试件尺寸、干燥试样 等方面的限制, 因此, 我们考虑到岩石的一些特性和工 不影响加载过程。 程建设中的具体要求, 设计和研制了适用于岩石细观 力学实验研究的加载仪。该仪器配装在光学体视镜下 ( 或图像计算机等) , 可以观察在加载过程中岩样四个 平面( 试样为长方柱体) 及每个点的变形破坏形貌, 并 得到应力- 应变曲线和相对应的裂纹开裂和发展图像。 旋转支架安装在可水平移动的底座上, 使旋转支 架可以沿 X 、Y 轴的方向移动, 其移动位置可以用 X 、 Y 轴方向的两个百分尺来测量。 ( 2) 标准液压源 收稿日期: 1999-03-26。 290 Fig. 1 岩 土 力 学 图1 岩石细观力学加载仪 2000 年 Loading apparatus f or the meso- mechanical experiment of rock 图 2 岩石细观力学加载仪 结构图 Fig. 2 Structure of loading apparatus 选用 CYL- 600 型两用校验器作标准液压源。其 压力范围为 0- 60 M Pa。 ( 3) 载荷测量显示系统 该系 统 由 CYG1115- 40B 压 力 变 送 器 ( 3- 1 ) 与 XMT 5000 智能型 数字显示仪 ( 3- 2) 组成。CYG1115- 器是 L VDT 形 式 的 传 感 器, 线 性 测 量 范 围 为 0 ~ 5 mm , 精度不低于 0. 5% F S。数字仪上的数字是压头 位移值, 示值单位为微米( 0. 001 mm) 。 3 加载仪性能的检测标定 40B 压力变送器是由半导体单晶硅片做成的压力传感 器与相应的电路组成, 测量范围为 0- 40 MPa, 输出信 首先对加载仪进行空载试验( 不加试样) , 以检查 号 4- 20 mA, 精度不低于0. 5% FS。数字仪上显示的 仪器各部件动作的稳定性, 证实其重现性能较好, 载荷 数字是压头上的荷载值, 荷载单位为 kN。 及位移恢复/ 零点0性能好, 后面对以下各项进行标定。 ( 4) 压头位移测量显示系统 该系统由 WY- 5L 位移传感器( 4- 1) 和 RO- 2D( 带 1 4 位数显) 位移变送器( 4- 2) 组成。WY- 5L 位移传感 2 ( 1) 压力系统检测标定 ¹ 加工标准钢块试件, 尺寸为 15 mm @ 15 mm @ 45 mm, 试件两侧粘贴应变片( DB120- 5AA250 型号) , 第3期 葛修润等: 适用于岩石力学细观实验研究的加 载仪 291 图 3 岩石细观力学加载仪测试 原理方框图 Fig. 3 Basic program of testing about loading apparatus 表 1 压力、位移、 应变三项稳 定性标定 Table 1 Standardization of compressure、 displacement、strain stability 用 YJ- X4 型静态电阻应变仪测量应变值, 在英国制造 的 100 kN 高压三轴仪上进行单轴压缩试验, 根据测量 的应力- 应变曲线, 得到线性回归系数 B = 239, 相关 加载、卸载 P kN S Lm LE @ 106 保持时间 min 补压 1 5. 0 4. 9 5. 0 0 26 26 26 0 100 99 99 2 补压 10. 0 9. 9 10. 0 44 43 44 218 217 219 2 补压 15. 0 14. 7 15. 0 2 补压 20. 0 19. 6 20. 0 58 58 71 71 71 335 334 335~ 336 454 452 454 2 补压 25. 0 24. 4 25. 0 82 82 82 573 569 573 2 补压 30. 0 29. 1 30. 0 92 92 92 691 685 691 2 ( 3) 对压力、 位移、应变三项稳定性检测标定 对压力、位移、应变三 项稳定性检测标定同时进 补压 35. 0 33. 9 35. 0 102 102 102 810 803 810 2 行, 仍采用标准钢块, 作卸压和补压实验。压力升至一 补压 40. 0 39. 2 40. 0 112 113 112 927 923 927 2 补压 45. 0 44. 5 45. 0 121 122 122 1042 1040 1042 2 卸压至 加压至 卸压至 加压至 11. 8 45. 0 10. 7 45. 0 52 121 49 122 273 1045 247 1045 系数 r = 0. 999 942。 º 将上述钢块试件, 置于岩石细观力学加载仪上 进行 单轴 压缩 试验, 测 试应力- 应 变曲 线, 检测 标定 CYG1115- 40B 压力变送器和 XMT 5000 智能型数字显 示仪, 得到线性回归系数 B = 241. 22, 相关系数 r = 0. 999 979, 与前一试验结果基本吻合。 » 压力稳定性检测, 从 0- 48 kN 分级加载, 每级 保持 1- 3 min, 其压力值随时间延 长虽然稍有降低, 但位移值在 3 分钟内保持不变, 进行补压至原来的压 力值, 其位移值仍不变。标准液压源校验器的性能, 在 每一级荷载停留一分钟, 其压力下降值不得超过该荷 载的 1% 。我们的检测在该范围内。 ( 2) 位移变送器的检测标定 用标准规块 500- 5 000 Lm 分别标定检测, 其压 头位移数字显示的精度不低于 0. 5% FS。 定值, 保持 2 min, 稍有下降, 进行补压, 其位移值基本 不变, 卸压至低值后再加至原来的压力值, 仍恢复到原 来的位移数值。祥见表 1 和图 4, 5。图 5 中 A 为常 数; B, C 同上。 ( 4) 对花岗岩和大理岩试样进行单轴压缩实验 58 岩 292 土 力 学 2000 年 图 7 花岗岩( 10 mm@ 10 mm@ 30 mm) 应力- 应变 曲线( 试样突破碎) Fig. 7 Stress- strain curve of granite samples( 10 mm@ 10 mm@ 30 mm) 图 4 压力- 位移曲线( 钢试 件) Fig. 4 Compressure- displacement curve 图8 花岗岩( 15 mm@ 15 mm@ 45 mm 中间小孔 <4 mm) 应力- 应变曲线( 试 样破裂, 图 9) Fig. 8 Stress- strain curve of granite samples ( 15 mm@ 15 mm@ 45 mm, with a < 4 mm centred hole) 图 5 压力- 应变标定曲线( 钢 试件) Fig. 5 Compressure- stain calibrating curve 这两种岩石制备的岩样, 尺寸为 15 mm @ 15 mm @ 45 mm, 10 mm @ 10 mm @ 30 mm, 并 分 别 在 七 块 15 mm @ 15 mm @ 45 m m 的试样中间穿通直径为 4 mm 小圆孔, 进行单块岩样单轴压缩实验, 在光学体视显微 镜下观察试样在加载过程中岩样细观结构的变形破坏 全过程, 得到了各岩样的应力- 应变曲线及相对应的细观 结构( 裂纹产生、 扩展延伸过程) 的照片, 见图 6~ 10。试 图 9 花岗岩( 15 mm@ 15 mm@ 45 mm 中间小孔 < 4 mm) 试样破裂全景( 裂纹在小孔两侧, 基本上平行 压力方向) Fig. 9 Whole picture of the fractured granite samples ( 15 mm@ 15 mm@ 45 mm, with a < 4 mm centred hole) 验结果表明均能满足岩石细观力学试验研究的要求。 图 6 大理岩( 15 mm@ 15 mm@ 45 mm) 应力- 应变曲线( 试样 突破碎见图 10) Fig. 6 Stress- strain curve of marble samples( 15 mm@ 15 mm@ 45 mm) 4 主要技术指标 加载仪最大加载值为 50 kN, 压头沿 X 轴方向加 压, 压头行程不小于 5 mm。 第3期 葛修润等: 适用于岩石力学细观实验研究的加 载仪 293 下, 可很直观地观察岩石在受力过程中其细( 微) 观结 构变化的状态, 并可获得应力- 应变曲线和相对应的照 片, 为研究岩石变形破坏的机理提供科学、 直观的实验 依据。 ( 2) 制备 的岩样 为长方 形, 尺寸有 10 mm @ 10 mm @ 30 mm 和 15 mm @ 15 mm @ 45 mm 二种。 ( 3) 加载平台可以旋转, 每个位置相差 90b, 可以 观察试件四个平面的细观结构, 为三维计算提供信息 依据。 ( 4) 加载平台增加 X 、Y 轴方向的移动百分微尺, 可以任意移动试件每个观察点, 并读出移动的距离数 图 10 花岗岩( 10 mm@ 10 mm@ 30 mm) 试样裂纹缝端部 Fig. 10 Crack tips in the granite samples ( 10 mm@ 10 mm@ 30 mm) 试验中, 岩样连同压头可转动四个观察位置( 每个 位置相差 90b) ; 岩样能连同压头在所需观测的范围内 沿 X 、Y 轴方向平缓地移动, 使每个观察平面上的每 一点均可被观测。 字, 为进行网格观测和连续拍照提供条件。 ( 5) 用压力变送器与智能型数字显示仪及位移变 送器和位移传感器代替了原来的压力表和百分表, 使 其测量精度增加, 并且可直接测读荷载值和位移值。 ( 6) 用标准液压源的两用校验器, 操作较轻便和 省力。 ( 7) 设备制造成本低。 加载仪精度: ¹ 平台沿 X 、Y 轴方向移动, 机械 读数精度不低于 0. 1 m m; º 加载过程中压头位移数 字显示精度不低于0. 5% FS; » 加载过 程中荷载数 字显示精度不低于0. 5% FS。 5 仪器的特点和功能 6 结 语 如果在现行的岩石细观力学加载仪上配装高分辨 的显微镜, 微机、 图像仪和安装三个方向的摄像仪等, 该仪器可成为一种具有较高自动化程度, 适用于岩石 ( 1) 岩石细观力学加载仪配装在光学体视显微镜 会 力学细( 微) 观实验研究方面的先进的实验仪器。 讯 第六次全国岩石力学与工程学术大会及 四届三次理事会将于 2000 年 10 月 24~ 27 日在武汉召开 由中国岩石力学与工程学会主办, 中国科学院武汉 岩土力学研究所、水利部长 江水利 委员会承 办的第 六次全 国岩石 力学与 工 程学术大会及四届三次理事会将于 2000 年 10 月 24~ 27 日在武汉东 湖听涛 宾馆召开, 大 会的主题 是新世 纪岩石 力学与 工程的 开 拓和发展。 大会征 文共收到论文 260 多篇, 经过论文评审委员会评审, 约有 230 篇论文 收录到 会议论 文集中。大 会将采 用青年 工作者 论 坛、 热门课题讨论等方式分组进行学术交流, 会议期间将颁发优秀论 文奖, 同 时举办会 议成果 发布与 产品介 绍会后, 组织 前往三 峡 大坝工程考察。 热情欢迎岩石力学与工程界人士及关心岩石力学与工程发展的各界人士参加本次学 术大会, 有意者请与大会秘书处联系。 大会秘书处: ( 027) 87869263 黄理兴 ( 027) 87869250 唐文生 传 真: ( 027) 87869203 ( 027) 87863386 E - mail: lx huang @ dell. w hrsm. ac. cn