真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法，属于矿业和岩土工程的试验检测监测技术领域。
【背景技术】
[0002]矿山井下存在围岩片帮、顶板冒落、突水及岩爆动力灾害等危险，其对工作人员和设备构成了直接威胁，而且影响工程进度，还能造成支护失效，甚至地震。随着开采深度的不断增加，围岩破坏频度和强度越来越高，工程灾害日益严重，安全问题亟待解决，需加强岩体工程稳定性尤其是长期稳定性的研宄。
[0003]岩石流变特性是岩石力学的一个重要分支，其中，蠕变和应力松弛为其研宄的2个重要方面，同时也是岩石流变试验中最常用的2种观测参数。工程中，岩石的蠕变和应力松弛特性直接与岩石的长期强度和岩体工程的长期稳定相关联。蠕变和应力松弛往往不是单独存在，2种流变机制共同影响着岩石的力学特性，两者之间互成联系，蠕变的发展促进了应力的松弛，应力松弛过程中应力的下降降低了蠕变发展的应力条件，从蠕变的角度对岩石流变的研宄已取得了比较丰硕的成果，相比而言，应力松弛试验要求仪器具有长时间保持应变恒定的性能，试验技术难度较大，目前这方面开展的研宄还不多，发表的研宄成果相对较少，也没有专门用于岩石应力松弛试验的试验装置尤其是真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置。在工程中，很难保证岩石仅受一个方向的载荷，因此单方向的加载很难保证试验结果真实可靠。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单、能够保持试样变形长期不变、且增压装置能够分别在三个方向进行独立加载的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，包括承载框架和设置在承载框架上的增压装置，承载框架中部安装有试样，其特征在于:所述的增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，分别独立的对试样施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷；竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别通过无线压力变送器与上位机相连接，并将压力信号实时上传至上位机；还设置有与上位机相连的超声波监测装置和摄像装置，超声波监测装置包括超声波监测探头和非金属超声波检测仪，超声波监测探头设置在加载板中部的开孔内并通过支撑在增压装置上的弹簧压紧。
[0006]优选的，所述的承载框架包括固定承载框架和部分安装在固定承载框架内的活动承载框架；所述竖向增压装置安装在固定承载框架顶部，所述水平横向增压装置安装在固定承载框架的横向两侧，所述水平纵向增压装置安装在活动承载框架的纵向两侧。
[0007]优选的，所述的固定承载框架为前后两侧开口的矩形桶；所述活动承载框架包括前后两侧的承载板和前后承载板之间的连接横梁，活动承载框架底部固定有支撑底板，活动承载框架通过支撑底板固定在固定承载框架上。
[0008]优选的，还设置有超声波监测装置，对所述试样进行超声波实时监测。
[0009]优选的，所述的竖向增压装置包括竖向液压千斤顶和手动液压泵。
[0010]优选的，所述的水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶和手动液压泵，两个水平横向液压千斤顶分别设置在所述的承载框架的左右两侧；水平横向液压千斤顶与手动液压泵--对应。
[0011]优选的，所述的水平纵向增压装置包括两个水平纵向液压千斤顶和手动液压泵，两个水平纵向液压千斤顶分别设置在所述的承载框架的前后两侧；水平纵向液压千斤顶与手动液压泵--对应。
[0012]一种利用上述真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的试验方法，其特征在于:包括如下步骤:
步骤a，放置试样在承载框架中部；
步骤b，放置加载板到试样的侧面和顶面；
步骤C，上位机和压力变送器实时通信，对试样受到的压力实时监测；
步骤d，水平横向增压装置增压至预定载荷；
步骤e，水平纵向增压装置增压至预定载荷；
步骤f，竖向增压装置增压至预定载荷；
步骤g，水平横向增压装置撤除载荷；
步骤h，预定时间内试样的位移载荷不变，检测记录全程的压力数据；
步骤i，上位机分析监测到的压力随时间的变化关系，绘制应力-时间曲线。
[0013]优选的，步骤a中所述的试样底部与承载框架之间设有垫板以调整试样的高度。
[0014]优选的，所述的水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶和手动液压泵，两个水平横向液压千斤顶分别设置在所述的承载框架的左右两侧；
步骤g中所述的撤除载荷的具体方法是撤除水平横向增压装置左侧的水平横向液压千斤顶上的载荷。
[0015]与现有技术相比，本发明的真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置及试验方法所具有的有益效果是:
1、本真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，能够分别在竖向、水平横向和水平纵向上对试样独立加卸载，还能够保持试样变形长期不变，使试验更符合现场情况，试验结果更符合实际，对工程有更好的指导意义；上位机能够通过无线压力变送器对试样受到的压力实时监测，使上位机和增压装置摆脱了距离的限制；超声波监测装置能够对试样内部进行监测，弹簧能够使探头与加载板结合紧密，监测更加准确。
[0016]2、增压装置通过液压千斤顶对试样进行加载，能够加载很大吨位，且液压千斤顶油缸的行程大，可以施加很大的位移载荷；液压千斤顶通过手动液压泵控制，控制简单。
[0017]3、本试验方法能够得到不同应力水平下典型岩石类材料试样松弛特性曲线，然后采用先进的分析方法建立岩石松弛模型，为巷(隧)道稳定及控制研宄提供理论依据；有利于深入了解长期载荷作用下岩石力学性质的衰减规律，为岩石工程的长期稳定与安全运营提供科学依据。
【附图说明】
[0018]图1为真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的结构示意图。
[0019]图2为真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的左视示意图。
[0020]图3为图2中A-A方向的剖视示意图。
[0021]图4为真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的连接图。
[0022]图5为岩石应力松弛试验方法的流程图。
[0023]图6为应力松弛曲线。
[0024]图中:1、承载框架101、固定承载框架102、活动承载框架103、支撑底板2、竖向液压千斤顶3、竖向加载板4、水平横向液压千斤顶5、水平加载板6、水平纵向液压千斤顶7、试样8、垫板9、超声波监测探头10、摄像机。
【具体实施方式】
[0025]图1~6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~6对本发明做进一步说明。
[0026]一种真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置，包括承载框架I和设置在承载框架I上的增压装置，承载框架I中部安装有试样7，增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置，分别独立的对试样7施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷；竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别通过无线压力变送器与上位机相连接，并将压力信号实时上传至上位机；还设置有与上位机相连的超声波监测装置和摄像装置，超声波监测装置包括超声波监测探头9和非金属超声波检测仪，超声波监测探头9设置在加载板中部的开孔内并通过支撑在增压装置上的弹簧压紧。增压装置能够分别在竖向、水平横向和水平纵向上对试样7独立进行加卸载，还能够保持试样7变形长期不变，使试验更符合现场情况，试验结果更符合实际，对工程有更好的指导意义；上位机能够通过无线压力变送器对试样7受到的压力实时监测，使上位机和增压装置摆脱了距离的限制；超声波监测装置能够对试样7内部进行监测，弹簧能够使探头与加载板结合紧密，监测更加准确。
[0027]具体的:如图1~3所示:该真三轴加卸载岩石应力松弛试验装置的承载框架I包括固定承载框架101和部分安装在固定承载框架101内的活动承载框架102。固定承载框架101为前后两侧敞口的矩形桶。
[0028]活动承载框架102包括前后两侧的承载板和前后承载板之间的连接横梁。连接横梁有四根，分别靠近前后承载板的四个角设置。
[0029]活动承载框架102底部设有支撑底板103，支撑底板103位于下方的两根连接横梁下方。活动承载框架102从前到后穿过固定承载框架101且活动承载框架102前后两端分别伸出，这样方便安装试样7以及对试样7进行监测。活动承载框架102通过支撑底板103固定在固定承载框架101上。
[0030]增压装置设置在承载框架I上，增压装置包括竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置。试样7安装在承载框架I中部，竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置分别独立的对试样7施加竖向、水平横向和水平纵向方向的载荷。
[0031]竖向增压装置包括竖向液压千斤顶2和手动液压泵。竖向液压千斤顶2与手动液压泵相连通，竖向液压千斤顶2通过手动液压泵控制给安装在承载框架I上的试样7加载。竖向液压千斤顶2固定在活动承载框架102的顶部中间，竖向液压千斤顶2的活塞向下运动对试样7进行加载。
[0032]水平横向增压装置包括两个水平横向液压千斤顶4和手动液压泵，水平横向液压千斤顶4与手动液压泵一一对应。两个水平横向液压千斤顶4分别安装在固定承载框架101的左右两侧中部，两个水平横向液压千斤顶4的活塞分别向固定承载框架101的中部伸出并分别对试样7的左右两侧进行加载。
[0033]水平纵向增压装置包括两个水平纵向液压千斤顶6和手动液压泵，水平纵向液压千斤顶6与手动液压泵一一对应。两个水平纵向液压千斤顶6分别安装在活动承载框架102的前后承载板中部且与水平横向液压千斤顶4位于同一水平面，两个水平纵向液压千斤顶6的活塞分别向活动承载框架102的中部伸出并分别对试样7的左右两侧进行加载。
[0034]竖向增压装置、水平横向增压装置和水平纵向增压装置的手动液压泵上分别安装有无线压力变送器，上位机上安装有压力变送信号接收器，上位机通过对手动液压泵的压力进行实时监测。
[0035]还设置有与上位机相连接的超声波监测装置，对试样7的内部进行监测。超声波监测装置包