多功能巖石力學實驗系統(tǒng)研制及教學應用探討

張曉君

山東理工大學資源與環(huán)境工程學院 山東淄博 255049

多功能巖石力學實驗系統(tǒng)研制及教學應用探討

張曉君

山東理工大學資源與環(huán)境工程學院 山東淄博 255049

針對巖石力學實驗教學中壓縮實驗項目較為單一的問題，研制了多功能巖石力學實驗系統(tǒng)，探討了其在巖石力學壓縮實驗項目教學中的功能應用。結(jié)果表明，研制的實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)對圍巖或巖石破裂演化的單軸壓縮、雙軸壓縮、真三軸加載、真三軸加載后單面卸載、真三軸加載后多面卸載等實驗項目，這對于采礦工程和土木工程專業(yè)實驗教學和教師科研都是非常有意義的。

巖石力學；實驗系統(tǒng)研制；雙軸壓縮；實驗教學

在采礦工程、土木工程、地下空間工程等專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系中，巖石力學是重要的基礎課程，在課程教學、學生室內(nèi)實驗以及教師科研中，均會涉及巖石力學實驗[1-3]，在實驗教學中巖石單軸壓縮實驗是必做實驗項目，但很少涉及雙軸壓縮、三軸壓縮等實驗項目，甚至沒有相關演示項目。

本校實驗室現(xiàn)有電腦程控的電液伺服巖石剛性試驗機(YAW-2000)，可進行單軸壓縮、巴西劈裂、抗剪強度等實驗，可分別采用力和位移控制方式，加載速率可任意調(diào)整，可獲得巖石全應力應變曲線，實驗室同時擁有電液伺服巖石剛性試驗機(DW-2000)，該壓力機可實現(xiàn)位移和壓力雙重控制，可逐級單軸施加壓力載荷并可隨時卸載，加載速率最低達到0.1 mm/s?，F(xiàn)有試驗機均只能完成單軸壓縮相關實驗項目，對于多軸壓縮和卸載尚不能滿足。

對圍巖或巖石的物理力學特性及破裂演化機理的學習、研究及室內(nèi)試驗的測試與分析，依靠比較單一的單軸壓縮實驗不能很好地揭示其物理力學特性、破裂演化機理，也不符合工程實際情況，需研制更為符合工程實際和滿足實驗教學的多功能巖石力學實驗系統(tǒng)。

因此本文就上述不利于實驗教學和科研的問題，研制了多功能巖石力學實驗系統(tǒng)并探討了其在巖石力學壓縮實驗項目中的功能應用問題，這對于采礦工程、土木工程、地下空間工程等專業(yè)的實驗教學和教師科研都是非常有意義的。

1 多功能巖石力學實驗系統(tǒng)研制

為了實現(xiàn)多軸加載和功能多樣化，首先研制了雙軸加載系統(tǒng)(如圖1所示)，該加載系統(tǒng)由3個油缸構(gòu)成，每個油缸最大載荷500 KN，配套伺服控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)定載荷、逐級加載和卸載，加工配套的支撐反力架和適合視頻采集的觀察口，為了實現(xiàn)對巖石試樣的加載，加工了配套的加載墊板，該雙軸加載系統(tǒng)可實現(xiàn)對巖石試樣水平兩個方向的加載和卸載。

在雙軸加載系統(tǒng)的基礎上結(jié)合實驗室已有的電液伺服巖石剛性試驗機(DW-2000)，實現(xiàn)對巖石試樣在垂直方向的加載和卸載，配套相應小車便于雙軸加載系統(tǒng)的搬運安裝， 通過對兩大儀器系統(tǒng)組合后的調(diào)試安裝，研究和設計開發(fā)出了可實現(xiàn)對巖石試樣六面加載并可實現(xiàn)單面或多面卸載的多功能巖石力學實驗系統(tǒng)，配上數(shù)碼攝像機，通過觀察口，可實現(xiàn)對巖石試樣受載全過程的視頻圖像采集功能，配上非金屬聲波檢測系統(tǒng)或聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對試樣加卸載全過程的聲波、聲發(fā)射監(jiān)測，配上錨桿無損檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對硬巖錨固試樣加卸載全過程的錨固質(zhì)量及破裂演化監(jiān)測等。

圖1 多功能巖石力學實驗系統(tǒng)

2 實驗系統(tǒng)在巖石力學壓縮實驗項目教學中的應用探討

加工100 mm×100 mm×95 mm的長方體花崗巖試樣(如圖2所示)，在多功能巖石力學實驗系統(tǒng)上開展了單面約束情況下的雙軸壓縮試驗，X水平向施加10 MPa載荷，Y水平向單面(一側(cè))約束，單面自由，垂直向逐級施加壓力載荷直到試樣破壞，由試驗得到的破壞形式、現(xiàn)象與已發(fā)生的山東玲瓏金礦巷道巖爆、錦屏水電站隧洞巖爆等一系列巖爆現(xiàn)象是一致的，說明本系統(tǒng)是可靠的和滿足要求的，這也是傳統(tǒng)儀器難以達到的效果。

圖2 花崗巖試樣

根據(jù)實驗目的不同，該多功能巖石力學實驗系統(tǒng)還可進行如下實驗。

(1)不使用雙軸加載系統(tǒng)，開展硬巖或相似材料模擬試樣的單軸壓縮相關實驗。

(2)固定水平向加載載荷，逐級施加垂直向載荷直至試樣破壞，開展巖石真三軸加載破壞實驗。

(3)固定水平向加載載荷，逐級施加垂直向載荷到一定值，然后卸載水平向某一或兩個面的載荷，開展真三軸加卸載實驗。

(4)施加一個水平向加載載荷，逐級施加垂直向載荷直至試樣破壞，開展雙軸加載破壞實驗。

(5)粘貼應變片、配套攝像機、非金屬聲波檢測系統(tǒng)、錨桿無損檢測系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)等，可實現(xiàn)對巖石試樣破裂演化的監(jiān)測實驗。

以上所列實驗項目只是一部分，通過該系統(tǒng)還可以針對教學目的不同進一步開發(fā)相關實驗項目用于有關專業(yè)的實驗教學中，該系統(tǒng)的實現(xiàn)將極大提高現(xiàn)有教育裝備的水平，也更有利于豐富學生實驗項目和教師科研，利用該系統(tǒng)可方便實現(xiàn)對圍巖或巖石破裂演化機理的研究，得出更為符合實際的結(jié)果，這將深化學生對圍巖或巖石的破裂演化機理的學習，加深其對巖石力學理論知識的理解，開闊其視野，也為教師提供了針對該領域探索研究的新實驗系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

針對巖石力學實驗教學中壓縮實驗項目較為單一的問題，研制了多功能巖石力學實驗系統(tǒng)，探討了其在巖石力學壓縮實驗項目教學中的功能應用，結(jié)果表明，研制的實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)對圍巖或巖石破裂演化的單軸壓縮、雙軸壓縮、真三軸加載、真三軸加載后單面卸載、真三軸加載后多面卸載實驗項目，這對于采礦工程、土木工程和地下空間工程等專業(yè)實驗教學和教師科研都是非常有意義的。

[1]王述紅,劉婉婷,趙文.基于BIM技術(shù)的巖石力學實驗教學課程改革研究[J].高等建筑教育,2016,25(4):137-141.

[2]張艷麗.“巖石力學”實驗教學改革的探討[J].黑龍江科技信息,2016(31):48.

[3]陳建峰,陳寶成,石振明.巖石力學數(shù)字實驗教學平臺建設[J].實驗室研究與探索,2015,34(6):120-123.

Development of Multifunctional Rock Mechanics Experiment System and its Teaching Application

Zhang Xiaojun
School of Resources and Environment, Shandong University of Technology, Zibo, 255049, China

In view of the existing problems of rock mechanics compression experiment in the experiment teaching, multifunctional rock mechanics experiment system is developed and the application of the compression experiment function are discussed.Results show that the developed system can be realized on the fracture evolution of surrounding rock or rock under uniaxial compression, biaxial compression,three - axis loading, the single - axle unloading after the true three - axis loading, and the multi - axis unloading after the true three - axis loading, it is very meaningful for the experiment teaching of mining engineering and civil engineering and scienti fi c research of the teacher.

rock mechanics; development of experimental system; biaxial compression; experiment teaching

張曉君，博士，副教授。

山東理工大學實驗教學卓越計劃項目(編號：2015)。