TA的每日心情 | 開心
2024-10-31 15:20 |
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簽到天數(shù): 50 天 [LV.5]常住居民I
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1.定義與核心目的
??定義：??巖石三軸試驗機是一種專門設計用于在??三個相互垂直的方向上對巖石試樣施加可控應力??的高精度、高壓試驗設備。它能夠模擬巖石在地下深處所承受的復雜應力狀態(tài)（圍壓和軸向應力）。
??核心目的：??測定巖石在模擬地下真實應力環(huán)境下的力學性質(zhì)和行為，包括但不限于：
強度特性：峰值強度（單軸抗壓強度、三軸抗壓強度）、殘余強度。
變形特性：彈性模量（楊氏模量）、泊松比、體積模量、剪切模量。
破壞準則：莫爾-庫侖準則、霍克-布朗準則等參數(shù)（粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ）。
應力-應變關(guān)系：全應力-應變曲線（峰前和峰后行為）。
滲透性：在應力作用下巖石滲透率的變化（需要特殊配置）。
流固耦合：模擬孔隙水壓力對巖石力學性質(zhì)的影響（需要特殊配置）。
蠕變特性：巖石在長期恒定應力下的變形行為。
松弛特性：巖石在恒定應變下的應力衰減行為。
疲勞特性：巖石在循環(huán)荷載下的行為。
2.核心工作原理
巖石三軸試驗機的核心在于對圓柱形巖石試樣施加??圍壓??和??軸向應力??：
??試樣準備：??將巖石加工成標準圓柱體（常見尺寸如：直徑50mm，高度100mm；或直徑25mm，高度50mm）。
??試樣封裝：??將試樣放入??壓力室??內(nèi)。試樣通常被包裹在??熱縮管??或??橡膠套??中，有時還需要安裝??孔隙水壓傳感器??和??軸向/徑向變形傳感器（如LVDT或應變片）??。
??壓力室密封：??密封壓力室，并向室內(nèi)注入??圍壓介質(zhì)??（通常是液壓油、水或氣體）。
??施加圍壓：??通過獨立的??圍壓伺服控制系統(tǒng)??，向壓力室內(nèi)的介質(zhì)加壓，使試樣在??徑向??（即垂直于試樣軸線的平面內(nèi)）受到均勻的靜水壓力（σ?=σ?）。這是模擬巖石在地下受到的水平地應力。
??施加軸向應力：??在保持圍壓（σ?）恒定的情況下，通過??軸向加載系統(tǒng)??（通常是液壓作動缸）對試樣施加??軸向應力（σ?）??。軸向應力持續(xù)增加，直到試樣發(fā)生破壞。軸向應力模擬巖石在地下受到的垂直地應力。
??數(shù)據(jù)采集：??在整個試驗過程中，高精度傳感器實時測量：
??軸向力：??由安裝在作動缸或壓力室外的力傳感器測量。
??軸向變形：??由軸向位移傳感器（LVDT）或直接貼在試樣上的應變片測量。
??徑向變形：??由徑向位移傳感器（LVDT）或應變片測量（測量難度較大）。
??圍壓：??由圍壓傳感器測量。
??孔隙水壓：??由孔隙水壓傳感器測量（如果進行飽和試樣或流固耦合試驗）。
??控制模式：??試驗可以在??軸向位移控制??或??軸向應力控制??模式下進行。位移控制更常用，尤其是在研究峰后行為時。
??試驗類型：??通過控制圍壓和軸向應力的加載路徑，可以進行多種試驗：
??常規(guī)三軸壓縮試驗：??保持圍壓σ?恒定，單調(diào)增加軸向應力σ?直至破壞（最常見）。
??真三軸試驗：??對三個主應力方向（σ?,σ?,σ?）獨立施加不同的應力（需要更復雜的真三軸試驗機）。
??孔隙水壓試驗：??在施加圍壓和軸壓的同時，控制試樣內(nèi)部的孔隙水壓。
??滲透試驗：??在應力狀態(tài)下測量流體通過巖石試樣的滲透率。
??蠕變/松弛試驗：??長時間保持恒定應力/應變。
??循環(huán)加載試驗：??模擬地震或循環(huán)荷載作用。
3.巖石三軸試驗機主要組成部分
??主機框架：??提供剛性和穩(wěn)定性，承受高壓和高載荷。通常為堅固的四立柱或框架式結(jié)構(gòu)。
??壓力室：??核心部件，是一個能夠承受高壓的密封容器。內(nèi)部放置試樣，容納圍壓介質(zhì)。通常由高強度合金鋼制成，帶有觀察窗（可選）、傳感器接口和管路接口。
??軸向加載系統(tǒng)：??
??軸向作動缸：??液壓或電動伺服作動缸，提供精確可控的軸向載荷和位移。
??力傳感器：??高精度測量軸向載荷。
??軸向位移傳感器：??測量作動缸活塞位移或試樣軸向變形。
??圍壓伺服控制系統(tǒng)：??
??圍壓泵/增壓器：??產(chǎn)生并精確控制壓力室內(nèi)的圍壓（液壓油或水）。
??圍壓傳感器：??精確測量圍壓值。
??伺服閥/比例閥：??精確調(diào)節(jié)圍壓介質(zhì)的壓力和流量。
??孔隙水壓控制系統(tǒng)(可選但重要)：??
??孔隙水泵/增壓器：??產(chǎn)生并控制試樣內(nèi)部的孔隙水壓。
??孔隙水壓傳感器：??精確測量孔隙水壓。
??體積變化測量裝置：??測量進出試樣的流體體積變化（用于計算滲透率或變形）。
??變形測量系統(tǒng)：??
??軸向變形測量：??外部LVDT（測量作動缸位移，包含系統(tǒng)變形）或內(nèi)部LVDT/應變片（直接測量試樣變形，更準確）。
??徑向變形測量：??徑向LVDT、應變片或體積應變法（通過測量排出/吸入的圍壓介質(zhì)體積間接計算）。
??數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)：??
??控制器：??接收傳感器信號，執(zhí)行控制算法（PID等），輸出指令控制作動缸和圍壓/孔隙水壓系統(tǒng)。
??數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：??高速、高精度采集所有傳感器信號。
??計算機與專業(yè)軟件：??設定試驗參數(shù)（應力路徑、速率等）、實時顯示曲線（應力-應變、力-位移、體積變化等）、控制試驗過程、采集存儲數(shù)據(jù)、分析結(jié)果（計算模量、強度、繪制莫爾圓等）、生成報告。
??安全保護系統(tǒng)：??超壓保護、超載保護、行程限位、緊急停止按鈕等，確保設備和人員安全。
??輔助設備：??
??試樣制備工具：??鉆取、切割、打磨巖石試樣的設備。
??飽和裝置：??用于飽和巖石試樣（如真空飽和裝置）。
??溫度控制系統(tǒng)(可選)：??用于進行高溫/低溫下的巖石力學試驗。
4.主要功能特點
??模擬真實應力狀態(tài)：??核心優(yōu)勢，能再現(xiàn)巖石在地下承受的三維應力環(huán)境。
??高壓力/高載荷能力：??能產(chǎn)生極高的圍壓（可達數(shù)百兆帕）和軸向載荷（可達數(shù)千千牛）。
??高精度控制與測量：??對圍壓、軸壓、孔隙水壓、位移/應變進行精確的閉環(huán)伺服控制和測量。
??多功能性：??可進行多種類型的試驗（常規(guī)三軸、孔隙水壓、滲透、蠕變、循環(huán)等）。
??獲取關(guān)鍵力學參數(shù)：??直接測定巖石的強度、變形模量、破壞準則參數(shù)等。
??研究峰后行為：??在位移控制模式下，可以研究巖石破壞后的應力跌落和殘余強度特性。
??流固耦合研究：??通過孔隙水壓控制，研究流體壓力對巖石強度和變形的影響，以及巖石滲透性的應力依賴性。
??高溫/低溫試驗能力(可選)：??擴展研究溫度效應。
5.主要應用領域
??巖石力學基礎研究：??研究巖石的強度理論、本構(gòu)關(guān)系、破壞機理。
??巖土工程：??評估地基、邊坡、隧道、地下洞室圍巖的穩(wěn)定性；設計支護結(jié)構(gòu)。
??采礦工程：??設計礦柱、評估采場穩(wěn)定性、研究巖爆機理。
??石油與天然氣工程：??
評估儲層巖石力學性質(zhì)（用于水力壓裂設計、出砂預測、儲層壓實研究）。
研究蓋層完整性。
測定地應力。
??地質(zhì)工程：??研究斷層活動、地震機理。
??地熱能開發(fā)：??評估儲層巖石在高溫下的力學和滲透特性。
??核廢料地質(zhì)處置：??研究處置庫圍巖的長期力學行為和滲透性。
??高校與科研院所：??教學實驗與科學研究。
6.選型考慮因素
??最大軸向載荷：??根據(jù)測試巖石的預期強度和試樣尺寸確定。
??最大圍壓：??根據(jù)研究深度（模擬的地應力水平）確定。
??壓力室尺寸：??決定可容納試樣的最大直徑和高度。
??孔隙水壓能力：??是否需要，以及所需的最大壓力和精度。
??滲透性測量能力：??是否需要集成滲透率測量功能。
??變形測量精度與方式：??對軸向和徑向變形的測量精度要求（內(nèi)部還是外部測量）。
??溫度控制范圍(可選)：??所需的高溫/低溫范圍。
??控制模式與精度：??應力控制、應變控制精度，以及多通道協(xié)調(diào)控制能力（軸壓、圍壓、孔壓）。
??數(shù)據(jù)采集速率與精度：??對于動態(tài)試驗或峰后行為研究很重要。
??軟件功能：??試驗控制、數(shù)據(jù)分析（特別是破壞準則擬合）、報告生成能力，是否符描述合相關(guān)標準。
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