TAW-2000岩石三轴试验机整体介绍
室内配制混凝土单轴试验全应力-应变曲线试验研究
室内配制混凝土单轴试验全应力-应变曲线试验研究潘俊涛;李争容【摘要】本文采用TAW-2000微机控制岩石伺服三轴压力试验机，对室内配制普通混凝土圆柱体试件（高径比约2：1）进行单轴受压实验。
测定了普通混凝土全应力-应变曲线。
通过对试验的研究，循环加载条件下，确实形成了一个封闭的塑性滞回环，且峰后塑性滞回环随循环的次数的增加而变小变窄；加载应力和加载段变形模量呈一定的线性关系；峰后卸载点的应力和峰值应力差越大，峰后曲线的变化越明显，变得越平缓，重新加载曲线的趋近线斜率与初始变形曲线的趋近线斜率相差越大。
%This paper uses TAW-2000 computer controlled rock servo triaxial testing machine to carry on uniaxial compression experiments ordinary concrete cylindrical specimens (height to diameter ratio of about 2:1) in the room preparation, determines the ordinary concrete complete stress-strain curve. Through the study of the test, cyclic loading conditions, a closed plastic hysteresis loop is formed, with the increasing times of cycle, the plastic hysteresis loop after the peak is smaller and narrower; loading stress and loading segment deformation modulus presents a linear relationship; the stresses of post-peak unloading point and peak stress is more bigger, the changes in the post-peak curve is more obvious and gentle, the difference between approaching the line slope of reload curve and initial deformation curve is more greater.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】3页(P109-111)【关键词】单轴实验;普通混凝土;全应力-应变曲线;塑性滞回环;变形模量【作者】潘俊涛;李争容【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093;中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，昆明650051【正文语种】中文【中图分类】TU5280 引言混凝土是水、粗细骨料、水泥按照一定配合比例搅拌、凝固而成的混合料，经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料，其中干燥状态下变密度在2000kg/m3至2800kg/m3之间的混凝土属于普通混凝土。
岩石三轴试验机的主要功能特点
岩石三轴试验机的主要功能特点岩石三轴试验机是一种测试岩石力学性质的仪器，广泛应用于地质勘探、矿山开采、建筑工程、水利工程等领域。
本文将介绍岩石三轴试验机的主要功能特点。
一、适用范围岩石三轴试验机适用于单轴压缩强度、剪切强度、弹性模量、泊松比、伸长和收缩性等岩石力学性质测试。
二、试验方式岩石三轴试验机主要分为两种试验方式：恒应力和恒应变。
1. 恒应力试验恒应力试验是让试样在一个恒定的压力下进行变形，试验过程中标称应力值保持恒定。
当达到最大载荷时，会自动停止测试，记录试样破裂前的最大载荷和变形情况。
恒应力试验主要用于较硬的岩石样本。
2. 恒应变试验恒应变试验是测试过程中保持应变率恒定，因此应力随着变形而增加。
当达到最大载荷时，系统会自动停止测试，并记录试样破裂前的最大载荷和变形情况。
恒应变试验主要用于较软的岩石样本。
三、主要特点1. 电动高压油源岩石三轴试验机采用电动高压油源，通过液压缸实现试样的加载和卸载。
高压油源提供了精确、稳定的力和位移控制，可以在精确的负载、变形和时间条件下进行试验。
2. 安全保护设施岩石三轴试验机配备多种安全保护设施，具有过载保护、过流保护、超温保护、电机停止保护等功能，可避免试验时的不安全情况。
3. 高精度称重系统岩石三轴试验机的高精度称重系统可测量以kg为单位的载荷，精度可以达到0.01kg。
同时，系统还具有自动测量试样初始尺寸的功能，可以保证试验前后尺寸的精准记录。
4. 实时控制系统岩石三轴试验机配备实时控制系统，可以在试验过程中实时监测载荷、变形、变形速率、时间和位移等参数，实现全过程无缝度的数据记录和传输。
5. 易于操作的软件界面岩石三轴试验机的软件界面又美观、易于操作，具有丰富的试验设定和数据处理功能，可以实现多种数据格式的导出和数据对比分析。
四、总结岩石三轴试验机是评估岩石力学性质的重要工具，具有广泛的应用前景。
本文介绍了岩石三轴试验机的适用范围、试验方式、主要特点等方面的内容，希望能够为岩石力学研究和工程实践提供参考。
岩土力学实验室主要仪器设备
岩土力学实验室岩土力学实验室是研究土的物理、化学以及力学性质和岩体在荷载作用下的应力、变形规律的专业实验室，拥有比较先进的教学和科研实验条件，是高速铁路建造技术国家工程实验室的一个重要组成部分。
实验室以面向国民经济建设和社会发展需要，服务重大工程建设为宗旨，承担了大量的应用基础和工程研究项目。
该实验室由以下三个主要部分组成：细颗粒土试验部分，粗颗粒土试验部分，岩石试验部分。
细颗粒土试验部分包括DDS —70微机控制动三轴试验仪和GDS 全自动三轴及非饱和土试验仪，可进行细颗粒土的标准静三轴试验，非饱和土强度试验，渗透试验、应力路径试验以及细颗粒土的动强度、动弹模、阻尼比、疲劳和砂土液化试验等。
粗粒土试验部分包括SZ304型粗粒土三轴剪切仪、TAJ —2000大型动、静三轴试验仪、TAW —800大型直接剪切仪以及TGJ —500微机控制电液式粗粒土工固结仪，可进行粗颗粒土的三轴试验、直接剪切试验、蠕变试验、动强度、动弹模、阻尼比、加筋土强度试验、加筋土动力特性试验以及土与结构物的剪切试验等。
岩石试验部分主要包括;TAW —3000电液伺服岩石三轴试验仪，该试验仪可进行岩石的单轴抗压强度试验，岩石弹性模量、柏松比试验，岩石三轴抗剪强度试验，岩石蠕变试验等。
附各个仪器设备的图片一、DDS —70微机控制动三轴试验系统主要技术参数：试样尺寸：mm 801.39⨯φ最大轴压：1370N最大围压：0.6Mpa反压：0.3Mpa频率范围：1~10Hz最大轴向位移：20mm二、GDS 全自动三轴及非饱和土试验系统主要技术参数：试样尺寸：mm 10050⨯φ，mm 200100⨯φ最大轴压：50KN最大围压：1.7Mpa孔隙水压力：1.0Mpa三、SZ304型粗粒土三轴剪切试验机主要技术参数：试样尺寸：mm 600300⨯φ，最大轴压：750KN最大围压：4Mpa孔隙水压力：1.0Mpa四、TAW —800大型直接剪切仪主要技术参数：最大轴力：800kN最大水平力（两个方向）：400kN轴向活塞最大行程：600mm水平活塞最大行程（两个方向）：300mm上剪切盒尺寸：mm 150500500*⨯下剪切盒尺寸：mm 150670670⨯⨯五、TAW —3000电液伺服岩石三轴试验机主要技术参数：试样尺寸：mm 10050⨯φ，mm 15075⨯φ，mm 200100⨯φ 最大轴力：3000kN最大围压：100Mpa最大孔隙水压力：60Mpa轴向变形测量范围：0~8mm径向变形测量范围：0~4mm变形速度控制范围：0.001~2mm/min六、TAJ —2000大型动、静三轴试验仪主要技术参数：试样尺寸：mm 600300⨯φ最大轴力：静态 2000kN动态：1000kN最大围压;: 静态：10Mpa动态：1MPa最大孔隙水压力：3MPa变形测量范围：0~100mm位移测量范围：0~300mm体变测量范围：0~10000ml振动频率：0.1~20Hz七、TGJ —500微机控制电液式粗粒土工固结试验系统主要技术参数：试样尺寸：mm 240500⨯φ加载范围：0~500kPa。
岩石三轴试验机 试验机常见问题解决方法
岩石三轴试验机试验机常见问题解决方法TAW微机掌控电液伺服岩石三轴试验机，接受先进的数字测控技术与电液伺服系统，计算机系统相结合，精准明确、完美地实现了试验过程的三种掌控方式（力、变形、位移），并且可以相互间无冲击平滑转换微机掌控电液伺服岩石三轴试验机，用于岩石试样的单轴压缩变形试验，测量岩石的单轴抗压强度、弹性模量、变形模量（割线模量）泊松比、软化系数等力学性能，岩石三轴试验机除了完成岩石单轴压缩变形试验外，紧要用于常规（等围压）三轴压缩.TAW微机伺服岩石三轴试验机是岩石力学领域讨论岩石在多种环境下力学特性及剪切特性的先进试验设备。
该机可以自动完成岩石的三轴压缩试验。
TAW型微机伺服岩石三轴试验机的掌控系统接受德国DOLI公司EDC全数字伺服测控器。
这种测控器具有多个测量通道，可以对其中任意一通道进行闭环掌控，而且可以在试验中可以对掌控通道进行无冲击转换。
该测控器的操作便利，容错性强、测量精准、保护功能全、掌控精度高。
这种掌控器可以单独进行工作，也可以由计算机进行掌控进行工作。
TAW—1000型微机掌控岩石三轴试验机接受了几项我公司的技术，使得该试验机具有了国内外先进水平；其一是三轴压力室接受了自平衡压力室，使岩石在不加轴压时岩石的各个方向所受的压力是相同的，另外在加轴压时围压对轴压没有附加力；其二是接受了岩石变形传感器对岩石在单轴和三轴状态下的轴向及径向变形进行直接测量，这种测量方式精准明确度高，可信度高，是岩石变形测量的方法；其三是选用了DOLI公司原装进口的全数字伺服测控器作为掌控核心，使得该试验机的掌控达到了世界先进水平。
1、轴向加载系统：包括主机、力传感器、轴向变形传感器、径向变形传感器、位移传感器、EDC测控器、伺服液压源。
2、侧向加载系统：包括三轴压力室、压力传感器、EDC测控器、增压器、充液油源、气泵。
4、横向剪切系统：包括加载框架，伺服油缸、力传感器、位移传感器等。
横向剪切系统与三轴压力室共用一台EDC掌控器。
岩石直接剪切试验残余强度浅析
岩石直接剪切试验残余强度浅析Liu Jun【摘要】对岩石剪切残余强度进行了浅析,主要以唐山马城铁矿的岩石试验为依据,探讨了岩石剪切峰值强度和残余强度的关系,分析了岩石剪切残余强度的影响因素,为大家了解、利用岩石的剪切残余强度提供了参考意义.【期刊名称】《岩土工程技术》【年(卷),期】2019(033)003【总页数】5页(P183-186,封3)【关键词】岩石;直接剪切;残余强度;马城铁矿【作者】Liu Jun【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TU4521 概念岩石直接剪切残余强度是指岩石在剪切破坏后，在自重应力或者其他应力作用下，还能保持稳定状态，所残存的剪切强度。
本文主要以唐山马城铁矿100多组岩石残余强度试验为依据讨论岩石直剪试验的残余强度①刘军.马城铁矿岩石物理力学试验成果[R].2011—2017.。
2 试验设备岩石直剪试验采用长春市朝阳试验仪器有限公司生产的TAW-2000型微机控制岩石三轴剪切试验机，图1为岩石直接剪切试验机。
3 试验过程简述先制取标准样品，一般每组样品制取φ50 mm×50 mm标准样5块，特殊情况可以增加。
样品试验前后照片见图2。
对每块标准样施加预设好的不同的正应力，然后施加水平应力，达到峰值破坏后，继续剪断，至残余强度近似一条直线为止。
其具体试验特点如图3所示。
图1 岩石直接剪切试验剪力加载初期，曲线的斜率较小，剪应力增加缓慢；随着时间的增加，剪力增加的速率越来越快，斜率越来越大；在剪应力达到峰值强度时剪应力又急剧下降，曲线斜率急剧变陡，由正变负，产生了应力跌落的现象；剪应力下降到一定程度后，曲线斜率突然变缓，随时间的增加逐渐平缓，达到稳定，即为残余强度。
试验5组不同的竖向应力和剪切残余强度，根据库伦-摩尔定律，即图2 样品试验前后照片图3 剪力-时间关系曲线图τ=σtanφ+c，求出残余强度，如图4。
图4 正应力-剪应力关系求解图图中：σ为正应力；τ为剪应力；c为黏聚力；φ为内摩擦角，本图计算得c=1.57、φ=43.25。
卸荷条件下灰岩变形特性及强度准则试验
第51卷增刊（2）2020年12月人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，Supplement （Ⅱ）Dec．，2020收稿日期：2020－04－22作者简介：张庆建，男，工程师，硕士，主要从事岩石、岩体等方面的试验研究工作。
E －mail ：qing007366@163．com文章编号：1001－4179（2020）S2－0265－05卸荷条件下灰岩变形特性及强度准则试验张庆建，王鹏程，陈书文，赵永，于磊（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）摘要：为研究灰岩卸荷变形特征、强度特性、变形参数规律以及非线性强度准则，对甘肃省白龙江引水工程灰岩进行了增轴压、卸围压试验，并与常规的三轴试验结果进行了对比。
试验结果表明：①卸荷路径下，径向变形主要从破坏瞬间开始迅速增大；试件在低初始围压12MPa 下卸荷破坏时处于压缩状态，其他高初始围压下破坏处于扩容状态。
②卸荷应力点至破坏过程中，卸荷破坏所需的偏应力q '均比加荷试验小，且q '均随围压增大先增加后趋于稳定。
③高围压60MPa 下，卸荷初期变形模量基本保持不变，临近破坏时急剧降低，而泊松比则随偏应力增加逐渐增大。
④围压跨度大且存在高围压时，双曲线型强度准则能较准确地反映灰岩卸荷应力状态下非线性特性。
试验结果可为更深入地研究高围压卸荷理论和高围压试验数据处理提供参考。
关键词：灰岩变形；卸荷；三轴压缩；高围压；强度准则中图法分类号：TU45文献标志码：ADOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．068深埋隧洞开挖导致围岩初始应力场平衡被打破，围压处于卸荷应力状态，常常会引发施工中岩爆现象。
哈秋舲最早提出了岩体卸荷力学的概念［1］，并逐步研究加载和卸荷的特性。
黄润秋等基于不同卸荷速率研究了大理岩的强度和变形特性［2］，并利用Mohr －Cou-lomb 强度准则进行了分析，基于分析结果，认为相比三轴加载试验，卸荷条件下岩石凝聚力大幅降低，内摩擦角少量增加。
理工大学岩石三轴说明书
目录一、概述二、系统组成三、要紧技术指标四、具体操作方式五、保护与保养六、附图一、 概述该实验系统是一套机-电-液一体化的高技术自动化系统设备，要紧用于岩石或碎石土在天然三向应力状态下，产生的物理性质转变、化学溶漏及置换等性能研究。
利用该设备也可进行高压力的常规三轴实验。
二、系统组成整个仪器由液压泵站、强电操纵系统、液压操纵系统、运算机操纵系统、三轴仪机架、及测量装置等件组成。
在次着重介绍三轴仪机架、液压操纵系统、运算机操纵系统。
三轴仪机架各组成机构作用：1、 轴向油缸：要紧提供实验中的轴向荷载、位移； 轴向油缸 承力架压力室传力柱 荷载传感器压力室提升缸压力室锁帽试件压头排气阀中板2、承力架：在整个系统中成立封锁的加载系统链；3、压力室：在实验中放置试件和提供围压；4、传力柱：联接试件和传感器传递力；5、荷载传感器：测量轴向荷载；6、压力室提升缸：提升和放置压力室，便于装取试件；7、排气阀：用于向压力室注油时排除压力室内的空气，和围压回油时的空气压力接入口；8、试件压头：用于包裹试件及荷载的传递；9、压力室锁帽：联接压力室体跟压力室底座；10、中板：承载压力室、传递力。
液压操纵系统液压操纵系统由高精度液压操纵台和液压泵站组成：1、高精度液压操纵台电气系统：自动操纵系统、泵站操纵系统（1）自动操纵系统：位于操纵台面板左上角。
在系统自动稳压时进行操纵，是一个高精度、自动化系统。
包括PLC操纵箱、触屏、运算机、传感器，由一个电源开关进行电源操纵。
（2）泵站操纵系统：位于操纵台右边电气箱内。
在系通中自动操纵压力源，为各操纵元件提供电源，包括电气操纵板、电接点压力表、指示灯、按钮、泵站电源（四角插座），内设过载爱惜器。
电源总开关位于电气操纵箱下方，用于切断或联接整个系统电源。
油源压力操纵：由电接点压力表、系统工作指示灯、启动、停止按钮、总卸荷开关组成（1）电接点压力表：显示油源系统的压力，和操纵在实验时的电机启动，电接点分三个指针：上限、实际压力、下限。
不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性
不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性徐子杰;齐庆新;李宏艳;张宁博;苏荣华【摘要】为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据.试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)0z1【总页数】5页(P70-74)【关键词】蠕变破坏;岩石损伤;声发射;b值【作者】徐子杰;齐庆新;李宏艳;张宁博;苏荣华【作者单位】煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013;辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000;煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013;煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013;煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013;辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000【正文语种】中文【中图分类】TD315脆性岩石的破裂过程是其在受力过程中内部微裂纹萌发、扩展和贯通的结果,是岩石微结构累计变形破坏的宏观反映。
几种岩石点荷载强度与单轴抗压强度的相关性
几种岩石点荷载强度与单轴抗压强度的相关性张元胤;李克钢【摘要】通过对某矿区的矿岩进行单轴抗压强度试验及点荷载试验,用Shapiro-Wilk正态检验法对点荷载试验数据进行正态分布检验,用Grubbs准则对可疑数据进行取舍,再将得到的点荷载强度(IS(50)、PLS)与单轴抗压强度(UCS)进行对比分析,研究其相关性.结果表明:点荷载试验结果符合正态分布,其离散程度大于单轴压缩试验;6种岩石的点荷载强度与单轴抗压强度高度正相关,因此能够相互转换,转换得到的抗压强度可作为该矿山岩体分级的依据.%A series of uniaxial compression tests and point load tests on rock from a certain mine are made. The normal distribution tests of point load data have been carried out with the normality test method of Shapiro-Wilk,and the uncertain data are screened with the Grubbs criterion. Then,the result of point load strength( IS(50) ,PLS) and the uniaxial compression test ( UCS) are contrasted and analyzed. The results show that rock point load strength meets the criteria of normal distribution. The dispersion degree of point load test is larger than uniaxial compression test. The point load strength and uniaxial compressive strength of six kinds of rocks is positively relevant,which could be converted by each other. The compression strength obtained by conversion can be used as a reference of the mine rock classification.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】点荷载强度;单轴抗压强度;离散系数;相关性【作者】张元胤;李克钢【作者单位】昆明理工大学国土与资源工程学院,云南昆明650093;昆明理工大学国土与资源工程学院,云南昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TD315矿岩的抗压强度是其最基本的力学参数之一，长期以来被用作岩体质量评价和分类的指标。
岩石三轴全伺服压力试验机
岩石三轴全伺服压力试验机
郝庆泽;程远方
【期刊名称】《试验技术与试验机》
【年(卷),期】2000(040)001
【摘要】岩石三轴伺服压力试验机是指轴向压力、围压及孔隙压力均为伺服闭环控制。
这种三轴压力试验机在国内还是第一台，其控制水平达到了世界先进水平。
文章中分别介绍了其性能、工作原理及主要技术指标。
【总页数】3页(P63-65)
【作者】郝庆泽;程远方
【作者单位】长介朝阳试验仪器有限公司;中国石油大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH873.1
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5.三轴陀螺稳定平台伺服回路全姿态解耦及变增益控制方法 [J], 魏宗康;徐白描因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
TAW-2000岩石三轴试验机围压加载系统补液与撞限位操作
围压加载系统撞限位操作
当围压加载系统向前或者向后加载直到停止不动时，即为撞到行程限位开关。
此时软件不论怎么操作围压加载系统都不会动。
解决办法：将控制柜—围压系统—驱动器开关关闭1秒后再打开从新ON EDC2
（点工具栏黄色背景的2 俩次）围位移窗口显示蓝色
即可用移动—EDC2 的控制方式向之前撞行程限位的反方向移动
前后限位为围压加载向前向后的行程最大值(撞限位后不可向同一方向继续加载)
围压加载系统补液
当加高围压时可能遇到围压加载系统已经向前行至最大值即限位处，但是还没有加载到目标压力值。
解决办法：首先执行撞限位解决方案
然后记录当时围压值。
关闭阀门6，卸载围压加载系统的压力至0左右。
然后停
止。
打开阀门5，启动油泵（充液）—送油。
然后执行下图控制。
当围压系统停止时。
即围位移显示0.然后关
闭阀门5。
加载围压到刚才记录值。
加到以
后，打开阀门6，然后继续加载围压至目标
值。
岩石三轴试验机的主要功能特点
岩石三轴试验机的主要功能特点岩石三轴试验机是一种常见的岩石力学试验设备，用于测定岩石材料的力学参数。
本文将从设备原理、结构和主要功能特点三个方面进行介绍。
设备原理岩石三轴试验机是根据Mohr-Coulomb断裂准则的三轴剪切试验原理设计和制造的。
试件被置于水平轴上，垂直轴向施载，侧向受加载。
剪切模量、抗拉强度、压缩强度、变形模量、泊松比等特性均可根据测试获得。
设备原理概括如下:1.在岩石试件的正应力方向施加压力和侧向剪应力。
2.控制应力加载速度，使材料达到平衡状态。
3.测量岩石试件的应变和应力数据。
4.根据实验数据，计算岩石材料的强度和弹性模量等力学参数。
设备结构岩石三轴试验机主要分为试验机架、应力控制系统、位移控制系统、数据采集系统和计算机控制系统等模块。
1.试验机架：试验机架由上下两个部分组成，可以垂直移动。
装载试验件的夹具被放置在机架的下部。
2.应力控制系统：应力控制系统通过油压机构施加正应力和侧向剪应力，控制试件的受载状态。
3.位移控制系统：位移控制系统使用液压作为驱动力，控制试件的位移。
4.数据采集系统：数据采集系统用于收集试验过程中产生的各种数据,包括应变、应力、位移、时间等数据。
5.计算机控制系统：计算机控制系统通过编程控制整个试验过程，并将试验数据传输到计算机中。
主要功能特点1.高精度测试能力：岩石三轴试验机具有高精度的测试能力，可以测量不同尺寸和形状的岩石试件。
2.高精度测试控制：试验过程中控制精度高、稳定性好，可以满足实验的准确性和精度要求。
3.高质量材料采用：所有的关键部件、传感器和执行机构都由高品质材料制造而成。
4.人性化操控界面：计算机控制系统的人性化操控界面，可以方便地设置试验参数、查看实验数据和数据分析。
5.安全性能优异：试验过程中安全性能优异，确保操作人员的人身安全和测试设备本身的安全。
结论在工程、能源和建筑等领域，岩石三轴试验机是一种必要的研发和测试设备，可以测试并分析不同岩石材料的力学参数。
超深孔弱化爆破技术在综放工作面过断层构造中的研究与应用
收稿日期:2023 03 06作者简介:宋宇飞(1993-),男,山西长治人,助理工程师,从事生产技术管理工作㊂doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.06.020超深孔弱化爆破技术在综放工作面过断层构造中的研究与应用宋宇飞(山西潞安集团和顺李阳煤业有限公司,山西晋中㊀032700)摘㊀要:为了解决综放工作面在回采过程中遇到断层等构造时截齿消耗过大,工作面进尺难以推进等问题,提出超深孔弱化爆破技术,通过对构造区范围㊁岩性等相关数据的综合分析,制定施工方案并进行现场试验,结果表明超深孔爆破技术的安全性与经济性都有明显优势㊂关键词:断层;综放回采;超深孔爆破中图分类号:TD235㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1005 2798(2023)06 0081 04㊀㊀在煤炭开采过程中经常遇到断层㊁陷落柱㊁侵入岩等大型地质构造㊂这些构造的存在导致采煤机在生产的过程中截齿消耗严重,推进速度大打折扣,工作面生产的连续性和产量受到了严重影响㊂目前综放工作面通过地质构造带常用的工艺是浅孔爆破,由于施工时需要在综放工作面的煤墙侧进行打孔㊁装药作业,很容易造成煤墙片帮㊁煤溜伤人等事故,而且浅孔爆破的爆破范围小,循环次数多,在爆破过程中容易产生飞石,发生崩坏设备的情况,因此研究一种新的爆破工艺使得工作面能够安全快速地通过地质构造区域显得十分必要㊂如采用深孔长距离爆破[1-2]方式可有效解决以上问题,超深孔爆破能实现超前在工作面风运两巷打设长距离钻孔进行深孔预爆,可明显加快工作面推进速度㊂而且从防灭火管理[3]和施工安全管理方面都有较大优势㊂1㊀地质概况李阳煤业位于太行山中段西侧,属剥蚀中低山丘陵地形,井田范围内地形较为复杂,褶曲㊁断层㊁陷落柱构造较多㊂李阳煤业主采太原组15号煤层,煤厚5.76m 左右,15号煤层自燃倾向性为I 类容易自燃煤层,最短发火期为31d 左右,为自然发火较严重的高瓦斯矿井㊂本次进行试验的地点是15302工作面㊂2㊀岩石静力学和动力学实验2.1㊀岩石静力学实验选取15302工作面揭露断层中的岩石样本,所取岩石多为白砂岩㊂在实验室中,采用TATW2000岩石三轴实验系统,对所取岩石样本进行静力学实验,测得试样的单轴抗压强度㊁泊松比以及弹性模量等静力学参数,所测结果见表1.通过测试可知,岩石的硬度较高,抗压强度为97.25MPa.2.2㊀岩石动力学实验炸药爆破对岩石的破坏属于动载破坏,而岩石在动载作用下所表现出的力学特性与静载作用下的力学特性有着显著的区别[4-5]㊂根据以往的研究结果,岩石的抗压强度具有明显的应变率效应,且随着应变率的增大,岩石的抗压强度也会相应地增大[6-7]㊂因此,根据这一特性,需要对所取岩样进行相关的动力学试验㊂表1㊀岩石静力学参数测试参数试样质量/g 试样密度/(kg㊃m -3)单轴抗压强度/MPa泊松比弹性模量/GPa弹模均值/GPa值472.872603.8897.250.31329.6726.62㊀㊀研究爆炸对岩体的损伤破坏,除现场试验外,目前广泛应用的室内实验方式为SHPB 实验[8-9]㊂此次试验选取直径为74mm 的霍普金森杆㊂根据文献[10-12]选定试样直径为74mm,试样长度为35mm,共取18个试样㊂对实验所得数据进行分析处理,去除一些失真数据,得到实验中具有代表性的应力-应变曲线,如图1所示㊂试验所得动载作用下岩样最大抗压强度为120.84MPa.为使深孔爆破㊀第32卷㊀第6期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年6月时所揭露的岩层能达到充分预裂,爆破效果达到最优,在设计方案时需要将岩样的动态抗压强度考虑在内㊂图1㊀岩样冲击试验应力-应变曲线3㊀现场实验3.1㊀现场概况李阳煤业15302工作面主要有F16和F28两条正断层㊂F16断层在巷道掘进中已经揭露,落差6~ 9m,断层走向与工作面接近平行,并延伸贯穿了整个工作面,属于影响较大的断层构造㊂根据探明的F16和F28两个正断层的相互关系,测算爆破部分的岩层投影面积为9558m2,其投影如图2所示㊂图2㊀需爆破岩层投影图3.2㊀超深孔爆破设计在进行方案设计时,需要充分考虑两方面因素:一是工作面的推进速度,由于李阳矿开采的15号煤为I类容易自燃煤层,以往经验表明,工作面推进度低于50m/月时,采空区就会出现CO增高趋势,可能发生工作面采空区浮煤自燃,因此选定的方案需要确保实现快速推进,以保证工作面不会发生自燃;二是工艺的安全性,在选择方案时必须充分考虑施工工艺的安全性㊁作业环境的安全性㊁设备的安全性等因素㊂超深孔爆破不同于浅孔爆破,在实施的过程中需要注意一些问题:一是爆破过程中,由于装药量较大,需要注意爆破的安全性,并要超前工作面50m 进行预爆,防止工作面顶板受到影响;二是回采过程中支架推进坡度的控制,需要严格按照设计坡度推进,保证工作面能顺利进入预裂区;三是钻孔施工中必须保证相对精准的施工角度,能实现工作面推进时按照设计坡度相对准确地进入爆破预裂区;四是需要合理地选择爆破参数,爆破效果既能有效预裂岩体,又要保证其周边岩体不受破坏或少受影响,避免推进过程中发生冒顶㊁漏顶事故㊂根据以上原则进行超深孔爆破设计与施工㊂3.3㊀超深孔爆破仿真模拟利用LS-DYNY力学仿真分析软件,对不同爆破工艺参数进行仿真分析,根据前期实验室试验结果,设置岩石弹性模量29.67MPa㊁泊松比为0.31㊁动态抗压强度为120.84MPa.根据井下实际情况,对装药半径为20mm㊁30mm㊁40mm情况下的爆破预裂效果进行仿真分析,结果如图3所示㊂图3㊀不同装药直径情况下的爆破效果图由仿真分析结果可知,随着装药半径的增加,爆破后的影响范围也会随之扩大,爆破影响范围约为装药半径的31倍㊂在爆破时,炮孔周围的围岩先被冲击波强烈压缩,然后再向外扩散,对爆破孔周围岩石造成破坏,当爆破孔半径为30mm时,爆破效果最好,因此通过前期实验室试验结果与LS-DYNY 力学仿真分析软件仿真分析,爆破药选择直径为60mm.1)㊀炮眼布置及相互关系㊂根据投影关系图,在工作面沿巷道方向推进,到达F16断层的位置后以120ʎ倾角开始向顶板起坡向断层下盘找煤㊂当综放工作面为全岩时且有1组钻孔宽度(一般4个钻孔为一组)时钻凿超深孔㊂在胶带运输巷和辅助运输巷处向工作面内钻凿40m深的超深孔,各轮钻孔之间的关系和编号如图4所示㊂82㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第32卷图4㊀各轮钻孔之间的关系和编号图2)㊀装药及起爆方式㊂爆破使用三级煤矿许用乳化炸药,装入特制爆破药筒,药筒直径为60mm,有效装药长度为1000mm.根据所用装药壳体的设计,每个壳体装药量为3.5kg.根据炮孔长度计算实验爆破的总药量,采用4~5个炮孔一组进行起爆,同时选用不同段别雷管确定单次起爆药量控制在安全范围内㊂3)㊀钻孔位置及孔间距㊂根据现场工作面地质勘探情况,结合工作面高度3.0m时实验室模拟实验的研究成果,爆破扩裂半径与装药半径之间的关系:Y=31.143X+2.7143(单位:cm),现场爆破的经验以及钻孔设备最低钻孔高度的约束等因素,拟确定离巷道底板或工作面底板1.2m为第1排钻孔布置位置,第2排离第1排炮孔0.7m的位置进行布孔,同排孔间距为3.0m,两排炮孔呈 之字形 间隔布置㊂两排炮孔布置方案如图5所示㊂图5㊀各钻孔的位置关系图(单位:m)4㊀实验效果分析实验结束后对工作面的生产过程进行跟踪统计,以分析超深孔爆破的效果㊂实验效果分析可以分为两方面,一方面是深孔爆破施工后现场观测工作面裂纹发展以及岩石破碎情况㊂另一方面为后续生产过程中工作面推进速度等生产情况㊂结合两种情况综合分析得到最终结果㊂4.1㊀岩石破碎情况由于工作面在最初揭露构造时未进行开采作业,且揭露构造之前已经进行了超深孔预裂爆破,炮孔平行于工作面,因此工作面揭露炮孔爆破区域后可以观测到炮孔周围的破裂情况,对揭露构造后的工作面炮孔处岩石破碎状况进行拍照分析,如图6所示㊂图6为炮孔揭露时周围岩体破碎情况,由图6可以看出,工作面断层整体的完整性较好,图中红圈范围内可以看到岩石发生了较为明显的破碎,岩石裂隙发育明显,且两图中的岩体与填塞段相比更加破碎㊂通过对工作面采煤机的截割情况进行观察,可以看到岩壁上并未出现截齿切割时留下的齿痕,而且在该区域截割时也不需要进行浅孔爆破辅助作业,表明采煤机在爆破区域内进行截割时十分流畅,说明深孔爆破达到了预期效果㊂图6㊀工作面破碎效果对工作面整个施工流程进行分析可知,深孔爆破工艺施工中打眼和爆破作业对工作面回采基本不受影响,可安排在每天检修班进行㊂采用超深孔爆破后,综放工作面内2.7~2.9m的爆破区域达到有效开裂和破坏,采煤机在不需要辅助爆破的情况下能顺利切割㊂过构造期间未发生CO超标及煤层自燃㊂深孔预爆的施工安全性有较大提高,施工中交叉作业的隐患得到有效解决㊂根据深孔预裂效果来第6期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀宋宇飞:超深孔弱化爆破技术在综放工作面过断层构造中的研究与应用㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀83看,在回采推进爆破区域时顶板较为稳定,没有出现大的漏顶㊁冒顶事故,而小范围的顶板破碎,采用超前拉架等常规措施均可解决㊂4.2㊀工作面生产数据统计为了对工作面超深孔爆破的效果进行综合分析,在超深孔爆破结束后对工作面的施工过程进行了连续跟踪,对工作面生产进尺数据进行了相应的统计,统计结果见表2.表2㊀工作面进尺数据日期刀数进尺/m2021-04-262 1.62021-04-272 1.62021-04-282 1.62021-04-2910.82021-04-3010.82021-05-0110.82021-05-0210.82021-05-0410.82021-05-0510.82021-05-0610.82021-05-0710.82021-05-0810.82021-05-0910.82021-05-1110.82021-05-1210.82021-05-132 1.62021-05-1410.82021-05-1610.82021-05-172 1.62021-05-182 1.62021-05-2210.82021-05-232 1.62021-05-242 1.62021-05-252 1.62021-05-262 1.62021-05-272 1.62021-05-282 1.6剔除因其他原因停止生产的日期,对生产过程的数据进行分析,4月26日至4月28日进入断层岩体影响范围之前,每天正常生产两刀煤,4月29日进入岩体范围之后生产进度开始变缓㊂根据现场观测结果,该区域尚未进入超深孔爆破范围,且在该区域进行截割时也需要浅孔爆破进行辅助作业㊂22号开始揭露超深孔预裂爆破炮孔,且在后续生产的过程中,超深孔预裂爆破作用区域可以直接进行截割作业,已经不需要浅孔爆破对岩体再次进行松动㊂同时深孔爆破节省了相应的工序,缩短了工作时间,提高了工作面的生产效率㊂通过对数据进行分析对比可知,相比浅孔爆破辅助作业,进行深孔爆破后工作面进尺提高了50%.工作面可实现正规循环日进尺2m,月推进度60m.5㊀结㊀语1)㊀深孔预裂技术与传统的浅孔辅助爆破工艺相比,通过落差较大的断层构造时,循环次数少,施工时间短,施工过程安全可靠㊂同时顶板管理也得到了较大改善,在回采推进爆破区域时顶板较为稳定,没有出现大的漏顶㊁冒顶事故㊂2)㊀超深孔爆破后,工作面的推进速度相比浅孔爆破辅助生产增加了50%左右,且在深孔爆破破碎影响范围内不需要浅孔爆破辅助作业,工作面便能稳定推进,在保证工作面正常生产的同时有效降低了工作面煤层自燃发生概率㊂通过此次试验,超深孔弱化爆破技术可较好地解决综放工作面通过大型地质构造的技术难题,为煤矿生产创造较好的经济效益㊂参考文献:[1]㊀赵利峰,高文蛟,夏方顺,等.综采工作面大型构造超深孔爆破研究[J].矿冶工程,2019,39(3):25-28,31.[2]㊀陈传进.半无限岩体中柱状药包爆破扩裂数值模拟研究[D].廊坊:华北科技学院,2018.[3]㊀龚大银.李阳煤业综合防灭火技术研究与应用[J].煤炭与化工,2020,43(7):101-103,108.[4]㊀郭世儒.高应变率下煤系砂岩力学性能及能量耗散规律研究[D].北京:中国矿业大学,2017.[5]㊀梁俊奇.中高应变率下细砂岩破裂特性研究[D].廊坊:华北科技学院,2020.[6]㊀刘晓辉,张㊀茹,刘建锋.不同应变率下煤岩冲击动力试验研究[J].煤炭学报,2012,37(9):1528-1534.[7]㊀高文蛟,单仁亮.无烟煤在冲击载荷下破坏模式与强度特性[J].煤炭学报,2012,37(S1):13-18. [8]㊀李洪涛,王志强,姚㊀强,等.石英云母片岩动力学特性实验及爆破裂纹扩展研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(10):2125-2141.[9]㊀郭㊀浩,郭连军,张大宁,等.霍普金森压杆实验在爆破中的应用[J].现代矿业,2015,31(3):174-176,180.[10]㊀李夕兵,古德生.岩石冲击动力学[M].长沙:中南工业大学出版社,1994.[11]㊀李传净.花岗岩在冲击作用下的力学特性及破坏形态研究[D].西安:西安科技大学,2018. [12]㊀马文伟,赵光明,孟祥瑞.原始岩样动力学特性实验方法研究[J].矿业研究与开发,2014,34(1):26-28,41.[本期编辑:王伟瑾]84㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第32卷。
岩石三轴强度实验细则
岩石三轴强度实验细那么试验五岩石三轴剪切强度试验（一）目的与意义测定在有限侧压条件下，岩石根据强度及变形特征，并借助三轴实验，结合抗拉，抗压实验结果，确定岩石的极限应力圆包络线（强度包络线）。
（二）定义是指岩石在三向应力作用下，抵抗破坏的能力。
岩石三轴试验是将岩石样品放在三向应力状态下的压力室内，测其强度和变形，通过试验可确定岩石的强度包络线，并计算出内聚力 c 和内摩擦系数。
（三）根本原理岩石室内三轴实验是在三向应力状态下测定和研究岩石试件强度及变形特征的一种室内实验。
本实验是在1 3? ? ? ? ? 条件下进行的，即为常规三轴实验。
（一）设备与材料 1．实验设备：（1）岩石三轴应力实验机；（2）压力室；（3）油泵；（4）岩石钻样机；（5）岩石切样机；（6）岩石磨平机 2．实验材料：（1）液压油；（2）游标卡尺；（3）乳胶膜；（4）三角尺；（5）量角器；（6）活扳子；（7）螺丝刀；（8）记号笔；（9）钳子；（10）记录纸；（11）标准岩石样品 50×100mm；（12）胶布；（13）电笔。
三轴试验：1、真三轴：1? >2? >3? ; 2、假三轴（常规三轴）：1? >2? ＝3? ，等围压。
岩石三轴试验机是在普通压力机上装配成符合技术要求的三轴压力室，压力室必需有保持侧压力稳定的稳压装置。
（二）试验步骤岩石三轴试验机是在普通压力机上装配成符合技术要求的三轴压力室，压力室必须有保持侧压力稳定的稳压装置。
1．三轴试验样品数量不少于 5 块，不同围压 1 块；精度，测量试件尺寸：1）尺寸：（1）圆柱体试件直径Φ48~54mm，高 100mm；（2）试件直径与高度，或边长之比为 1：2.00~2.50。
2）精度：（1）、两端面的平行度最大误差不超过 0.05mm；（2）、在试件整个高度上，直径误差不超过 0.3mm；（3）、端面应垂直试件轴，最大偏差不超过 0.25 度。
尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究
[收稿日期]20221016[基金项目]国家自然科学基金项目 深水高温高压环境下钻井全过程井壁稳定评价方法 (51774050)㊂ [第一作者]李忠慧(1977),男,博士,教授,现主要从事岩石力学与钻完井工程等方面的研究工作,l i z h o n g h u i @y a n gt z e u .e d u .c n ㊂ *为共同第一作者李忠慧,李明涛,胡棚杰,等.尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究[J ].长江大学学报(自然科学版),2024,21(2):60-66.L I Z H ,L IM T ,HUPJ ,e t a l .S t u d y o n t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n r o c k u n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t [J ].J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2024,21(2):60-66.尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究李忠慧1,2,李明涛1,2*,胡棚杰1,2,刘剑1,2,孟凡奇1,21.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学),湖北武汉4301002.长江大学石油工程学院;油气钻完井技术国家工程研究中心,湖北武汉430100[摘要]为探究尺寸效应对小尺寸岩样单轴压缩试验的影响规律,通过在室内伺服试验机上对直径25mm ,不同长度的花岗岩岩样进行单轴压缩试验,研究尺寸效应对小尺寸花岗岩岩石力学参数以及破坏形式的影响规律㊂试验结果表明,随着长径比增加,岩样表现出抗压强度和泊松比逐渐减小,弹性模量增加的趋势㊂其中,多项式模型较为适合小尺寸岩样尺寸效应强度模型;不同长径比岩样的单轴压缩试验应力应变曲线加载趋势不同,其峰值应变随着长径比的增加而减小;随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏,岩样破坏面数量与角度出现规律性变化㊂当长径比在1.1~2.2时,岩样破坏形式遵循相同的破坏准则,通过拟合公式推导不同长径比岩样的力学参数存在可行性;岩石单轴试验破坏过程中的能量与长径比呈负相关,且当长径比在1.9~2.2时,各能量变化幅度趋于平缓,岩样破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,可作为小尺寸岩样单轴试验的最佳长径比㊂[关键词]花岗岩;小尺寸岩样;尺寸效应;单轴抗压强度;破坏形式[中图分类号]T E 24[文献标志码]A [文章编号]16731409(2024)02006007S t u d y o n t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n r o c ku n i a x i a l c o m pr e s s i o n t e s t L I Z h o n g h u i 1,2,L IM i n g t a o 1,2*,HU P e n g j i e 1,2,L I UJ i a n 1,2,M E N GF a n qi 1,21.H u b e iK e y L a b o r a t o r y o fO i l a n dG a sD r i l l i n g a n dP r o d u c t i o nE n g i n e e r i n g (Y a n g t z eU n i v e r s i t y),W u h a n430100,H u b e i 2.S c h o o l o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ,Y a n g t z eU n i v e r s i t y ;N a t i o n a lE n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o rO i l &G a sD r i l l i n g a n dC o m pl e t i o n T e c h n o l o g y,W u h a n430100,H u b e i A b s t r a c t :I no r d e r t o e x p l o r e t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t o f s m a l l -s i z e r o c ks a m pl e s ,t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t o f g r a n i t e r o c k s a m p l e sw i t hd i a m e t e r o f 25mma n d d i f f e r e n t l e n gt h sw a s c a r r i e d o u t o n t h e i n d o o r s e r v o t e s t i n g m a c h i n e t o s t u d y th e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r s a n d f a i l u r em o d e s o f s m a l l -s i z e g r a n i t er o c k .T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f l e n g t h -d i a m e t e rr a t i o ,t h ec o m pr e s s i v e s t r e n g t ha n dP o i s s o n s r a t i o o f r o c k s a m p l e s d e c r e a s e g r a d u a l l y ,a n d t h e e l a s t i cm o d u l u s i n c r e a s e s .A m o n g t h e m ,t h e p o l y n o m i a lm o d e l i s m o r es u i t a b l ef o rt h es i z ee f f e c ts t r e n g t h m o d e lo fs m a l l s i z er o c ks a m pl e s ;t h es t r e s s -s t r a i n c u r v e s o f u n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t s o f r o c k s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t a s p e c t r a t i o s h a v e d i f f e r e n t l o a d i n g t r e n d s ,a n d t h e p e a ks t r a i nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o f a s p e c t r a t i o .W i t h t h e i n c r e a s e o f a s p e c t r a t i o ,t h e f a i l u r em o d e o f r o c kc h a n g e s f r o mb r i t t l e s h e a r f a i l u r e t os h e a r f a i l u r e ,a n d f i n a l l yg r a d u a l l y b e c o m e sb r i t t l e f a i l u r e .T h en u m b e r a n da n g l eo f f a i l u r e s u r f a c e s o f r o c ks a m p l e sc h a n g er e g u l a r l y .W h e nt h ea s p e c t r a t i o i sb e t w e e n1.1a n d2.2,t h e f a i l u r e m o d eo f r o c k s a m p l e s f o l l o w s t h e s a m e f a i l u r e c r i t e r i o n ,a n d i t i s f e a s i b l e t o d e r i v e t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f r o c k s a m p l e sw i t h d i f f e r e n t a s p e c t r a t i o s b y f i t t i n g f o r m u l a .T h e e n e r g y i n t h e f a i l u r e p r o c e s s o f r o c ku n i a x i a l t e s t i s n e g a t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h t h e a s p e c t r a t i o ,a n dw h e n t h e a s p e c t r a t i o i s b e t w e e n 1.9a n d 2.2,t h e c h a n g e r a n g e o f e a c h e n e r g y te n d s t ob e g e n t l e ,t h ef a i l u r e f o r mo f r o c k s a m p l e i s r e l a t i v e l y u n i f o r m ,a n d t h e d i f f e r e n c e o f i t s s t r e ng thi n v a l u e i s s m a l l ,w h i c h c a nb eu s e da s t h eb e s t a s p e c t r a t i oo f s m a l l s i z e r o c ks a m pl eu n i a x i a l t e s t .K e yw o r d s :g r a n i t e ;s m a l l s i z e r o c ks a m p l e ;s i z e e f f e c t ;u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ;f a i l u r em o d e ㊃06㊃长江大学学报(自然科学版) 2024年第21卷第2期J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (Na t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) 2024,V o l .21N o .2岩石的尺寸效应一直被国内外学者所关注,对产生尺寸效应的原因以及尺寸效应对岩石力学参数的影响规律做了大量研究㊂许多学者对产生岩石尺寸效应的影响因素存在不同看法,一些学者认为试验仪器与岩石端面之间的摩擦效应影响了岩石强度造成了岩石的尺寸效应㊂杨圣齐等[1]认为在直径一定时,岩样长度对岩石尺寸效应的影响是由岩样端面与钢性垫块之间的摩擦效应引起的,当长度改变时,岩样端部的摩擦效应改变了岩样端部的应力状态,从而影响了岩样的破坏形式和抗压强度;尤明庆等[2]通过在岩样端面添加柔性垫片的方法进行试验,认为端面的摩擦效应影响了岩石的单轴抗压强度㊂而另一部分学者则认为岩石的尺寸效应主要是岩石内部结构特征和岩样形状导致的;张明等[3]认为岩石强度尺寸效应的产生是由于岩石内部存在缺陷,岩石体积的变化导致岩样内部缺陷分布发生变化,从而影响了岩石的强度;朱其志等[4]认为对于均质性较好的细颗粒岩石,缩放岩样尺寸引起的体积效应不明显,尺寸效应主要表现为岩样高径比的影响㊂而针对岩石尺寸效应影响规律的研究,D A R L I N G T O N 等[5]通过试验证明了多种尺寸效应强度模型具备较好的预测结果,其中M F S L 模型的预测结果最好;L I A N G 等[6]通过试验发现岩样破坏模式与岩样尺寸和应变速率存在显著关系,并提出当应变速率在10-5~10-2s-1区间内的试验最佳长径比为2.5;孟庆彬等[7]则通过试验,探究了尺寸效应在不同应变速率条件下对岩样单轴压缩试验的影响规律,发现岩样的峰值强度与应变速率呈正相关,其应变速率越快,岩样的破坏形态越复杂;伍法权等[8]针对不同尺寸,同一长径比的岩石,利用C T 扫描技术,认为不同岩样中孔隙的大小形状和分布情况对岩石尺寸效应强度变化存在影响;王连山等[9]则分析了立方体岩样的尺寸效应,通过试验得到了不同高宽比岩样随着高度的增加,岩石单轴抗压强度表现出先减小后增大的规律;梁昌玉等[10]对中低应变率范围内花岗岩单轴试验的尺寸效应进行了研究,得到了在一定应变速率条件下不同尺寸试样的破坏规律,试样破坏形态满足劈裂锥型破裂剪切破裂的变化规律;唐伟等[11]利用P F C2D 模拟了不同围压下不同尺寸岩样的压缩试验,探究了围压对岩石尺寸效应的影响规律,得到了不同尺寸岩样的强度和峰值应变在相同围压区间内的增加基本相同的变化规律;平琦等[12]通过压缩试验得出了岩石动态压缩试验同样存在尺寸效应,发现不同长度的试样的应力应变曲线在不同长度区间内的形态变化不同,在长径比0.3~0.7区间内,试样的应力应变曲线形态变化很大,而当长径比大于0.7时,曲线大致形态较为一致;孟庆彬等[13]通过改变应变速率,分析了岩样在尺寸效应影响下的能量分布规律,得到了岩样能量与其高径比呈负相关的关系㊂另一方面,针对尺寸效应对岩石强度的影响规律,刘宝琛等[14]通过大量试验提出了不同直径的尺寸效应强度经验公式;杨圣齐等[1]在刘宝琛公式的基础上通过改变试样长度的单轴压缩试验提出了大理石尺寸效应的强度模型;靖洪文等[15]利用P F C 数值模拟出不同长径比的单轴强度,利用杨圣齐提出的理论公式进行回归分析也得出了较好的拟合效果;耿永明[16]则利用试验和数值模拟的方法得到了直径50mm 岩样压缩试验的最佳长径比为2.5~3.0㊂上述针对岩石的尺寸效应研究,国内外学者已经做出了许多成果,但关于小尺寸岩样尺寸效应的研究较少㊂因花岗岩岩石本身性质较为稳定,并无明显缺陷,对试验结果影响较小㊂鉴于此,笔者通过室内试验研究了尺寸效应对直径为25mm 的小尺寸岩样的常规单轴压缩试验的影响规律,确定了在一定长径比区间内岩石单轴抗压强度模型,探究了尺寸效应对花岗岩岩石力学参数及破坏形式的影响规律,确定了小尺寸岩样单轴实验的最佳长径比㊂1 试验样品及试验结果试验岩样采自山东省新泰市古潜山地层露头岩石,所有试验岩样取自同一块岩样,采用线切割岩石切割机和切磨机进行加工㊂为探究尺寸效应对试验结果的影响规律,将露头岩样制成直径为25mm ,长度为30~60m m 的圆柱形试样(见图1),其长径比在1.0~2.4之间,端面平整度误差不超过0.05m m ,试样两端直径偏差不大于0.2mm ,轴线垂直度偏差不超过0.25ʎ㊂试验设备采用T AW -2000微机电液伺服岩石三轴试验机,该装置可实现岩石单轴抗压试验㊂通过压力机对岩样按50N /s 的加载速率施加压力,并安装轴向㊁径向传感器,测量岩石的轴向㊁径向应变,㊃16㊃第21卷第2期李忠慧等:尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究图1 不同长度的花岗岩露头试样F i g .1G r a n i t e o u t c r o p s a m p l e s o f d i f f e r e n t l e n g t h s 得出试样的单轴抗压强度㊁弹性模量及泊松比㊂开展露头岩样不同长径比的单轴压缩试验,共33组㊂2 试验结果分析2.1 尺寸效应对岩石强度的影响规律岩石尺寸效应最直接的体现就是岩石的抗压强度,为研究岩样单轴抗压强度与岩样尺寸之间的关系,根据试验结果,绘制长径比与单轴抗压强度的散点图,如图2所示㊂可以看出,岩石单轴强度随着长径比的增加而减小,在区间1.1~1.9之间,岩石强度快速下降,且下降速度逐渐减小,当长径比增加至1.9时,岩样强度变化率逐渐趋于平缓,在长径比1.9~2.2之间,岩样强度变化大致在一个较为稳定的区间内㊂当长径比大于2.2后,岩石单轴强度变化规律表现出发散的趋势㊂而根据实验结果绘制的单轴应力应变曲线如图3所示,曲线共分为4个阶段:压实阶段㊁弹性阶段㊁塑性阶段㊁破坏后阶段,其峰值应 图2 不同长径比试样单轴抗压强度F i g .2 U n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f s a m pl e s w i t hd i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 变和破坏后阶段可以明显看出岩样具有一定的脆性㊂同时,随着岩样长径比的增加,试样单轴抗压强度减小,其应力应变曲线的峰值应变也随之减小,曲线弹性阶段的斜率逐渐增大,根据弹性模量的定义,表现出弹性模量随长径比增加而增大的规律㊂为探究岩石强度与尺寸效应的具体关系,建立岩石长径比与单轴强度的关系式,经调研适合尺寸效应强度模型主要有2种类型,一种是反比例函数模型,另一种是多项式模型㊂其中反比例函数模型有2种:一种是尤明庆等[2]采用的大理石试样长度L 对单轴抗压强度的关系式:σL =σS a +b L /D æèçöø÷(1) 图3 不同长径比(L /D )单轴试验应力-应变曲线 F i g .3 S t r e s s -s t r a i n c u r v e s o f u n i a x i a l t e s t sw i t h d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 式中:σL 为单轴压缩下任意长径比岩样的强度;σS 为长径比为2的试样强度;L /D 为岩样的长径比;a 和b均为岩石材料常数㊂另一种是杨圣齐等[1]提出的大理石岩石材料尺寸效应的指数模型:F 0=F 2e x p a +b L /D æèçöø÷(2)式中:F 0为单轴压缩下任意长径比岩样的力学参数;F 2为标准岩样的力学参数㊂而多项式模型针对非均质性较强的岩样具有较好的拟合效果㊂σB =a ㊃L D æèçöø÷2+b ㊃L D æèçöø÷+c(3)㊃26㊃长江大学学报(自然科学版)2024年3月式中:σB 为单轴压缩下任意长径比岩样的力学参数㊂将处理后的试验结果,通过式(1)㊁式(2)和式(3)分别进行拟合,得出花岗岩露头不同长径比的单轴抗压强度关系式,式中U C S 为单轴抗压强度㊂模型一拟合结果:U C S =-0.32+270.44L /D æèçöø÷ R 2=0.9076(4)模型二拟合结果:U C S =e x p 3.858+1.57L /D æèçöø÷ R 2=0.9142(5)模型三拟合结果:U C S =73.70㊃L D æèçöø÷2-322.55㊃L D æèçöø÷+469.35 R 2=0.9393(6) 图4 拟合不同长径比单轴抗压强度结果 F i g .4 F i t t i n g u n i a x i a l s t r e n gt h r e s u l t sw i t h d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 从拟合结果(见图4)来看,三种模型拟合情况相似,相关系数较高㊂但在强度变化趋势上有所不同,在长径比小于1.9时,三种模型变化趋势相近,与实际试验数据较为贴近㊂当长径比大于1.9后,各模型的变化趋势发生改变,模型一和模型二还保持着较为明显的下降趋势,模型三则是变化较为平缓,在区间1.9~2.2之间,模型三的拟合结果与试验数据具备更高的相似性㊂故模型三即二次多项式模型针对小尺寸岩样强度模型在长径比1.1~2.2区间内具有较高的适用性,而当长径比大于2.2时,岩石强度变化较为分散,其拟合结果较差,无法用单一曲线表示㊂2.2 尺寸效应对岩石弹性模量、泊松比的影响根据试验结果绘制散点图,并采用单轴强度尺寸模型即多项式模型进行拟合,通过拟合得出不同长径比花岗岩的弹性模量E ㊁泊松比ε的关系式,如图5㊁图6所示㊂E =-12.897㊃L D æèçöø÷2+59.846㊃L D æèçöø÷-32.086 R 2=0.8735(7) ε=0.0159㊃L D æèçöø÷2-0.1034㊃L D æèçöø÷+0.3647 R 2=0.808(8)由图5㊁图6可知,试样弹性模量随着长径比的增大而增大,泊松比则随着长径比的增大而减小,两者的变化规律较为明显,弹性模量的增长速率随着长径比的增加逐渐减小,而泊松比则维持着相对稳定的衰减速率㊂当长径比从1.1增加至2.4时,弹性模量增加约100%,泊松比减小约26%,岩样的力学参数受到尺寸效应的影响较为明显㊂3 尺寸效应对岩石能量及破坏形式的影响分析3.1 尺寸效应对岩石能量积聚耗散的影响规律分析假设单位体积的岩体单元在外力作用下产生变形的整个物理过程与外界没有热交换,即岩石加载变形破坏过程是一个封闭系统,则外力共所产生的总输入能量为U ,根据热力学第一定律可得[17]: U =U s +U c (9)式中:U 为试验机对岩样所做的功,即岩样所输入的总能量,J /c m 3;U c 为岩样单元体中所储存的弹性应变能,J /c m 3;U s 为岩样受载荷变形破坏过程中单位体积的耗散能,J /c m 3㊂㊃36㊃第21卷第2期李忠慧等:尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究图5 拟合不同长径比弹性模量结果 图6 拟合不同长径比泊松比结果F i g .5 F i t t i n g r e s u l t s o f e l a s t i cm o d u l u s o f F i g .6 F i t t i n g Po i s s o n ’s r a t i o r e s u l t sw i t h d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 在单轴试验中,总输入能量即为岩样破坏前应力应变曲线的总面积,可表示为: U =ʏσ1d ε1(10)式中:σ1为岩石峰值应力,M P a ;ε1为主应变,mm /mm ㊂基于可释放能量的岩体整体破坏准则,对于单轴试验,弹性应变能U c 可表示为[17]: U c =12σ1ε1=σ212E(11)根据试验结果及应力应变曲线,采用式(9)~(11)计算求得单轴压缩试验岩样变形破坏过程中的各能量数值,绘制不同长径比岩样的能量散点图,如图7所示㊂图7 不同长径比岩样各能量散点图F i g .7 T h e e n e r g y s c a t t e r p l o t s o f r o c k s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 由图7可知,岩样在试验过程中吸收的总能量㊁弹性应变能及耗散能均随着长径比的增加而减小,呈现负相关的关系,且其减小幅度随长径比的增加也在随之减小㊂当长径比在1.9~2.2时,试验过程中各能量的变化幅度均保持在较低的水平,并且其强度变化幅度也较为稳定,在数值上表现的差异性较小㊂而当长径比大于2.2时,耗散能的变化规律趋于分散㊂耗散能低且变化规律较为平缓证明了小尺寸岩样长径比在1.9~2.2时,其强度变化较为稳定的原因,同时也得出了小尺寸岩石单轴压缩试验的最佳长径比在1.9~2.2㊂3.2 尺寸效应对岩石破坏形式的影响分析受到尺寸效应的影响,岩样的破坏形式也有所不同㊂随着试样长度不断增加,较短试样的破坏形式外观类似于劈裂破坏,但岩样内部仍存在剪切破坏面,当长径比增加至1.6~2.2时,岩样破坏形式发生改变,破坏面数量减少,主要为单斜面剪切破坏或多斜面交叉剪切破坏㊂当长径比增加至2.2~2.4时,岩样破坏形式以劈裂为主,与主应力方向几乎平行㊂㊃46㊃长江大学学报(自然科学版)2024年3月图8 不同长径比岩样破坏形态F i g .8 F a i l u r em o r p h o l o g y o f r o c k s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 如图8所示,岩样主破坏面的角度出现规律性变化,呈现出随岩样长度增加而减小的趋势㊂在岩样较短的情况下,岩样受压破坏主要以脆性剪切破坏为主㊂随着长度增加,破坏面角度逐渐减小,破坏形态转变为剪切破坏㊂而当长径比增加至2.4时,岩样破坏面几乎垂直,表现为脆性破坏㊂其原因一方面是受到岩样尺寸的影响,当岩样较短时,应力分布较为均匀,随着长度的增加,岩样中部应力区逐渐从三维应力状态向一维应力状态转移㊂另一方面是由于岩石内部存在缺陷及裂缝,随着长度的增加,岩石内部的不均匀性被放大,在压缩过程中形成破坏弱面㊂而当长度增加至一定值时,岩样受到压力作用,岩样内部形成的 弱面 分布复杂化,表现为脆性破坏,岩样破坏面的角度也随之减小㊂从能量分布上分析,耗散能随长径比的增加而减小,即表示岩样破坏面造成的摩擦热能减小,侧面反映出岩样破坏面数量和面积减小㊂当长径比在1.9~2.2时,由于尺寸效应造成的应力分布变化使得岩样破坏形式从复杂化的脆性剪切破坏逐渐转变为剪切破坏,较为稳定的破坏形式与能量耗散使得岩样强度保持在相对稳定的区间内㊂从不同长径比的岩样破坏形式来看,岩样受到尺寸效应的影响,岩样应力分布的改变使得破坏形式与能量耗散出现变化,但在长径比为1.1~2.2时,岩样破坏始终存在主要剪切破坏面,表明岩样在一定长径比内,岩样破坏始终符合岩石的破坏准则,即在一定长径比区间内,岩石力学参数与破坏形态受到尺寸效应的影响,但岩石破坏准则并未发生改变,通过拟合公式计算出不同长径比岩样的力学参数存在可行性㊂4 结论1)尺寸效应对小尺寸岩样单轴抗压强度的影响规律与前人总结出的规律大致相同,随着长径比的增加,岩样强度减小,采用二次多项式函数模型拟合得到的不同长径比强度模型相关程度较高,对小尺寸岩样不同长径比单轴强度拟合具有一定的适用性㊂2)随着长径比的增加,岩样弹性模量增加和泊松比减小的变化趋势较为稳定㊂根据其应力应变曲线,随着长径比增加,岩样强度与其峰值应变都随之减小,岩样的长度增加使得岩样的破坏极限应变增加㊂3)岩样破裂形式受到岩样长径比和岩样内部缺陷的影响㊂随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏㊂岩样破坏面角度表现出随长径比增加而减小的趋势,破坏面数量则是先减小后增加的趋势㊂在长径比为1.1~2.2区间内,岩石力学参数与破坏形态受到尺寸效应的影响,但岩石破坏准则并未发生改变,通过拟合公式计算出不同长径比岩样的力学参数存在可行性㊂4)根据直径为25m m 不同长度岩样的单轴压缩试验,根据其能量分布规律,当长径比在1.9~2.2时,各能量的变化幅度都较为平缓,且岩样的破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,㊃56㊃第21卷第2期李忠慧等:尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究㊃66㊃长江大学学报(自然科学版)2024年3月故小尺寸岩样单轴压缩试验最佳长径比为1.9~2.2,在一定程度上能弥补试验误差㊂参考文献:[1]杨圣奇,苏承东,徐卫亚.岩石材料尺寸效应的试验和理论研究[J].工程力学,2005,22(4):112-118.Y A N GSQ,S UCD,X U W Y.E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d y o n s i z e e f f e c t o f r o c km a t e r i a l s[J].E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s,2005(4): 112-118.[2]尤明庆,苏承东.大理岩试样的长度对单轴压缩试验的影响[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3754-3760.Y O U M Q,S U CD.I n f l u e n c e o f l e n g t ho fm a r b l e s a m p l eo nu n i a x i a 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TAW-2000岩石三轴试验机压力室操作
试验前1、启动油泵（静态）2、调整压力大于5MPa一般为10MPa即可10MPa可加载轴向力700kN3、连接提升油缸与压力室活塞4、确认阀门3为打开状态并且压力室里没有油5、将安全圈与固定瓦分开6、用手柄控制提升油缸提升压力室到相应高度7、将安装好引伸计的试样放在压力室底座上，对准定位肖8、连接软件检测引伸计是否有读数9、在第8步正常下，把垫块与球座放在试样“上压垫”上面，也用定位肖对准10、用手柄控制压力室下落与压力室底座密合位置11、合好固定瓦与安全圈12、分开提升油缸与压力室并把压力室活塞“上连接装置”拧下来放在一边13、用手柄控制提升油缸下落使压力室活塞继续下降至不动位置（一点一点的按如果是小岩样或者砂、土样更要注意以防止式样被压坏）然后把提升油缸升起来14、对压力室冲液：将阀门3、4、5打开阀门6可开可不开把透明的气管与阀门3出口相连15、启动油泵（冲液）--送油16、用软件控制围压加载系统向后退，对螺旋加载缸里冲液。
软件有俩种方式，如图1与图2 建议用图2设置17、当阀门3出油且围压加载系统向后退到目标值停止后可关闭冲液泵。
油泵(冲液)--停止18、关闭阀门3、4、5.打开阀门6三轴试验压力室安装试验冲液准备完成图1 图2试验后1、卸载围压至0后2、连接透明气管与阀门33、打开阀门3、4、关闭阀门5、64、连接压力室活塞与提升油缸5、然后提升自平衡活塞，直到压力室整体提升，然后再将压力室小车下落至导轨上，活塞不可顶进去。
6、启动油泵回油油泵（冲液）--回油7、当气管内产生连续油气混乱现象即为压力室液体被抽回油箱（回油大约10分钟左右）8、拔掉阀门3上的气管9、确认阀门3打开10、打开安全圈与固定瓦11、用手柄控制提升油缸升起压力室筒12、拆除压垫，球座与引伸计式样等注意事项：所有阀门均为顺时针关闭逆时针打开、先连接提升油缸与压力室后打开安全圈与固定瓦、提升压力室筒前必须确认阀门3为打开状态、当提升压力室筒时如果连底座也一同带起那么需停止操作检查固定瓦是否全部脱离开，如果固定瓦全部脱离开仍然无法分离则检查小车是否在正确位置有无倾斜图1。
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整机图片
TA W-2000岩石三轴试验机主要又以下几部分组成
1、门框式刚性主机
2、系统油源
3、围压加载系统
4、自平衡压力室
5、控制柜
6、电控箱
7、计算机
一、门框式钢性主机
主机主要由2000KN钢性主机、载油缸、提升油缸、2000KN压力传感器、导轨、蓄能器与MOOG 阀
加载油缸提供轴向负荷加载
提升油缸用于压力室的吊起工作以方便安装试样
2000kN压力传感器测量轴向力
蓄能器用于动态试验时轴向的蓄能作用
MOOG阀控制加载速度
二、系统油源
系统油源提供主机轴向加载动力主要包括油箱55KW 4.5KW油泵各一个冷却器调压器俩个
55KW油泵提供动态试验轴向动力
4.5KW油泵提供静态试验轴向动力
冷却器通过循环水对油箱内的油实现冷却作用
这个调压器是动态时用的顺时针加压逆时针减力
启动停止油泵前必须确定为逆时针旋转不可调状态（即压力为0）压力调节一
般为10-15MPa
这个调压器是静态时用的顺时针加压逆时针减压
启动停止油泵时必须确定为逆时针旋转不可调状态
压力调节一般不小于5MPa 每10MPa可供轴向加载700kN 三、围压加载系统
围压加载系统著有由松下电机减速器螺旋加载装置压力室冲液泵油箱
松下电机、减速器与螺旋加载装置如上图
冲液泵与油箱为压力室与螺旋加载装置冲液
四、自平衡压力室
用于三轴试验围压由压力室与小车组成
压力室又分为自平衡活塞（最上面漏出部分）压力室筒安全圈与固定瓦压力室底座与小车排气阀（阀3）（在打开压力室时必须确定阀3为打开状态）
五、控制柜
控制柜主要包含控制面板全数字控制器EDC2个松下电机驱动器一个
控制面板由3部分组成
轴压系统：一个红色指示灯一个EDC电源开关一个主机油源温度表（当此表显示超过45度必须停止试验）
围压系统：一个红色指示灯一个EDC电源开关一个松下电机驱动器电源开关（打开时先开EDC电源开关）
第3部分为主机油源油泵与围压加载系统油源油泵的启动停止按钮绿色启动红色停止
六、电控箱
主机油源油泵的电路控制箱外边有一个电源开
关
七、计算机
试验数据的采集与试验指令的发送窗口还配有打印机。