巖石三軸力學(xué)教學(xué)實(shí)驗裝置研制及教學(xué)應(yīng)用1)

閆傳梁 董磊峰 程遠(yuǎn)方 任 旭 韓忠英 劉 彬

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院, 山東青島 266580)

巖石力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)原理和方法來研究巖石力學(xué)行為以及與力學(xué)有關(guān)現(xiàn)象的一門科學(xué)。巖石力學(xué)原理目前已廣泛應(yīng)用于油氣開采、采礦、人防、隧道、土木、水利水電等工程領(lǐng)域[1]。

巖石的常規(guī)三軸力學(xué)實(shí)驗是指用圓柱形試件在一定溫度和壓力條件下來研究巖石在原地物理環(huán)境下力學(xué)性能的實(shí)驗，是巖石力學(xué)特性研究的重要方式。為了準(zhǔn)確測量巖石在峰后階段的變形特征，獲取加載過程的全應(yīng)力–應(yīng)變曲線，需要盡可能地提高主機(jī)框架的剛度，這使得常規(guī)三軸力學(xué)實(shí)驗裝置的主機(jī)體積非常大。幾十年來，常規(guī)三軸實(shí)驗裝置主機(jī)經(jīng)歷了由四立柱結(jié)構(gòu)向框架結(jié)構(gòu)的演化[2-3]，體積逐漸減小。但是，現(xiàn)階段的框架式三軸力學(xué)實(shí)驗裝置主機(jī)仍然具有體積大、成本昂貴、實(shí)驗周期長、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，制約了巖石力學(xué)實(shí)驗教學(xué)的開展[4-5]。

隨著構(gòu)思—設(shè)計—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作(conceive–design–implement–operate, CDIO)教學(xué)理念的快速發(fā)展，越來越多國內(nèi)高校采用CDIO理念用于本科生甚至是研究生培養(yǎng)[6-10]，這進(jìn)一步突出了實(shí)驗教學(xué)在學(xué)生將科研實(shí)踐與課堂理論相結(jié)合的過程中的重要性。為了更好地開展巖石力學(xué)課程的實(shí)驗教學(xué)，在將巖石三軸實(shí)驗裝置應(yīng)用到實(shí)驗教學(xué)當(dāng)中時，需要降低裝置成本，簡化操作流程，克服常規(guī)三軸實(shí)驗裝置的局限性[11]。筆者在調(diào)研了國內(nèi)外常規(guī)三軸力學(xué)實(shí)驗裝置結(jié)構(gòu)后，結(jié)合實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐和對傳統(tǒng)三軸實(shí)驗裝置的長期使用經(jīng)驗，設(shè)計了一種更適用于教學(xué)的巖石三軸實(shí)驗裝置。該裝置在保證高精度的前提下，具有剛度大、體積小、成本低、操作安全簡單等特點(diǎn)，能更好地應(yīng)用于相關(guān)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研當(dāng)中，從而提高學(xué)生的科研興趣和動手實(shí)踐能力，并使其更好地理論聯(lián)系實(shí)踐，增強(qiáng)利用理論知識解決實(shí)際問題的能力[12-13]。

1 實(shí)驗裝置

1.1 傳統(tǒng)三軸實(shí)驗裝置

常規(guī)三軸力學(xué)實(shí)驗裝置（又稱假三軸或擬三軸實(shí)驗裝置），是巖石三軸力學(xué)實(shí)驗裝置的基本類型，其側(cè)向應(yīng)力通稱圍壓，由圍壓系統(tǒng)通過液壓油等流體介質(zhì)進(jìn)行施加[2]，此時σ2=σ3，故稱假三軸。

為了測得巖石的全應(yīng)力–應(yīng)變曲線，保證峰后可測，就需要提高主機(jī)框架剛度，減少峰前儲能?？蒲腥藛T從早期的提升實(shí)驗主機(jī)材料來提升剛度演變成改變實(shí)驗主機(jī)結(jié)構(gòu)來提升剛度，其中主機(jī)結(jié)構(gòu)的演變由四立柱結(jié)構(gòu)演變成現(xiàn)在的框架式結(jié)構(gòu)[14]。但無論是四立柱式主機(jī)還是框架式主機(jī)的體積都很大[15]，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高、所占實(shí)驗室面積大、對實(shí)驗室要求高，進(jìn)一步增加了實(shí)驗教學(xué)成本。

除此之外，常規(guī)三軸實(shí)驗裝置的框架式結(jié)構(gòu)在進(jìn)行實(shí)驗前需要進(jìn)行釜體對中、實(shí)驗時需要反復(fù)升降高壓釜、壓力室加壓時需要用笨重的固定卡瓦鎖緊，這些過程都存在一定的安全隱患。實(shí)驗過程復(fù)雜繁瑣，費(fèi)時費(fèi)力，這無疑加大了實(shí)驗難度。對學(xué)生來說，他們第一次進(jìn)行實(shí)驗時，難免會緊張出現(xiàn)操作失誤，這也加大了安全風(fēng)險，不利于實(shí)驗教學(xué)。

1.2 內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置

本次研發(fā)的內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置如圖1和圖2所示，由計算機(jī)、全數(shù)字伺服控制器、實(shí)驗主機(jī)、軸壓加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)和孔壓系統(tǒng)等構(gòu)成。該裝置主要適用直徑為25 mm，高徑比為2左右的巖心，裝置的最大軸向載荷為500 kN，最大圍壓為50 MPa。各種開關(guān)、按鍵均集中分布在裝置前側(cè)，方便老師講解和學(xué)生在實(shí)驗中進(jìn)行操作。

圖1 內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 巖石三軸力學(xué)教學(xué)實(shí)驗裝置

傳統(tǒng)的常規(guī)三軸實(shí)驗裝置軸向應(yīng)力加載所用的框架位于高壓釜之外，高度較高，增大了材料用量，同時也增加了實(shí)驗過程中框架在峰值強(qiáng)度前儲層的彈性勢能。為了解決這個問題，本裝置去掉了傳統(tǒng)三軸實(shí)驗裝置中軸向應(yīng)力加載所需的框架，在高壓釜內(nèi)用兩根柱體來承擔(dān)軸向載荷產(chǎn)生的反作用力，這樣大大減少了框架的高度。將壓力室柱體做的剛度足夠大，實(shí)驗主機(jī)采用鉻鉬合金材料進(jìn)行一體式嵌合。

由于本教學(xué)實(shí)驗裝置中用于加載的壓力室柱體高度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)三軸實(shí)驗機(jī)的框架，因此大大減少了峰值前框架存儲的彈性勢能，使峰后階段的應(yīng)力–應(yīng)變曲線更準(zhǔn)確；同時，本裝置將高壓釜與加載立柱一體化，大大縮小了裝置體積，如圖2所示在相同的實(shí)驗室空間內(nèi)可以放置更多的實(shí)驗裝置。多臺實(shí)驗裝置集中放置還可以共用液壓油源，進(jìn)一步減少占地面積，更加有效地利用教學(xué)實(shí)驗室空間。

為了實(shí)現(xiàn)壓力室的密封，本裝置中實(shí)驗主機(jī)的壓力室外筒壁和壓力室柱體采取如圖3所示的方式相嵌合，通過下部底座中液壓機(jī)驅(qū)動外筒壁上升和下降，外筒壁下降打開壓力室，外筒壁上升關(guān)閉壓力室，為了保證實(shí)驗安全，關(guān)閉時外筒壁用螺絲銷上緊鎖死。這種外筒壁和柱體相嵌合的方式，避免了實(shí)驗過程中為了開關(guān)壓力室而升降整個高壓釜的問題，也簡化了傳統(tǒng)裝置中關(guān)閉壓力室還要對中的實(shí)驗步驟，使實(shí)驗準(zhǔn)備工作需要的時間更短，也大大減少了安全隱患。同時，外筒壁的升降由主機(jī)上的開關(guān)直接控制，既安全又方便學(xué)生操作。

圖3 內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

為了在三軸實(shí)驗過程中圍壓加（卸）載的同時軸壓自動平衡，本裝置還設(shè)計了由自平衡室和壓力室通過高壓管線連接而成的自平衡系統(tǒng)。其自平衡原理如圖4所示，自平衡室中自平衡活塞上部圓環(huán)的面積A1和壓力室中自平衡活塞下端面面積A2相等，兩個腔體通過高壓管線連接，在圍壓加壓時，作用在自平衡活塞下端的載荷等于作用在平衡壓力室圓環(huán)上的載荷，即加圍壓時自平衡活塞所受軸向合力為零。自平衡裝置的設(shè)計減小了圍壓對軸壓加載的影響，使實(shí)驗數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

圖4 自平衡系統(tǒng)原理示意圖

學(xué)生在進(jìn)行巖樣準(zhǔn)備時由于經(jīng)驗不足，加工的部分巖樣并不是十分標(biāo)準(zhǔn)，為了增加設(shè)備對這部分巖樣的適用性，自平衡活塞的下端面和上壓頭上端面采取如圖5所示的半球鑲嵌模式。當(dāng)巖樣表面不平時，半球形連接可以自動調(diào)整加載方向，做到均勻加壓。自平衡活塞和上壓頭內(nèi)部預(yù)留有加載孔壓所需的孔道，為了在上壓頭與巖樣對齊過程中不影響孔壓的加載，在自平衡活塞和上壓頭相結(jié)合處預(yù)留孔道直徑逐漸擴(kuò)大；其中上壓頭下端面為平面，為實(shí)現(xiàn)孔壓的均勻加載刻有凹槽。下壓頭也采取如圖6所示的半球鑲嵌結(jié)合的模式。

圖5 自平衡活塞和上壓頭下端面結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 試樣臺和下壓頭上端面結(jié)構(gòu)示意圖

為節(jié)省實(shí)驗教學(xué)的成本，本裝置設(shè)計了圍壓回油裝置。打開回油閥和通氣閥，殘余油就會被自動回收，并經(jīng)過濾后可以重復(fù)利用，真正做到了不污染實(shí)驗室、減少資源浪費(fèi)、節(jié)省實(shí)驗成本。

內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置的工作方法主要包括以下步驟：

（1）用隔油套密封試樣并在試樣外側(cè)安裝徑向變形傳感器和軸向變形傳感器；

（2）開啟壓力室并放置試樣到下壓頭上，連接好變形傳感器數(shù)據(jù)傳輸線；

（3）閉合壓力室，向高壓釜注入液壓油并開始加載圍壓，待圍壓加載到設(shè)定值后停止加壓；

（4）進(jìn)行軸向應(yīng)力加載，并利用計算機(jī)獲得如圖7所示的全應(yīng)力–應(yīng)變實(shí)驗曲線（與GCTS巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)得到的實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩者的實(shí)驗曲線相差較小，變化趨勢基本吻合）；

圖7 全應(yīng)力–應(yīng)變實(shí)驗曲線

（5）實(shí)驗完畢后先卸載軸向應(yīng)力，再卸載圍壓及打開充氣閥和回油閥回收液壓油；

（6）打開壓力室取出試樣。

2 教學(xué)效果

由于受常規(guī)三軸實(shí)驗裝置占地面積大、成本高的局限，一間實(shí)驗室只能裝下一臺裝置，學(xué)生在反復(fù)升降釜體和搬動卡瓦的過程中存在安全隱患，導(dǎo)致巖石力學(xué)課程的實(shí)驗教學(xué)往往以參觀和教師演示為主。但是學(xué)生看一遍教師演示，記憶效果并不好，其科研積極性容易被挫傷。此外，由于缺乏相對應(yīng)的實(shí)驗課程，學(xué)生只能枯燥地學(xué)習(xí)理論知識，不能將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。

本次研發(fā)的內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置體積小、剛度大、成本低、安全性高，十分利于實(shí)驗教學(xué)。（1）教學(xué)實(shí)驗機(jī)占地面積小，成本低，一個普通的教學(xué)實(shí)驗室可以容納多臺設(shè)備，每個學(xué)生都可以上手操作；（2）實(shí)驗過程中不用反復(fù)升降釜體，師生可以放心實(shí)驗減少了安全隱患；（3）實(shí)驗操作簡單，實(shí)驗時間短，學(xué)生容易理解記憶，也容易產(chǎn)生興趣從而更好地進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。教師在講授巖石力學(xué)課程時可以采用28學(xué)時理論課和4學(xué)時實(shí)驗課相結(jié)合的授課方式。這樣理論課的專業(yè)知識可以在實(shí)驗課中進(jìn)行檢驗和鞏固，加強(qiáng)學(xué)生對巖石破壞形式的直觀認(rèn)識。比如，巖石在三軸壓縮應(yīng)力下一般會發(fā)生剪切破壞，如果沒有實(shí)驗環(huán)節(jié)，學(xué)生對此容易產(chǎn)生懷疑，而通過實(shí)驗課，學(xué)生可以直接地觀測到三軸壓縮條件下巖石的剪切破壞面，從而加強(qiáng)對課堂內(nèi)容的理解。同時，實(shí)驗課的增設(shè)也提高學(xué)生的動手能力，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，更好地踐行CDIO理念。實(shí)驗課開設(shè)后，很多學(xué)生結(jié)合自己的大創(chuàng)項目，設(shè)計了一些巖石力學(xué)相關(guān)的創(chuàng)新性實(shí)驗。他們課下主動到實(shí)驗室進(jìn)行實(shí)踐，使得實(shí)驗室不但用于課堂教學(xué)，還成為學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐基地。

本裝置雖然降低了加工成本，但并沒有降低實(shí)驗結(jié)果的可靠性。它具有自平衡系統(tǒng)，可以在三軸實(shí)驗過程中圍壓加（卸）載的同時軸壓自動平衡，能更好地保證實(shí)驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且壓力室柱體的高度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)三軸實(shí)驗機(jī)的框架，剛度也大于傳統(tǒng)三軸實(shí)驗機(jī)，大大減少了峰值強(qiáng)度前框架存儲的彈性勢能，使峰后階段的應(yīng)力–應(yīng)變曲線更準(zhǔn)確。因此，本裝置在科研工作中也具有良好的適用性。巖石力學(xué)實(shí)驗課的有效實(shí)施，能夠使教師的教學(xué)能力、水平大幅提高，也能通過教學(xué)促進(jìn)科研，使任課教師的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)得到提高，形成師生共同受益并皆能持續(xù)發(fā)展的良好局面。

3 結(jié)論

內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置內(nèi)置框架主機(jī)，用壓力室外筒壁和壓力室柱體相嵌合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)常規(guī)三軸實(shí)驗裝置中的立式框架和高壓釜，使設(shè)備體積大大縮小，剛度增大，而且省略了實(shí)驗過程中高壓釜的反復(fù)升降的步驟；本裝置采用圍壓自平衡方式，使圍壓加（卸）載時不產(chǎn)生附加的軸向載荷；軸向加載壓頭采用球形連接，能更好地保證加載方向與巖樣軸線平行。

內(nèi)置框架巖石三軸教學(xué)實(shí)驗裝置體積小、成本低、安全性高、實(shí)驗簡潔高效，十分適用于巖石力學(xué)的實(shí)驗教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，使教師授課更容易、學(xué)生學(xué)習(xí)也更輕松。