岩石三轴拉伸试验装置研制及应用范文

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摘要：为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性，对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造，一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置，使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载；另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具，解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法，能实现0～140MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究，利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明，试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验，得到相应的三轴拉伸试验曲线；页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式，低围压下依然呈现脆性特征，高围压下则是由脆性向塑性转换。

关键词：MTS815材料试验机；岩石三轴拉伸；随动连锁装置；三轴拉伸夹具；三轴拉伸试验曲线

1引言

岩石的抗拉强度是岩石力学中的一个重要指标，由于岩石内部有微裂隙、孔隙等，使其强度远远低于抗拉强度，试验中只需要很小的力就使岩石发生破坏[1]。直接拉伸试验存在着各种各样的难题诸如岩石试件的加工、与试验机的连接以及对中控制偏心等问题，关于直接拉伸试验只有较少的研究。近些年来国内外学者针对拉伸试验的难题提出了一系列的试验方法，国内最早进行拉伸试验的长江科学院岩基室[2]曾设计出了原理类似于压力试验机球形绞座的岩石拉伸夹具，进行了多种岩石的轴向拉伸试验，但不能避免偏心拉伸。陶纪南[3]使用了一种结构简单、可以实现自动对中的试验装置，但试验成功率较低。Hawkes等[4]将岩石试样粘贴在金属夹头上进行拉伸试验，但金属套筒结构复杂，无法避免扭转效应。Stimpson等[5]将岩石加工成特殊的中空圆柱状进行轴向拉伸试验，但这种具有同心的中空圆柱状试样的加工十分困难，难于普遍使用。余贤斌等[6]利用滚动轴承传递拉伸荷载，可以避免试样受到偏心拉伸，但连接件过多，一旦轴承转动受阻，即会引起显著地偏心受拉或扭转破坏。Okubo等[7–8]采用环氧树脂胶粘法在伺服控制实验机上进行不同岩石的拉伸试验，但粘接试样的固定板和加载装置也未能做到精确对中，也产生了偏心拉伸的问题，对试验结果产生了巨大的影响。吴永胜等[9]、陈忠[10]、张志雄[11]对岩石劈裂，压缩及轴向拉伸进行试验研究，也未能彻底消除试验中的偏心问题。尤明庆等[12]利用设计的试验装置在伺服试验机上进行围压下圆柱岩样的直接拉伸试验，试验的成功率较低，数据的离散型较大，利用的价值较低。Li等[13]较大幅度地改进试验夹具，使得岩石的直接拉伸试验成功率大大升高。Tufekci等[14]设计了一种新的爪式离合器机构测试岩石的直接拉伸强度，并比较了直接法与间接法的直接拉伸强度。由于拉伸试验存在的一系列难题，目前测试岩石的抗拉强度的主流方法是采用巴西劈裂等间接方法[15–18]。间接方法中岩石试样的受力状态过于复杂，测试结果的准确性无法保证，且这些方法只适用于单轴条件下[4,19–20]。在工程上地下工程中的围岩多处于三向应力状态，尤其在巷道开挖载荷后其围岩径向方向会受到两向受压和一向受拉的应力状态[21]，因此迫切需要研制一种三轴拉伸装置解决对中控制偏心问题，进行不同围压下的拉伸试验。针对以上问题，笔者等设计出一种能够对岩石进行三轴拉伸的装置和试验方法，可以有效地保证以上两点，选用页岩进行测试，测定后印证该装置设计合理，实现方便且效果很好，能有效地完成岩石三轴拉伸试验过程，准确分析岩石破坏的类型。

2随动联锁装置的研制

2.1原有仪器的优点与缺陷

美国MTS815力学实验系统最大载荷量程为2600kN，载荷测量精度为±0.5%。伺服液压系统具有很高的灵敏度，可很好地保证了测试的精度，是目前为止精度最高、性能最先进的岩石力学试验装备。MTS815材料试验机是一种用于岩石压缩的试验仪器，原仪器作动器活塞与加载平台分离只有当作动器活塞向上运动（施加压载荷），升高到一定程度时才能与加载平台接触并一起运动，并将压载荷传递到岩石试件上。当作动器活塞向下运动时压载荷逐渐减小，直至压载荷为0，此时作动器活塞与加载平台重新分离，加载平台下降到导向轨道高度停止运动，无法把拉载荷作用到岩石试件上。

2.2随动联锁装置的研制装置主要由轨道、带有螺孔的平面钢板和直角型钢块组成。平面钢板主要用于与试验仪器的作动器活塞相连，使用4个螺丝与作动器活塞连接，保证平面钢板能与作动器的活塞上下移动，由于加载平台只有在最底部的时候才能左右滑动，从而导致平面钢板无法放置在加载平台与作动器活塞之间。为了解决这一问题，在原有加载平台两端所用的轨道上放置了与平面钢板相同厚度的加工轨道。解决平面钢板与加载平台能同步移动的问题是使用4个带有螺栓的直角型钢块，每个钢块上带有2个螺栓，一个与加载平台进行固定连接，另外一个与平面钢板进行连接，4个直角型钢块分别放在加载平台的4个角处，保证受力均匀，实现了加载平台与作动器活塞同步上下移动。

3三轴拉伸夹具的研制

装置主要由以下几部分构成：（1）连接头连接头用于与试样两端进行粘接，有上下2个相同的连接头，连接头与试样连接的一端直径要大于或者等于试样的尺寸，上连接头另一端能与万向节的T型滑槽进行挂接，下连接头的另一端与下联结块的T型滑槽进行连接。万向节与下联结块的T型滑槽可以进行旋转，用以调节连接头与其挂接的方位，保证连接头与试样不会产生移动。连接头与试样的粘接使用的是美国3M胶，是由粘接剂和固定剂组成，粘接剂和固定剂混合使用比例为3:2，混合均匀并且粘接时不能有较大的滑动，3M胶完全凝固后的强度会大于岩样的拉伸强度（包括单轴和三轴），通过测试，24h后3M胶的拉伸强度为42～45MPa，随着粘接时间的延长，拉伸强度会逐渐变大，最大能达到54～55MPa。（2）万向节所研制的万向节有多自由度，在不同的方位可以进行左右或者前后的移动，与连接头连接的一端设置有T型滑槽，能与连接头进行有效的连接，另一端设置有竖向螺纹，用于与上联结块设置的螺孔进行旋转连接。万向节所独有的多自由度的功能可以有效地防止由于试样不平造成的拉伸载荷方向与试样轴线不重合造成的附加弯曲载荷对试验结果的影响。由于这一功能的产生使得岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题得到解决。（3）联结块所设计的联结块包括上联结块和下联结块，装置有所不同，上联结块中部设置有螺孔，用于与万向节连接，周围分布有6个等直径的螺孔，与MTS815材料试验机的力传感器进行连接，将拉力能有效地传递到力传感器中进行监测记录。下联结块一端与连接头进行连接，另一端的周围同样设置有6个等直径的螺孔，用于与MTS815的加载平台进行固定连接。本装置与国内外同类型的试验装置相比有如下技术优势：（1）随动联锁试验装置的研制使得加载平台与作动器活塞可以上下同步移动，实现了MTS815试验仪器可以进行主动压缩和主动拉伸的功能。（2）三轴拉伸试验夹具的研制使得当加载平台向下移动时载荷传感器能够接收到拉伸的信号，夹具中的特有的万向节可以提供一个多自由度的调整，在粘接试样时保证试样两端与连接头粘接牢固，使试样与连接头位于同一轴线处。试验前利用万向节特有的自由度进行小范围的调整，再给予一定的初始应力，保证在注油的过程中拉伸夹具不发生扰动，一系列的措施可以解决由于试样不平造成的拉伸载荷方向与试样轴线不重合造成的附加弯曲载荷对试验结果的影响，也相应的解决了试样对中的问题。（3）岩石三轴拉伸试验装置不仅适用于软岩的直接拉伸也适用于硬岩的直接拉伸，应用范围广。（4）能够在不同围压条件使用，能在低围压和高围下进行准确地测试。

4试验使用

上述基于MTS815材料试验机的岩石三轴拉伸装置，对页岩进行了不同围压下的三轴拉伸试验。三轴拉伸试验是指试样首先在三轴腔中固定，然后向三轴腔中注油，施加围压，采用位移或者力控制使轴向拉力逐渐增大直至试样破坏的过程。

4.1试验方案试样为页岩，将试样事先做好“狗骨头”的形状，为使岩样均匀受压，在页岩周围涂上软胶泥，做成圆柱形状，见图5。试验中采用位移控制，加载速率为0.12mm/min，对页岩分别进行围压为0、10、15、20、40、60、80MPa的三轴拉伸试验。

4.2试验方法（1）试样粘接用3M胶将页岩试样粘接于上连接头与下连接头之间，使岩样与连接头保持在同一轴线处，静置48h后3M胶完全凝固，在连接头的端口处安装具有一定耐油性和弹性的橡胶圈，再在连接头与岩样一体的装置上套上热缩管，热缩管的长度要覆盖上连接头与下连接头的橡胶圈处，用热风机从中间向两边吹热缩管，保证热缩管能够很好地固定在被测试岩样与上下连接头处。（2）仪器安装将轨道、带有螺孔的平面钢板和直角型钢块分别安装在加载平台与作动器活塞处，组成随动联锁装置。夹具处将上联结块安装在MTS815的载荷传感器处，用螺丝与上联结块周围的螺孔进行旋转连接，再将万向节上方的竖向螺纹与上联结块的竖向螺孔进行旋转连接，同样利用螺丝将下联结块周围的螺孔与MTS815的下方加载平台进行旋转连接，再将与岩样粘接的连接头挂接于下联结块与万向节处，调整万向节，保证万向节、连接头、被测试岩样和下联结块的中心位于同一轴线处。（3）拉伸试验试样安装完毕后拔下三轴室插销，将三轴室平稳落到加载平台上，将其周围的粗螺钉紧固，形成内部密闭空间。向三轴室腔体内注油，完毕后对被测岩样施加一定的围压值（按试验方案要求，施加不同的围压状态）。最后，采用轴向位移控制模式，以0.1mm/min的速率对被测试岩样施加拉载荷，直到岩样断裂破坏，加载过程中由控制电脑实时记录载荷、位移等原始数据。岩样断裂破坏后应尽快结束试验，防止由于过度拉伸造成的热缩管外套损伤而引起的试样进油。试验完毕后进行回油操作，打开三轴室，取下岩样，观察试样的断裂面，拍照和记录。（4）数据处理试验结束后试验数据会自动以标准excel（或dat）格式保存在指定文件夹内，数据主要包括时间、位移、载荷、围压等参数。研究者可利用这些参数根据研究目的进行计算分析，得出不同围压条件下岩石试件的三轴直接拉伸力学特性及规律。

5试验结果分析

5.1偏应力计算及其拉伸位移曲线利用上述的试验装置及其试验方法进行了不同围压下的拉伸试验，用t表示拉伸偏应力。

5.2破坏模式由图6可知，页岩主要有拉伸破坏和剪切破坏两种破坏方式，拉伸破坏时断裂面与拉力方向几乎垂直，断面不平整，断裂面上的拉应力为主应力，剪切破坏时破坏面与最大主平面呈现一定的夹角，主应力是处于压应力的状态。（1）拉伸破坏图7为页岩处于10MPa低围压下破坏的断面形状。断裂面呈水平状，整个断面粗糙不平。破坏的特点与单轴拉伸相似，拉伸的位移相对不大。

5.3破坏现象分析结合上述的断面图形和位移曲线（见图6）可知，在0MPa即无围压的条件下页岩的拉伸位移曲线呈现出了3个阶段，分别为上凹阶段、直线阶段和破坏阶段。上凹阶段即为裂隙扩展阶段，曲线斜率在不断增加，主要是拉应力的作用使得裂隙不断发生扩展；直线阶段即为稳定阶段，表明页岩在拉应力的作用下，裂隙在稳定扩展；破坏阶段页岩到达峰值强度以后突然发生破坏，表现出明显的脆性破坏。具有围压的条件下分为低围压和高围压，低围压下曲线起始处仍然呈现上凹阶段，但没有单轴条件下明显，随着围压的增大，“上凹”现象逐渐消失。导致这一现象的主要原因是裂隙扩展阶段侧向压力的存在时抵消了一部分拉应力对裂隙扩展所产生的作用，仍是拉应力在起主导作用，围压越大，抵消作用越明显，直到高围压条件下侧向压应力的作用起到完全的主导作用。在低围压的直线稳定阶段，拉应力依然为主导作用，直到页岩发生破坏，而高围压下侧向压应力已经抵消拉应力产生的作用，起到主导作用，高围压下峰前呈现明显的塑性阶段，破坏阶段依然为脆性破坏。

6结论

（1）基于新型MTS815材料试验机研制的一种新型的三轴拉伸试验装置，分为随动联锁装置和三轴拉伸夹具，使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载，解决了岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。针对三轴拉伸试验装置及试验设计了一套完整的三轴拉伸试验方法，可有效地进行三轴拉伸试验。（2）利用新装置对页岩进行了不同围压下的拉伸试验，绘制出了拉伸位移曲线，总体上拉伸应力随着围压的增大而增大，在无围压或者低围压下曲线呈“上凹–直线–破坏”状态，高围压条件下曲线呈“直线–平缓–破坏”状态。（3）页岩的低围压和高围压的破坏形式分别为拉伸破坏和剪切破坏。压应力和拉应力在高围压和低围压下不同时期所起的主导作用，低围压下拉应力依然起到主导作用，高围压下侧向压应力起到了主导的作用，使高围压下页岩由脆性向塑性发展。

作者：马春德1,2;郭春志1;潘素平2;周亚楠1 单位：1.中南大学资源与安全工程学院，2.中南大学高等研究中心