作者：彭帥
提出問題
地下采礦、水電硐室開挖、非常規油氣資源開發等人類工程行為，都極易誘發地震、巖爆、大規模塌方等工程災害。地殼巖石多處于三向應力不等的真三軸應力狀態(Feng 等，2016)，現有絕大多數巖石力學試驗機僅能模擬常規三軸這種特殊應力狀態，與地下巖體的實際應力狀態明顯不符，如圖1所示。
此外，在同一加載軸系上僅設置一個作動器進行主動加載，在多軸應力條件下無法保證試樣的幾何加載中心不變，進而難以得到準確的巖石力學參數?？梢?，巖石真三軸試驗系統的開發對開展巖體在復雜應力路徑下的變形和強度特性研究至關重要。
圖1 真三軸和常規三軸應力狀態示意圖
解決方案
為了對現場巖石復雜的多軸應力加載條件進行模擬，東北大學提出巖石破裂過程微觀實時觀測真三軸裝置設計方案，重點關注集成壓力室框架剛度設計、雙對中加載和體變測量等關鍵技術。由歐美大地儀器設備中國有限公司（EPC）提供了一款定制的GDS巖石微觀真三軸試驗系統（見圖2）。
該試驗系統采用混合加載的設計方式，豎直和水平方向各有兩個電機伺服作動器，分別用于施加最大主應力σ1和中間主應力σ2，兩個高精度壓力體積控制器分別用于施加圍壓σ3和孔隙水壓力，可以實現軸向應力、圍壓和孔壓的獨立控制。
系統加載框架剛度為1 GN/m，豎直和水平荷載最大可達32 kN，最大圍壓和孔壓為2 MPa，試樣尺寸為20 mm×5 mm×40 mm。豎向和水平方向配置了4個LVDT來監測作動器位移，還配有4個內置編碼器變形測量精度高，同時可以相互驗證。在高級加載模塊中，不僅可以實現同步對中加載功能，還可以采用荷載、位移、應力、應變等多種控制方式，對小尺寸巖樣進行復雜應力路徑下的多軸（單軸、雙軸、常規三軸、真三軸等）加載試驗。三軸壓力室具有透明有機玻璃可視窗口，與客戶已有微觀顯微系統配合使用，便于單軸和雙軸加載條件下實時觀察巖石的破裂過程。
圖3 GDS TTA 試樣安裝圖示
該試驗系統在同一方向上設置了兩個作動器進行同步對中加載，這種加載方式對伺服控制的精度要求高，可避免加載過程中的偏心問題。圖4為雙軸條件下單作動器加載和雙作動器加載結果對比的圖示。
圖4 單一作動器加載和雙軸同步加載對比示意圖
結論及致謝
該試驗系統具有控制穩定、伺服加載平穩、測量精度高等特點，可以對不同類型巖石開展復雜應力路徑下的強度和變形測試，同時解決了多軸試驗中的偏心加載問題。課題組目前正在進行試驗和數據整理等工作，相關研究成果將在后續論文中發表。
該試驗系統調試和培訓過程中，由歐美大地公司和GDS廠家多位工程師提供了技術支持和幫助，使得設備可以投入科研使用，在此深表感謝。同時，希望在以后的項目中可以繼續合作。
參考文獻
FENG Xia-ting, ZHANG Xi-wei, KONG Rui, et al. A Novel Mogi Type True Triaxial Testing Apparatus and Its Use to Obtain Complete Stress–Strain Curves of Hard Rocks[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, 49(5):1649-1662.
張希巍, 彭帥, 等. 一種用于研究巖石微觀破壞行為的多軸加載試驗裝置[P], CN106596280A, 2017.
東北大學簡介
東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室自2011年獲教育部批準成立以來，一直致力于開展深部金屬礦山復雜工程巖體穩定性與災變孕育演化過程評價方法、災變控制技術和安全高效開采技術研究。
實驗室擁有優越的實驗條件，自主研發了多套巖石力學實驗設備。先后承擔科研項目100余項，獲得國家發明專利60余項，出版專著10余部，發表學術論文300余篇。2016年11月，獲批教育部和國家外專局“111計劃”。多年來，與美國、加拿大、英國、澳大利亞等國家有關研究機構和大學建立了良好的合作關系。
GDS英文版案例：
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