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1、岩石常规三轴试验中位移和应变测量技术哑咣嘿1 岩石常规三轴试验随着现代化经济进程，基础设施的完善，工程建筑的兴盛、新型材料的应用、地质灾害 频发、环境保护的倡导。三轴试验已经广泛应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应 用等领域。在众多的三轴试验当中，常规三轴压缩试验是最为基础也是应用最为广泛的试验。 特别在岩土工程领域，岩石三轴试验承担着边坡稳定、巷道（隧道）围岩维护等与岩石品质密 切相关的科学研究和工程应用的重任。1.1 常规三轴压缩试验三轴压缩试验通常分为常规三轴压缩试验（又称假三轴压缩试验）和真三轴压缩试验， 其中前者的试样处于等侧向压力的状态下，而后者的试样处于三个主应力都不相等的
2、应力组 合状态下。一般情况下岩石所处环境中水平方向压力相当，只有竖直方向上存在较大差异， 本文所讨论的是常规三轴压缩试验。常规三轴试验用圆柱或棱柱试件进行测试，试件放在试验舱中轴线处，通常使用油实现 对试件侧向压力的施加，用橡胶套将试件与油隔开。轴向应力由穿过三轴室顶部衬套的活塞 通过淬火钢制端面帽盖施加于试件之上。通过贴在试件表面的电阻应变片可以测量局部的轴 向应变和环向应变1。根据工程岩体试验方法标准2中的三轴压缩试验为强度试验。由不同侧压条件下 的试件轴向破坏荷载计算不同侧压条件下的最大主应力O，并根据最大主应力O及相应施加 的侧向压力。3,在T-O坐标图上绘制莫尔应力圆；应根据莫尔一库
3、仑强度准则确定岩石在 三向应力状态下的抗剪强度参数，应包括摩擦系数/和粘聚力C值。试验机的发展由早期简单的篮子盛有重物加载到杠杆系统加载再到液压加载,经历了近 5 个世纪。 20 世纪 30 年代到 60 年代，人们在为增加压力机的刚度而努力，直到出现了液 压伺服技术，并结合提高试验机的刚度才形成了可以绘制材料全应力-应变曲线较为成熟的 技术3。1.2 液压三轴试验机在采用液压私服技术的三轴试验中，应变片导线穿过密封橡胶套筒、试验液、以及带隔塞的实验舱。该方法虽然可行，但其试验舱的组装相对复杂。为简化 试验操作，Hoek, E.和Franklin等人04在1968年对三轴试验机的试验舱部分进行
4、了重新设图1-1三轴试验机试验舱剖面图 计，其三轴试验机如下图1-1所示。破坏试验舱密封条件的情况下取出试件。具体试验步骤见图1-3。e插入球形支座d插入试件（包括应变片）g试验后取出岩石试件f进行常规三轴试验图 1-1 中，贴有双向应变片的圆柱形岩石试件被包裹在橡胶套筒中，橡胶套筒两端为 U 型。端部U型橡胶套筒的密封机制见图1-2。试件及套筒位于在钢制圆筒形试验舱中心，实 验舱上下两端设有开孔盖帽。油填通过输油孔将套筒和试验舱间空隙图1-2橡胶密封机制 填满并施加油压。试件、压板以及应变计导线都可以插入试验舱进行试验，试验后可以在不h拆解试验舱（试件变形大）图1-3三轴试验步骤示意图2 三
5、轴试验变形测量相比于单轴试验，三轴压缩试验中岩石试件被包裹在橡胶套中且受到侧向油压，应变片 则夹在试件于乳胶套筒中间，其导线通过图 1-2 中试验舱的底盖与加压装置间的缝隙连接到 试验舱外部的数据接收装置，这就是传统三轴试验中变形测量的困难所在。除了应变片式应变计外，土和岩石的三轴压缩试验中还采用诸如 LVDT 局部应变传感 器、图像测量系统等测量技术。这些测量技术各有其优点，测量技术的丰富也使得三轴试验 的变形测量更加方便准确。2.1 应变片2.1.1 应变片原理Base length(Gage length)Center mark应变片于 1938 年先后由 Edward E. Simmo
6、ns 和 Arthur C. Ruge 各自独立地发明出来。一 般地，应变片（见图2-1）由绝缘基片与金属敏感栅组成。应变片需要使用正确的粘合剂与 物体相连接，比如502 胶水。当被测部件受外力变形时，敏感栅也随之变形，因此敏感栅的 电阻值会产生相应的变化。一个典型的应变片，其主测试方向为水平方向。敏感栅外部的标 记线便于粘贴时应变片对齐所测应变方向。Gage lead (silver-clad copper wire,0.12 to 0.16 mm and 25 mm long)图2-1应变片应变片很好地利用了导体的物理特性和几何特性。当一个导体在其弹性极限内受外力拉 伸时，其不会被拉断或产
7、生永久变形而会变窄变长，这种形变导致了其端电阻变大。相反， 当一个导体被压缩后会变宽变短，这种形变导致了其端电阻变小（如图2-2 所示）。通过测 量应变片的电阻，其覆盖区域的应变就可以演算出来。应变片的敏感栅是一条窄导体条曲折 排列成的一组平行导线，这样的布置方式可将基线方向的微小变形累积起来以形成一个较大 的电阻变化量累计值。应变片的测量对象只有其所覆盖区域的变形量，足够小的应变片可在 诸如有限元式的应力分析当中使用。图 2-2 应变片变形示意图应变片测量的计算公式如下：ART =唸式中：目标应变；K应变片敏感系数，K值与敏感栅的材料和几何形状等有关，是由制造厂家用 标准应变设备抽样标定后，
8、提供给使用者的；AR电阻变化值；R初始电阻值。F供桥电压图2-3惠斯登电桥为了测量,就要测得吧而是通过惠斯登电桥 R R测得的,电桥如图 2-3,其作用是将电桥的电阻变化 转换成电压输出。电阻R、R2、R3、R4构成电桥的 四个桥臂，它们可用应变片代替。其中两个对角AC 为供桥端，供给直流电压 VAC 来表示，另两个对 角 BD 为输出端，输出电压用 UBD 来表示。工作 时只有两个相邻桥臂电阻发生变化的称为半桥接 法，四个桥臂电阻均发生变化的称为全桥接法。R1R4 R2R3（1） 当采用半桥接法时，输出电压为：U =1-42-3yBD (R1 + R2)(R3 + R4)“电桥的平衡条件为R
9、1R4 - R2R3 =0，一般的电阻应变仪都设计为等比电桥，即：R =R =R =R，1234所以电桥的原始状态是平衡的。当测量的构件受力作用时，构件的变形使粘贴于上的电阻应变片R也跟着变形而产生电阻的变化。如AB桥臂上R这个电阻应变 片（简称工作片），它从R变化为R1+AR，其他的几个桥臂固定不动。这就造成了电 桥的不平衡，将有一个电压输出，即：UBD(R1 + AR)R4R2R31AR(R1+ AR + R2)(R3 + R4)2R由于应变测量时，电阻变化率甚小,M1,因此:UBD1AR2）当采用全桥接法时，输出电压为：UBDR1R4 R2R3V(R1+R2)(R3+R4)设等臂电桥的R
10、1= R2= R3= R4=R，工作时四个电阻都要产生电阻变化量,其变化量分别为AR、AR2、AR3、AR4，R ARj则可近似认为:UBDUBDK=4(1 2+ 3 - 4)Vi故应变仪器读数：-2+3-2.2.2 应变片选择及布置在进行三轴试验的设计时，需要选择合适该试验的应变片，选择应变片的步骤如下：1）首先根据应用精度、环境条件选择应变计的系列；2）根据试件大小尺寸、粘贴面积、曲率半径、安装条件、应变梯度选择敏感栅栅长3）根据应变梯度、应力种类、散热条件、安装空间、应变计电阻等选择敏感栅结构4）根据使用条件、功耗大小、最大允许电压等选择标称电阻；5）根据试件材料、工作温度范围、应用精度
11、选择温度自或弹性模量自补偿系数；图2-4棱柱试件应变片布置（6）根据弹性体的固有蠕变特性、实际测试的精度、 工艺方法、防护胶种类、密封形式等选；（7）根据实际需要选择应变计的引线连接方式。这里以K.HAYANO和T.SATO等人对软质泥岩的三轴 压缩试验为例，试件为棱柱体，尺寸为80mm x 80mm x 160mm,试验的变形应变计采用应变片，共4对应变片用 于测量岩石试件的轴向和侧向变形（如图2-4所示）。其中 竖向应变片一对，长80mm长;侧向应变片三对，长60mm。从上述文献不难看出，竖直方向的应变片长度长于侧向，这是由于试件的截面尺寸为80mmX80m m,在选择侧向应变片的时候应变
12、片长度不单要小于截面80m m,还需要预留出 一段距离便于应变片的粘贴。而相试件的轴向尺寸两倍于侧向尺寸，选择栅长较长的应变片 能够覆盖更大的测量范围，即使得测得的数据更加反应应变的平均值。此外，虽然试件的两对侧面均布置了应变片，这是为了沿试件高度方向均匀布置侧向应变计，这样能通过三对侧 向应变片采集的应变数据反应试件不同高度处的变形情况。该试验为常温下的三轴试验，对于高地应力的岩石试件进行试验时，往往需要对试件在高温高压的环境下的物理力学性能做图2-5加围压应变测量结果出评测，这时需要应变片能够在高温环境下保持一定的敏感度并稳定工作。2.2.3 应变片测量缺陷及解决根据刘晓红等人6的研究，在
13、进行试件实测时一般只记录 加轴向压力后岩样的变形情况，有时也记录加围压过程中岩石 的应变, 但资料并不理想, 常常无法利用。如图2-5 所示，理论 上来说试验中无论是轴向应变还是横向应变都是压缩应变，且与围压成正比关系。但实测情况下，加围压时，有时记录得到 的是拉伸变形即c线;有时记录到压缩变形后又变成拉伸变形即b线。而且每次试验中压缩、拉伸应变值也都不相同。这种复杂的结果常常使得加围压过程中应变的测量资料无法利用。加围压前加围压后图 2-6 加围压前后应变片变化通过显微镜对加压前后应变片变形的情况（图 2-6）进行对比，不难发现，在加压之前， 应变片非常平坦；加围压后，应变片上了一些下凹的小
14、坑，坑的直径约为1mm左右。不同 的应变片受到围压作用后，其上坑的数量、大小和分布各不相同。进一步用显微镜直接观察 经过加工后的岩样表面, 发现岩样表面上存在着许多小坑, 不管加工多么仔细（ 甚至经过无 心磨床研磨） 岩石表面的矿物颗粒总有极少量的脱落, 从而在表面上形成一些小坑, 坑的直 径与矿物颗粒直径接近，深度约0.10.3mm不等。因此，当我们把一片平坦的应变片贴在岩 样表面时，由于围压的作用，应变片会局部逐渐地被压入岩样表面的小坑。由于小坑深度有 限，大多数情况下，应变片不会被压断，而是出现了永久变形。虽然岩样受到了压缩，但这 种实际上被加长的应变片记录得到的却是拉伸应变。可以这样来
15、理解，加围压过程中的应变 测量结果: 应变片记下的应变反映了两种结果， 一种是岩样的变形， 而另一种是应变片本身 形状变化（ 这种变化与围压大小有关）。由于岩样表面小坑情况很复杂， 有时有小坑， 有时又 没有，有时小坑多， 有时小坑少。因此， 在加围压过程中应变片形状变化也是不确定和难以预 测的。通过对岩样预先施加一定的围压值，再卸掉围压至零，再重新增加围压。如此当围压到 达预先施加的围压值之前，应变片的永久变形不会再发生变化了，此时应变测量的结果则完 全表示了岩样在围压下的变形情况。但如果岩石试件需要达到较高的应力状态甚至破坏阶段， 则在围压值到目标应力值的区段内仍旧会包含应变片本身的变形影响。2.2 LVDT局部应变传感器LVDT （Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线 位移传感器。可以直接在试样上测量轴向和径向小应变，是一款优质的位移传感器。局部应 变传感器又分为轴向应变测量装置和径向局部应变传感器两种，如图2-7 所示。轴向应变测量径向局部应变测量图 2-7 LVDT 位移传感器
