巖石力學(xué)與工程實驗指導(dǎo)書(修訂)-資料下載頁
2025-06-25 02:39本頁面
【正文】 者 13 / 1814 / 18四、巖石力學(xué)伺服控制剛性試驗1 概述普通的力學(xué)試驗機是由加載架、液壓系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，長期以來大多數(shù)巖塊的變形與強度性質(zhì)的試驗都靠普通試驗機來完成。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，在進行巖石力學(xué)試驗時，當(dāng)達到巖石峰值強度的瞬間，往往會發(fā)生巖石試件“爆裂”現(xiàn)象，以至于很難測得接近或達到峰值時的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，更無法獲得峰值以后的信息。巖石試件發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象主要是：1）試驗機的剛度比巖石試件的剛度?。?2）當(dāng)巖石發(fā)生破裂承載力下降時試驗機不能主動“讓壓” 。目前巖石力學(xué)試驗克服巖石試件發(fā)生“爆裂”的途徑是：1）提高試驗機的剛度；2 ）伺服控制試件的變形。2 伺服控制剛性試驗剛度是指材料抵抗外力變形的能力： LEAlPK??式中：——材料剛度；（MN/mm）K——外力， （Ｎ） ；P——位移， （mm） ；l?——材料彈性模量， （MPa） ；E——材料有效面積， （mm 2） ；A——材料有效長度， （mm） 。L一般巖石的剛度都大于 ，而普通的試驗機的剛度只有 － MN/mm，在加載過程中，試驗機和試件都儲存彈性勢能：試驗機的彈性勢能： mmKPuE21?巖石試件的彈性勢能： rrr2在普通試驗機上進行巖石力學(xué)試驗時可以看出 ＞ ，在巖石試件破裂的瞬間，巖mEr石試件的承載能力降低，同時其彈性勢能也伴隨裂紋的擴張、聲響、震動和熱能而消耗掉；但試驗機的彈性勢能并沒有消散，它會完全釋放給巖石試件，那么使得巖石試件吸收比自身的彈性勢能大出很多倍的勢能，使得巖石試件不能承受這么大的彈性勢能，因此發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象。15 / 18如果提高試驗機的剛度，即 ，那么試驗機在加載的過程中自身儲存的彈性勢??mK能就很小，即 ，在巖石試件破裂的瞬間，試驗機不會釋放彈性021lili???mKPE勢能或釋放很少的彈性勢能給巖石試件，這時巖石試件就不會發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象。圖 23 電液伺服控制系統(tǒng)示意圖電液伺服控制系統(tǒng)其控制方式如圖 23：由自控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，在伺服控制器中與油缸的實際位置信號相比較，成為誤差的信號放大后，送入電液伺服閥。伺服閥按一定的比例將電流信號轉(zhuǎn)變成液壓油量推動油缸運動。位置傳感器監(jiān)測活塞所在位置是否符合指令信號，同時發(fā)出的反饋信號到伺服控制器，直至于指令信號相等時，油缸停止運動。油缸停在指定的位置上，使伺服閥穩(wěn)定在一定的開度上，這種控制方式稱為閉環(huán)控制方式（Closed loop） 。在巖石力學(xué)試驗過程中，當(dāng)巖石試件反饋的變形速率信號與預(yù)定的的信號不一致的時候，伺服控制器會產(chǎn)生相應(yīng)的比較信號，推動伺服閥動作，加大或是減小加載裝置的油源供給量，使巖石試件的變形速率始終控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。當(dāng)巖石試件發(fā)生破裂的瞬間，其承載能力減低，變形速率加大，這時伺服控制器會主動閉合伺服閥門，減少油源的供給量，起到主動“讓壓”的作用，使得巖石試件克服“爆裂”現(xiàn)象，因此能夠得出巖石試件峰值以及峰值以后的變形信息（見圖24） 。圖中階段 A 為微裂隙與孔隙閉合，非線性變形；階段 B 為可恢復(fù)彈性變形；階段 C 是微裂隙處于單個穩(wěn)定傳播階段，在該階段，巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折16 / 18點稱為屈服點，巖石體積不變的點所對應(yīng)的強度稱為長期強度 ，其值大約為峰值強度的80％左右，從圖中可以看出在該點曲線的切線斜率發(fā)生了改變；階段 D 是破裂事件加速增加，體積變化也加速增加，開始發(fā)生擴容，形成拉伸或剪切破壞面的階段。從圖中可以得出，B、C 階段應(yīng)力應(yīng)變曲線近似直線，當(dāng)巖石試件的強度達到長期強度時，巖石開始發(fā)生擴容，從曲線上可以看出其切線（割線）模量發(fā)生了變化，隨著時間增加其切線模量逐漸變小，當(dāng)達到峰值強度時，其切線模量為零。
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