多功能岩石力学实验系统研制及教学应用探讨

张晓君

山东理工大学资源与环境工程学院 山东淄博 255049

多功能岩石力学实验系统研制及教学应用探讨

张晓君

山东理工大学资源与环境工程学院 山东淄博 255049

针对岩石力学实验教学中压缩实验项目较为单一的问题，研制了多功能岩石力学实验系统，探讨了其在岩石力学压缩实验项目教学中的功能应用。结果表明，研制的实验系统可实现对围岩或岩石破裂演化的单轴压缩、双轴压缩、真三轴加载、真三轴加载后单面卸载、真三轴加载后多面卸载等实验项目，这对于采矿工程和土木工程专业实验教学和教师科研都是非常有意义的。

岩石力学；实验系统研制；双轴压缩；实验教学

在采矿工程、土木工程、地下空间工程等专业人才培养课程体系中，岩石力学是重要的基础课程，在课程教学、学生室内实验以及教师科研中，均会涉及岩石力学实验[1-3]，在实验教学中岩石单轴压缩实验是必做实验项目，但很少涉及双轴压缩、三轴压缩等实验项目，甚至没有相关演示项目。

本校实验室现有电脑程控的电液伺服岩石刚性试验机(YAW-2000)，可进行单轴压缩、巴西劈裂、抗剪强度等实验，可分别采用力和位移控制方式，加载速率可任意调整，可获得岩石全应力应变曲线，实验室同时拥有电液伺服岩石刚性试验机(DW-2000)，该压力机可实现位移和压力双重控制，可逐级单轴施加压力载荷并可随时卸载，加载速率最低达到0.1 mm/s。现有试验机均只能完成单轴压缩相关实验项目，对于多轴压缩和卸载尚不能满足。

对围岩或岩石的物理力学特性及破裂演化机理的学习、研究及室内试验的测试与分析，依靠比较单一的单轴压缩实验不能很好地揭示其物理力学特性、破裂演化机理，也不符合工程实际情况，需研制更为符合工程实际和满足实验教学的多功能岩石力学实验系统。

因此本文就上述不利于实验教学和科研的问题，研制了多功能岩石力学实验系统并探讨了其在岩石力学压缩实验项目中的功能应用问题，这对于采矿工程、土木工程、地下空间工程等专业的实验教学和教师科研都是非常有意义的。

1 多功能岩石力学实验系统研制

为了实现多轴加载和功能多样化，首先研制了双轴加载系统(如图1所示)，该加载系统由3个油缸构成，每个油缸最大载荷500 KN，配套伺服控制系统，可实现定载荷、逐级加载和卸载，加工配套的支撑反力架和适合视频采集的观察口，为了实现对岩石试样的加载，加工了配套的加载垫板，该双轴加载系统可实现对岩石试样水平两个方向的加载和卸载。

在双轴加载系统的基础上结合实验室已有的电液伺服岩石刚性试验机(DW-2000)，实现对岩石试样在垂直方向的加载和卸载，配套相应小车便于双轴加载系统的搬运安装， 通过对两大仪器系统组合后的调试安装，研究和设计开发出了可实现对岩石试样六面加载并可实现单面或多面卸载的多功能岩石力学实验系统，配上数码摄像机，通过观察口，可实现对岩石试样受载全过程的视频图像采集功能，配上非金属声波检测系统或声发射监测系统可实现对试样加卸载全过程的声波、声发射监测，配上锚杆无损检测系统可实现对硬岩锚固试样加卸载全过程的锚固质量及破裂演化监测等。

图1 多功能岩石力学实验系统

2 实验系统在岩石力学压缩实验项目教学中的应用探讨

加工100 mm×100 mm×95 mm的长方体花岗岩试样(如图2所示)，在多功能岩石力学实验系统上开展了单面约束情况下的双轴压缩试验，X水平向施加10 MPa载荷，Y水平向单面(一侧)约束，单面自由，垂直向逐级施加压力载荷直到试样破坏，由试验得到的破坏形式、现象与已发生的山东玲珑金矿巷道岩爆、锦屏水电站隧洞岩爆等一系列岩爆现象是一致的，说明本系统是可靠的和满足要求的，这也是传统仪器难以达到的效果。

图2 花岗岩试样

根据实验目的不同，该多功能岩石力学实验系统还可进行如下实验。

(1)不使用双轴加载系统，开展硬岩或相似材料模拟试样的单轴压缩相关实验。

(2)固定水平向加载载荷，逐级施加垂直向载荷直至试样破坏，开展岩石真三轴加载破坏实验。

(3)固定水平向加载载荷，逐级施加垂直向载荷到一定值，然后卸载水平向某一或两个面的载荷，开展真三轴加卸载实验。

(4)施加一个水平向加载载荷，逐级施加垂直向载荷直至试样破坏，开展双轴加载破坏实验。

(5)粘贴应变片、配套摄像机、非金属声波检测系统、锚杆无损检测系统和声发射监测系统等，可实现对岩石试样破裂演化的监测实验。

以上所列实验项目只是一部分，通过该系统还可以针对教学目的不同进一步开发相关实验项目用于有关专业的实验教学中，该系统的实现将极大提高现有教育装备的水平，也更有利于丰富学生实验项目和教师科研，利用该系统可方便实现对围岩或岩石破裂演化机理的研究，得出更为符合实际的结果，这将深化学生对围岩或岩石的破裂演化机理的学习，加深其对岩石力学理论知识的理解，开阔其视野，也为教师提供了针对该领域探索研究的新实验系统。

3 结束语

针对岩石力学实验教学中压缩实验项目较为单一的问题，研制了多功能岩石力学实验系统，探讨了其在岩石力学压缩实验项目教学中的功能应用，结果表明，研制的实验系统可实现对围岩或岩石破裂演化的单轴压缩、双轴压缩、真三轴加载、真三轴加载后单面卸载、真三轴加载后多面卸载实验项目，这对于采矿工程、土木工程和地下空间工程等专业实验教学和教师科研都是非常有意义的。

[1]王述红,刘婉婷,赵文.基于BIM技术的岩石力学实验教学课程改革研究[J].高等建筑教育,2016,25(4):137-141.

[2]张艳丽.“岩石力学”实验教学改革的探讨[J].黑龙江科技信息,2016(31):48.

[3]陈建峰,陈宝成,石振明.岩石力学数字实验教学平台建设[J].实验室研究与探索,2015,34(6):120-123.

Development of Multifunctional Rock Mechanics Experiment System and its Teaching Application

Zhang Xiaojun
School of Resources and Environment, Shandong University of Technology, Zibo, 255049, China

In view of the existing problems of rock mechanics compression experiment in the experiment teaching, multifunctional rock mechanics experiment system is developed and the application of the compression experiment function are discussed.Results show that the developed system can be realized on the fracture evolution of surrounding rock or rock under uniaxial compression, biaxial compression,three - axis loading, the single - axle unloading after the true three - axis loading, and the multi - axis unloading after the true three - axis loading, it is very meaningful for the experiment teaching of mining engineering and civil engineering and scienti fi c research of the teacher.

rock mechanics; development of experimental system; biaxial compression; experiment teaching

张晓君，博士，副教授。

山东理工大学实验教学卓越计划项目(编号：2015)。