岩石三轴力学教学实验装置研制及教学应用1)

闫传梁 董磊峰 程远方 任 旭 韩忠英 刘 彬

(中国石油大学(华东)石油工程学院, 山东青岛 266580)

岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石力学行为以及与力学有关现象的一门科学。岩石力学原理目前已广泛应用于油气开采、采矿、人防、隧道、土木、水利水电等工程领域[1]。

岩石的常规三轴力学实验是指用圆柱形试件在一定温度和压力条件下来研究岩石在原地物理环境下力学性能的实验，是岩石力学特性研究的重要方式。为了准确测量岩石在峰后阶段的变形特征，获取加载过程的全应力–应变曲线，需要尽可能地提高主机框架的刚度，这使得常规三轴力学实验装置的主机体积非常大。几十年来，常规三轴实验装置主机经历了由四立柱结构向框架结构的演化[2-3]，体积逐渐减小。但是，现阶段的框架式三轴力学实验装置主机仍然具有体积大、成本昂贵、实验周期长、操作复杂等特点，制约了岩石力学实验教学的开展[4-5]。

随着构思—设计—实现—运作(conceive–design–implement–operate, CDIO)教学理念的快速发展，越来越多国内高校采用CDIO理念用于本科生甚至是研究生培养[6-10]，这进一步突出了实验教学在学生将科研实践与课堂理论相结合的过程中的重要性。为了更好地开展岩石力学课程的实验教学，在将岩石三轴实验装置应用到实验教学当中时，需要降低装置成本，简化操作流程，克服常规三轴实验装置的局限性[11]。笔者在调研了国内外常规三轴力学实验装置结构后，结合实验教学实践和对传统三轴实验装置的长期使用经验，设计了一种更适用于教学的岩石三轴实验装置。该装置在保证高精度的前提下，具有刚度大、体积小、成本低、操作安全简单等特点，能更好地应用于相关专业学生的学习和科研当中，从而提高学生的科研兴趣和动手实践能力，并使其更好地理论联系实践，增强利用理论知识解决实际问题的能力[12-13]。

1.1 传统三轴实验装置

常规三轴力学实验装置（又称假三轴或拟三轴实验装置），是岩石三轴力学实验装置的基本类型，其侧向应力通称围压，由围压系统通过液压油等流体介质进行施加[2]，此时σ2=σ3，故称假三轴。

为了测得岩石的全应力–应变曲线，保证峰后可测，就需要提高主机框架刚度，减少峰前储能。科研人员从早期的提升实验主机材料来提升刚度演变成改变实验主机结构来提升刚度，其中主机结构的演变由四立柱结构演变成现在的框架式结构[14]。但无论是四立柱式主机还是框架式主机的体积都很大[15]，导致其生产成本高、所占实验室面积大、对实验室要求高，进一步增加了实验教学成本。

除此之外，常规三轴实验装置的框架式结构在进行实验前需要进行釜体对中、实验时需要反复升降高压釜、压力室加压时需要用笨重的固定卡瓦锁紧，这些过程都存在一定的安全隐患。实验过程复杂繁琐，费时费力，这无疑加大了实验难度。对学生来说，他们第一次进行实验时，难免会紧张出现操作失误，这也加大了安全风险，不利于实验教学。

1.2 内置框架岩石三轴教学实验装置

本次研发的内置框架岩石三轴教学实验装置如图1和图2所示，由计算机、全数字伺服控制器、实验主机、轴压加载系统、围压系统和孔压系统等构成。该装置主要适用直径为25 mm，高径比为2左右的岩心，装置的最大轴向载荷为500 kN，最大围压为50 MPa。各种开关、按键均集中分布在装置前侧，方便老师讲解和学生在实验中进行操作。

图1 内置框架岩石三轴教学实验装置整体结构示意图

图2 岩石三轴力学教学实验装置

传统的常规三轴实验装置轴向应力加载所用的框架位于高压釜之外，高度较高，增大了材料用量，同时也增加了实验过程中框架在峰值强度前储层的弹性势能。为了解决这个问题，本装置去掉了传统三轴实验装置中轴向应力加载所需的框架，在高压釜内用两根柱体来承担轴向载荷产生的反作用力，这样大大减少了框架的高度。将压力室柱体做的刚度足够大，实验主机采用铬钼合金材料进行一体式嵌合。

由于本教学实验装置中用于加载的压力室柱体高度远小于传统三轴实验机的框架，因此大大减少了峰值前框架存储的弹性势能，使峰后阶段的应力–应变曲线更准确；
同时，本装置将高压釜与加载立柱一体化，大大缩小了装置体积，如图2所示在相同的实验室空间内可以放置更多的实验装置。多台实验装置集中放置还可以共用液压油源，进一步减少占地面积，更加有效地利用教学实验室空间。

为了实现压力室的密封，本装置中实验主机的压力室外筒壁和压力室柱体采取如图3所示的方式相嵌合，通过下部底座中液压机驱动外筒壁上升和下降，外筒壁下降打开压力室，外筒壁上升关闭压力室，为了保证实验安全，关闭时外筒壁用螺丝销上紧锁死。这种外筒壁和柱体相嵌合的方式，避免了实验过程中为了开关压力室而升降整个高压釜的问题，也简化了传统装置中关闭压力室还要对中的实验步骤，使实验准备工作需要的时间更短，也大大减少了安全隐患。同时，外筒壁的升降由主机上的开关直接控制，既安全又方便学生操作。

图3 内置框架岩石三轴教学实验装置主机结构图

为了在三轴实验过程中围压加（卸）载的同时轴压自动平衡，本装置还设计了由自平衡室和压力室通过高压管线连接而成的自平衡系统。其自平衡原理如图4所示，自平衡室中自平衡活塞上部圆环的面积A1和压力室中自平衡活塞下端面面积A2相等，两个腔体通过高压管线连接，在围压加压时，作用在自平衡活塞下端的载荷等于作用在平衡压力室圆环上的载荷，即加围压时自平衡活塞所受轴向合力为零。自平衡装置的设计减小了围压对轴压加载的影响，使实验数据更加准确。

图4 自平衡系统原理示意图

学生在进行岩样准备时由于经验不足，加工的部分岩样并不是十分标准，为了增加设备对这部分岩样的适用性，自平衡活塞的下端面和上压头上端面采取如图5所示的半球镶嵌模式。当岩样表面不平时，半球形连接可以自动调整加载方向，做到均匀加压。自平衡活塞和上压头内部预留有加载孔压所需的孔道，为了在上压头与岩样对齐过程中不影响孔压的加载，在自平衡活塞和上压头相结合处预留孔道直径逐渐扩大；
其中上压头下端面为平面，为实现孔压的均匀加载刻有凹槽。下压头也采取如图6所示的半球镶嵌结合的模式。

图5 自平衡活塞和上压头下端面结构示意图

图6 试样台和下压头上端面结构示意图

为节省实验教学的成本，本装置设计了围压回油装置。打开回油阀和通气阀，残余油就会被自动回收，并经过滤后可以重复利用，真正做到了不污染实验室、减少资源浪费、节省实验成本。

内置框架岩石三轴教学实验装置的工作方法主要包括以下步骤：

（1）用隔油套密封试样并在试样外侧安装径向变形传感器和轴向变形传感器；

（2）开启压力室并放置试样到下压头上，连接好变形传感器数据传输线；

（3）闭合压力室，向高压釜注入液压油并开始加载围压，待围压加载到设定值后停止加压；

（4）进行轴向应力加载，并利用计算机获得如图7所示的全应力–应变实验曲线（与GCTS岩石力学试验系统得到的实验结果进行对比发现，两者的实验曲线相差较小，变化趋势基本吻合）；

图7 全应力–应变实验曲线

（5）实验完毕后先卸载轴向应力，再卸载围压及打开充气阀和回油阀回收液压油；

（6）打开压力室取出试样。

由于受常规三轴实验装置占地面积大、成本高的局限，一间实验室只能装下一台装置，学生在反复升降釜体和搬动卡瓦的过程中存在安全隐患，导致岩石力学课程的实验教学往往以参观和教师演示为主。但是学生看一遍教师演示，记忆效果并不好，其科研积极性容易被挫伤。此外，由于缺乏相对应的实验课程，学生只能枯燥地学习理论知识，不能将理论与实践结合起来，导致学习效果不佳。

本次研发的内置框架岩石三轴教学实验装置体积小、刚度大、成本低、安全性高，十分利于实验教学。（1）教学实验机占地面积小，成本低，一个普通的教学实验室可以容纳多台设备，每个学生都可以上手操作；
（2）实验过程中不用反复升降釜体，师生可以放心实验减少了安全隐患；
（3）实验操作简单，实验时间短，学生容易理解记忆，也容易产生兴趣从而更好地进行课程学习。教师在讲授岩石力学课程时可以采用28学时理论课和4学时实验课相结合的授课方式。这样理论课的专业知识可以在实验课中进行检验和巩固，加强学生对岩石破坏形式的直观认识。比如，岩石在三轴压缩应力下一般会发生剪切破坏，如果没有实验环节，学生对此容易产生怀疑，而通过实验课，学生可以直接地观测到三轴压缩条件下岩石的剪切破坏面，从而加强对课堂内容的理解。同时，实验课的增设也提高学生的动手能力，进一步激发了学生的科研兴趣，更好地践行CDIO理念。实验课开设后，很多学生结合自己的大创项目，设计了一些岩石力学相关的创新性实验。他们课下主动到实验室进行实践，使得实验室不但用于课堂教学，还成为学生的创新实践基地。

本装置虽然降低了加工成本，但并没有降低实验结果的可靠性。它具有自平衡系统，可以在三轴实验过程中围压加（卸）载的同时轴压自动平衡，能更好地保证实验数据的准确性，而且压力室柱体的高度远小于传统三轴实验机的框架，刚度也大于传统三轴实验机，大大减少了峰值强度前框架存储的弹性势能，使峰后阶段的应力–应变曲线更准确。因此，本装置在科研工作中也具有良好的适用性。岩石力学实验课的有效实施，能够使教师的教学能力、水平大幅提高，也能通过教学促进科研，使任课教师的综合业务素质得到提高，形成师生共同受益并皆能持续发展的良好局面。

内置框架岩石三轴教学实验装置内置框架主机，用压力室外筒壁和压力室柱体相嵌合，代替传统常规三轴实验装置中的立式框架和高压釜，使设备体积大大缩小，刚度增大，而且省略了实验过程中高压釜的反复升降的步骤；
本装置采用围压自平衡方式，使围压加（卸）载时不产生附加的轴向载荷；
轴向加载压头采用球形连接，能更好地保证加载方向与岩样轴线平行。

内置框架岩石三轴教学实验装置体积小、成本低、安全性高、实验简洁高效，十分适用于岩石力学的实验教学，有利于激发学生的科研兴趣，培养学生的动手实践能力，使教师授课更容易、学生学习也更轻松。