深井软岩巷道围岩大都处于复杂的应力状态下，由于岩石长时间流变量的积累，加之外界扰动的影响，很容易导致围岩失稳破坏。研究岩石在复杂应力条件下的流变扰动特性，建立岩石流变扰动理论，对深井软岩巷道支护具有重要的工程实用价值[1-6]。
为了研究岩石在复杂应力条件下的流变扰动特性，得出相应流变扰动效应本构模型，应有相应的试验仪来进行岩石流变扰动效应的试验。从20世纪30年代至今，很多学者对岩石流变试验仪进行了研究。贾愚如[7]介绍了所研制岩石三轴流变仪的基本原理和主要参数，并通过试验说明了仪器能够保持长时间的稳压状态，且精度达到了试验要求，试验结果有一定规律性;邓金根和黄荣樽[8]介绍了自行设计和组装的高温高压三轴蠕变仪的结构、组成、性能及使用情况，该蠕变仪不仅可测定高温高压下的岩石蠕变特性,而且可进行高温高压下岩石常规力学性能测试;周火明等[9]研制了RLW-2000岩石三轴流变试验系统，通过进行岩石三轴蠕变试验,对试验系统稳压性能、压力和变形测量系统以及岩石三轴流变试验功能进行了检验;陈卫忠等[10]研制出双联动软岩渗流-应力耦合三轴流变仪，该仪器特别适用于软岩、硬土在不同应力条件下的流变特性，并对结构原理进行了说明;邬爱清等[11]对TLW-2000型岩石三轴蠕变试验仪进行了升级改造，仪器能够能自动稳压、自动记录并能进行高围压三轴流变试验，且各项指标都能满足试验要求。另外，目前国内大部分高校和科研院所开始根据各自的研究需要设计研制出了各种能够进行针对性目的试验研究的岩石三轴试验仪，其功能范围越来越广，测试精度越来越高。部分具有代表性的岩石三轴试验仪及其使用单位见表1[12]。
表1 国内部分不同类型岩石试验仪及参数
Table 1 Rock triaxial testing machines and the corresponding performance parameters in Chinese mainland
以上对岩石流变仪的研究，大都没有考虑到扰动荷载系统的设计。从2003年开始，高延法带领课题组开始了岩石流变扰动效应试验仪的研发工作，2006年，崔希海等[13]研制了RRTS-I型岩石流变扰动效应试验仪，采用盘轮与曲轴机构实现一级扩力。2011年，高延法等[14]研制了RRTS-II型岩石流变扰动效应试验仪，采用齿轮和液压传动实现二级扩力，设计了爆破和冲击两种扰动荷载加载装置，并设计出了气囊式三轴压力室，通过实际应用，以上两种型号的试验仪还有以下不足之处:① 试验采用的冲击扰动方式只是在试验开始之前理论计算了扰动荷载强度值，并没有测量出扰动荷载的实际值。因此扰动试验结果也没有给出扰动荷载强度值与应变之间的定量关系，只是定性说明了扰动次数与应变之间的关系。② 气囊式三轴压力室由于其靠气体充压的设计原理，不能很好的满足长期围压稳定性要求，且操作中比较难控制围压值变化的幅度;同时受压力室材质选用的限制，最大只能承载10 MPa的围压。
针对以上问题，研制出了RRTS-III型岩石流变扰动效应试验系统，相对于目前已有的其他流变试验系统，本试验系统配备了可操作性能高的冲击扰动加载装置，设计出了能够精确测量单次扰动荷载大小的采集系统，同时研制出了耐高压、密闭性和精确性能好的注油式三轴压力室，本试验系统适用于流变扰动效应单轴压缩试验;也适用于低于40 MPa围压作用下的流变扰动效应三轴压缩试验。
1 岩石流变扰动效应三轴试验系统
1.1 试验系统整体结构
岩石流变扰动效应三轴试验系统由流变仪主机加载结构、三轴压力室、扰动加载装置、自动监测系统4部分组成。其中流变仪主机加载结构主要包括主机框架、转盘-齿轮-齿条扩力结构、小油缸-大油缸扩力结构、液压泵及供油管路;三轴压力室主要包括箱体、液压泵、气泵、手动补压泵及各种孔洞和管路系统;扰动加载装置主要包括传力连杆、传压板、冲击砝码;自动监测系统主要包括荷载、位移、应变和冲击振动4种测试传感器和计算机，计算机安装了全自动数据采集系统。岩石流变扰动效应三轴试验系统如图1所示，主机结构原理如图2所示。
图1 RRTS-III型岩石流变扰动效应三轴试验系统
Fig.1 RRTS-III rock rheological perturbation effect triaxial test system
图2 流变仪结构
Fig.2 Structure of rheological testing machine
1—重力砝码;2—传动链条;3—传动转盘;4—齿轮;5—啮合齿条;6—小油缸;7—大油缸;8—液压泵;9—试件;10—传力连杆;11—压力传感器;12—卡槽;13—冲击砝码;14—下承压板;15—上承压板;16—机架;17—伸缩轴I;18—伸缩轴II;19—半球形压头20—顶座;21—顶板
RRTS-III型岩石流变仪具体结构关系如下，实验台机架上端两侧对称设有2个齿轮，齿轮之间通过传动轴相连接，传动轴的两端外侧对称设有两传动转盘，传动转盘上缠绕传动链条，传动链条的底端连接托盘，托盘上叠放重力砝码;齿轮啮合齿条，齿条的底部固定连接伸缩轴，并与小油缸轴向相通，小油缸通过管线连接液压泵与大油缸;大油缸通过轴向伸缩轴与下承压板连接，承压板上依次放置压力传感器和试件;上承压板内置半球形压头与传力连杆机械连接，传力连杆的顶端锚固在机架顶座上，顶座下方设置卡槽，冲击砝码叠放在卡槽中。
1.2 轴向压力扩力结构与扩力原理
RRTS-III型岩石流变仪轴向加压重力荷载为重力砝码，重力砝码设计为圆盘形，材料为铸铁，质量等级设有5,10,15,20 kg。流变仪轴向第1级扩力由重力砝码连接齿轮机械传动完成，第2级扩力由大小油缸产生液压传动完成。1级扩力结构主要包括:传动转盘、传动轴和齿轮。重力砝码通过传动链条对齿条施加力，静力平衡条件可得根据转盘轴力矩平衡条件，齿条所受荷载为
F1=W1R1/R2
(1)
式中,F1 为传动齿轮作用在传动齿条上的作用力，即小油箱承受的外荷载;W1为重力砝码荷载;R1，R2分别为传动转盘和传动齿轮的半径。
第2级扩力结构主要包括:小油缸、大油缸和输油管路。齿条将荷载施加给小油缸上方伸缩轴，因此小油缸中产生液压，压力通过输油管路又传给大油缸，大油缸通过上方伸缩轴对试件施加轴向压力，静力平衡条件为
F2=2(Φ2/Φ1)F1
(2)
式中,Φ1，Φ2分别为小油缸和大油缸的活塞直径;F2为大油缸承受的外荷载，即为岩石试样的压力荷载。
将式(1)代入式(2)可得经过 2 级扩力后的荷载与所施加的重力荷载的关系为
F2=(R1/R2)(Φ1/Φ2)2W1
(3)
令K1=(R1/R2)，K2=(Φ1/Φ2)2，则有
F2=K1K2W1
(4)
1.3 注油式三轴压力室结构及原理
三轴压力室主要包括箱体、液压泵、气泵、手动补压泵及各种孔洞和管路系统。三轴压力室整体结构及实物如图3所示。
图3 三轴压力室结构及实物
Fig.3 Triaxial cell and structure
1—试件；2—压力箱；3—加压块；4—进水(气)口；5—出水(气)口；6—走线口；7—抬起环；8—凹槽；9—排气口；10—凸柱；11—进油口
三轴压力室内部结构及原理如下，试件的外表面包裹热缩管，热缩管的外表面两端分别套有金属环，试件、热缩管与金属环组成的整体放入三轴压力箱的凹槽内，三轴压力箱的顶端设置加压块，加压块一侧开有排气口，箱体的底端右侧开有进水(气)口，正对左侧开有出水(气)口，箱体另一面底部开有输油口，同时三轴压力箱的左侧设置凸柱，凸柱上开有传感器走线口。
三轴压力室能够在试验过程中保证油气隔离，通过液压泵将油输入箱体内，空气从加压块上端排气口挤出。随着油压上升，达到围压要求关闭进油阀门。试验结束后打开回油阀，排气口接通气泵，依靠吹气方式回油。鉴于此设备还可以进行渗透率等相关实验模拟，气体或者液体从进水(气)口输入，通过试件旁的皮胶管进入试件上部，然后渗流到试件下部，最终通过凹槽下部口从出水(气)口流出。
1.4 扰动加载装置及原理
RRTS-III型岩石流变仪扰动装置进行了优化改进，冲击扰动装置具有更好的操作性，其创新点在于设计出了一套能够精确测量单次实际扰动荷载大小的数据采集系统。扰动加载装置如图4所示。
图4 扰动加载装置及结构
Fig.4 Perturbation loading device and structure
1—卡槽；2—冲击砝码；3—传力连杆；4—冲击动态传感器；5—传压板；6—位移计；7—试件；8—找平球垛；9—压力传感器；10—下承压板；11—数据采集线；12—下数据分析器；13—PC终端
本套扰动荷载加载装置搭载在岩石流变扰动仪上进行，其传压板上方的传力连杆上套置不同规格的冲击砝码，冲击砝码受制于上方卡槽，冲击动态传感器环形套置在传力连杆上，并放在传压板上表面。岩石试件设置于传压板和找平球垛之间，其旁边吸附位移计，实验开始前位移计针头与传压板下表面持平。压力传感器放于下承压板上，上方放置找平球垛。
鉴于本套扰动荷载加载装置采用冲击砝码自由落体击打传感器产生冲击荷载，分析冲击砝码接触作用于传感器瞬间是一个冲击力(F)物理量，然而实际通过传力板施加给岩石试件是一种能量(W)传递的过程。因此可以确定冲击扰动加载是一种能量形式的转换，即冲击砝码自由落体后的重力势能转换为动能再转换为对试件的冲量。最终理论物理公式为
ΔW=Ft
(5)
根据理论公式推导，直接测量瞬间冲击力F，以及冲击作用时间t，即可算出扰动能量大小。同时在扰动荷载实际加载中，可以改变冲击砝码的质量(m)，冲击高度(h)(即传力连杆长度)，从而改变每一次冲击力(F)、冲击作用时间(t)值和冲击造成的位移(u),进一步研究不同冲击效果对岩石蠕变扰动效果，从而找出变量之间的定量关系。
1.5 测试系统
RRTS-III型流变仪测试系统为全自动数据采集系统，由SD-I型位移传感器、JC-4A 智能静态应变仪、JC-II型荷载传感器、IEPE动态力传感器、JM5936动态信号测试分析系统。其中IEPE动态力传感器和JM5936动态信号测试分析系统用于监测冲击力及其冲击振动波形图。采集设备主要技术参数见表2。
2 岩石流变扰动效应试验实例
2.1 岩石单轴流变试验
进行岩石单轴流变实验时，先将各部件按照各位置组装成岩石流变仪试验平台，在试件上贴好静态电阻应变片，同时将静态电阻应变片导线连接在静态电阻应变仪上，将试件放置在压力传感器上，记录压力传感器的初始读数，打开液压泵，通过伸缩轴Ⅱ将下承压板上升至一定高度，使试件的上表面与上承压板紧密接触，保证传力连杆的半球形压头自动调平;将预先准备好的实验设计的第1量级重量的重力砝码叠放在托盘上，观察压力传感器的读数，调整重力砝码的量级，达到实验载荷要求，随时间推移观察静态电阻应变仪读数。
表2 主要技术参数
Table 2 Major technical parameters
试件采用红砂岩，褐红色，细粒结构，质地细腻均匀，无层理、条纹和裂纹。用岩石取样机磨成国际标准50 mm×100 mm的规格。在TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机上按常规压缩试验测出单轴抗压强度为66.52 MPa，应变极限值为1.55%。实验加载方式采用分级增量加载，轴压等级分为20，40，50，55 MPa，由小到大逐级加载，每级荷载持续时间根据实际岩石蠕变状态决定。每级加载完，立即读取瞬时应变值，加载开始时按3 min的间隔记录数据，待数据趋于稳定后按每20 min的时间间隔记录应变数据，全程蠕变时长控制在30 h左右，直至试件完全破坏。全程蠕变曲线如图5所示[15]，各级蠕变应变量见表3。
图5 单轴蠕变曲线
Fig.5 Creep curves of uniaxial
表3 各级蠕变应变量
Table 3 Creep strain at all levels 10-6
在轴向应力水平较低时，岩石处于压密和弹性阶段，轴向呈现一定硬化趋势，蠕变量很快趋于稳定。接着增加轴向应力，岩石横向开始发生软化趋势，横向蠕变量发生较大波动，此时蠕变趋于稳定所需时间较长。由于受全程蠕变总时长的约束，继续增加轴向应力，此时横向软化趋势快速增大，直至轴向应变陡升，试件完全破坏。破坏后，岩石纵向出现大量裂纹，因此可以看出最终破坏为劈裂破坏。
2.2 岩石流变扰动效应单轴压缩试验
进行单轴流变扰动试验时，打开传力连杆上端卡槽，冲击砝码立刻沿传力连杆自由下落，冲击砝码的重力势能转化为冲击载荷，读取冲击瞬间动态荷载采集仪的数据，记录数据值，再重新将冲击砝码设置于卡槽中，准备下一次冲击，重复数次。进行三轴流变扰动试验时，将密闭好的三轴压力箱放置于单轴试验试件所在位置，撤掉找平球垛，重复上述扰动方式即可。
第1次扰动试验时，采用分级加载的方式，使加载压力达到预定的静载应力水平，试件蠕变变形稳定后，不间断的进行10次冲击扰动，每次扰动间隔时间控制在2 h左右，记录每次累计扰动变形量和扰动能量大小。10次扰动后，保持静载蠕变1 d，使蠕变速率基本恢复到扰动之前的状态，消除下一次扰动变形受扰动加载历史的影响。然后增加静载压力，使之达到第2级，第3级和第4级的轴压水平，蠕变稳定后分别进行各蠕变阶段的扰动。试件处于第1级及第3级轴压水平下冲击振动波形如图6和7所示，轴向扰动变形如图8和9所示，扰动变形试验数据见表4和5。
对比上述两组不同轴压水平下扰动荷载对蠕变变形的影响可以看出，当轴压水平为20 MPa时，此时岩石所受应力水平较低，没有达到长期强度，应变量随时间呈现降低趋势，因此岩石处于衰减蠕变阶段，扰动变形曲线表现为初期的几次扰动，岩石累计扰动变形量迅速增加，随后的扰动作用累计扰动变形量又缓慢降低，最终趋于一个稳定值，说明该蠕变阶段下岩石受外界扰动荷载影响不敏感，扰动变形量少量增加后最终又趋于稳定;当轴压水平为50 MPa时，岩石所受应力大小已经超过长期强度值，进入强度极限邻域内，扰动变形曲线表现为初期的几次冲击累计扰动变形量明显增大，累计扰动变形不再有明显的衰减迹象，说明蠕变已经进入扰动敏感区域，增长速率呈现先减小后增大的阶梯状发展趋势，随后几次冲击可以发现累计扰动变形仍然持续增大，并且变形速率开始呈现加速增大趋势。最后几次扰动后，累计扰动变形速率快速增加，试件趋于破坏。
图6 20 MPa冲击振动波形
Fig.6 20 MPa vibration waveform
图8 20 MPa轴向扰动变形
Fig.8 20 MPa axial perturbation
图7 50 MPa冲击振动波形
Fig.7 50 MPa vibration waveform
图9 50 MPa轴向扰动变形
Fig.9 50 MPa axial perturbation
表4 20 MPa扰动变形试验数据
Table 4 Experimental data of perturbation at 20 MPa level
表5 50 MPa扰动变形试验数据
Table 5 Experimental data of perturbation at 50 MPa level
2.3 岩石三轴流变试验
进行岩石三轴流变试验时，先将试件、热缩管与金属环组成的整体外部贴上横纵向静态电阻应变片，再将贴有横纵向静态电阻应变片的整体放置于三轴压力箱底部凹槽处，将横纵向静态电阻应变片的导线通过三轴压力箱两测传感线出口伸出，并连接到静态电阻应变仪上，密封后，完成箱体作业;将完成密封的箱体放入压力传感器上，更换长度适中的传力连杆，组装半球形压头和上承压板，将上承压板放置在箱体顶端的加压块顶面，打开液压泵抬升箱体，使上承压板与加压块紧密接触，在托盘上叠加实验设计要求的第1量级重力砝码，对三轴压力箱施加轴压;打开液压泵进油阀，待油压表转动后，立刻关闭进油阀，依靠手动补压装置进行补压，直到满足实验围压要求，油压稳定后读取油压数据，并随时间记录静态电阻应变仪的应变量。
试件采用红砂岩，规格为50 mm×100 mm。首先进行三轴压力室箱体密封作用，将试件贴好应变片并包裹好热缩管后放置于箱体内部，密封加压块，连接好各导线和输油管线路，最后箱体置于流变仪操作台上。试验先进行无围压状态下流变试验，然后施加0.5 MPa围压，流变一段时间后，增加下一量级的轴向压力，同时增加围压至1 MPa，直至最后一级轴向压力对应围压2 MPa。全程蠕变曲线如图10所示,各级蠕变应变量见表6。
图10 三轴蠕变曲线
Fig.10 Creep curves of triaxial
表6 各级蠕变应变量
Table 6 Creep strain at all levels 10-6
第1阶段轴向压力20 MPa，围压0，此时横向和纵向蠕变处于单轴应力作用下，蠕变时长200 min后应变趋于稳定;第2阶段轴向压力30 MPa，围压0.5 MPa，此时横向和纵向蠕变量在围压作用下有明显减小趋势，随之时间推移，应变速率又缓慢上升;第3阶段轴向压力45 MPa，围压1 MPa，此时在轴压及围压共同作用下，岩石蠕变基本趋于稳定，蠕变增量很少，总体蠕变时长达600 min;第4阶段轴向压力53 MPa，围压1.5 MPa，此时纵向蠕变出现快速增长趋势，横向蠕变增长缓慢;第5阶段轴向压力58 MPa，围压2 MPa，此时岩石已经完全进入加速蠕变阶段，纵向蠕变量仍继续增加，但增长速率趋于减小，横向蠕变出现突然快速增加趋势，直至试件破坏。
3 结 论
(1)RRTS-III型岩石流变仪采用外置重力机械加载的补压原理，避免了因断电或漏油而造成的压力下降，在长时间的试验周期中，保证了压力的稳定。
(2)研制一套围压加载设备，其三轴压力室能够保证试验长期密闭性要求，液压泵以及手动补压装置能够长期为试件提供稳定的围压，保证试验过程中数据的精确性。
(3)设计研制的冲击扰动装置系统可操作性能高，可以实时精确监测出每次扰动荷载的大小及扰动变形量，为试验的科学性提供了保障。
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