力不均匀的问题，因此也称为“柔性液压枕” 。该元 件的关键还在于是否能提供高压，取决于材料及加工 工艺。液压钢枕的尺寸也可以根据试样尺寸定制。 轴向加载传力分系统中，当试体产生大变形 时，轴向千斤顶在伺服控制作用下会自动伸长活塞 以补充由于试体本身的变形产生的沉降，侧向伺服 控制系统也在力图保持侧压使钢枕自由伸缩，所以 破坏时不会使上部构件跨塌。经过对坚硬岩体和软 岩的试验验证，整个系统稳定性好。 2.2 伺服与控制子系统
(c) 实物照片
图 1 岩体真三轴现场蠕变试验系统装置结构示意和实物照片 Fig.1 Sketch of equipment configuration and photo of rock mass true-triaxial site creep testing system
伺服子系统原理示意见图 1(b)。由独立工作又 能通过电脑联动的 3 个动力源组成。其主要构件为 滚珠丝杆式油压出力装置、测量控制元件等。滚珠 丝杆式油压出力装置由伺服电机、丝杆式油缸、旋 转式充溢装置及电子行程限位器组成，通过高压油 管与千斤顶或者钢枕连接，提供轴向或侧向加卸载 动力。充溢装置主要功能是为出力设备补充油液， 测量元件通过线缆与采集控制子系统连接，控制三 向伺服机按指令工作。 该子系统的核心部件为伺服电机及伺服控制 器，产自德国，通过压力传感器反馈的实际压力值 与目标值比较后，精细调整差值并逼近目标值而达 到自动伺服控制目的。其特点是响应速度快，压力 波动小。 2.3 变形测量子系统 变形测量子系统参见图 1，包括支架、测针、 数字千分表等，其功能为提供一套独立、不受加卸 干扰的稳定结构，用于测量试体 3 个方向的绝对变 形。传感器为容栅式，分辨率为 1 m，并通过数据 线与电脑控制平台连接，测试数据实时采集、自动 保存，并且能够自动成图。 2.4 自动采集子系统 自动采集子系统包括电脑控制平台、内部网络 系统、EDC 控制器。EDC 控制器和伺服与控制子系 统上的压力及位移传感器连接，EDC 控制器通过网
第 31 卷 第 8 期
李维树等：岩体真三轴现场蠕变试ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统研制与应用
• 1637 •
期稳定性问题一直是国内外关注和研究的难点，迄 今尚未得到很好的解决。一方面由于复杂应力状态 下蠕变模型的构建需要更深的理论基础；另一方面， 在三向应力状态下的蠕变试验技术才刚刚兴起，而 且开展的现场试验也不多，有赖于在工程实践中不 断地积累经验、现场测试手段的改进与提高，以及 理论方法上的创新与突破。岩体蠕变模型及参数辨 识方法还停留在单向和双向蠕变试验成果的基础 上，从而限制了高应力环境下岩体蠕变特性的的研 究进程。 岩石室内蠕变试验技术通过 21 世纪近 10 a 的 发展已经较为成熟，设备也十分先进
收稿日期：2012–04–16；修回日期：2012–06–14
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB710603)；国家自然科学基金资助项目(51179013)；水利部公益性行业科研专项(201001008) 作者简介：李维树(1963–)，男，1992年毕业于武汉水利电力学院电力系统及其自动化专业，现任高级工程师，主要从事岩土力学试验方面的研究工 作。E-mail：lws_lwslws@
。但室内蠕
变试验因加载能力有限，试样尺寸小而代表性不足， 难以客观反映工程岩体的时效特性。现场蠕变试验 设备和方法多为单向和双向加卸载方式，且现场试 验设备适应环境能力差，自动化程度低；国内外也 相继研制了各具特点的现场三轴试验设备[5]，这些 设备虽然实现了三向加载，但均存在应力低、试样 尺寸小、压力波动范围大、适应环境能力差、人工 读数误差大等缺点，不适应我国西部大中型水电工 程中的大型地下厂房、深埋超长大直径引水隧洞、 交通工程中深埋隧道、高应力地区陡高边坡，以及 城市地下空间的开发利用等岩体时效特性性研究。 如锦屏二级引水隧洞[6-7]，最大埋深 2 525 m，埋深 大于 1 500 m 的洞段长度占全洞长的 75%，最大埋 深处最大地应力达 70 MPa，最小主应力 26 MPa， 穿越软质绿片岩和硬质大理岩和砂岩。尽管 80%以 上岩体为硬质岩，但开挖后频繁发生岩爆，片帮、 剥蚀严重且时效性显著。又如大渡河梯级开发的第 八级水电站截弯取直引水隧洞及地下厂房穿越软质 二云片岩，大直径隧道长达 16 710 m，最大埋深 1 220 m。高应力条件下软岩蠕变特性可能十分突出。 真正意义上的现场蠕变试验设备应能适应现 场复杂多变的环境，且能长时间自动稳压和自动记 录数据。长江科学院在 20 世纪 80 年代末和 90 年代 初就启动了现场蠕变试验设备研制，早期的蠕变仪 采用氮气瓶作为气源，通过恒定的气压保持液压的 相对稳定，完成了三峡永久船闸边坡岩体各项蠕变 试验[8]，建立了边坡岩体蠕变模型，但试验压力低， 数据采用人工读数记录方法，适用于软弱结构面的 长期蠕变试验。21 世纪初，长江科学院联合仪器厂 家开发了第二代剪切蠕变仪，该套设备的核心产品 是气液泵及数据采集系统，工作压力在第一代基础 上大大提高，且压力波动范围减小，初步实现了自 动稳压和自动采集目标，在白鹤滩等水电工程开展
[1-4]
了结构面、垫板法蠕变试验[9]，但压力水平及稳压 精度难以适应深部高应力环境。为此继续联合开发 了第三代产品：RXZJ–20000 型岩体真三轴现场蠕 变试验系统(以下简称“蠕变系统”)，该系统充分 利用现代高科技手段，集机械电子及计算机控制技 术精华，其突出特点是：真三轴，大尺寸，全自动 控制，压力波动小，应力、应变测量精度高。利用 该系统成功地对锦屏二级水电站深埋大理岩进行了 不同应力路径的真三轴试验。目前正在对大渡河丹 巴水电站厂房区软质二云片岩进行蠕变试验。应用 实例充分证明，该系统设计新颖，技术先进，稳定 性好，在整体技术上达到了国际领先水平。
1
引
言
调整后的复杂应力场。由于这些工程岩体赋存在高 地应力环境中，无论是远离洞室围岩体还是近场围 岩的力学响应表现出与浅部岩体根本的差异，其强 度具有明显的非线性特征和显著的时效特征。高应 力环境下工程岩体时效变形与破坏行为的预测及长
在高地应力地区，因开挖卸荷使洞室周边岩体 应力状态改变，应力衰减梯度大，导致近场围岩的 承载能力也随应力状态的改变而不同，引起工程岩
Abstract：In light of the characteristics such as complicated stress variation after excavation unloading in high geostress environment，RXZJ–20000-typed computer servo-control rock mass true-triaxial site creep testing system has been developed. The main structure，function features and usage of the system are introduced in detail. Verified by the actural engineering practice，the system has the following features of high geostress，large size， complete process of stress and strain，high precision， high efficiency，multifunction and convenient for removing and installation. The system has changed the status that true-triaxial site creep test equipment has a low loading level， big pressure fluctuations， low test precision， single stress path and low degree of automation at present. The successful manufacture of the RXZJ–20000-typed rock mass true-triaxial site creep test system provides a new way to the study of the time-effect of deep rock under the condition of multiaxial stress；and it is the most advanced larger servo test instrument at home and aboard. It is suitable for long-term creep test of the hard and soft rock masses of large-scale artificial slope，deep large-span tunnel and underground caverns. Key words：rock mechanics；rock mass true-triaxial site creep testing system；high stress；servo-controlled and automatic information collection；rock mass time-effect 体的失稳破坏的本质是岩体的强度不足以抵抗围岩
DEVELOPMENT OF ROCK MASS TRUE-TRIAXIAL SITE CREEP TESTING SYSTEM AND ITS APPLICATION
LI Weishu1，ZHOU Huoming1，ZHONG Zuowu1，ZHANG Yihu1，HAO Qingze2
(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientitic Research Institute，Wuhan，Hubei 430010，China；2. Zhaoyang Testing Instruments Co.，Ltd.，Changchun，Jilin 152500，China)