茂木式岩石真三轴试验机加载边界效应及岩样本质应力应变关系提取研究

茂木式真三轴试验机结构简单、成本低廉，且易于实现变形和渗透系数测量，成为揭示复杂应力路径下岩石变形破坏机理的最有效手段之一。然而，加载边界效应的存在使其不能准确实现对工程中岩石真实应力环境的模拟，因此全面、定量认识加载边界效应非常重要。本研究拟在新研制的茂木式硬岩高压伺服真三轴试验机基础上，对其活塞直径、端部垫块厚度、空白角和端部摩擦这些加载边界效应问题，采用有限元与元胞自动机进行模拟分析，并结合实验验证，系统地研究加载边界效应对测试结果的影响规律，在此基础上提出加载端部设计参数建议指标，其中有限元接触问题采用互补理论实现。针对目前仍不理想的减摩效果，本研究还拟将真三轴试验视为一个结构边值问题，采用有限元分析与神经网络本构模型相结合的方法提取试样的本质应力-应变关系。期望本项研究能对真三轴试验机的设计及其实验建议方法的起草起到一定的指导作用，并能为解释真三轴实验数据提供新的思路。

茂木式真三轴试验机因其结构简单、成本低并易于变形和渗透测量，成为揭示复杂应力路径下的岩石变形破坏机理的最有效实验手段之一。然而，由于加载边界效应的存在使其不能准确地实现对工程中岩石应力环境的模拟，因此全面而定量化的认识加载边界效应非常重要。为此，在新研制的茂木式硬岩高压伺服真三轴试验机基础上，对活塞直径、端部垫块厚度、空白角和端部摩擦这些加载边界效应问题进行详细的研究并形成如下结论：(1)由于端部垫块相对于岩石并非绝对刚性，在加载过程中垫块的两端将发生翘曲，使得试样的端部的应力值要小于中心位置，随着活塞的垫块的尺寸逐渐增大试样的应力不均匀度逐渐减小，此外提高垫块的材料刚度也可以降低试样应力不均度，但效果小于提高活塞的直径，建议活塞直径取试样的长度；(2)空白角对试样应力分布均匀性有着巨大的影响，并且影响着试样的破坏面，在有空白角的情况下，试样的破坏面更易从试样的边缘的位置产生，此外空白角还影响试样后区力学特征，空白角可采取互扣式垫块克服；(3)端部效应可以提高试样的强度，并形成虚假中间主应力效应，通过分析我们建议将端部摩擦系数降低至0.01左右，并采用紫铜片+二硫化钼酯+Teflon的复合减摩措施；(4)加载偏性同样对试样的应力不均匀性，为此，因将偏心距离控制在0.1mm范围内。此外，利用Matlab提供的调用其计算引擎的C++ API函数，以及FLAC3D提供的FISH Intrinsic插件C++接口，开发动态链接库来耦合FLAC3D和Matlab，定义了7个FISH Intrinsics由FLAC3D来调用Matlab的神经网络工具箱进行硬岩的本质应力应变关系提取。本项目的工作会为真三轴设计及其实验建议方法的起草起到一定的指导作用，并能为解释真三轴实验数据提供新的思路。项目基本完成了原计划设定的工作内容，部分工作有待后续进一步深化和扩展。