CN105784493B - 岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，由底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统组成；围压加卸荷系统包括压力室、围压囊、保护胎、进出油通道、以及围压电液伺服系统；孔内液压加卸荷系统包括内压囊、上下密封构件、上下“L”型弯管、上下盖板、以及内压电液伺服系统；轴压加卸荷系统包括加载块、活塞杆、油缸、上下油腔通道、以及轴压电液伺服系统。本发明结构紧凑、各项功能独立协同，通过调节不同的围压和内压组合便可构建不同的环向分布非均匀径向应力场和切向应力场，通过伺服调节内压的卸荷速率便可在岩样内非均匀应力场上各点处实现线性和非线性的径向卸荷和切向加载应力路径。

Description

岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置

技术领域

本发明涉及一种室内岩石力学试验装置，具体是涉及一种可实现多样应力路径和非均匀应力场重构的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置。

背景技术

随着经济发展对矿产资源需求量的增加和浅部资源的不断消耗，国内外越来越多的矿山进入深部或更深的开采状态，今后相当长时间内深部开采将是矿山开采的趋势和必然。深部硬岩开采中出现了一些现有理论无法很好解释、严重影响工程施工和资源高效回收的灾害现象，例如挤压大变形、岩爆、分区破裂、板裂等。近年来的研究发现，这些灾害与深部高应力硬岩在开挖卸荷扰动下岩体中的能量转移和释放密切相关。同时，深部硬岩矿体开采中出现的“好凿好爆”、开挖卸荷后的松动圈范围较浅部增大、小扰动后岩石易于致裂等特点说明深部高应力硬岩存在着更利于岩石破碎的倾向，只要找到适当的诱导破裂方法和途径，其内部储能就会变成有效破岩的有用动力源，从而为硬岩矿山的非爆机械化开采提供有利条件。但是，由于目前对深部高应力硬岩开挖卸荷响应内部机理缺乏透彻认识，无法对这些能量进行利用和控制，致使它们以灾害的形式表现出来。

事实上，深部高应力硬岩的开挖卸荷响应主要表现为：①伴随开挖过程中的非均匀应力场重构，产生应力集中和应力释放，在开挖区附近形成松动区；②伴随快速开挖卸载过程，在开挖面产生卸荷拉伸波，并向岩体深部传播，产生高强度动力扰动。因此，非均匀应力场和强卸荷应力路径是深部高应力硬岩开挖卸荷响应的内在因素，其过程主要取决于初始地应力大小及构成、开挖方法及开挖过程。初始地应力决定着开挖后围岩非均匀应力场的分布，而开挖方法及开挖过程则对应不同的卸荷应力路径。因而模拟深部高应力硬岩开挖卸荷响应过程，开展岩石三轴外压(包括围压和轴压)和孔内液压耦合加卸荷试验，研究岩石在多 样应力路径卸荷和非均匀应力场作用下的变形、破裂、破坏等响应特性，对理解深部岩体开挖破坏机理具有重要的理论和应用价值。

目前，可以实现多样应力路径加卸荷的岩石室内试验装置主要是岩石材料试验机，特别是岩石三轴试验机，可实现多个方向的不同应力路径加卸荷，能够模拟局部岩块在开挖过程中的力学过程，但不能在岩石内形成可控的非均匀应力场，不能模拟开挖围岩整体的卸荷响应过程，且难以实现多样应力路径强卸荷。现有的岩石孔内液压加载方法直接将水等压力介质作用在岩石孔壁，水容易侵入岩石孔隙或者微裂隙内，甚至从岩样渗出，从而弱化岩石力学特性，并且岩石与轴压加载块间难以密封，难以满足高应力硬岩加卸荷试验的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种密封性好、液压介质与岩样隔离、能实现多应力路径强卸荷、具有非均匀应力场重构能力的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统等四大部分，所述的底座包括用于支撑孔内液压加卸荷系统的底座板和用于支撑围压加卸荷系统的四个圆柱形支柱；

所述的围压加卸荷系统由压力室、用于储集围压加卸荷系统液压油的围压囊、安设在所述的围压囊和所述的压力室内壁之间的用于保护所述的围压囊的保护胎、安设在所述的围压囊低位的进油通道、安设在所述的围压囊高位的出油通道以及与所述的进油通道和所述的出油通道连通的围压电液伺服系统组成；

所述的孔内液压加卸荷系统包括：放置在岩样中心孔洞内两端开口的内压囊、用于密封所述的内压囊的开口的上下密封构件、上部“L”型出油弯管、下部“L”型进油弯管、开有槽口供弯管通过并且其间隙用支撑块填充的上盖板和下盖板以及与所述的上部“L”型出油弯管和下部“L”型进油弯管连通的内压电液伺服系统；

所述的轴压加卸荷系统由用于将轴压均匀作用于岩样上的加载块、能够上下移动与所述的加载块连接的活塞杆、油缸、与所述的油缸连通的上部油腔通道和下部油腔通道，以及与所述的 上部油腔通道和下部油腔通道连通的轴压电液伺服系统组成。

所述的上下密封构件由分别安放在内压囊的开口内外的内锁紧和外锁紧，以及用于压紧内外锁紧密封内压囊的开口的压紧螺母组成。

所述的加载块由与所述的上盖板接触的下加载板、与所述的活塞杆连接的上加载板、以及将所述的下加载板和所述的上加载板连接起来并保证两者能够相对移动进行接触调节的连接弹簧组成。

所述的底座板、下盖板、围压囊、内压囊、岩样、上盖板、下加载板、上加载板、活塞杆和油缸的中轴线重合。

所述的压力室、上盖板、下盖板和岩样之间的接触面密切配合，防止所述的围压囊或者所述的内压囊在高压条件下从接触缝隙中挤出。

采用上述技术方案的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统；围压加卸荷系统和孔内液压加卸荷系统安置在底座上，轴压加卸荷系统安置在孔内液压加卸荷系统上。通过两个液压囊(内压囊和围压囊)将内压和围压分别作用在厚壁圆筒型岩样的孔洞内壁和外壁上，液压囊本身具有很好的气密性，同时液压囊开口处通过内外锁紧和压紧螺母进行密封，可保证整个装置具有良好的密封性；液压囊的囊壁将液压介质与岩样隔离，可避免液压介质侵入岩石孔隙或者微裂隙内而影响岩石力学特性；液压囊具有良好的柔韧性，岩壁各处所受到的压力一致，可保证整个岩壁的均匀加卸荷。

围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统和轴压加卸荷系统分别独立地将围压、内压和轴压均匀作用在沿中轴线开有圆柱型孔洞的厚壁圆筒型岩样的外壁、内壁和上下端面上，并通过各自对应的电液伺服系统对压力进行伺服控制。

围压加卸荷系统和孔内液压加卸荷系统分别控制围压和内压的大小，通过调节不同的围压和内压组合便可在岩样中形成不同的径向应力梯度，从而构建不同的环向分布非均匀径向应力场和切向应力场。

孔内液压加卸荷系统控制内压的卸荷过程，通过伺服调节内压的卸荷速率便可形成不同的内压卸荷路径，从而可在岩样内非均匀应力场上各点处实现线性和非线性的径向卸荷应力路径和 切向加载应力路径。

围压、内压和轴压电液伺服系统分别独立地对围压、内压和轴压加卸荷过程进行伺服控制。

本发明具有以下优点：

⑴、密封性好

该装置通过两个液压囊(内压囊和围压囊)将内压和围压分别作用在厚壁圆筒型岩样的孔洞内壁和外壁上，液压囊本身具有很好的气密性，同时液压囊开口处通过内外锁紧和压紧螺母进行密封，整个装置密封性好。

⑵、液压介质与岩样隔离

该装置通过液压囊将伺服加卸荷系统内的油压均匀传递到厚壁圆筒型岩样的内外壁，液压囊的囊壁将液压介质与岩样隔离，可避免液压介质侵入岩石孔隙或者微裂隙内而影响岩石力学特性，防止液压介质从岩样渗出。

⑶、岩样受载均匀

该装置通过柔性很好的液压囊将液压作用于厚壁圆筒型岩样的内外壁，岩壁各处所受到的压力一致，可保证整个岩壁的均匀加卸荷。

⑷、可实现多应力路径强卸荷

该装置通过内压电液伺服系统对岩样中心孔洞的孔壁进行加卸荷，并配置有独立的具有动态调速能力的快速卸压系统，能够实现孔内线性和非线性多应力路径强卸荷，从而模拟不同的岩体开挖方法和开挖过程。

⑸、具有非均匀应力场重构能力

该装置通过独立的孔内液压和围压加卸荷系统分别对厚壁圆筒型岩样的内外壁施加或释放内压和围压，通过调节不同的围压和内压组合便可在岩样中形成不同的应力梯度，从而构建不同的非均匀应力场，从而模拟开挖岩体内的应力场分布及变化。

综上所述，本发明是一种密封性好、能够将液压介质与岩样隔离、加卸荷受力均匀、可实现多应力路径强卸荷、具有非均匀应力场重构能力的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置。以研究深部高应力岩体在多样应力路径卸荷和非均匀应力场作用下的开挖响应特性。此装置也兼具操作简便、测量精确、自动化程度高、制造和实验成本相对低廉、安全可靠等优点。

附图说明

图1为本发明的主视结构图。

图2为本发明的俯视结构图。

图3为本发明的厚壁圆筒型岩样受力分析图。

图4为本发明的内压与围压不相同时岩样内某点的应力路径图。

图5位本发明的内压与围压相同时岩样内某点的应力路径图。

图中：1—底座板；2—圆柱形支柱；3—下盖板；4—压力室；5—保护胎；6—围压囊；7—厚壁圆筒型岩样；8—上盖板；9—圆柱型孔洞；10—内压囊；11—内锁紧；12—外锁紧；13—压紧螺母；14—槽口；15—上部“L”型出油弯管；16—支撑块；17—出油通道；18—进油通道；19—下部“L”型进油弯管；20—内压电液伺服系统；21—围压电液伺服系统；22—轴压电液伺服系统；23—下加载板；24—上加载板；25—连接弹簧；26—活塞杆；27—油缸；28—上部油腔通道；29—下部油腔通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，见附图。

本发明一种岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，主要包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统等四大部分。

底座包括用于支撑孔内液压加卸荷系统的底座板1和用于支撑围压加卸荷系统的四个圆柱形支柱2。

围压加卸荷系统由压力室4、用于储集围压加卸荷系统液压油的围压囊6、安设在围压囊6和压力室4内壁之间的用于保护围压囊6的保护胎5、安设在围压囊6低位的进油通道18、安设在围压囊6高位的出油通道17以及与进油通道18和出油通道17连通的围压电液伺服系统21组成；所述的进油通道18用于将围压电液伺服系统21的液压油导流进围压囊6；所述出油通道17用于排出围压囊6内的空气和液压油。

孔内液压加卸荷系统包括：放置在岩样中心孔洞内两端开口的内压囊10、用于密封内压囊10的开口的上下密封构件、上部“L”型出油弯管15、下部“L”型进油弯管19、开有槽口14供弯管通过并且其间隙用支撑块16填充的上盖板8和下盖板3以及与上部“L”型出油弯管15和下部“L”型进油弯管19连通的内压电液伺服系统20；所述上下密封构件由分别安放在内压囊 10的开口内外的内锁紧11和外锁紧12，以及用于压紧内外锁紧密封内压囊10的开口的压紧螺母13组成；所述下部“L”型进油弯管19用于将内压电液伺服系统20的液压油导流进内压囊10；所述上部“L”型出油弯管15用于排出内压囊10内的空气和液压油。

所述轴压加卸荷系统由用于将轴压均匀作用于岩样上的加载块、能够上下移动与加载块连接的活塞杆26、油缸27、与所述的油缸27连通的上部油腔通道28和下部油腔通道29，以及与上部油腔通道28和下部油腔通道29连通的轴压电液伺服系统22组成；所述加载块由与上盖板8接触的下加载板23、与活塞杆26连接的上加载板24、以及将下加载板23和上加载板24连接起来并保证两者能够相对移动进行接触调节的连接弹簧25组成；所述下部油腔通道29用于将轴压电液伺服系统22与油缸27的下部油腔连通；所述上部油腔通道28用于将轴压电液伺服系统22与油缸27的上部油腔连通；所述轴压电液伺服系统22通过控制活塞杆26的上下移动量及移动速度来分别控制轴压加载大小和加载速率。

进一步，所述围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统和轴压加卸荷系统分别独立地将围压、内压和轴压均匀作用在沿中轴线开有圆柱型孔洞9的厚壁圆筒型岩样7的外壁、内壁和上下端面上，并通过各自对应的电液伺服系统对压力进行伺服控制。

进一步，所述底座板1、下盖板3、围压囊6、内压囊10、厚壁圆筒型岩样7、上盖板8、下加载板23、上加载板24、活塞杆26和油缸27的中轴线重合。

进一步，所述压力室4、上盖板8、下盖板3和厚壁圆筒型岩样7之间的接触面要密切配合，防止围压囊6或者内压囊10在高压条件下从接触缝隙中挤出。

进一步，如图3所示，所述围压加卸荷系统和孔内液压加卸荷系统分别控制围压P_c和内压P_i的大小，通过调节不同的围压和内压组合便可在岩样中形成不同的应力梯度，从而构建不同的非均匀应力场。

进一步，如图4和图5所示，所述孔内液压加卸荷系统控制内压的卸荷过程，通过伺服调节内压的卸荷速率便可形成不同的内压卸荷路径P_i(t)，从而可在岩样中实现多样的径向卸荷应力路径σ_r(t)和切向加载应力路径σ_θ(t)。

本发明的工作原理及过程：

⑴、加工中心含圆柱型孔洞9的厚壁圆筒型岩样7；

⑵、装配底座，将四个圆柱型支柱2等间距安装在底座板1上；

⑶、装配围压加卸荷系统并放置在四个圆柱形支柱2上，将保护胎5和围压囊6放入压力室4的内腔中，出油通道17和进油通道18的装配过程与下述步骤(6)中孔内液压加卸荷系统的上密封构件的装配过程相同；

⑷、装配孔内液压加卸荷系统的下密封构件并放置在底座板1上，其过程与下述步骤(6)中上密封构件的装配过程相同；

⑸、放置厚壁圆筒型岩样7，将厚壁圆筒型岩样7的外壁紧贴围岩囊6、内壁紧贴内压囊10安放在围压囊6和内压囊10之间，并放置在下盖板3上；

⑹、装配孔内液压加卸荷系统的上密封构件，将内锁紧11通过内压囊10端部圆形开口放入液压囊10内，将压紧螺母13旋至“L”型出油弯管15的短臂端螺纹上，继而将外锁紧12套至“L”型出油弯管15的短臂端置于压紧螺母13下面，然后将“L”型出油弯管15的短臂端旋至内压囊10内的内锁紧11，通过旋紧压紧螺母13将内锁紧11、外锁紧12与内压囊10的囊壁固定紧并保证良好的密封性和耐高压性，然后将连接好的“L”型出油弯管15放入上盖板8的槽口14内，然后用支撑块16将槽内空隙充填；

⑺、装配轴压加卸荷系统并放置在上盖板8上，将下加载板23和上加载板24通过连接弹簧25连接，将油缸27内可上下往复运动的活塞杆26连接到加载板24上；

⑻、分别将内压电液伺服系统20、围压电液伺服系21、轴压电液伺服系统22的两端与上部“L”型出油弯管15和下部“L”型进油弯管19、出油通道17和进油通道18、上部油腔通道28和下部油腔通道29连通；

⑼、在厚壁圆筒型岩样7中构建可控的非均匀应力场，研究厚壁圆筒型岩样7在不同的非均匀应力场作用下的变形、破裂以及破坏特性，具体如图3所示，通过控制不同的围压P_c和内压P_i组合，便可在厚壁圆筒型岩样7的水平面内形成具有径向应力梯度的环形分布应力场，包括式(1)表示的径向应力场和式(2)所示的切向应力场：

式中，σ_r为径向应力，σ_θ为切向应力，P_c为围压，P_i为内压，a为厚壁圆筒型岩样的内孔半径，b为厚壁圆筒型岩样的外径，r为岩样内某点到岩样中心的径向距离；

⑽、通过轴压加卸荷系统控制并记录轴压的加卸荷过程，获得厚壁圆筒型岩样7在不同应力场下轴向应力-应变全过程曲线，并获得厚壁圆筒型岩样7的抗压强度和破坏特性；

⑾、在一定的轴压、围压和内压组合下，即在一定的轴向应力、径向应力场和切向应力场下，保持轴压和围压不变，通过内压电液伺服系统动态控制内压P_i的卸荷速率，获得不同的内压卸荷应力路径，包括线性和非线性应力路径，从而分别实现岩样内非均匀应力场上各点的线性和非线性应力路径协同加、卸载，用于物理模拟不同的开挖方法或开挖过程对应的工程围岩卸荷响应过程；具体地，伴随内压卸荷应力路径P_i(t)，岩样内距岩样中心距离为r的圆环上的径向应力路径如式(3)表示，而切向应力路径如式(4)表示；当内压P_i与围压P_c不相等时，内压卸荷应力路径、岩样内某点的径向卸荷应力路径和切向加载应力路径的示例过程如图4所示；当内压P_i与围压P_c相等时，内压卸荷应力路径、岩样内某点的径向卸荷应力路径和切向加载应力路径的示例过程如图5所示。

Claims (3)

1.一种岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，其特征是：包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统等四大部分；

所述的底座包括用于支撑孔内液压加卸荷系统的底座板(1)和用于支撑围压加卸荷系统的四个圆柱形支柱(2)；

所述的围压加卸荷系统由压力室(4)、用于储集围压加卸荷系统液压油的围压囊(6)、安设在所述的围压囊(6)和所述的压力室(4)内壁之间的用于保护所述的围压囊(6)的保护胎(5)、安设在所述的围压囊(6)低位的进油通道(18)、安设在所述的围压囊(6)高位的出油通道(17)以及与所述的进油通道(18)和所述的出油通道(17)连通的围压电液伺服系统(21)组成；

所述的孔内液压加卸荷系统包括：放置在岩样中心孔洞内两端开口的内压囊(10)、用于密封所述的内压囊(10)的开口的上下密封构件、上部“L”型出油弯管(15)、下部“L”型进油弯管(19)、开有槽口(14)供弯管通过并且其间隙用支撑块(16)填充的上盖板(8)和下盖板(3)，以及与所述的上部“L”型出油弯管(15)和下部“L”型进油弯管(19)连通的内压电液伺服系统(20)；

所述的轴压加卸荷系统由用于将轴压均匀作用于岩样上的加载块、能够上下移动与所述的加载块连接的活塞杆(26)、油缸(27)、与所述的油缸(27)连通的上部油腔通道(28)和下部油腔通道(29)，以及与所述的上部油腔通道(28)和下部油腔通道(29)连通的轴压电液伺服系统(22)组成；所述加载块带动所述上盖板(8)向下运动将轴压作用于试样上；

所述的上下密封构件由分别安放在内压囊(10)的开口内外的带有弧面的内锁紧(11)和外锁紧(12)，以及用于压紧内外锁紧密封所述的内压囊(10)的开口的压紧螺母(13)组成；

所述的压力室(4)、上盖板(8)、下盖板(3)和岩样之间的接触面密切配合，防止所述的围压囊(6)或者所述的内压囊(10)在高压条件下从接触缝隙中挤出。

2.根据权利要求1所述的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，其特征是：所述的加载块由与所述的上盖板(8)接触的下加载板(23)、与所述的活塞杆(26)连接的上加载板(24)、以及将所述的下加载板(23)和所述的上加载板(24)连接起来并保证两者能够相对移动进行接触调节的连接弹簧(25)组成。

3.根据权利要求1或2所述的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，其特征是：所述的底座板(1)、下盖板(3)、围压囊(6)、内压囊(10)、岩样、上盖板(8)、下加载板(23)、上加载板(24)、活塞杆(26)和油缸(27)的中轴线重合。