CN106918508A - 一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，包括：待测试的岩样、两个下压紧盘、与所述下压紧盘贴合的两个上压紧盘，上压紧盘上设有圆柱型凹槽,下压紧盘上设有圆筒型凸台并设有贯穿下压紧盘的倒圆锥孔；压紧锥，压紧锥包括圆柱型平台和圆锥体，压紧锥上设有贯穿的圆柱细孔，圆柱型平台套接在圆柱型凹槽内，圆锥体套接在倒圆锥孔内；被压紧在圆锥体与倒圆锥孔间并通过岩样中心内压通孔的内压橡胶管，还包括轴压加载系统、围压加载系统和内压加载系统。本发明能够实现内压系统独立自密封、岩样与液压介质相互隔离、内压系统独立精细化加卸载，并可实现常规三轴和真三轴两种应力边界的不同应力边界下非均匀应力场室内再现。

Description

一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统

技术领域

本发明涉及一种岩石力学特性室内试验系统，具体是涉及一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统。

背景技术

地下工程开挖导致原岩一个方向或者多个方向上的应力卸除，打破了原岩初始应力平衡状态，进而使工程岩体处于非均匀的二次应力场内和经历复杂多样的应力路径，这一变化过程易引起地下工程岩体破裂及灾害发生，尤其是岩爆、挤压大变形、分区破裂、板裂等非常规破裂及灾害现象。研究表明地下开挖硐室周边的二次应力场是非均匀的，且普遍存在。因此通过室内试验物理模拟地下硐室开挖前后所处的复杂应力环境及变化过程，开展由可控复杂边界应力再造的非均匀二次应力场下岩石变形、强度、破裂等力学特性研究，是揭示工程灾害致灾机理以及提出合理支护等防控技术措施的前提条件。

针对地下工程岩体处于复杂的三向压应力状态的特点，岩石常规或真三轴试验系统常被用于研究复杂应力环境下岩石力学特性。利用该系统虽然一定程度上实现了三维应力环境下岩石力学特性的初步研究，但均未考虑非均匀应力场的影响。目前，一些研究人员基于常规三轴的加载模式，利用含孔洞岩石进行多轴压缩实验从而物理模拟巷道的受力情况，开展不均匀应力场下的岩石力学特性研究。该方法采用空心圆筒岩样，对圆筒岩样两端施加轴压，外壁施加围压，内壁施加内压，整个试样处于一种轴对称应力状态，圆筒壁内不同半径圆周上的应力状态不同，从而构建具有径向应力梯度的不均匀应力场。然而，目前已有的圆筒岩样多轴压缩试验方法存在一些不足：

⑴向内壁施加内压时，液压油或者水等液压介质直接与岩壁接触，由于岩石内部含有众多微小孔隙，具有一定的渗透性，高压下液压介质能够通过孔隙渗透，一方面弱化岩石力学性能，另一方面导致内压施加不高；

⑵大多在圆筒岩样端面进行密封，密封效果受加载过程影响大，在岩样塑性段或者锋后段密封易失效，从而导致内压和围压系统连通，难以实现梯度加载，并且如果内压通过水施加时，一旦内压和围压系统连通，就会使水混入液压油中，造成液压油品质的降低或者彻底报废；

⑶内压系统往往是外接的液压系统，达不到原来试验系统施加轴压和围压时所具有的加卸荷精度；

⑷实际情况下，地下岩体应力边界是复杂多样的，有一些是常规三轴受力边界，但绝大多数是真三轴受力边界，然而目前常用的圆筒岩样多轴压缩试验方法难以模拟实际的三轴应力边界。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现内压系统和围压系统独立自密封、岩样与液压介质相互隔离、内压系统独立精细化加卸载的室内试验系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明公开了一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，包括：

待测试的岩样，所述岩样上设置有内压通孔；

两个下压紧盘，所述下压紧盘上设有圆筒型凸台，所述圆筒型凸台上设有贯穿所述圆筒型凸台和所述下压紧盘的倒圆锥孔，两个所述下压紧盘分别与所述岩样两端贴合；

与所述下压紧盘贴合的两个上压紧盘，所述上压紧盘上设有圆柱型凹槽，所述圆柱型凹槽内设有圆柱通孔，所述圆柱型凹槽和圆柱通孔相互连通且在交接处形成有阶梯面；

压紧锥，所述压紧锥包括圆柱型平台和圆锥体，所述压紧锥上设有贯穿所述圆柱型平台和圆锥体的圆柱细孔，所述圆锥体套接于所述倒圆锥孔内，所述圆柱型平台与所述圆筒型凸台贴合并一起套接在所述圆柱型凹槽内，所述圆柱型平台与所述阶梯面贴合；

套接在所述倒圆锥孔和内压通孔内的内压橡胶管，所述内压橡胶管两端的内壁与所述圆锥体的外壁套接，所述内压橡胶管两端的外壁与所述倒圆锥孔的孔壁套接，所述内压橡胶管通过所述圆柱细孔与所述圆柱通孔连通；

作用在上压紧盘上、对所述岩样施加轴向力的轴压加载系统；

作用在岩样上、对所述岩样施加周向力的围压加载系统；以及

通过所述圆柱通孔与所述内压橡胶管连通且对所述内压橡胶管施加内压力的内压加载系统。

进一步的，所述压紧锥和所述圆柱型凹槽之间设有密封件。

进一步的，所述密封件为密封圈，所述圆柱型平台位于与所述阶梯面相对的面上设有环形槽，所述密封圈设置于所述密封槽内。

进一步的，所述岩样为回转体或方形体结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)、本发明的整个安装过程不需要进行螺栓连接和反复校正位置，也不需要穿线引导橡胶管，因此岩样及内压施加装置一体化安装过程方便、简捷。

(2)、本发明的内压通过岩石常规三轴压缩及渗流试验平台的孔隙水压加载系统或者岩石真三轴压缩试验平台外置的岩石孔内液压加载系统施加，并借助轴压加载系统施加的轴向压力将上压紧盘、密封圈、压紧锥、内压橡胶管的端部管壁和下压紧盘牢牢压紧，实现内压系统独立自密封，并且轴向压力越大，密封性能越好，即能够实现内压系统独立自密封。

(3)、本发明在施加孔内液压时，液压介质和岩样中心孔洞内壁由内压橡胶管进行密封隔离；此外，压紧锥上的密封圈和压紧锥与下压紧盘上倒圆锥孔间的内压橡胶管端部管壁，在轴向压力下将内压加载系统中的液压介质始终密封在内压系统内，防止液压介质渗漏；综上所述，整个试验过程中，岩样与水或者液压油这些液压介质始终处于相互隔离状态，避免了液压介质对岩样力学性能的影响，同时避免了液压介质间的相互作用影响试验正常进行或者造成液压介质品质降低或者彻底报废。

(4)、本发明在试验过程中内压通过岩石常规三轴压缩及渗流试验平台自带的孔隙水压加载系统或者岩石真三轴压缩试验平台外置的岩石孔内液压加载系统施加，内压系统的液压通过电液伺服系统进行控制，从而可实现孔内液压的独立精细化加卸载。

(5)、本发明利用岩石常规三轴压缩及渗流试验平台和其自带的孔隙水压加载系统，以及本发明提供的内压施加装置可实现空心圆筒岩样常规三轴应力边界下非均匀应力场的室内再现；利用岩石真三轴压缩试验平台和外置的岩石孔内液压加载系统，以及本发明提供的内压施加装置可实现圆孔立方岩样真三轴应力边界下非均匀应力场的室内再现。

综上所述，本发明能够实现内压系统独立自密封、岩样与液压介质相互隔离、内压系统独立精细化加卸载，并可实现常规三轴和真三轴两种应力边界的不同应力边界下非均匀应力场室内再现。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明优选实施例公开的不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统示意图；

图2为本发明优选实施例公开的常规三轴应力边界下空心圆筒岩样受力示意图；

图3为本发明优选实施例公开的真三轴应力边界下圆孔立方岩样受力示意图；

图4为本发明优选实施例公开的上压紧盘剖面示意图；

图5为本发明优选实施例公开的下压紧盘剖面示意图；

图6为本发明优选实施例公开的压紧锥剖面示意图。

图例说明：

1、上部自密封构件；2、下部自密封构件；3、上压紧盘；4、圆柱通孔；5、圆柱型凹槽；6、下压紧盘；7、倒圆锥孔；8、圆筒型凸台；9、压紧锥；10、圆柱细孔；11、圆柱型平台；12、环形槽；13、密封圈；14、圆锥体；15、内压橡胶管；16、岩样；17、空心圆筒岩样；18、圆孔立方岩样；19、端面轴压；20、外壁围压；21、水平X向围压；22、水平Y向围压；23、孔壁内压。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明公开了一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，如图1-图6所示，包括两部分内容，其一是不同应力边界下非均匀应力场室内再现方法，其二是实现该方法所需的系统。

不同应力边界下非均匀应力场室内再现方法，是在岩石常规三轴压缩及渗流试验平台上实施，通过该平台具有的轴压加载系统、围压加载系统和孔隙水压加载系统，并借助本发明提供的内压施加装置对该平台的孔隙水压加载系统进行改造，从而分别对空心圆筒岩样17施加端面轴压19、外壁围压20和孔壁内压23，实现空心圆筒岩样17常规三轴边界应力下非均匀应力场的室内再现；或者是在岩石真三轴压缩试验平台上，通过该平台具有的三向独立加载系统，以及外置的岩石孔内液压加载系统，并借助本发明提供的内压施加装置，分别对圆孔立方岩样18施加端面轴压19、水平X向围压21、水平Y向围压22和孔壁内压23，实现圆孔立方岩样18真三轴边界应力下非均匀应力场的室内再现，从而获得不同应力边界下岩石受到非均匀应力场时的力学特性。

在本实施例中，内压施加装置包括安设在岩样16上下两端的上部自密封构件1、下部自密封构件2和一条放置在圆筒岩样孔洞内的内压橡胶管15。

上部自密封构件1或下部自密封构件2均包括上压紧盘3、下压紧盘6、压紧锥9和密封圈13；上压紧盘3上部分中心含有圆柱通孔4，下部分中心含有圆柱型凹槽5；下压紧盘6中心含有倒圆锥孔7，下压紧盘6与上压紧盘3接触的端面有圆筒型凸台8；压紧锥9中心含有贯穿压紧锥9的圆柱细孔10供水流通，压紧锥9上部有能够紧凑地放入圆柱型凹槽5内的圆柱型平台11，圆柱型平台11的上端面开设有环形槽12，用于放置密封圈13，压紧锥9下部具有的圆锥体14放置到下压紧盘6的倒圆锥孔7内，压紧锥9的锥面与下压紧盘6上的倒圆锥孔7内的锥面间预设有一定量的间隙，用于放置并压紧内压橡胶管15的管壁。

针对空心圆筒岩样17常规三轴边界应力下非均匀应力场的室内再现过程，内压施加装置上的上压紧盘3和下压紧盘6需要加工成与空心圆筒岩样17边界尺寸相当的圆形；针对圆孔立方岩样18真三轴边界应力下非均匀应力场的室内再现过程，内压施加装置上的上压紧盘3和下压紧盘6需要加工成与圆孔立方岩样18边界尺寸相当的正方形。

本系统的工作过程如下：

⑴、运行并调试好岩石常规三轴压缩及渗流试验平台或者岩石真三轴压缩试验平台；

⑵、进行岩样16及内压施加装置一体化安装，首先将内压橡胶管15穿过岩样16的中心孔洞，然后将内压橡胶管15的两端穿到上下两个下压紧盘6的倒圆锥孔7内，内压橡胶管15的两端边缘正好与上下两个下压紧盘6的顶面平齐，其后将两个已安装好密封圈13的压紧锥9放置到内压橡胶管15内，最后盖上上下两个上压紧盘3，并使压紧锥9进入上下两个上压紧盘3的圆柱型凹槽5内；

⑶、将配合好的内压施加装置和岩样16放置到岩石常规三轴压缩及渗流试验平台或者岩石真三轴压缩试验平台的加载腔内；

⑷、将岩石常规三轴压缩及渗流试验平台上具有的孔隙水压加载系统或者岩石真三轴压缩试验平台上外置的岩石孔内液压加载系统与内压施加装置连接；

⑸、先施加2kN的端面轴压19，将内压施加装置和岩样固定牢靠；

⑹、如果针对的是空心圆筒岩样17，依次将端面轴压19、外壁围压20、孔壁内压23施加到设定值，然后保持外壁围压20和孔壁内压23不变，增加端面轴压19使岩样破坏从而研究空心圆筒岩样17处于常规三轴应力边界下非均匀应力场内的加载力学特性，或者保持端面轴压19和外壁围压20不变，降低孔壁内压23使岩样破坏从而研究空心圆筒岩样17处于常规三轴应力边界下非均匀应力场内的卸载力学特性；

⑺、如果针对的是圆孔立方岩样18，依次将端面轴压19、水平X向围压21、水平Y向围压22、孔壁内压23施加到设定值，然后保持水平X向围压21、水平Y向围压22、孔壁内压23不变，增加端面轴压19使岩样破坏从而研究圆孔立方岩样18处于真三轴应力边界下非均匀应力场内的加载力学特性，或者保持端面轴压19、水平X向围压21和水平Y向围压22不变，降低孔壁内压23使岩样破坏从而研究圆孔立方岩样18处于真三轴应力边界下非均匀应力场内的卸载力学特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，其特征在于，包括：

待测试的岩样，所述岩样上设置有内压通孔；

两个下压紧盘，所述下压紧盘上设有圆筒型凸台，所述圆筒型凸台上设有贯穿所述圆筒型凸台和所述下压紧盘的倒圆锥孔，两个所述下压紧盘分别与所述岩样两端贴合；

与所述下压紧盘贴合的两个上压紧盘，所述上压紧盘上设有圆柱型凹槽，所述圆柱型凹槽内设有圆柱通孔，所述圆柱型凹槽和圆柱通孔相互连通且在交接处形成有阶梯面；

压紧锥，所述压紧锥包括圆柱型平台和圆锥体，所述压紧锥上设有贯穿所述圆柱型平台和圆锥体的圆柱细孔，所述圆锥体套接于所述倒圆锥孔内，所述圆柱型平台与所述圆筒型凸台贴合并一起套接在所述圆柱型凹槽内，所述圆柱型平台与所述阶梯面贴合；

套接在所述倒圆锥孔和内压通孔内的内压橡胶管，所述内压橡胶管两端的内壁与所述圆锥体的外壁套接，所述内压橡胶管两端的外壁与所述倒圆锥孔的孔壁套接，所述内压橡胶管通过所述圆柱细孔与所述圆柱通孔连通；

作用在上压紧盘上、对所述岩样施加轴向力的轴压加载系统；

作用在岩样上、对所述岩样施加周向力的围压加载系统；以及

通过所述圆柱通孔与所述内压橡胶管连通且对所述内压橡胶管施加内压力的内压加载系统。

2.根据权利要求1所述的不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，其特征在于，所述压紧锥和所述圆柱型凹槽之间设有密封件。

3.根据权利要求2所述的不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，其特征在于，所述密封件为密封圈，所述圆柱型平台位于与所述阶梯面相对的面上设有环形槽，所述密封圈设置于所述环形槽内。

4.根据权利要求1-3任一所述的不同应力边界下非均匀应力场室内再现系统，其特征在于，所述岩样为回转体或方形体结构。