CN109490107B - 一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，包括：设备框架，在设备框架内设置有试样约束装置、用于给试样约束装置分别在X轴、Y轴、Z轴三个方向施加压力的加载装置、用于对所述X轴、Y轴、Z轴三个方向施加的压力进行支撑的被动支撑装置、以及用于对试样约束装置内的试样进行爆破的爆破装置。本装置能够以不破坏岩石试样的方式将围压升高至足够大，从而实现岩石行为从脆性向延性的转换，进而使得围压对岩石爆炸荷载响应的影响从量变产生质变，最终获得高应力软岩在不同围压量值和各向异性条件下的爆炸力学行为响应。

Description

一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置
技术领域
本发明涉及部岩石力学测试技术领域，尤其涉及一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置。
背景技术
随着世界人口的增长和经济的发展，地球浅部资源逐渐枯竭，人类对资源的开发利用不断转向地球深部。根据工程荷载作用下的力学响应，可将岩石介质划分为在达到破坏状态之前发生显著性变形的延性材料和不产生显著变形的脆性材料。在地壳浅部，岩石的破坏通常表现出脆性硬岩的特征；然而，随着深度增加，原本在浅部表现出脆性行为的硬岩，在深部升高的地应力作用下可能表现出大变形、难支护的延性软岩特征，这种岩石被称为“高应力软岩”。
作为开发利用深部资源的重要工程手段，岩石爆破技术广泛应用于水电、交通、采矿等领域的地下巷道和厂房开挖。然而，目前国内外针对深部岩体爆炸力学响应的测试技术大多仅关注于脆性硬岩，而针对深部高应力软岩爆炸力学响应的测试技术却极为匮乏。为优化岩石爆炸破碎效果、提高炸药能量有效利用率、降低炸药单耗和工程成本，应在通过爆破产生长大拉裂隙的同时控制粉碎区的范围(Donzéet al.,1997；冷振东等,2015)。然而，脆性岩石和延性岩石具有不同的屈服破坏形式和机理：岩石的脆性破坏一般伴随着相对较少的宏观裂隙发展；而岩石的延性破坏则伴随着大量微观裂隙的形成，进而产生相对更大的粉碎区，造成更大的爆炸能量损耗，不利于长大拉裂隙的发展(Kutter&Fairhurst,1971；Hagan,1979)。因此，测试研究具有延性特征的高应力软岩在不同围压作用下的爆炸荷载响应，对于适应和利用原岩应力提高深部爆炸破岩效果和效率具有至关重要的理论和工程意义。
目前现有技术测试研究岩石在不同围压作用下爆炸荷载响应的装置为一种双轴围压加载装置和中心孔爆炸加载装置的组合，该装置测试岩石在双轴围压作用下、中心孔爆破导致的岩石粉碎区大小和裂隙发展规律，而该双轴围压加载装置具有以下缺陷：
1.围压加载能力小：现有的液压加载装置目前可施加的最大作用力仅为500kN，对常规尺寸岩石试样仅能施加最大16MPa的围压(He et al.,2018)。已有的试验研究表明，火成岩等硬岩的脆性-延性转换临界压力一般为1000MPa数量级(Logan,1987)，而砂岩等较软的岩石的脆性-延性转换临界压力也在25MPa以上(Wong&Baud,2012)。因此，这样的围压加载能力几乎不能使岩石出现脆性-延性转换，即所施加围压对岩石爆炸荷载响应的影响也仅是量变而未产生质变，所能得到的试验结果揭示的仍属于深部脆性硬岩爆炸力学响应的范畴，而不能反映深部高应力软岩的爆炸力学响应。
2.围压加载方式易破坏岩石试样：现有的平面应力状态的双轴围压加载方式将在岩石试样中产生剪应力，这种围压加载方式在应力空间中对应加载路径的斜率大于常规岩石30°-60°内摩擦角对应的剪切屈服面斜率。因此，即使围压加载能力大幅提高，在其双轴围压加载作用下，岩石可能将在达到脆性-延性转换临界压力之前就产生了剪切破坏，而无法再进行后续的深部高应力软岩的爆炸力学响应测试。
现有技术当中还有另外一种测试材料在不同双轴等值围压作用下、中心孔爆破导致的粉碎区大小和裂隙发展规律的装置，该装置的双轴等值气压加载装置目前可施加的最大围压仅为0.8MPa，因此，其存在同样的问题，即这样的围压加载能力几乎不能使岩石出现脆性-延性转换，进而无法揭示深部高应力软岩的爆炸力学响应。另外，该装置不能实现各向异性围压加载：由于不同地区构造应力场和岩石物理学性质等的不同，深部地应力常存在各向异性，即岩石不同方向的地应力量值不同。因此，该装置的双轴等值气压加载装置无法考虑和反映地球深部岩石所处的各向异性应力环境，进而无法揭示深部高应力软岩在复杂地应力环境中的爆炸力学响应。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种测试不同围压作用下高应力软岩爆炸荷载响应的三轴加载设备，解决以往技术方案中围压加载能力低、试样易破坏、无法考虑围压各向异性，以至于无法测试研究复杂地应力场中高应力软岩爆炸荷载响应的缺陷。
一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，包括：设备框架，在设备框架内设置有试样约束装置、用于给试样约束装置分别在X轴、Y轴、Z轴三个方向施加压力的加载装置、用于对所述X轴、Y轴、Z轴三个方向施加的压力进行支撑的被动支撑装置、以及用于对试样约束装置内的试样进行爆破的爆破装置。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述设备框架为立方体结构。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述加载装置为在X轴、Y轴、Z轴三个方向分别设置的一个施力机构，该施力机构的施力端顶抵在试样约束装置上。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述被动支撑装置为分别设置在X轴、Y轴、Z轴三个方向、与所述施力机构在同一直线上的三个支撑杆，每个支撑杆的一端顶抵在试样约束装置上，另一端顶抵在设备框架的内侧面上。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，在设备框架的六个面上分别设置有一块用于防止主动围压加载装置加压过大、导致框架变形加强垫板。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述试样约束装置包括能够将试样从前后左右上下6个面进行预紧的试样约束垫板。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述试样约束垫板包括：两对方形钢板和一对十字形钢板，以及十二根固定螺栓，所述两对方形钢板和一对十字形钢板构成一个立方体结构，一对十字形钢板分布在立方体结构的前后两个面，方形钢板分布在其他四个面，十二根固定螺栓用于将两对方形钢板和一对十字形钢板进行整体固定。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述爆破装置为一个圆柱状的爆炸控制通道，位于任意一个水平方向的支撑杆内，通过该爆炸控制通道对约束装置内的试样进行炸药充填并实现爆炸点火控制。
有益效果：
1.本装置能够以不破坏岩石试样的方式将围压升高至足够大，从而实现岩石行为从脆性向延性的转换，进而使得围压对岩石爆炸荷载响应的影响从量变产生质变，最终获得高应力软岩在不同围压量值和各向异性条件下的爆炸力学行为响应。
2.本装置能够揭示岩石在不同围压及其相应脆性、延性状态条件下的爆炸荷载响应，进而通过试验结果分析能够提出一整套适应与利用原岩应力的深部岩石高效爆炸破碎理论技术。
附图说明
图1为本发明三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置结构示意图；
图2为卸除试样约束装置的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置结构示意图；
图3为试样约束装置结构示意图；
图4为试样及其爆炸控制通道结构示意图；
图5为围压量值对高应力软岩爆炸荷载响应的影响曲线图；
图6为围压各向异性对高应力软岩爆炸荷载响应的影响曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，包括：设备框架，在设备框架内设置有试样约束装置、用于给试样约束装置分别在X轴、Y轴、Z轴三个方向施加压力的加载装置、用于对所述X轴、Y轴、Z轴三个方向施加的压力进行支撑的被动支撑装置、以及用于对试样约束装置内的试样进行爆破的爆破装置。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，如图1、图2所示，所述设备框架5为立方体结构。
进一步地，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，如图1、图2所示，所述加载装置为在X轴、Y轴、Z轴三个方向分别设置的一个施力机构1，该施力机构的施力端顶抵在试样约束装置上；所述被动支撑装置为分别设置在X轴、Y轴、Z轴三个方向、与所述施力机构在同一直线上的三个支撑杆2，每个支撑杆2的一端顶抵在试样约束装置上，另一端顶抵在设备框架的内侧面上。
主动围压的所述加载装置和被动支撑装置分别位于三个正交方向的同一条直线上，其中主动围压加载装置为千斤顶等可施加压力的装置，而被动支撑装置只需固定于设备框架上，而不需要具有加载能力，其作用是在主动围压加载装置压缩试样的过程中于试样的另一端施加反作用力，以达到加载的效果。
进一步地，如图2所示，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，在设备框架5的六个面上分别设置有一块用于防止主动围压加载装置加压过大、导致框架变形加强垫板3。
所述加强垫板3是固定在设备框架5个面上的，其作用功能是防止主动围压加载装置加压过大、导致框架变形。
进一步地，如图3所示，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述试样约束装置包括能够将试样从前后左右上下6个面进行预紧的试样约束垫板4。如图3所示，所述试样约束垫板4包括：两对方形钢板43和一对十字形钢板41，以及十二根固定螺栓42，所述两对方形钢板43和一对十字形钢板41构成一个立方体结构，一对十字形钢板41分布在立方体结构的前后两个面，方形钢板43分布在其他四个面，十二根固定螺栓42用于将两对方形钢板43和一对十字形钢板41进行整体固定。
进一步地，如图1、图2所示，如上所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，所述爆破装置为一个圆柱状的爆炸控制通道6，位于任意一个水平方向的支撑杆2内，通过该爆炸控制通道对约束装置内的试样进行炸药充填并实现爆炸点火控制。
如图4所示，本发明将圆柱状炸药7置于试样8中心，所述试样8置在试样约束装置4中，试样8是本发明装置的研究对象，可以是岩石、混凝土等。爆炸控制通道6位于任意一个水平方向的被动支撑装置中，其作用是实现在炮孔中进行装药并进行爆炸点火控制。加强垫板3是固定在设备框架6个面上的，其作用功能是防止主动围压加载装置加压过大、导致框架变形。
本发明所述试样指岩石和土等天然材料，以及混凝土、胶凝材料、尾矿充填材料、岩土相似材料等人工材料
实施例
本实施例提供的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置可用于某高构造应力区水电站深埋地下厂房高应力软岩的爆破荷载响应分析，具体实施过程如下：
1.通过室内静态试验测得该水电站厂房围岩的屈服面如下图5所示，该岩石的脆性-延性转换临界压力为L(κ)，静水压缩屈服极限为X(κ)。
2.现场取围岩试样，并在其中心钻取一个适当直径和深度的炮孔。步骤1和2为使用本试验装置的前提条件，由已有的常规试验和工程手段即可实现。
3.将试样与本试验装置的约束垫板贴合，并放置于围压加载系统中。
4.通过主动围压加载装置逐渐升高三轴围压至图5中的Pc1、Pc2(低于脆性-延性转换临界压力L(κ))。
5.在围压达到预定值后，用固定螺栓将试样约束起来。通过水平方向被动支撑装置上的圆柱形通道在试样的炮孔中进行装药和实现爆炸点火控制。
6.点火引爆，爆炸加载路径如下图5中的Bc1、Bc2所示，即可获得该高应力软岩在表现出脆性特征时围压量值对其爆炸荷载响应的影响。
7.继续升高围压至图5中的Pc3、Pc4(高于脆性-延性转换临界压力L(κ))。
8.重复步骤5，然后点火引爆，爆炸加载路径如下图5中的Bc3，Bc4所示，即可获得该高应力软岩在表现出延性特征时围压量值对其爆炸荷载响应的影响。
9.保持竖直方向围压Pc4不变，逐渐降低水平两个方向的围压，此时水平方向围压和竖直方向围压的比值为K2、K3，围压加载路径矢量于I1轴的分量大于脆性-延性转换临界压力L(κ)，如下图6所示。
10.重复步骤5，然后点火引爆，爆炸加载路径如下图6中的BK2，BK3所示，即可获得该高应力软岩在表现出延性特征时围压各向异性对其爆炸荷载响应的影响。
11.继续降低水平两个方向的围压，以至于水平方向围压和竖直方向围压的比值为K4、K5，围压加载路径矢量于I1轴的分量小于脆性-延性转换临界压力L(κ)。
12.重复步骤5，然后点火引爆，爆炸加载路径如下图6中的BK4，BK5所示，即可获得该高应力软岩在表现出脆性特征时围压各向异性对其爆炸荷载响应的影响。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，其特征在于，包括：设备框架（5），在设备框架内设置有试样约束装置、用于给试样约束装置分别在X轴、Y轴、Z轴三个方向施加压力的加载装置、用于对所述X轴、Y轴、Z轴三个方向施加的压力进行支撑的被动支撑装置、以及用于对试样约束装置内的试样进行爆破的爆破装置；
所述设备框架（5）为立方体结构；
所述加载装置为在X轴、Y轴、Z轴三个方向分别设置的一个施力机构（1），该施力机构的施力端顶抵在试样约束装置上；
所述被动支撑装置为分别设置在X轴、Y轴、Z轴三个方向、与所述施力机构在同一直线上的三个支撑杆（2），每个支撑杆（2）的一端顶抵在试样约束装置上，另一端顶抵在设备框架的内侧面上。
2.根据权利要求1所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，其特征在于，在设备框架（5）的六个面上分别设置有一块用于防止主动围压加载装置加压过大、导致框架变形加强垫板（3）。
3.根据权利要求1所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，其特征在于，所述试样约束装置包括能够将试样从前后左右上下6个面进行预紧的试样约束垫板（4）。
4.根据权利要求3所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，其特征在于，所述试样约束垫板（4）包括：两对方形钢板（43）和一对十字形钢板（41），以及十二根固定螺栓（42），所述两对方形钢板（43）和一对十字形钢板（41）构成一个立方体结构，一对十字形钢板（41）分布在立方体结构的前后两个面，正方形钢板（43）分布在其他四个面，十二根固定螺栓（42）用于将两对方形钢板（43）和一对十字形钢板（41）进行整体固定。
5.根据权利要求1所述的三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，其特征在于，所述爆破装置为一个圆柱状的爆炸控制通道（6），位于任意一个水平方向的支撑杆（2）内，通过该爆炸控制通道（6）对约束装置内的试样进行炸药充填并实现爆炸点火控制。
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