CN109632509A - 超重力真三轴岩石加载实验装置及方法 - Google Patents

超重力真三轴岩石加载实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超重力真三轴岩石加载实验装置及方法，该装置包括控制中枢、地面油源、离心机、真三轴加载试验装置和配重块；真三轴加载试验装置包括底板、三轴室、三轴室顶盖、轴向主应力加载装置、两个侧向主应力加载装置、两个透明反力观测装置和地下洞室围岩试样；本发明利用N倍超重力环境进行1/N倍的地下洞室围岩缩尺模型实验，大大提高了模型实验的相似性；采用透明反力板，直接通过图像观测试样侧面上的形变和开裂，相比传统贴应变片和位移传感器的单点测量方式，监测密度大大提高，成本大大降低，统筹难度也大大降低；采用圆环形三轴室提供反力，相比传统真三轴的支架式结构更为合理，提供相同围压情况下，极大地节省材料和离心机负载。

Description

超重力真三轴岩石加载实验装置及方法
技术领域
本发明属于岩石力学实验领域，尤其涉及一种超重力真三轴岩石加载实验装置及方法。
背景技术
深部资源开发、油气深地储存、二氧化碳地质封存和高放射性废物地质处置等成为了我国能源地下开采、储备、放射性废物深地处置研究设施的建设过程中重要的科学研究方向。对于这些问题的研究，都需要对深地空间围岩灾变规律进行探索。目前对于深地空间围岩灾变的评估，多通过单元体岩石试块加载实验获取基本力学性质+数值模拟的方法进行研究。由于自重应力的存在，大尺度深地空间的围岩中存在着较大的应力梯度，而在实验室尺度的缩尺岩体模型实验无法实现这个均布的应力梯度。故深地空间围岩灾变评估相关的模型实验一直以来处于空白状态。
而随着超重力离心机的出现，提供了一种新的加载方式，即可以在离心机试样中施加数百倍的重力加速度，以模拟原岩的应力场。基于此原理的超重力离心机的土工实验逐渐得到了广泛应用(目前涉及的相关实验有土石坝管涌、溃坝实验、近海结构稳定性实验、边坡失稳实验等)，对于岩石类，也有关于桥跨结构、岩石高边坡的加载实验，但是对于深地空间问题方面的超重力应用尚为空白。原因在于对于深地问题而言，仅靠自重应力是不够的，还需要解决其轴压、围压加载的问题，目前，此类相关模型实验研究尚为空白。另外，岩石实验过程中，需要监测岩石的应变、位移、开裂等，目前在三轴室内多通过贴应变片、各类线性位移计，以及声发射技术等。但应变片和位移计均为单点测量，难以提供模型实验所需的大量数据；而声发射技术要求苛刻，且成本较高，对于裂缝的识别精度有限。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种超重力真三轴岩石加载实验装置及方法，利用离心机产生的超重力环境和所施加的三向荷载，可以使得室内模拟实验中的深地空间围岩试样处于和真实原型相同的应力场中，且其可以通过透明的反力板实时观测围岩体的变形，相对于传统应变片、位移传感器等监测方法，其监测密度高、精度高、范围大。
本发明的技术方案原理如图1所示；
对于原型：Δσ＝ρgh
对于1/N倍的缩尺模型：Δσ1＝ρ·g·h/N
对于N倍超重力下1/N倍的缩尺模型：Δσ2＝ρ·Ng·h/N＝ρgh
容易看出，Δσ＝Δσ2，即原型与N倍超重力下1/N倍的缩尺模型的应力梯度相等。即可以在超重力下复制原型的应力场，从而达到大幅度提高深地空间围岩力学模型实验的相似性的效果。
本发明提出的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，包括控制中枢、地面油源、离心机、真三轴加载试验装置和配重块；
所述真三轴加载试验装置包括底板、三轴室、三轴室顶盖、轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置、第二透明反力观测装置和地下洞室围岩试样；
所述三轴室为圆环形，上部固定三轴室顶盖，下部固定在底板上；所述地下洞室围岩试样放置在底板上，其顶部设有轴向主应力加载装置，四个侧面则分别设有第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置；
所述轴向主应力加载装置由轴向主应力压头、轴向主应力油囊、轴向主应力高压密封接头和轴向主应力压头限位块组成；轴向主应力压头与轴向主应力油囊位于轴向主应力压头限位块内，轴向主应力压头与地下洞室围岩试样顶面紧密接触，轴向主应力油囊位于轴向主应力压头的上方，与轴向主应力高压密封接头相连；轴向主应力高压密封接头通过高压油管和离心机旋转接头与地面油源相连，将来自地面油源的高液压联通到轴向主应力油囊中；轴向主应力油囊产生的高油压推动轴向主应力压头对地下洞室围岩试样进行轴向主应力加载；
所述第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样的两个相邻侧面，均由侧向主应力压头、侧向主应力液压缸和侧向主应力液压密封接头组成；侧向主应力压头与地下洞室围岩试样的侧壁紧密接触，侧向主应力液压缸位于侧向主应力压头的外侧，与侧向主应力液压密封接头相连；侧向主应力液压密封接头通过高压油管和离心机旋转接头与地面油源相连，将来自地面油源的高液压联通到侧向主应力液压缸中；侧向主应力液压缸推动侧向主应力压头对地下洞室围岩试样进行两个相邻侧面的主应力加载；
第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样的两个相邻侧面，均由透明反力板、反力架、图像观测设备和支撑组成；透明反力板与地下洞室围岩试样直接接触；图像观测设备设于支撑上，支撑与反力架固定连接；两个侧向主应力加载装置产生的侧向压力经地下洞室围岩试样、透明反力板、反力架传递到三轴室壁上；图像观测设备能够直接观测模拟地下洞室围岩试样的形变、开裂情况；图像观测设备通过电缆线、离心机导电滑环与控制中枢相连，将观测到的图像数据传递给控制中枢，并接受来自控制中枢的控制指令。
进一步地，所述三轴室的壁厚设计为上薄下厚，以应对在超重力下因岩石和三轴室自重产生的纵向应力梯度。
进一步地，侧向主应力加载装置还包括液压缸支撑装置，液压缸支撑装置紧密连接侧向主应力液压缸外侧和侧向主应力压头外侧，并支承于底板之上，提供足够的支撑力以对抗液压缸以及可能存在的压头倾斜造成的超自重力。
进一步地，三个主应力压头之间应留有缝隙，缝隙为地下洞室围岩试样尺寸的3-6％，以防在加载的过程中互相干扰。
进一步地，透明反力观测装置的支撑契合图像观测设备的机身及镜头外形，给图像观测设备提供足够的纵向支撑力，对抗其在超重力下的自重应力。
进一步地，所述反力架为田字型中空结构，其内四个通孔内分别设置有图像观测设备和支撑，图像观测设备设于支撑上，通过支撑与反力架固定连接。
进一步地，所述地下洞室围岩试样在朝向其中一个透明反力观测装置的一侧挖有模拟地下洞室，模拟地下洞室为实际洞室的对称的一半。
进一步地，所述真三轴加载试验装置位于离心机的吊篮中心，以减小吊篮内不均匀离心力的误差。
一种利用上述装置进行超重力真三轴岩石加载实验方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据所要模拟的地下洞室围岩原型，设计相关参数，包括地下洞室围岩试样的尺寸、力学参数、预加载的轴向主应力值和两个侧向主应力值、地下洞室的形状、大小；
步骤2：制备地下洞室围岩试样，并在地下洞室围岩试样一侧根据现场原型地下洞室制作比例缩尺半剖切模拟地下洞室；
步骤3：真三轴加载试验装置吊装到离心机吊篮上；
步骤4：取下三轴室顶盖和轴向主应力加载装置，将制备好的地下洞室围岩试样放置到三轴室内，其预挖有模拟地下洞室的一侧朝向透明反力板，以便于后续实验中进行观察；
步骤5：将轴向主应力加载装置和三轴室顶盖组装到位，启动轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置，将地下洞室围岩试样进行预压紧；
步骤6：离心机启动，使离心加速度达到N倍重力(N为该次模拟实验的缩尺比例)；
步骤7：根据地下洞室围岩的受力状态所设计的三个主应力，在控制中枢操控地面油源驱动三向主应力加载装置对地下洞室围岩试样进行加载，并利用透明反力板后的图像观测设备进行图像观测；
步骤8：在控制中枢对所接收到的图像数据进行处理，反演模拟地下洞室表面及地下洞室围岩试样表面的位移场、应变场以及应力场，以供后续分析；
步骤9：实验结束，关闭离心机，撤下加载装置。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、利用N倍超重力环境进行1/N倍的地下洞室围岩缩尺模型实验，大大提高了模型实验的相似性。
2、采用透明反力板，可以直接通过图像观测试样侧面上的形变和开裂等，相比传统贴应变片和位移传感器的单点测量方式，监测密度大大提高，成本大大降低，统筹难度也大大降低。
3、采用圆环形三轴室提供反力，相比传统真三轴的支架式结构更为合理，提供相同围压情况下，极大地节省材料和离心机负载。
附图说明
图1为本发明超重力下复制原型原理图；
图2为本发明超重力真三轴岩石加载实验装置组装示意图；
图3为本发明真三轴加载试验装置结构示意图；
图4为本发明真三轴加载试验装置俯视图；
图中，控制中枢1、地面油源2、离心机3、真三轴加载试验装置4、配重块5、高压油管6、电缆线7、底板8、三轴室9、三轴室顶盖10、轴向主应力压头11-1、轴向主应力油囊11-2、轴向主应力高压密封接头11-3、轴向主应力压头限位块11-4、侧向主应力压头12-1、侧向主应力液压缸12-2、侧向主应力液压密封接头12-3、液压缸支撑装置12-4、透明反力板13-1、反力架13-2、图像观测设备13-3、支撑13-4、地下洞室围岩试样14-1、模拟地下洞室14-2、三轴室固定螺栓15、三轴室顶盖固定螺栓16。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
如图2-4所示，本实施例提出的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，包括控制中枢1、地面油源2、离心机3、真三轴加载试验装置4、配重块5、高压油管6、电缆线7。
真三轴加载试验装置4包括：底板8、三轴室9、三轴室顶盖10、轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置、第二透明反力观测装置、地下洞室围岩试样14-1、三轴室固定螺栓15、三轴室顶盖固定螺栓16。
三轴室9为圆环形，三轴室顶盖10通过三轴室顶盖固定螺栓16固定在三轴室9的顶部，三轴室9的底部具有向外凸台，三轴室固定螺栓15穿过凸台将三轴室9固定在底板8上。三轴室9的圆环形结构可以更好的利用离心机内狭窄的空间，产生足够的侧向支撑力。同时，为了应对在超重力下因岩石和三轴室自重产生的纵向应力梯度，三轴室9的壁厚设计为上薄下厚。地下洞室围岩试样14-1放置在底板8上，其顶部为轴向主应力加载装置，四个侧面则分别为第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置。
轴向主应力加载装置由轴向主应力压头11-1、轴向主应力油囊11-2、轴向主应力高压密封接头11-3、轴向主应力压头限位块11-4组成；轴向主应力压头11-1与轴向主应力油囊11-2位于轴向主应力压头限位块11-4内，轴向主应力压头11-1与地下洞室围岩试样14-1顶面紧密接触，轴向主应力油囊11-2位于轴向主应力压头11-1的上方，与轴向主应力高压密封接头11-3相连。轴向主应力高压密封接头11-3通过高压油管6和离心机旋转接头与地面油源2相连，可将来自地面油源2的高液压联通到轴向主应力油囊11-2中。轴向主应力油囊11-2产生的高油压推动轴向主应力压头11-1对地下洞室围岩试样14-1进行轴向主应力加载。
第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样14-1的两个相邻侧面，均由侧向主应力压头12-1、侧向主应力液压缸12-2、侧向主应力液压密封接头12-3、液压缸支撑装置12-4组成；侧向主应力压头12-1与地下洞室围岩试样14-1的侧壁紧密接触，侧向主应力液压缸12-2位于侧向主应力压头12-1的外侧，与侧向主应力液压密封接头12-3相连。侧向主应力液压密封接头12-3通过高压油管6和离心机旋转接头与地面油源2相连，可将来自地面油源2的高液压联通到侧向主应力液压缸12-2中。侧向主应力液压缸12-2推动侧向主应力压头12-1对地下洞室围岩试样14-1进行两个相邻侧面的主应力加载。为了防止超重力下液压缸的自重应力对缸体造成侧向应力，设置液压缸支撑装置12-4紧密连接侧向主应力液压缸12-2外侧和侧向主应力压头12-1外侧，并支承于底板8之上，提供足够的支撑力以对抗液压缸以及可能存在的压头倾斜造成的超自重力。
三个主应力压头之间应留有适当的缝隙，约为地下洞室围岩试样14-1尺寸的3-6％(该值根据所需加载的岩石试样最大应变率确定)，以防在加载的过程中互相干扰。
第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样14-1的两个相邻侧面(与第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置所在侧面相对)，均由透明反力板13-1、反力架13-2、图像观测设备13-3、支撑13-4组成；透明反力板13-1为具有足够的强度和刚度的透明材料，其与地下洞室围岩试样14-1直接接触；反力架13-2为田字型中空结构，其内四个通孔内分别设置有图像观测设备13-3和支撑13-4，图像观测设备13-3设于支撑13-4上，支撑13-4与反力架13-2固定连接，契合图像观测设备13-3的机身及镜头外形，可以给图像观测设备13-3提供足够的纵向支撑力，对抗其在超重力下的自重应力。两个侧向主应力加载装置产生的侧向压力经地下洞室围岩试样14-1、透明反力板13-1、反力架13-2传递到三轴室壁上；图像观测设备13-3可经中空的反力架13-2、透明反力板13-1直接观测模拟地下洞室围岩试样14-1的形变、开裂等情况；图像观测设备13-3通过电缆线7、离心机导电滑环与控制中枢1相连，将所观测到的图像数据传递给控制中枢1进行处理，并接受来自控制中枢1的变焦、放大等控制指令。
地下洞室围岩试样14-1为根据实验需求设置的岩石材料，并在朝向其中一个透明反力观测装置的一侧挖有模拟地下洞室14-2，由于图像观测无法穿过岩石，故所挖的模拟地下洞室14-2为实际洞室的对称的一半，通过图像观测设备13-3可以观测其中一半模拟地下洞室的内表面及洞室围岩表面的图像信息，传递给控制中枢1，生成地下洞室表面和围岩表面的应变、位移、开裂等信息。
一种利用上述装置进行超重力真三轴岩石加载实验方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据所要模拟的地下洞室围岩原型，设计相关参数，包括地下洞室围岩试样14-1的尺寸、力学参数、预加载的轴向主应力值和两个侧向主应力值、地下洞室的形状、大小等；
步骤2：制备地下洞室围岩试样14-1，并在地下洞室围岩试样14-1一侧根据现场原型地下洞室制作比例缩尺半剖切模拟地下洞室14-2；
步骤3：真三轴加载试验装置4吊装到离心机吊篮上，确保真三轴加载试验装置4位于吊篮中心，以减小吊篮内不均匀离心力的误差；
步骤4：取下三轴室顶盖10和轴向主应力加载装置，将制备好的地下洞室围岩试样14-1放置到三轴室9内，其预挖有模拟地下洞室14-2的一侧朝向透明反力板13-1，以便于后续实验中进行观察；
步骤5：将轴向主应力加载装置和三轴室顶盖10组装到位，启动轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置，将地下洞室围岩试样14-1进行预压紧；
步骤6：离心机3启动，使离心加速度达到N倍重力(N为该次模拟实验的缩尺比例)；
步骤7：根据地下洞室围岩的受力状态所设计的三个主应力，在控制中枢1操控地面油源2驱动三向主应力加载装置对地下洞室围岩试样14-1进行加载，并利用透明反力板13-1后的图像观测设备13-3进行图像观测；
步骤8：在控制中枢1对所接收到的图像数据进行处理，反演模拟地下洞室14-2表面及地下洞室围岩试样14-1表面的位移场、应变场以及应力场，以供后续分析；
步骤9：实验结束，关闭离心机3，撤下加载装置。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，包括控制中枢、地面油源、离心机、真三轴加载试验装置和配重块；
所述真三轴加载试验装置包括底板、三轴室、三轴室顶盖、轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置、第二透明反力观测装置和地下洞室围岩试样；
所述三轴室为圆环形，上部固定三轴室顶盖，下部固定在底板上；所述地下洞室围岩试样放置在底板上，其顶部设有轴向主应力加载装置，四个侧面则分别设有第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置；
所述轴向主应力加载装置由轴向主应力压头、轴向主应力油囊、轴向主应力高压密封接头和轴向主应力压头限位块组成；轴向主应力压头与轴向主应力油囊位于轴向主应力压头限位块内，轴向主应力压头与地下洞室围岩试样顶面紧密接触，轴向主应力油囊位于轴向主应力压头的上方，与轴向主应力高压密封接头相连；轴向主应力高压密封接头通过高压油管和离心机旋转接头与地面油源相连，将来自地面油源的高液压联通到轴向主应力油囊中；轴向主应力油囊产生的高油压推动轴向主应力压头对地下洞室围岩试样进行轴向主应力加载；
所述第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样的两个相邻侧面，均由侧向主应力压头、侧向主应力液压缸和侧向主应力液压密封接头组成；侧向主应力压头与地下洞室围岩试样的侧壁紧密接触，侧向主应力液压缸位于侧向主应力压头的外侧，与侧向主应力液压密封接头相连；侧向主应力液压密封接头通过高压油管和离心机旋转接头与地面油源相连，将来自地面油源的高液压联通到侧向主应力液压缸中；侧向主应力液压缸推动侧向主应力压头对地下洞室围岩试样进行两个相邻侧面的主应力加载；
第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样的两个相邻侧面，均由透明反力板、反力架、图像观测设备和支撑组成；透明反力板与地下洞室围岩试样直接接触；图像观测设备设于支撑上，支撑与反力架固定连接；两个侧向主应力加载装置产生的侧向压力经地下洞室围岩试样、透明反力板、反力架传递到三轴室壁上；图像观测设备能够直接观测模拟地下洞室围岩试样的形变、开裂情况；图像观测设备通过电缆线、离心机导电滑环与控制中枢相连，将观测到的图像数据传递给控制中枢，并接受来自控制中枢的控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述三轴室的壁厚设计为上薄下厚，以应对在超重力下因岩石和三轴室自重产生的纵向应力梯度。
3.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，侧向主应力加载装置还包括液压缸支撑装置，液压缸支撑装置紧密连接侧向主应力液压缸外侧和侧向主应力压头外侧，并支承于底板之上，提供足够的支撑力以对抗液压缸以及可能存在的压头倾斜造成的超自重力。
4.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，三个主应力压头之间应留有缝隙，缝隙为地下洞室围岩试样尺寸的3-6％，以防在加载的过程中互相干扰。
5.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，透明反力观测装置的支撑契合图像观测设备的机身及镜头外形，给图像观测设备提供足够的纵向支撑力，对抗其在超重力下的自重应力。
6.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述反力架为田字型中空结构，其内四个通孔内分别设置有图像观测设备和支撑，图像观测设备设于支撑上，通过支撑与反力架固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述地下洞室围岩试样在朝向其中一个透明反力观测装置的一侧挖有模拟地下洞室，模拟地下洞室为实际洞室的对称的一半。
8.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述真三轴加载试验装置位于离心机的吊篮中心，以减小吊篮内不均匀离心力的误差。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置进行超重力真三轴岩石加载实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据所要模拟的地下洞室围岩原型，设计相关参数，包括地下洞室围岩试样的尺寸、力学参数、预加载的轴向主应力值和两个侧向主应力值、地下洞室的形状、大小；
步骤2：制备地下洞室围岩试样，并在地下洞室围岩试样一侧根据现场原型地下洞室制作比例缩尺半剖切模拟地下洞室；
步骤3：真三轴加载试验装置吊装到离心机吊篮上；
步骤4：取下三轴室顶盖和轴向主应力加载装置，将制备好的地下洞室围岩试样放置到三轴室内，其预挖有模拟地下洞室的一侧朝向透明反力板，以便于后续实验中进行观察；
步骤5：将轴向主应力加载装置和三轴室顶盖组装到位，启动轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置，将地下洞室围岩试样进行预压紧；
步骤6：离心机启动，使离心加速度达到N倍重力(N为该次模拟实验的缩尺比例)；
步骤7：根据地下洞室围岩的受力状态所设计的三个主应力，在控制中枢操控地面油源驱动三向主应力加载装置对地下洞室围岩试样进行加载，并利用透明反力板后的图像观测设备进行图像观测；
步骤8：在控制中枢对所接收到的图像数据进行处理，反演模拟地下洞室表面及地下洞室围岩试样表面的位移场、应变场以及应力场，以供后续分析；
步骤9：实验结束，关闭离心机，撤下加载装置。
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