CN110658085B - 一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法，属于岩石室内加载试验技术领域，包括液压系统，左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸、下法向加载油缸、环形框架、侧向辅助推拉框架、环形框架支撑平台、水平支撑平台、试验箱；首次实现了真三轴条件下的硬岩剪切试验试验。为了满足在真三轴条件下进行岩石的真三轴试验，本发明设计了具有全新结构的加载框架及油缸，在提高设备整体刚度的同时，确保了真三向剪切过程岩石试样全截面应力覆盖的加载方式。通过改进油缸前端降温方式，确保高达300℃高温不会使油缸内液压油温度升高而影响作动器正常运动。

Description

一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石室内加载试验技术领域，具体是一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法。
背景技术
岩石作为地下采矿、深埋隧道及核废料处置库等的天然载体，其承载能力直接影响着工程是否可以正常运行及人员安全的重要保障。地下岩体并非完整的，都不同程度存在着承载能力较低的结构面及断层等。含结构面岩体在高剪切应力作用下，容易形成地震、塌方、深层开裂及时滞型岩爆等工程灾害。因此，研究含结构面硬岩的破坏机理对理解及预防工程灾害的发生具有重要意义。
众所周知，地下岩体受真三向应力(τ＞σp＞σn)影响，一般情况下，结构面垂直于最小主应力方向时岩体更容易发现破坏。目前关于硬岩剪切试验主要通过常规直接剪切(τ＞σn，σp＝0)方法，所用岩样一般为长方体。常规直剪试验时，将岩石试样沿着剪切方向中心线分为上下两部分。试验过程中，岩石试样在剪切方向只有一半截面受力，另一半截面处于临空状态。而且，侧向应力σp＝0，被假设为最小主应力。这些与含结构面的地下岩体发生破坏时所处的三维应力状态并不符合。另外，远离隧道临空面的结构面受周围岩体限制，常处于定常法向刚度条件下。目前剪切试验包括准静态下的定常法向应力、定常法向刚度试验和长期保载下的定常法向应力剪切试验。而定常法向刚度下的时效剪切试验至今未试验设备实现。这主要是由于定常法向刚度试验需要用液压油泵和电液伺服阀的协同工作模式，使法向活塞高频率调控，然而这种方式容易使油源温度升高，在长时间运行使容易造成油源系统寿命降低。
除此之外，随着地下岩体工程越来越深，温度对岩石的破坏也起到主要作用。一般认为，深度每增100米，岩体温度会增加3℃，在地下5000米左右位置温度达到180℃左右。而温度是影响深部硬岩变形和破坏的最重要因素之一。
目前的常规剪切试验机，大多采用立柱式及拉杆式框架，这种框架刚度低，在进行试验时，框架很容易积聚足够的弹性应变能，峰后弹性应变能释放，使剪切试验过程峰后曲线失真。而且现有的真三轴设备液压缸每个方向只能提供一个恒定的力，不能进行剪切过程岩石截面全覆盖加载。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法，可以施加高达1200MPa的高应力，最高温度可达到250℃，首次实现了高温高压硬岩真三轴定常法向应力\刚度下准静态及时效剪切试验，在确保设备刚度的同时，对岩石试样全截面施加荷载，而且采用高温箱内加热，作动器前端降温的方法，在室内重现真实高温高三维应力条件下硬岩剪切破坏过程。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，包括液压系统，左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸、下法向加载油缸、环形框架、侧向辅助推拉框架、环形框架支撑平台、水平支撑平台、试验箱；所述环形框架支撑平台上表面通过螺栓固定安装有环形框架，环形框架支撑平台后端设置有水平支撑平台，且水平支撑平台和环形框架支撑平台均固定安装于地面上，水平支撑平台上通过导轨及滑块设置有侧向辅助推拉框架，在环形框架的左端通孔内安装有左端组合切向加载油缸，在环形框架的右端通孔内安装有右端组合切向加载油缸，在环形框架的上端通孔和下端通孔内分别设置有上法向加载油缸和下法向加载油缸，在侧向辅助推拉框架的前端通孔内安装有前端组合侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架的后端通孔内设置有后端组合侧向加载油缸，所述左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸的后端设置有位移传感器，所述左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸及下法向加载油缸均与液压系统相连，在侧向辅助推拉框架的矩形通孔内安装有试验箱，在试验箱内放置有剪切盒，在剪切盒内放置有岩石试样。
所述左端组合切向加载油缸包括左切向上加载油缸、左切向下加载油缸，左切向上加载油缸上同轴套装有左切向下加载油缸；所述右端组合切向加载油缸包括右切向上加载油缸、右切向下加载油缸，右切向下加载油缸上同轴套装有右切向上加载油缸；所述左切向上加载油缸和右切向下加载油缸结构相同，均由第一封盖、第一活塞、第一连接板、第一测力传感器及第一传力板组成，所述第一封盖内腔设置有第一活塞，第一活塞与第一连接板一端相连，第一连接板另一端与第一测力传感器一端相连，第一测力传感器另一端与第一传力板相连；所述左切向下加载油缸和右切向上加载油缸结构相同，均由第二封盖、第二反力缸筒、第二活塞、第二密封法兰、第二测力传感器及第二传力板组成，所述第二封盖同轴套装于第一活塞外圆面上，且第二封盖一端凸台伸入第一封盖内腔与第一封盖密封连接，第二封盖另一端同轴套装有第二活塞和第二反力缸筒，且第二反力缸筒同轴套装于第二活塞外圆面上，第二反力缸筒通过螺栓与第二封盖固定安装，第二活塞伸出端与第二密封法兰一端相连，第二密封法兰另一端与第二测力传感器一端相连，第二测力传感器另一端与第二传力板相连，且第一传力板贯穿第二传力板设置。
所述前端组合侧向加载油缸包括前侧向上加载油缸和前侧向下加载油缸，前侧向上加载油缸内腔同轴套装有前侧向下加载油缸，所述后端组合侧向加载油缸包括后侧向上加载油缸和后侧向下加载油缸，后侧向上加载油缸内腔同轴套装有后侧向下加载油缸；所述前侧向上加载油缸和后侧向上加载油缸结构相同均由上侧向封盖、上侧向反力缸筒、上侧向活塞、上侧向密封法兰、上侧向测力传感器及上侧向传力板组成，上侧向封板第一凸台处同轴套装有上侧向活塞，上侧向封板第二凸台处同轴套装有上侧向反力缸筒，上侧向反力缸筒内表面与上侧向活塞外表面贴合，上侧向活塞与上侧向密封法兰一端相连，上侧向密封法兰另一端上侧向测力传感器一端相连，上侧向测力传感器另一端与上侧向传力板相连；所述前侧向下加载油缸和后侧向下加载油缸结构相同均由下侧向封盖、下侧向活塞、下侧向连接板、下侧向测力传感器、下侧向传力板组成，所述下侧向封盖一端延伸至上侧向封盖内腔，且下侧向封盖法兰端通过螺栓与上侧向封盖固定安装，上侧向封盖内腔安装有下侧向活塞，且下侧向活塞位于上侧向封盖与下侧向封盖形成的密封腔内，下侧向活塞伸出上侧向密封法兰内部凸台部分与下侧向连接板一端相连，下侧向连接板另一端下侧向测力传感器一端相连，下侧向测力传感器另一端与下侧向传力板相连，下侧向传力板贯穿上侧向传力板设置。
所述上法向加载油缸由上法向封盖、上法向缸筒、上法向活塞、上法向连接板、上法向测力传感器及上法向传力板组成，上法向封盖法兰端与上法向缸筒法兰端相连，上法向缸筒内壁设置有上法向活塞，上法向活塞伸出上法向缸筒部分与上法向连接板一端相连，上法向连接板另一端与上法向测力传感器一端相连，上法向测力传感器另一端与上法向传力板相连。
所述下法向加载油缸由下法向封板、下法向活塞、下法向密封法兰、下法向连接板、下法向测力传感器及下法向传力板组成，所述下法向封板内腔设置有下法向活塞，下法向封板法兰端与下法向密封法兰相连，下法向活塞伸出下法向密封法兰部分与下法向连接板一端相连，下法向连接板另一端与下法向测力传感器一端相连，下法向测力传感器另一端与下法向传力板相连。
所述左端组合切向加载油缸和右端组合切向加载油缸的第一传力板、所述前端组合侧向加载油缸和后端组合侧向加载油缸的侧向传力板、所述上法向加载油缸的上法向传力板及下法向加载油缸的下法向传力板的前端均开设有两个贯穿的冷却水贯通孔，冷却水贯通孔通过橡皮管与冷却水装置连接。
所述液压系统包括第一液压站、第二液压站、第三液压站、第一蓄能器、第二蓄能器、第三蓄能器及若干伺服阀，所述第一液压站通过耐高压油管与第一蓄能器相连，第一蓄能器通过耐高压油管、伺服阀分别与左切向上加载油缸、左切向下加载油缸及上法向加载油缸相连；第二液压站通过耐高压油管与第二蓄能器相连，第二蓄能器通过耐高压油管、伺服阀分别与右切向上加载油缸、右切向下加载油缸及下法向加载油缸相连；第三液压站通过耐高压油管与第三蓄能器相连，第三蓄能器通过耐高压油管、伺服阀分别与前端侧向加载油缸和后端侧向加载油缸相连，所述第一液压站、第二液压站及第三液压站结构相同，均包括液压泵及油箱，液压泵进油口通过耐高压油管与油箱出油口相连。
通过采用液压泵与伺服阀协同作用，保证油缸高频率运动，确保定常法向刚度试验的完成；而且液压泵通过与伺服驱动器和冷却水串联，首先在油缸内压力降低时，伺服驱动器实时将油缸内压力反馈回液压泵，使液压泵工作并补足油缸内压力，否则液压泵停止工作，而且当油缸内压力降低时，蓄能器持续为油缸内压力补压，通过这种方式，既减少了液压泵由于工作造成的温度持续升高，而且保证长期定常法向刚度试验的完成。
所述试验箱为恒温箱，采用陶瓷辐射加热的方式对剪切盒内的岩石试样加热。
一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的方法，采用一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，包括如下步骤：
步骤1：将岩石试样装入剪切盒内，并将变形传感器安装于岩石试样及剪切盒之间；
步骤2：将装有岩石试样的剪切盒放入试验箱的中心位置处；
步骤3：将侧向辅助推拉框架推至远离环形框架，将试验箱放置于侧向辅助推拉框架中心位置；
步骤4：将侧向辅助推拉框架推入环形框架内，并使岩石试样处于环形框架几何中心位置；
步骤5：通过对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸实施位移控制，完成岩石试样的对中夹紧；
步骤6：启动冷却水装置，使冷却水在左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸的传力板中循环；
步骤7：启动试验箱，并预设目标温度，使试验箱内温度达到预设的目标温度；
步骤8：启动第一液压站、第二液压站、第三液压站，通过力控制对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸以恒定的加载速率实施力控制，使岩石试样六个边界面在静水压力状态τ＝σp＝σn增加至法向应力σn1的目标值，其中τ为剪切应力，σp为侧向应力，σn为法向应力；
步骤9：伺服控制上法向加载油缸和下法向加载油缸，保证法向应力不变；然后，通过力控制对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸以恒定的加载速率实施力控制，使剪切面及侧向面的应力增加至侧向应力σp1的目标值；
步骤10：伺服控制前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸，保证侧向应力和法向应力不变；然后，通过力控制对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸以恒定的加载速率实施力控制，使剪切面的应力增加至原岩应力τ0；
步骤11：伺服控制前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸，保证侧向应力和法向应力不变；同时，伺服控制左切向下加载油缸和右切向上加载油缸保证岩石试样在剪切方向的受力过程，左下截面和右上截面维持原岩应力τ0，然后，通过位移控制对左切向上加载油缸和右切向下加载油缸以恒定的加载速率增加剪切力，直至达到残余强度；
步骤12：通过计算机记录位移及力值数据和岩样宏观破坏模式。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，首次实现了真三轴条件下的硬岩剪切试验试验。为了满足在真三轴条件下进行岩石的真三轴试验，本发明设计了具有全新结构的加载框架及油缸，在提高设备整体刚度的同时，确保了真三向剪切过程岩石试样全截面应力覆盖的加载方式。通过改进油缸前端降温方式，确保高达300℃高温不会使油缸内液压油温度升高而影响作动器正常运动。
附图说明
图1为本发明高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的结构三维示意图；
图2为本发明高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的正向剖视图；
图3为本发明高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的侧向剖视图；
图4为本发明高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的左端组合切向加载油缸结构示意图；
图5为本发明高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的前端组合侧向加载油缸结构示意图；
图6为本发明高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的左端组合切向加载油缸结构三维示意图；
图7为本发明的高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的正视液压原理图；
图8为本发明的高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的侧向液压原理图；
1-左切向上加载油缸，1-1-第一封盖，1-2-第一活塞，1-3-第一连接板，1-4-第一测力传感器，1-5-第一传力板，2-左切向下加载油缸，2-1-第二封盖，2-2-第二反力缸筒，2-3-第二活塞，2-4-第二密封法兰，2-5-第二测力传感器，2-6-第二传力板，3-上法向加载油缸，3-1-上法向封盖，3-2-上法向缸筒，3-3-上法向活塞，3-4-上法向连接板，3-5-上法向测力传感器，3-6-上法向传力板，4-右切向下加载油缸，5-右切向上加载油缸，6-下法向加载油缸，6-1-下法向封板，6-2-下法向活塞，6-3-下法向密封法兰，6-4-下法向连接板，6-5-下法向测力传感器，6-6-下法向传力板，7-前侧向下加载油缸，7-1-下侧向封盖，7-2-下侧向活塞，7-3-下侧向连接板，7-4-下侧向测力传感器，7-5-下侧向传力板，8-前侧向上加载油缸，8-1-上侧向封盖，8-2-上侧向反力缸筒，8-3-上侧向活塞，8-4-上侧向密封法兰，8-5-上侧向测力传感器，8-6-上侧向传力板，9-后侧向下加载油缸，10-后侧向上加载油缸，11-环形框架，12-侧向辅助推拉框架，13-环形框架支撑平台，14-水平支撑平台，15-导轨，16-试验箱，17-剪切盒，18-岩石试样，19-位移传感器，20-橡皮管，21-伺服阀，22-第一液压站，23-第二液压站，24-第三液压站，25-第一蓄能器，26-第二蓄能器，27-第三蓄能器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～8所示，一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，包括液压系统，左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载、下法向加载油缸6、环形框架11、侧向辅助推拉框架12、环形框架支撑平台13、水平支撑平台14、试验箱16；所述环形框架支撑平台13上表面通过螺栓固定安装有环形框架11，环形框架支撑平台13后端设置有水平支撑平台14，且水平支撑平台14和环形框架支撑平台13均固定安装于地面上，水平支撑平台14上通过导轨15及滑块设置有侧向辅助推拉框架12，通过采用整体锻造的圆环形结构框架，极大的增加了设备刚度，在环形框架11的左端通孔内安装有左端组合切向加载油缸，在环形框架11的右端通孔内安装有右端组合切向加载油缸，在环形框架11的上端通孔和下端通孔内分别设置有上法向加载油缸3和下法向加载油缸6，在侧向辅助推拉框架12的前端通孔内安装有前端组合侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架12的后端通孔内设置有后端组合侧向加载油缸，所述左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸3的后端设置有位移传感器19，位移传感器19与计算机相连，所述左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸3及下法向加载油缸6均与液压系统相连，在侧向辅助推拉框架12的矩形通孔内安装有试验箱16，在试验箱16内放置有剪切盒17，在剪切盒17内放置有岩石试样18。
所述左端组合切向加载油缸包括左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2，左切向上加载油缸1上同轴套装有左切向下加载油缸2；所述右端组合切向加载油缸包括右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4，右切向下加载油缸4上同轴套装有右切向上加载油缸5；所述左切向上加载油缸1和右切向下加载油缸4结构相同，均由第一封盖1-1、第一活塞1-2、第一连接板1-3、第一测力传感器1-4及第一传力板1-5组成，所述第一封盖1-1内腔设置有第一活塞1-2，第一活塞1-2与第一连接板1-3一端相连，第一连接板1-3另一端与第一测力传感器1-4一端相连，第一测力传感器1-4另一端与第一传力板1-5相连；所述左切向下加载油缸2和右切向上加载油缸5结构相同，均由第二封盖2-1、第二反力缸筒2-2、第二活塞2-3、第二密封法兰2-4、第二测力传感器2-5及第二传力板2-6组成，所述第二封盖2-1同轴套装于第一活塞1-2外圆面上，且第二封盖2-1一端凸台伸入第一封盖1-1内腔与第一封盖1-1密封连接，第二封盖2-1另一端同轴套装有第二活塞2-3和第二反力缸筒2-2，且第二反力缸筒2-2同轴套装于第二活塞2-3外圆面上，第二反力缸筒2-2通过螺栓与第二封盖2-1固定安装，第二活塞2-3伸出端与第二密封法兰2-4一端相连，第二密封法兰2-4另一端与第二测力传感器2-5一端相连，第二测力传感器2-5另一端与第二传力板2-6相连，且第一传力板1-5贯穿第二传力板2-6设置，第一测力传感器1-4和第二测力传感器2-5均与计算机相连。
所述前端组合侧向加载油缸包括前侧向上加载油缸8和前侧向下加载油缸7，前侧向上加载油缸8内腔同轴套装有前侧向下加载油缸7，所述后端组合侧向加载油缸包括后侧向上加载油缸10和后侧向下加载油缸9，后侧向上加载油缸10内腔同轴套装有后侧向下加载油缸9；所述前侧向上加载油缸8和后侧向上加载油缸10结构相同均由上侧向封盖8-1、上侧向反力缸筒8-2、上侧向活塞8-3、上侧向密封法兰8-4、上侧向测力传感器8-5及上侧向传力板8-6组成，上侧向封板第一凸台处同轴套装有上侧向活塞8-3，上侧向封板第二凸台处同轴套装有上侧向反力缸筒8-2，上侧向反力缸筒8-2内表面与上侧向活塞8-3外表面贴合，上侧向活塞8-3与上侧向密封法兰8-4一端相连，上侧向密封法兰8-4另一端上侧向测力传感器8-5一端相连，上侧向测力传感器8-5另一端与上侧向传力板8-6相连；所述前侧向下加载油缸7和后侧向下加载油缸9结构相同均由下侧向封盖7-1、下侧向活塞7-2、下侧向连接板7-3、下侧向测力传感器7-4、下侧向传力板7-5组成，所述下侧向封盖7-1一端延伸至上侧向封盖8-1内腔，且下侧向封盖7-1法兰端通过螺栓与上侧向封盖8-1固定安装，上侧向封盖8-1内腔安装有下侧向活塞7-2，且下侧向活塞7-2位于上侧向封盖8-1与下侧向封盖7-1形成的密封腔内，下侧向活塞7-2伸出上侧向密封法兰8-4内部凸台部分与下侧向连接板7-3一端相连，下侧向连接板7-3另一端下侧向测力传感器7-4一端相连，下侧向测力传感器7-4另一端与下侧向传力板7-5相连，下侧向传力板7-5贯穿上侧向传力板8-6设置，上侧向测力传感器8-5和下侧向测力传感器7-4均与计算机相连。
所述上法向加载油缸3由上法向封盖3-1、上法向缸筒3-2、上法向活塞3-3、上法向连接板3-4、上法向测力传感器3-5及上法向传力板3-6组成，上法向封盖3-1法兰端与上法向缸筒3-2法兰端相连，上法向缸筒3-2内壁设置有上法向活塞3-3，上法向活塞3-3伸出上法向缸筒3-2部分与上法向连接板3-4一端相连，上法向连接板3-4另一端与上法向测力传感器3-5一端相连，上法向测力传感器3-5另一端与上法向传力板3-6相连，上法向测力传感器3-5与计算机相连。
所述下法向加载油缸6由下法向封板6-1、下法向活塞6-2、下法向密封法兰6-3、下法向连接板6-4、下法向测力传感器6-5及下法向传力板6-6组成，所述下法向封板6-1内腔设置有下法向活塞6-2，下法向封板6-1法兰端与下法向密封法兰6-3相连，下法向活塞6-2伸出下法向密封法兰6-3部分与下法向连接板一端相连，下法向连接板6-4另一端与下法向测力传感器6-5一端相连，下法向测力传感器6-5另一端与下法向传力板6-6相连，下法向测力传感器6-5与计算机相连。
所述左端组合切向加载油缸和右端组合切向加载油缸的第一传力板1-5、所述前端组合侧向加载油缸和后端组合侧向加载油缸的侧向传力板、所述上法向加载油缸3的上法向传力板3-6及下法向加载油缸6的下法向传力板6-6的前端均开设有两个贯穿的冷却水贯通孔，冷却水贯通孔通过橡皮管20与冷却水装置连接，冷却水装置的型号为CF311HC。
所述液压系统包括第一液压站22、第二液压站23、第三液压站24、第一蓄能器25、第二蓄能器26、第三蓄能器27及若干伺服阀21，所述第一液压站22通过耐高压油管与第一蓄能器25相连，第一蓄能器25通过耐高压油管、伺服阀21分别与左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2及上法向加载油缸3相连；第二液压站23通过耐高压油管与第二蓄能器26相连，第二蓄能器26通过耐高压油管、伺服阀21分别与右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4及下法向加载油缸6相连；第三液压站24通过耐高压油管与第三蓄能器27相连，第三蓄能器27通过耐高压油管、伺服阀21分别与前端侧向加载油缸和后端侧向加载油缸相连，所述第一液压站22、第二液压站23及第三液压站24结构相同，均包括液压泵及油箱，液压泵进油口通过耐高压油管与油箱出油口相连。通过采用液压泵与伺服阀21协同作用，保证作动器高频率运动，确保定常法向刚度试验的完成；而且液压泵通过与伺服驱动器和冷却水串联，首先在油缸内压力降低时，伺服驱动器实时将油缸内压力反馈回液压泵，使液压泵工作并补足油缸内压力，否则液压泵停止工作，而且当油缸内压力降低时，蓄能器持续为油缸内压力补压，通过这种方式，既减少了液压泵由于工作造成的温度持续升高，而且保证长期定常法向刚度试验的完成。
所述试验箱16为恒温箱，采用陶瓷辐射加热的方式对剪切盒17内的岩石试样18加热。
一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的方法，采用一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，包括如下步骤：
步骤1：将岩石试样18装入剪切盒17内，并将变形传感器安装于岩石试样18及剪切盒17之间；
步骤2：将装有岩石试样18的剪切盒17放入试验箱16的中心位置处；
步骤3：将侧向辅助推拉框架12推至远离环形框架11，将试验箱16放置于侧向辅助推拉框架12中心位置；
步骤4：将侧向辅助推拉框架12推入环形框架11内，并使岩石试样18处于环形框架11几何中心位置，环形框架11的上端通孔与下端通孔中心连线垂直于水平面；环形框架11左端通孔与右端通孔中心连线平行于水平面，且两条中心线的交点为环形框架11几何中心点；
步骤5：启动第一液压站22、第二液压站23、第三液压站24，通过对左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4、前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7、后侧向上加载油缸10、后侧向下加载油缸9、上法向加载油缸3和下法向加载油缸6实施位移控制，完成岩石试样18的对中夹紧；
步骤6：启动冷却水装置，使冷却水在左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4、上法向加载油缸3和下法向加载油缸6的传力板中循环；
步骤7：启动试验箱16，并预设目标温度，使试验箱16内温度达到预设的目标温度；
步骤8：通过力控制对左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4、前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7、后侧向上加载油缸10、后侧向下加载油缸9、上法向加载油缸3和下法向加载油缸6以恒定的加载速率实施力控制，使岩石试样18六个边界面在静水压力状态τ＝σp＝σn增加至法向应力σn1的目标值，其中τ为剪切应力，σp为侧向应力，σn为法向应力；
步骤9：伺服控制上法向加载油缸3和下法向加载油缸6，保证法向应力不变；然后，通过力控制对左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4、前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7、后侧向上加载油缸10、后侧向下加载油缸9以恒定的加载速率实施力控制，使剪切面及侧向面的应力增加至侧向应力σp1的目标值；
步骤10：伺服控制前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7、后侧向上加载油缸10、后侧向下加载油缸9、上法向加载油缸3和下法向加载油缸6，保证侧向应力和法向应力不变；然后，通过力控制对左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4以恒定的加载速率实施力控制，使剪切面的应力增加至原岩应力τ0；
步骤11：伺服控制前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7、后侧向上加载油缸10、后侧向下加载油缸9、上法向加载油缸3和下法向加载油缸6，保证侧向应力和法向应力不变；同时，伺服控制左切向下加载油缸2和右切向上加载油缸5保证岩石试样18在剪切方向的受力过程，左下截面和右上截面维持原岩应力τ0，然后，通过位移控制对左切向上加载油缸1和右切向下加载油缸4以恒定的加载速率增加剪切力，直至达到残余强度；
步骤12：计算机的接口分别与测力传感器和位移传感器19相连，通过测力传感器和位移传感器19将实时信号反馈给计算机，并通过计算机记录位移及力值数据和岩样宏观破坏模式。

Claims (8)

1.一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于，包括液压系统，左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸、下法向加载油缸、环形框架、侧向辅助推拉框架、环形框架支撑平台、水平支撑平台、试验箱；所述环形框架支撑平台上表面通过螺栓固定安装有环形框架，环形框架支撑平台后端设置有水平支撑平台，且水平支撑平台和环形框架支撑平台均固定安装于地面上，水平支撑平台上通过导轨及滑块设置有侧向辅助推拉框架，在环形框架的左端通孔内安装有左端组合切向加载油缸，在环形框架的右端通孔内安装有右端组合切向加载油缸，在环形框架的上端通孔和下端通孔内分别设置有上法向加载油缸和下法向加载油缸，在侧向辅助推拉框架的前端通孔内安装有前端组合侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架的后端通孔内设置有后端组合侧向加载油缸，所述左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸的后端设置有位移传感器，所述左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸及下法向加载油缸均与液压系统相连，在侧向辅助推拉框架的矩形通孔内安装有试验箱，在试验箱内放置有剪切盒，在剪切盒内放置有岩石试样；
所述左端组合切向加载油缸包括左切向上加载油缸、左切向下加载油缸，左切向上加载油缸上同轴套装有左切向下加载油缸；所述右端组合切向加载油缸包括右切向上加载油缸、右切向下加载油缸，右切向下加载油缸上同轴套装有右切向上加载油缸；所述左切向上加载油缸和右切向下加载油缸结构相同，均由第一封盖、第一活塞、第一连接板、第一测力传感器及第一传力板组成，所述第一封盖内腔设置有第一活塞，第一活塞与第一连接板一端相连，第一连接板另一端与第一测力传感器一端相连，第一测力传感器另一端与第一传力板相连；所述左切向下加载油缸和右切向上加载油缸结构相同，均由第二封盖、第二反力缸筒、第二活塞、第二密封法兰、第二测力传感器及第二传力板组成，所述第二封盖同轴套装于第一活塞外圆面上，且第二封盖一端凸台伸入第一封盖内腔与第一封盖密封连接，第二封盖另一端同轴套装有第二活塞和第二反力缸筒，且第二反力缸筒同轴套装于第二活塞外圆面上，第二反力缸筒通过螺栓与第二封盖固定安装，第二活塞伸出端与第二密封法兰一端相连，第二密封法兰另一端与第二测力传感器一端相连，第二测力传感器另一端与第二传力板相连，且第一传力板贯穿第二传力板设置。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于：所述前端组合侧向加载油缸包括前侧向上加载油缸和前侧向下加载油缸，前侧向上加载油缸内腔同轴套装有前侧向下加载油缸，所述后端组合侧向加载油缸包括后侧向上加载油缸和后侧向下加载油缸，后侧向上加载油缸内腔同轴套装有后侧向下加载油缸；所述前侧向上加载油缸和后侧向上加载油缸结构相同均由上侧向封盖、上侧向反力缸筒、上侧向活塞、上侧向密封法兰、上侧向测力传感器及上侧向传力板组成，上侧向封板第一凸台处同轴套装有上侧向活塞，上侧向封板第二凸台处同轴套装有上侧向反力缸筒，上侧向反力缸筒内表面与上侧向活塞外表面贴合，上侧向活塞与上侧向密封法兰一端相连，上侧向密封法兰另一端上侧向测力传感器一端相连，上侧向测力传感器另一端与上侧向传力板相连；所述前侧向下加载油缸和后侧向下加载油缸结构相同均由下侧向封盖、下侧向活塞、下侧向连接板、下侧向测力传感器、下侧向传力板组成，所述下侧向封盖一端延伸至上侧向封盖内腔，且下侧向封盖法兰端通过螺栓与上侧向封盖固定安装，上侧向封盖内腔安装有下侧向活塞，且下侧向活塞位于上侧向封盖与下侧向封盖形成的密封腔内，下侧向活塞伸出上侧向密封法兰内部凸台部分与下侧向连接板一端相连，下侧向连接板另一端下侧向测力传感器一端相连，下侧向测力传感器另一端与下侧向传力板相连，下侧向传力板贯穿上侧向传力板设置。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于：所述上法向加载油缸由上法向封盖、上法向缸筒、上法向活塞、上法向连接板、上法向测力传感器及上法向传力板组成，上法向封盖法兰端与上法向缸筒法兰端相连，上法向缸筒内壁设置有上法向活塞，上法向活塞伸出上法向缸筒部分与上法向连接板一端相连，上法向连接板另一端与上法向测力传感器一端相连，上法向测力传感器另一端与上法向传力板相连。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于：所述下法向加载油缸由下法向封板、下法向活塞、下法向密封法兰、下法向连接板、下法向测力传感器及下法向传力板组成，所述下法向封板内腔设置有下法向活塞，下法向封板法兰端与下法向密封法兰相连，下法向活塞伸出下法向密封法兰部分与下法向连接板一端相连，下法向连接板另一端与下法向测力传感器一端相连，下法向测力传感器另一端与下法向传力板相连。
5.根据权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于：所述左端组合切向加载油缸和右端组合切向加载油缸的第一传力板、所述前端组合侧向加载油缸和后端组合侧向加载油缸的侧向传力板、所述上法向加载油缸的上法向传力板及下法向加载油缸的下法向传力板的前端均开设有两个贯穿的冷却水贯通孔，冷却水贯通孔通过橡皮管与冷却水装置连接。
6.根据权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于：所述液压系统包括第一液压站、第二液压站、第三液压站、第一蓄能器、第二蓄能器、第三蓄能器及若干伺服阀，所述第一液压站通过耐高压油管与第一蓄能器相连，第一蓄能器通过耐高压油管、伺服阀分别与左切向上加载油缸、左切向下加载油缸及上法向加载油缸相连；第二液压站通过耐高压油管与第二蓄能器相连，第二蓄能器通过耐高压油管、伺服阀分别与右切向上加载油缸、右切向下加载油缸及下法向加载油缸相连；第三液压站通过耐高压油管与第三蓄能器相连，第三蓄能器通过耐高压油管、伺服阀分别与前端侧向加载油缸和后端侧向加载油缸相连，所述第一液压站、第二液压站及第三液压站结构相同，均包括液压泵及油箱，液压泵进油口通过耐高压油管与油箱出油口相连。
7.根据权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于：所述试验箱为恒温箱，采用陶瓷辐射加热的方式对剪切盒内的岩石试样加热。
8.一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置的方法，采用权利要求1所述的一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将岩石试样装入剪切盒内，并将变形传感器安装于岩石试样及剪切盒之间；
步骤2：将装有岩石试样的剪切盒放入试验箱的中心位置处；
步骤3：将侧向辅助推拉框架推至远离环形框架，将试验箱放置于侧向辅助推拉框架中心位置；
步骤4：将侧向辅助推拉框架推入环形框架内，并使岩石试样处于环形框架几何中心位置；
步骤5：通过对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸实施位移控制，完成岩石试样的对中夹紧；
步骤6：启动冷却水装置，使冷却水在左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸的传力板中循环；
步骤7：启动试验箱，并预设目标温度，使试验箱内温度达到预设的目标温度；
步骤8：启动第一液压站、第二液压站、第三液压站，通过力控制对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸以恒定的加载速率实施力控制，使岩石试样六个边界面在静水压力状态τ=σp=σn增加至法向应力σn1的目标值，其中τ为剪切应力，σp为侧向应力，σn为法向应力；
步骤9：伺服控制上法向加载油缸和下法向加载油缸，保证法向应力不变；然后，通过力控制对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸、前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸以恒定的加载速率实施力控制，使剪切面及侧向面的应力增加至侧向应力σp1的目标值；
步骤10：伺服控制前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸，保证侧向应力和法向应力不变；然后，通过力控制对左切向上加载油缸、左切向下加载油缸、右切向上加载油缸、右切向下加载油缸以恒定的加载速率实施力控制，使剪切面的应力增加至原岩应力τ0；
步骤11：伺服控制前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸、后侧向上加载油缸、后侧向下加载油缸、上法向加载油缸和下法向加载油缸，保证侧向应力和法向应力不变；同时，伺服控制左切向下加载油缸和右切向上加载油缸保证岩石试样在剪切方向的受力过程，左下截面和右上截面维持原岩应力τ0，然后，通过位移控制对左切向上加载油缸和右切向下加载油缸以恒定的加载速率增加剪切力，直至达到残余强度；
步骤12：通过计算机记录位移及力值数据和岩样宏观破坏模式。
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Application publication date: 20200107

Assignee: Changchun Zhangtuo Test Instrument Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2021210000046

Denomination of invention: A true triaxial multifunctional shear test device and method for high temperature and high pressure hard rock

Granted publication date: 20210511

License type: Common License

Record date: 20211104