CN115389331A - 模拟深部原位应力环境岩石测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟深部原位应力环境岩石测试系统及测试方法，包括固结舱、三轴压力室和轴压加载系统；固结舱包括软质内舱体、套在软质内舱体外的多孔薄皮筒、上压座和下压座；上压座与软质内舱体上端密封连接，下压座与软质内舱体下端密封配合，下压座竖直装在软质内舱体内，上压座上有注浆孔和出浆孔；三轴压力室具有容纳固结舱的空间，固结舱可操作地置于三轴压力室内，二者之间密封配合；轴压加载系统包括加载油缸和压杆，加载油缸连接压杆，压杆用于作用于下压座。本申请能够在实验室重现深部原位应力环境，可模拟深部岩体未扰动状态，以研究深部岩石原位力学行为与本真特性，能为创新深地资源安全高效开采理论与技术提供支撑。

Description

模拟深部原位应力环境岩石测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及深部原位岩石力学实验技术领域，尤其涉及模拟深部原位应力环境岩石测试系统及测试方法。

背景技术

深部开采所遇工程灾害种类多、能级大、频率高，主要原因在于高地应力主导下深部岩体内应力转移、重分布及释放，进而引发岩体结构不可逆损伤甚至失稳破断，造成深部灾害预测和防治难度增加。

以往研究直接以受损岩体作为研究对象，开展力学实验、理论推演等获取应力释放状态下力学参数，均与未损伤(应力固结)状态下岩体力学参数存在一定误差，而现有岩石力学理论、高效破岩技术以应力释放状态下力学参数为基础发展而来，显然已不适用。因此，为了实现深部资源安全高效开发，亟需搭建能够在室内重现深部原位应力环境的岩石保真测试系统，进而模拟深部岩体未扰动状态，以研究深部岩石原位力学行为与本真特性。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题提供模拟深部原位应力环境岩石测试系统及测试方法。

本申请通过下述技术方案实现：

模拟深部原位应力环境岩石测试系统，包括固结舱、三轴压力室和轴压加载系统；所述固结舱包括软质内舱体、套在软质内舱体外部的多孔薄皮筒、上压座和下压座；

所述上压座与软质内舱体上端密封连接，下压座与软质内舱体下端密封配合，下压座可相对于上压座竖直移动，上压座上有注浆孔和出浆孔；

三轴压力室具有容纳固结舱的空间，固结舱可操作地置于三轴压力室内，二者之间密封配合；轴压加载系统包括加载油缸和压杆，加载油缸连接压杆，压杆用于作用于下压座。

可选的，所述三轴压力室包括可分离的三轴压力室筒体和三轴压力室底座；三轴压力室底座有与下压座适配的竖直孔洞，下压座底端可操作地装在三轴压力室底座的孔洞内并可相对于三轴压力室底座竖直移动，二者之间密封配合；三轴压力室筒体可操作地竖向套在固结舱和三轴压力室底座外，所述三轴压力室底座和上压座均与三轴压力室筒体的内壁密封配合。

可选的，所述固结舱还包括多个支撑铁架，多个支撑铁架支撑在上压座和三轴压力室底座之间，支撑铁架与上压座、三轴压力室底座可分离；支撑铁架可为塑料管。

可选的，上压座和下压座分别通过密封装置与软质内舱体密封连接；所述密封装置包括卡箍和橡胶密封圈，软质内舱体上、下端分别包裹在上压座和下压座外并用卡箍箍紧固定，橡胶密封圈装于卡箍内侧。

可选的，所述三轴压力室筒体内壁、三轴压力室底座外圆面以及三轴压力室底座竖直孔洞的孔壁上均有环形槽，环形槽中装有密封圈；当固结舱置于三轴压力室内时，通过三轴压力室筒体和三轴压力室底座上的密封圈实现与三轴压力室内壁的密封。

特别的，模拟深部原位应力环境岩石测试系统还包括加载框架，加载框架包括底座、装于底座顶部的门型架、装于底座顶部并位于门型架两支腿之间的支撑板、与支撑板连接的水平导轨组；水平导轨组从门型架的横梁下方经过，所述固结舱可沿水平导轨组移动；所述加载系统装于底座上并位于支撑板下方，支撑板有供压杆动作的避让口；加载框架一体制造或者不一体制造。

特别的，所述固结舱装于轨道车上，轨道车行走在水平导轨组上；轨道车对应所述下压座的位置有与下压座适配的通孔。

特别的，模拟深部原位应力环境岩石测试系统还包括数据采集与分析模块，所述数据采集与分析模块包括设置在固结舱内部的压力传感器、设置在固结舱外部的轴向引伸计和径向引伸计、设置在压杆处的压力传感器以及微机服务器；压力传感器、轴向引伸计和径向引伸计均与微机服务器电连接。

本申请提供的基于模拟深部原位应力环境岩石的测试方法，包括以下步骤：

获取目标区域岩石物理力学参数；

基于目标区域岩石物理力学参数，标定类岩石材料配比；

利用所述模拟深部原位应力环境岩石测试系统，制备应力固结的类岩石材料；

基于所述应力固结的类岩石材料进行应力固结状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试，获得应力固结状态下岩石应力-应变曲线。

基于所述应力固结状态下岩石应力-应变曲线，获取应力固结状态下力学参数；

本申请提供的另一种基于深部原位应力环境岩石的测试方法，包括以下步骤：

获取目标区域岩石物理力学参数；

基于目标区域岩石物理力学参数，标定类岩石材料配比；

利用所述模拟深部原位应力环境岩石测试系统，制备应力固结的类岩石材料；

基于所述应力固结的类岩石材料进行应力释放状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试，获得应力释放状态下岩石应力-应变曲线。

基于所述应力释放状态下岩石应力-应变曲线，获取应力释放状态下力学参数；

基于应力固结状态下力学参数和应力释放状态下力学参数，计算得到损伤率。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请能够在实验室重现深部原位应力环境，可模拟深部岩体未扰动状态，以研究深部岩石原位力学行为与本真特性，能为创新深地资源安全高效开采理论与技术提供支撑；

2，本申请的固结舱具有良好密封性，能够承受固结舱内应力，并能无损传递外部高应力，可用于重构模拟深部原位应力环境的拟实岩石；

3，本申请在固结舱内布设多个传感器，实时测量跟踪保压过程中岩石内应力的分布状态与变化规律；在固结舱外布设引伸计，测量加载破坏过程中岩石轴向和环向变形情况；压杆处设置压力传感器可以监测加载破坏过程中岩石材料轴压情况。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中模拟深部原位应力环境岩石测试系统的三维图；

图2是实施例中模拟深部原位应力环境岩石测试系统的侧视图；

图3是图2中D-D处的剖视图；

图4是实施例中三轴压力室套在固结舱装外时的示意图；

图5是实施例中固结舱的主视图；

图6是实施例中固结舱的剖视图；

图7是实施例中固结舱移动至加载油缸正上方时的三维图；

图8是实施例中固结舱移动至加载油缸正上方时的主视图；

图9是实施例中固结舱移动至加载油缸正上方时的侧视图；

图10是实施例中下压座与压杆配合完成时的示意图；

图11是实施例中数据采集与分析模块的原理框图；

图12是实施例中应力固结状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试的加载曲线图；

图13是实施例中应力释放状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试的加载曲线图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图4所示，本实施例公开的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，包括固结舱1、三轴压力室2、加载框架3、轴压加载系统和数据采集与分析模块。

其中，固结舱1用于容纳类岩石材料，以及将应力无损传递至类岩石材料，以实现将原位应力固结至类岩石材料内部从而形成拟实深部岩石。

三轴压力室2具有容纳固结舱1的空间，当固结舱1置于三轴压力室2内部时二者之间可密封配合。

加载框架3在外力作用下结构形状不改变。三轴压力室筒体21 可操作地套在固结舱1外部，二者可以分离。

在一种可能的设计中，三轴压力室2包括可分离的三轴压力室筒体21和三轴压力室底座22，三轴压力室筒体21可操作地竖向套在固结舱1和三轴压力室底座22外，所述三轴压力室底座22和上压座 13均与三轴压力室筒体21的内壁密封配合。

在一种可能的设计中，如图5、图6所示，固结舱1包括软质内舱体11、多孔薄皮筒12、上压座13、下压座14和支撑铁架15。

软质内舱体11内部能够充满类岩石材料，多孔薄皮筒12在软质内舱体11的外部，因为其为多孔设计，因而可以通过液压油，同时也可以限制软质内舱体11因充满类岩石材料而向外过度膨胀变形。

实验时，在软质内舱体11充满类岩石材料，因其材质软因而可以将应力无损传递到内部的类岩石材料，并且具有一定的压缩变形和张拉变形能力。

上压座13和下压座14分别在软质内舱体11的上、下端，软质内舱体11包裹着上压座13和下压座14，三者之间构成密封空间。

三轴压力室底座22上有与下压座14适配的竖直孔洞下压座14 下端装在三轴压力室底座22的竖直孔洞中，二者之间密封配合，在外力作用下，下压座14可相对于上压座13三轴压力室底座22竖直移动。通过使下压座14轴向移动继而对软质内舱体11内的类岩石材料加载轴向力。

多个支撑铁架15支撑在上压座13和三轴压力室底座22之间，支撑铁架15与上压座13、三轴压力室底座22分离，用于在注浆过程中起临时支撑作用。值得说明的是，支撑铁架15可以是塑料管，也可以是铁管，不影响实验过程中拟实深部岩石的变形测量精度即可。

上压座13上有注浆孔18和出浆孔19，注浆孔18和出浆孔19 配有密封螺纹头(图中未示出)，当完成注浆作业后，拧紧密封螺纹头堵住注浆孔18和出浆孔19，实现密封。

在一种可能的设计中，上压座13、下压座14和软质内舱体11 之间分别用密封装置进行密封。特别的，如图6所示，密封装置包括卡箍16和橡胶密封圈17。密封装置既起密封作用又起固定作用。软质内舱体11上、下端分别包裹在上压座13和下压座14外，分别用卡箍16箍紧固定；橡胶密封圈17装于卡箍16内侧，起密封作用。特别的，卡箍16是钢制的卡箍，橡胶密封圈17选择O型圈。

在一种可能的设计中，固结舱1为圆形，三轴压力室筒体的内壁、三轴压力室底座外圆面以及三轴压力室底座22的竖直孔洞的孔壁上均有环形槽131，环形槽131中装有密封圈，当固结舱1置于三轴压力室2内时，通过三轴压力室筒体21和三轴压力室底座22上的密封圈实现与三轴压力室2内壁的密封，从而构造出一个液压油密封空间，内部可以充满液压油。

在一种可能的设计中，三轴压力室底座22上设注油孔，当固结舱1置于三轴压力室2内部时，通过注油孔可向三轴压力室2内注入液压油。

值得说明的是，软质内舱体11和多孔薄皮筒12的制作材料可以根据需要合理设置。特别的，软质内舱体11为乳胶或橡胶材质。多孔薄皮筒12为铁皮筒。

轴压加载系统包括加载油缸41和压杆42，加载油缸41通过压杆42作用于下压座14，继而提供轴压。

加载框架3主要用于安置三轴压力室和轴压加载系统。

在一种可能的设计中，如图7-图9所示，加载框架3包括底座 31、门型架32、支撑板33以及水平伸出的水平导轨组34。

支撑板33和门型架32装于底座31顶部，支撑板33位于门型架 32的两支腿之间，水平导轨组34一端与支撑板33连接，水平导轨组34另一端水平延伸至门型架32外，水平导轨组34从门型架32的横梁下方经过。

固结舱1与水平导轨组34配合，可沿水平导轨组34移动。

在一种可能的设计中，加载框架3一体制造，例如采用整体铸造结构。

在一种可能的设计中，固结舱1装于轨道车5上，轨道车5行走在水平导轨组34上。特别的，三轴压力室底座22与轨道车5固定连接。

特别的，底座31包括平台311和多条支撑立柱，支撑立柱顶部与平台311固接，支撑板33和门型架32均与平台311固接，加载油缸41置于平台311下方并位于多条支撑立柱内侧，加载油缸41的顶部与压杆42连接，平台311上有与供压杆42适配的压杆孔，压杆 42装于压杆孔中。

为了便于压杆42对下压座14施力，轨道车5对应下压座14的位置有与下压座14适配的通孔，下压座14下端穿过轨道车5上的通孔伸至轨道车5下方，同时在支撑板33上预留有供压杆42竖直穿过的避让口331，以便于压杆42对下压座14施力。

如图1-图3所示，当进行注浆时，三轴压力室筒体21被提升装置(图中未示出)提至空中，不妨碍注浆；如图4所示，当进行应力固结或加载时，三轴压力室筒体21向下至套在固结舱1外并和三轴压力室底座22密封配合，手动或借助其他驱动机构使轨道车5沿着水平导轨组34进行移动，使三轴压力室2和固结舱1移动至门型架 32下方、压杆42的正上方。通过围压加载系统(图中未示出)对软质内舱体11中的类岩石材料施加围压，以模拟深部地层水平应力环境；通过加载油缸41抬升压杆42，为软质内舱体11中的类岩石材料提供轴压，以模拟深部地层垂直应力环境。

当需要卸压时，加载油缸41带动压杆42向下移动，继而带动下压座14向下移动，从而进行卸压。

在一种可能的设计中，压杆42与下压座14通过定位销连接，定位销可以固定好二者的中心位置。压杆42与下压座14中，一者上有固定销，另一者上有与固定销适配的销孔，固定销与销孔过盈配合，如图10所示。当固结舱1移动到位后，压杆42向上移动，带动定位销插入下压座14的销孔中，实现连接，该结构的销孔内小外大为宜，便于轴向插入。

根据需要可在固结舱1中保压养护岩石材料，轴压加载系统和围压加载系统最好能够对软质内舱体11中的类岩石材料施加长时、稳定、量程大的轴压和围压。

可选的，围压加载系统能够对软质内舱体11中的类岩石材料施加28d以上、波动1％、量程大0～50MPa的围压，满足一般千米以深地层平均水平应力的数值。轴压加载系统为软质内舱体11中的类岩石材料提供0～50MPa的轴压，满足一般千米以深地层垂直应力的数值。一般来说施加的围压要不小于轴压。特别的，当胶结物是水泥时，轴压和围压需保持28天；当胶结物是树脂时，轴压和围压需保持3天。

数据采集与分析模块用于采集与分析岩石实时信息。在一种可能的设计中，数据采集与分析模块包括设置在固结舱1内部的压力传感器、设置在固结舱1外部的轴向引伸计和径向引伸计、设置在压杆 42处的压力传感器以及微机服务器，如图11所示，压力传感器、轴向引伸计和径向引伸计均与微机服务器电连接。

微机服务器主要用于显示、储存与分析岩石实时信息。

为便于传输数据，固结舱1上留有数据传输通道20，如图1所示。

在一种可能的设计中，模拟深部原位应力环境岩石测试系统还包括制浆系统(图中未示出)和注浆系统(图中未示出)，制浆系统(图中未示出)和注浆系统(图中未示出)设置在加载框架3外部，制浆系统用于将胶结物、骨料、水和其他添加剂均匀搅拌以制备类岩石材料，注浆系统将搅拌好的类岩石材料注入固结舱1中。制浆系统和注浆系统是本领域的常规技术，此处不再赘述。

基于上述模拟深部原位应力环境岩石测试系统，本实施例公开一种基于深部原位应力环境岩石的测试方法，具体如下：

S1、获取目标区域岩石物理力学参数

采集目标区域岩石，按照国际岩石力学学会建议加工成直径50mm、高度100mm或直径50mm、高度25mm的标准圆柱体试样，基于标准圆柱体试样开展物理实验、微观实验、单轴压缩实验、三轴压缩实验、巴西劈裂实验，获取目标区域岩石的物理力学参数。同一条件实验开展三次，计算其算数平均数以近似表示目标区域岩石物理力学参数的具体数值。

其中，物理力学参数包括密度、粒径、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度。通过物理实验可测定质量、直径、高度，利用密度公式计算出密度。

S2、类岩石材料配比的标定

选择与目标区域岩石粒径范围接近的石英砂作为骨料，选择水泥或者环氧树脂作为胶结物，选择减水剂、消泡剂等作为添加剂，根据以往研究成果设置骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例，将四者均匀搅拌在一起，恒温恒湿养护28d或3d至强度硬化，形成类岩石材料，进行物理实验测定质量、直径、高度，利用密度公式计算其密度。进行单轴压缩实验、三轴压缩实验、巴西劈裂实验，获取类岩石材料的物理力学参数密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度，同一条件实验开展三次，计算其算数平均数以近似表示类岩石材料物理力学参数的具体数值。当类岩石材料物理力学参数的变化率不超过10％时，将该实验的骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例确定为试验方案；当类岩石材料物理力学参数的变化率超过10％时，调节该实验的骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例，直至该质量比例的类岩石材料物理力学参数的变化率不超过10％。变化率定义为类岩石材料物理力学参数的具体数值和目标区域岩石物理力学参数的具体数值差值的绝对值与目标区域岩石物理力学参数的具体数值的比例。

S3、应力固结状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试

利用模拟深部原位应力环境岩石测试系统，制备应力固结的类岩石材料。

具体注浆和应力固结方式有三种：

第一种、按照确定好的骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例配置类岩石材料，利用制浆系统将其均匀搅拌；

先取下上压座13，利用软质内舱体11、多孔薄皮筒12、下压座 14、支撑铁架15构成上端开口的固结舱1，将拌匀的类岩石材料均匀倒入软质内舱体11内，再安装上压座13，然后在固结舱1外部交替逐级施加围压与轴压。

第二种、先将骨料倒入固结舱1的软质内舱体11中，在固结舱 1外部施加围压；再利用注浆系统将胶结物和水的混合物通过注浆孔 18注入的软质内舱体11中，多余的混合物从出浆孔19排出，密封注浆孔18和出浆孔19，然后在固结舱1外部施加轴压。

第三种、按照确定好的骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例配置类岩石材料，利用制浆系统将其均匀搅拌；利用注浆系统将类岩石材料通过注浆孔18注入固结舱1的软质内舱体11中，多余的混合物从出浆孔19排出，密封注浆孔18和出浆孔19，在固结舱1外部交替逐级施加围压与轴压。

在一种可能的设计中，交替逐级施加围压与轴压具体流程：①在固结舱1外部施加围压目标值10％的围压后，保持围压时长达到需保持时长的10％；②将围压提升至围压目标值的20％，且施加轴压目标值10％的轴压，保持围压、轴压时长达到需保持时长的10％；③之后每次将围压、轴压提升10％，并保持围压、轴压时长达到需保持时长的10％，直至围压、轴压达到目标值。

当类岩石材料保压养护至强度硬化后，真正形成拟实深部岩石，能够在室内重现深部岩石未扰动状态。

如图12所示，当围压σ₃与轴压σ₁达到目标值后，位于加载框架3底部内的加载油缸41抬升压杆42，提供轴压，施加于拟实深部岩石，加载方式及加载速率分别为轴向位移控制0-20mm/min、轴向变形控制0.01-2mm/min、轴向荷载控制0.01-5kN/s。

此过程中，利用数据采集与分析模块采集和分析拟实深部岩石实时信息。实时信息可包括拟实深部岩石轴向变形、径向变形、轴压、围压、内应力。设置在固结舱1内的压力传感器可以采集拟实岩石内应力，设置在固结舱1外的轴向引伸计和径向引伸计可以采集拟实深部岩石轴向变形、径向变形，设置在压杆42处的压力传感器可以采集拟实深部岩石轴压，设置在围压加载系统(图中未示出)的压力传感器(图中未示出)可以采集拟实深部岩石围压，围压加载系统与三轴压力室底座22上的注油孔(图中未示出)连接。

通过固结舱1直接培育拟实深部岩石，并且在培育过程中围压加载系统和轴压加载系统施加的围压和轴压从未卸掉，从而可在实验室重现深部地层应力环境以及原位岩石初始结构状态。以此拟实深部岩石进行力学测试，获得的是应力固结状态岩石的应力-应变曲线。而常规试验机所用的试样是通过常规取芯手段获得，由于地应力释放导致岩石发生不可恢复的损伤，因此当常规试验机三轴压力室对受损试样施加应力，以此为基础进行力学测试，获得的是应力释放状态岩石的应力-应变曲线。

S4、应力释放状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试

利用模拟深部原位应力环境岩石测试系统，制备应力固结的类岩石材料。

具体注浆和应力固结方式有三种：

第一种、按照确定好的骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例配置类岩石材料，利用制浆系统将其均匀搅拌；

先取下上压座13，利用软质内舱体11、多孔薄皮筒12、下压座 14、支撑铁架15构成上端开口的固结舱1，将拌匀的类岩石材料均匀倒入软质内舱体11内，再安装上压座13，然后在固结舱1外部交替逐级施加围压与轴压。

第二种、先将骨料倒入固结舱1的软质内舱体11中，在固结舱 1外部施加围压；再利用注浆系统将胶结物和水的混合物通过注浆孔 18注入的软质内舱体11中，多余的混合物从出浆孔19排出，密封注浆孔18和出浆孔19，然后在固结舱1外部施加轴压。

第三种、按照确定好的骨料、胶结物、水和添加剂的质量比例配置类岩石材料，利用制浆系统将其均匀搅拌；利用注浆系统将类岩石材料通过注浆孔18注入固结舱1的软质内舱体11中，多余的混合物从出浆孔19排出，密封注浆孔18和出浆孔19，在固结舱1外部交替逐级施加围压与轴压。

在一种可能的设计中，交替逐级施加围压与轴压具体流程：①在固结舱1外部施加围压目标值10％的围压后，保持围压时长达到需保持时长的10％；②将围压提升至围压目标值的20％，且施加轴压目标值10％的轴压，保持围压、轴压时长达到需保持时长的10％；③之后每次将围压、轴压提升10％，并保持围压、轴压时长达到需保持时长的10％，直至围压、轴压达到目标值。

当类岩石材料保压养护至强度硬化后，真正形成拟实深部岩石，能够在室内重现深部岩石未扰动状态。

如图13所示，当围压σ₃与轴压σ₁达到目标值后，将围压σ₃、轴压σ₁卸至0后，再依次施加围压与轴压至目标值，卸载与加载的时长间隔达到需保持时长的10％；

当围压σ₃与轴压σ₁再次达到目标值后，位于加载框架3底部内的加载油缸41抬升压杆42，提供轴压，施加于拟实深部岩石，加载方式及加载速率分别为轴向位移控制0-20mm/min、轴向变形控制0.01-2mm/min、轴向荷载控制0.01-5kN/s。

利用数据采集与分析模块采集与分析拟实深部岩石实时信息，实时信息包括拟实深部岩石轴向变形、径向变形、轴压、围压、内应力。设置在固结舱1内的压力传感器可以采集拟实岩石内应力，设置在固结舱1外的轴向引伸计和径向引伸计可以采集拟实深部岩石轴向变形、径向变形，设置在压杆42处的压力传感器可以采集拟实深部岩石轴压，设置在围压加载系统的压力传感器可以采集拟实深部岩石围压。

利用本申请的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，可以获取以下参数：

①内应力；

②轴向变形和环向变形；

③轴压、围压；

④应力固结状态下力学参数，包括但不限于应力固结状态下弹性模量、应力固结状态下泊松比、应力固结状态下内摩擦角、应力固结状态下内聚力、应力固结状态下峰值应力等。

⑤应力释放状态下力学参数，包括但不限于应力释放状态下弹性模量、应力释放状态下泊松比、应力释放状态下内摩擦角、应力释放状态下内聚力、应力释放状态下峰值应力等。

⑥损伤率。

以上参数的获取方法如下：

①内应力：布置在固结舱1内部的多个压力传感器可以监测保压养护过程中拟实深部岩石内任一方向应力数值；

②轴向变形和环向变形：固结舱1外部的轴向引伸计和径向引伸计可以监测加压破坏过程中拟实深部岩石轴向和环向变形数值；

③轴压、围压：压杆42处的压力传感器可以监测加载破坏过程中拟实深部岩石轴压情况，设置在围压加载系统上的压力传感器可以采集拟实深部岩石围压；

④应力固结状态下力学参数：按上述S3的方法开展应力固结状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试，获取轴向变形、环向变形、轴压、围压，通过相应计算公式求解得到应力固结状态下力学参数，求解方法是本领域的常规知识，此处不再赘述；

⑤应力释放状态下力学参数：按上述S4的方法开展应力释放状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试，获取轴向变形、环向变形、轴压、围压，通过相应计算公式求解得到应力释放状态下力学参数，求解方法是本领域的常规知识，此处不再赘述；

⑥损伤率：利用应力固结状态下力学参数和应力释放状态下力学参数求解获得，其中一种具体计算方法如下：

式中，η为失真率，E_unrelease为应力固结状态下弹性模量，E_release为应力释放状态下弹性模量。

因应力释放状态下弹性模量E_release明显受到围压和轴压的影响，进而改变损伤率η的大小。因此，提出损伤率η与围压σ₃、轴压σ₁的函数关系式：

η＝f(σ₁,σ₃)

假定深部地层垂直应力为σ_H、水平应力为σ_v，分别设计m、n个梯度m，n≥3，即需要做m×n个试验，具体实验方案以及获取参数如下：

将σ₁设为x轴，σ₃设为y轴，η设为z轴，利用origin绘图软件将表中数据绘制成非线性曲面，根据曲面形态选定适应的曲面方程进行拟合，进而获取该条件下损伤率与轴压、围压的关系：η＝f(σ₁,σ₃)。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：包括固结舱（1）、三轴压力室（2）和轴压加载系统；所述固结舱（1）包括软质内舱体（11）、套在软质内舱体（11）外部的多孔薄皮筒（12）、上压座（13）和下压座（14）；

所述上压座（13）与软质内舱体（11）上端密封连接，下压座（14）与软质内舱体（11）下端密封配合，下压座（14）可相对于上压座（13）竖直移动，上压座（13）上有注浆孔（18）和出浆孔（19）；

三轴压力室（2）具有容纳固结舱（1）的空间，固结舱（1）可操作地置于三轴压力室（2）内，二者之间密封配合；

轴压加载系统包括加载油缸（41）和压杆（42），加载油缸（41）连接压杆（42），压杆（42）用于作用于下压座（14）。

2.根据权利要求1所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：所述三轴压力室（2）包括可分离的三轴压力室筒体（21）和三轴压力室底座（22）；

三轴压力室底座（22）有与下压座（14）适配的竖直孔洞，下压座（14）底端可操作地装在三轴压力室底座（22）的孔洞内并可相对于三轴压力室底座（22）竖直移动，二者之间密封配合；

三轴压力室筒体（21）可操作地竖向套在固结舱（1）和三轴压力室底座（22）外，所述三轴压力室底座（22）和上压座（13）均与三轴压力室筒体（21）的内壁密封配合。

3.根据权利要求2所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：所述固结舱（1）还包括多个支撑铁架（15），多个支撑铁架（15）支撑在上压座（13）和三轴压力室底座（22）之间，支撑铁架（15）与上压座（13）、三轴压力室底座（22）可分离；

支撑铁架（15）为或者不为塑料管。

4.根据权利要求1所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：上压座（13）和下压座（14）分别通过密封装置与软质内舱体（11）密封连接；

所述密封装置包括卡箍（16）和橡胶密封圈（17），软质内舱体（11）上、下端分别包裹在上压座（13）和下压座（14）外并用卡箍（16）箍紧固定，橡胶密封圈（17）装于卡箍（16）内侧。

5.根据权利要求2所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：所述三轴压力室筒体（21）内壁、三轴压力室底座（22）外圆面以及三轴压力室底座（22）竖直孔洞的孔壁上均有环形槽（131），环形槽（131）中装有密封圈；当固结舱（1）置于三轴压力室（2）内时，通过三轴压力室筒体（21）和三轴压力室底座（22）上的密封圈实现与三轴压力室（2）内壁的密封。

6.根据权利要求1所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：还包括加载框架（3），加载框架（3）包括：

底座（31）；

门型架（32），装于底座（31）顶部；

支撑板（33），装于底座（31）顶部并位于门型架（32）的两支腿之间；

水平导轨组（34），水平导轨组（34）与支撑板（33）连接，水平导轨组（34）从门型架（32）的横梁下方经过；所述固结舱（1）可沿水平导轨组（34）移动；

所述加载系统装于底座（31）上并位于支撑板（33）下方，支撑板（33）有供压杆（42）动作的避让口（311）；

加载框架（3）一体制造或者不一体制造。

7.根据权利要求6所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：所述固结舱（1）装于轨道车（5）上，轨道车（5）行走在水平导轨组（34）上；轨道车（5）对应所述下压座（14）的位置有与下压座（14）适配的通孔。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，其特征在于：还包括数据采集与分析模块，所述数据采集与分析模块包括设置在固结舱（1）内部的压力传感器、设置在固结舱（1）外部的轴向引伸计和径向引伸计、设置在压杆（42）处的压力传感器以及微机服务器；压力传感器、轴向引伸计和径向引伸计均与微机服务器电连接。

9.一种基于模拟深部原位应力环境岩石的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取目标区域岩石物理力学参数；

基于目标区域岩石物理力学参数，标定类岩石材料配比；

利用如权利要求1-8中任一项所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，制备应力固结的类岩石材料；

基于所述应力固结的类岩石材料进行应力固结状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试，获得应力固结状态下岩石应力-应变曲线；

基于所述应力固结状态下岩石应力-应变曲线，获取应力固结状态下力学参数。

10.一种基于模拟深部原位应力环境岩石的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取目标区域岩石物理力学参数；

基于目标区域岩石物理力学参数，标定类岩石材料配比；

利用如权利要求1-8中任一项所述的模拟深部原位应力环境岩石测试系统，制备应力固结的类岩石材料；

基于所述应力固结的类岩石材料进行应力释放状态下的模拟深部原位应力环境岩石力学测试，获得应力释放状态下岩石应力-应变曲线；

基于所述应力释放状态下岩石应力-应变曲线，获取应力释放状态下力学参数；

基于应力固结状态下力学参数和应力释放状态下力学参数，计算得到损伤率。

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