[發明專利]一種高溫高壓硬巖真三軸多功能剪切試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201910904135.3
• 申請日: 2019-09-24
• 公開（公告）號: CN110658085B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 馮夏庭;趙駿;田軍;楊成祥
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種高溫高壓硬巖真三軸多功能剪切試驗裝置及方法，屬于巖石室內加載試驗技術領域，包括液壓系統，左端組合切向加載油缸，右端組合切向加載油缸、前端組合側向加載油缸、后端組合側向加載油缸、上法向加載油缸、下法向加載油缸、環形框架、側向輔助推拉框架、環形框架支撐平臺、水平支撐平臺、試驗箱；首次實現了真三軸條件下的硬巖剪切試驗試驗。為了滿足在真三軸條件下進行巖石的真三軸試驗，本發明設計了具有全新結構的加載框架及油缸，在提高設備整體剛度的同時，確保了真三向剪切過程巖石試樣全截面應力覆蓋的加載方式。通過改進油缸前端降溫方式，確保高達300℃高溫不會使油缸內液壓油溫度升高而影響作動器正常運動。

技術領域

本發明涉及巖石室內加載試驗技術領域，具體是一種高溫高壓硬巖真三軸多功能剪切試驗裝置及方法。

背景技術

巖石作為地下采礦、深埋隧道及核廢料處置庫等的天然載體，其承載能力直接影響著工程是否可以正常運行及人員安全的重要保障。地下巖體并非完整的，都不同程度存在著承載能力較低的結構面及斷層等。含結構面巖體在高剪切應力作用下，容易形成地震、塌方、深層開裂及時滯型巖爆等工程災害。因此，研究含結構面硬巖的破壞機理對理解及預防工程災害的發生具有重要意義。

眾所周知，地下巖體受真三向應力(τ＞σ_p＞σ_n)影響，一般情況下，結構面垂直于最小主應力方向時巖體更容易發現破壞。目前關于硬巖剪切試驗主要通過常規直接剪切(τ＞σn，σp＝0)方法，所用巖樣一般為長方體。常規直剪試驗時，將巖石試樣沿著剪切方向中心線分為上下兩部分。試驗過程中，巖石試樣在剪切方向只有一半截面受力，另一半截面處于臨空狀態。而且，側向應力σ_p＝0，被假設為最小主應力。這些與含結構面的地下巖體發生破壞時所處的三維應力狀態并不符合。另外，遠離隧道臨空面的結構面受周圍巖體限制，常處于定常法向剛度條件下。目前剪切試驗包括準靜態下的定常法向應力、定常法向剛度試驗和長期保載下的定常法向應力剪切試驗。而定常法向剛度下的時效剪切試驗至今未試驗設備實現。這主要是由于定常法向剛度試驗需要用液壓油泵和電液伺服閥的協同工作模式，使法向活塞高頻率調控，然而這種方式容易使油源溫度升高，在長時間運行使容易造成油源系統壽命降低。

除此之外，隨著地下巖體工程越來越深，溫度對巖石的破壞也起到主要作用。一般認為，深度每增100米，巖體溫度會增加3℃，在地下5000米左右位置溫度達到180℃左右。而溫度是影響深部硬巖變形和破壞的最重要因素之一。

目前的常規剪切試驗機，大多采用立柱式及拉桿式框架，這種框架剛度低，在進行試驗時，框架很容易積聚足夠的彈性應變能，峰后彈性應變能釋放，使剪切試驗過程峰后曲線失真。而且現有的真三軸設備液壓缸每個方向只能提供一個恒定的力，不能進行剪切過程巖石截面全覆蓋加載。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種高溫高壓硬巖真三軸多功能剪切試驗裝置及方法，可以施加高達1200MPa的高應力，最高溫度可達到250℃，首次實現了高溫高壓硬巖真三軸定常法向應力\剛度下準靜態及時效剪切試驗，在確保設備剛度的同時，對巖石試樣全截面施加荷載，而且采用高溫箱內加熱，作動器前端降溫的方法，在室內重現真實高溫高三維應力條件下硬巖剪切破壞過程。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：