[發明專利]一種巖石變形破壞過程的實驗裝置及其實驗方法

在審

• 申請號: 202011232332.4
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112326431A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 魯功達;石安池;周家文;洪望兵;陶劍;范剛;李海波;王猛
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/18
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 李鵬

本發明公開了一種巖石變形破壞過程的實驗裝置及其實驗方法，由溫度?應力加載系統、人工主動降溫系統和巖石變形破壞監測系統組成。溫度?應力加載系統用于對含通孔的巖樣施加水平荷載和豎直荷載模擬水平地應力和鉛直地應力并進行巖樣加熱。人工主動降溫系統將冷卻水通過水循環裝置和水管送入巖樣的通孔入口，并將與巖樣產生熱交換后的水通過水管送回水冷系統。巖石變形破壞監測系統通過貼在巖樣表面的應變片收集徑向和環向應變數據，并通過聲發射傳感器收集聲發射數據。本發明的優點是：實現研究人工主動降溫對高溫高壓隧洞圍巖變形破壞過程和長期穩定性的影響，對我國高原地區和地球深部基礎設施的建設和運營安全具有重要意義。

技術領域

本發明涉及水電工程施工安全技術領域，特別涉及一種溫度變化作用下巖石變形破壞過程的實驗裝置及其實驗方法。

背景技術

隨著地理位置便利的山區水利水電工程趨于飽和，我國未來水利水電工程的建設中心逐漸向高原地區轉移。位于高原地區的水電工程地下廠房通常面臨高地應力和高地溫的問題，例如，新疆布侖口-公格爾水電站引水洞開挖面實測最高溫度為105℃(侯代平,劉乃飛,余春海,等.新疆布侖口高溫引水隧洞幾個設計與施工問題探討[J].巖石力學與工程學報,2013,32(2,s1):3396-3403)。高地溫將造成工作人員和機械設備效率降低、開挖爆破作業難以正常實施、現場監測儀器不能正常工作等情況(袁培國.超高地溫條件下引水隧洞施工關鍵技術探討[J].水利水電技術,2014,45(4):101-106)，嚴重影響施工效率和質量。

對于高地溫問題，工程上一般采用通風或噴霧的方式來降低圍巖溫度。由于熱脹冷縮效應，地應力作用下的隧洞圍巖在降溫過程中必然產生應力調整，然而目前尚沒有任何一種實驗方法能夠真實反映降溫過程對地應力作用下的隧洞圍巖穩定性的影響。

現有技術一：李天斌等(李天斌,潘皇宋,陳國慶,等.熱-力作用下隧道巖爆溫度效應的物理模型實驗[J].巖石力學與工程學報,2018,37(2):261-273.)開發了一套物理模型實驗裝置研究溫度和地應力耦合作用下硐室圍巖開挖卸荷造成的變形破壞過程，但該裝置未考慮人工主動降溫對硐室圍巖穩定性的影響。

現有技術二：以Xu et al.(Xu Xiaoli,Gao Feng,Shen Xiaoming,XieHeping.Mechanical characteristics and microcosmic mechanisms of granite undertemperature loads[J].J.China Univ.MiningTechnol.,2008,18:413-417.)為代表的研究[方案II]通過先加熱、后降溫的方式利用三軸實驗探討了溫度變化對巖石物理力學性質的影響，但這些研究均以完整巖塊為研究對象，不能揭示降溫過程對地應力作用下的隧洞圍巖變形破壞過程的影響。

值得注意的是，雖然本領域的技術人員有動機在現有技術一的基礎上增加冷卻系統來研究降溫對溫度-地應力耦合作用下硐室圍巖卸荷變形的影響，但降溫造成硐室圍巖應力狀態調整、進而改變洞室圍巖蠕變特性、最終影響洞室圍巖長期穩定性不屬于本領域技術人員的固有知識，因此現有實驗手段和認識難以揭示降溫過程對地應力作用下的隧洞圍巖長期穩定性的影響。另一方面，由于三軸實驗裝置對樣品尺寸的限制，因此現有技術二難以通過引入降溫過程來研究溫度變化對不同初始應力作用下含孔洞巖石試件變形破壞過程的影響。

發明內容

本發明針對現有技術的缺陷，提供了一種巖石變形破壞過程的實驗裝置及其實驗方法，解決了現有技術中存在的缺陷。

為了實現以上發明目的，本發明采取的技術方案如下：

一種巖石變形破壞過程的實驗裝置，由溫度-應力加載系統、人工主動降溫系統和巖石變形破壞監測系統組成。

所述溫度-應力加載系統包括：加載框架1、圍壓加載裝置2、加載墊板3、巖石試件4、軸向約束墊板6、加熱帶7、以及軸向約束螺栓8和溫度計；