[发明专利]一种卸载时主应力方向可变换的岩石真三轴压力室

说明书

技术领域

本发明涉及深部采矿力学模拟试验装置，特别是一种用于刚性-柔性混合型岩石真三轴试验机上的卸载时主应力方向可以变换的岩石真三轴压力室。

背景技术

天然岩土材料在原位状态通常是处于三维应力条件下的，用三个主应力（σ₁,σ₂，σ₃）来描述原岩应力状态。为此，常用真三轴试验机来模拟σ₁≥σ₂≥σ₃的应力条件下的岩石力学行为。为了方便施加三个方向相互正交的荷载，真三轴试样通常加工成正方体或者长方体。采用x，y，z三个方向相互正交的加载单元组成真三轴加载系统，即σ_x、σ_y、σ_z分别对应σ₁、σ₂、σ₃。早期的真三轴试验机多在双轴试验机的基础上增加另一个刚性加载单元模拟σ₃，形成三个方向刚性加载系统，试验中无需压力室。这种三个方向纯刚性加载的真三轴试验机在试验中为了防止各个相邻面上的压板发生接触干涉，通常设置一小的间隙，由此导致岩样存在应力空白角和应变测量不直接等问题，限制了其发展。此后出现的一种刚性-柔性混合型岩石真三轴试验机由于克服了以上缺点（小主应力σ₃采用柔性加载），使其成为目前的主流实验设备。该种真三轴试验机上的真三轴压力室是确保柔性荷载成功施加的重要部件，压力室由压力室主体和四个通过活塞孔安装在压力室上下壁和左右室壁上的阶梯型活塞组成，四个活塞的前端面分别通过垫块与岩石试样相接触，起到传递力的作用，其中竖直向的两个活塞构成竖向活塞副，水平向的两个活塞构成水平向活塞副，竖向活塞副和水平向活塞副构成加载执行机构。竖向活塞副和水平向活塞副中各有一个活塞的后端面与作动器（液压千斤顶）相接。这种采用四个活塞的压力室虽然比使用两个活塞的压力室制造复杂，但是配合浮动框架使用（参考CN101458192A中国专利），可以保证在加载试验过程中，试样的几个中心不发生偏移，有助于减少摩擦和偏载，提高试验的可靠性。此真三轴压力室四个活塞的阶梯形处与对应的压力室孔壁形成一个空腔，该空腔的环形面积与活塞在压力室内的端面面积相等，在活塞体上加工一个细小的钻孔，使压力室的液压油与该空腔连通。由于空腔的环形面积与活塞在压力室内的端面面积相等，活塞两端承受的压力相等，在围压（σ₃）改变时活塞不发生移动，故此活塞称为自平衡活塞，起到自平衡作用的空腔称为自平衡腔。压力室的压力控制系统由独立的伺服加压装置和压力传感器组成，目的是施加试验过程中需要的小主应力σ₃，即所谓的围压。该真三轴压力室采用两刚一柔加载方式，其中大主应力σ₁和中主应力σ₂采用作动器对活塞刚性加载，小主应力σ₃采用液压油泵柔性加载，即压力室的四个连通活塞采用“自平衡”形式施压，一旦施加围压，四个活塞不发生移动，处于自平衡状态。这种“自平衡”压力室的优点是，偏应力（σ₁-σ₃或σ₂-σ₃）可以通过作动器独立施加和控制；静水压力（σ₁=σ₂=σ₃）条件易于模拟；便于实施等向加载；试样安装方便快捷，对中较易实现。此种刚性-柔性混合型压力室经历了由普通型压力室（非自平衡）向自平衡压力室的发展过程。非自平衡压力室由于三个方向的力是独立控制，使其对控制系统的性能要求非常高，加之试样安装很不不便，很快被自平衡压力室所代替。采纳自平衡压力室的真三轴在模拟从初始静水压力条件下加载，然后维持σ₃和σ₂在相应的设定值，增加σ₁至试样破坏这样的应力路径，具有很好的执行力。但是当模拟实际深部岩体开挖导致的强卸载应力路径时，即开挖巷道的临空面变成零应力状态（开挖前该面法向近似对应大主应力或中主应力），此时初始的大主应力或者中主应力方向的应力很可能卸荷至零，自然小于柔性加载的小主应力（围压力），即此卸载过程中主应力方向发生变换，初始的小主应力方向变成大主应力或者中主应力方向。针对此类岩体卸载过程中主应力方向变换的力学行为，此种真三轴压力室受其结构特点制约，无法模拟上述应力路径，即自平衡活塞即使通过外部作动器卸载到偏应力等于零，但由于自平衡腔内的压力等于围压，故与该活塞接触的试样端面无法小于围压，真三轴压力室只能卸载到σ₁＝σ₂=σ₃＝某一应力水平条件（特例是同步卸载至零），无法模拟初始σ₁和σ₂方向的应力卸载至零的应力路径，尽管它有众多优点，但面对此种特殊的主应力方向变化的卸载应力路径，表现出功能不足。因此，非常有必要对上述两刚一柔岩石真三轴试验机的真三轴压力室加以功能性完善，以解决上述岩体卸载过程中主应力方向变化时应力路径实施问题。