[发明专利]一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法

说明书

一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法，装置由静载荷加载框架、动载荷加载框架、四个静载荷加载作动器、二个动载荷加载作动器及分离式霍普金森压杆机构组成，全部作动器与油源系统相连；动载荷加载作动器活塞轴轴向中心设有空心孔道，活塞轴端部均装有空心环状结构动态压力传感器，分离式霍普金森压杆机构分别通过空心孔道及动态压力传感器中心孔对岩样施加高速冲击载荷；两个动载荷加载作动器采用静压油路平衡支撑密封方式，作动器通过伺服阀与油源系统相连，油路上配装有蓄能器，通过伺服阀加大流量驱动活塞动态响应，通过蓄能器平衡低频扰动加载时的系统压力。本发明首次实现在同一台设备上自由施加低频扰动载荷和高速冲击载荷。

技术领域

本发明属于室内岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法。

背景技术

深部岩体是深部水利水电工程、深部金属矿开采、高放核废物处置库等工程的载体，当深部岩体进行工程开挖后，受到爆破扰动以及破坏冲击作用，会时常诱发一系列的破坏失稳甚至是地质灾害，例如分区破裂化、时滞性岩爆、冲击型矿压及冲击型岩爆等，其本质是处于三向高地应力状态下因开挖卸荷损伤的深部岩体，在爆破损伤、爆破振动及岩爆冲击波等不同特征动静载荷作用下发生的临界破裂与动力失稳现象。

目前，在三向高应力下深部岩体破坏失稳的诱发机制研究中，扰动及冲击作用对深部岩体灾害的诱发机制尚不清楚，且严重缺乏基础性研究成果。鉴于深部岩体所处于的三向高地应力环境，相关试验研究需要在真三轴条件下开展。考虑到爆破振动冲击等动载荷作用，其高频成分可达兆赫级，而高速冲击往往致使岩石在高应变率下发生破坏，而岩体中的冲击波由于震荡和衰减，又可形成1Hz～100Hz的低频扰动，致使岩体在中低应变率下发生破坏。因此，亟需理解动载荷从高应变率到中低应变率作用下岩石临界破裂与动力失稳的诱发机制，以满足深部工程岩石力学的研究需要。

但是，现阶段针对深部岩体临界破裂与动力失稳研究的室内岩石力学试验中，岩石的低频扰动试验多集中在单轴或常规三轴基础上，无法模拟真实环境的三向高地应力状态。同时受到作动器衰减和摩擦因数的制约，施加的扰动频率只能达到最大10Hz左右，无法进一步扩大扰动频率的范围。再有，基于分离式霍普金森压杆技术(SHPB)的岩石高应变率冲击试验，分别经历了无静载荷的岩石高应变率冲击试验、在围压条件下的岩石高应变率冲击试验以及在“围压+轴压”条件下的岩石高应变率冲击试验，但到目前为止，在真三轴静载荷条件下的岩石高应变率冲击试验始终未见报道。

因此，为了更好的理解动载荷从高应变率到中低应变率作用下岩石临界破裂与动力失稳的诱发机制，研发一套低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验设备是非常必要的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置及方法，首次实现了在真三轴静载荷条件下的岩石高应变率冲击试验，同时还能够满足真三轴条件下的岩石低频扰动试验，且扰动频率最大可达50Hz，填补了在三向高应力下深部岩体破坏失稳的诱发机制研究领域的空白，进一步扩展了深部工程岩石力学的研究范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低频扰动与高速冲击型高压真三轴试验装置，包括静载荷加载框架、动载荷加载框架、第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器、第二水平动载荷加载作动器及分离式霍普金森压杆机构；所述第一竖向静载荷加载作动器、第二竖向静载荷加载作动器、第一水平静载荷加载作动器、第二水平静载荷加载作动器、第一水平动载荷加载作动器及第二水平动载荷加载作动器与油源系统相连；

所述静载荷加载框架采用口字型结构，静载荷加载框架的口字型中心为岩样加载处，静载荷加载框架通过第一底座固定安装在地面上；所述第一竖向静载荷加载作动器及第二竖向静载荷加载作动器对称设置在静载荷加载框架的上下横梁上，所述第一水平静载荷加载作动器及第二水平静载荷加载作动器对称设置在静载荷加载框架的前后立柱上；