[发明专利]用于获得脆性岩石峰后曲线和残留强度的实验装置及方法

说明书

一种用于获得脆性岩石峰后曲线和残留强度的实验装置及方法，装置的反力框架采用组合式框架结构，包括高刚度外加载框架、刚性中/内加载框架，三个加载框架依次套装组合；高刚度外加载框架刚度≥5GN/m；通过调整刚性中/内加载框架立柱数量和直径，改变刚性中/内加载框架刚度。方法为：制备岩石试样，安装位移传感器；安装试样，以位移控制方式精确对中夹紧试样，消除间隙；微调位移传感器至量程范围；由主加载作动器施加垂直应力，测量试样变形；加载试样至破坏，进入峰后变形阶段，当位移和压力达到阈值时，锁住主加载作动器，通过副加载作动器继续施加垂直应力；加载试样至残留强度；控制主/副加载作动器卸载，拆除破坏后的试样，保存实验数据。

技术领域

本发明属于岩石力学实验技术领域，特别是涉及一种用于获得脆性岩石峰后曲线和残留强度的实验装置及方法。

背景技术

深部岩体是地下采矿、水电硐室开挖、石油天然气、非常规能源开采等工程对象的天然载体，工程开挖使得岩体的初始应力状态发生变化，当岩石中的应力达到岩石的强度时，岩石发生破坏并进入峰后变形阶段，并且岩石的峰后变形特征直接影响到围岩破坏领域的大小和破坏的形态，这也是岩石力学研究中的一个难点。

目前，现有的岩石力学实验设备，基本上都是基于20世纪60年代开发出来的伺服控制系统进行加载或卸载，虽然也能够得到岩石的峰后曲线，但峰后曲线的形态取决于岩石的脆性。对于非脆性岩石来说，可以采用轴向位移控制，并可获得I型稳定破坏特征的峰后曲线。对于脆性岩石来说，如果也采用轴向位移控制，一般不可能获得峰后曲线，因为脆性岩石的破坏是非稳定的。为此，以往脆性岩石的力学实验只能采用环向应变控制，在保持环向应变率一定的情况下，当变形进入峰后阶段时，加载系统必须卸载，所得到的峰后曲线为II型稳定破坏特征的峰后曲线，而II型峰后曲线的峰后刚度为正刚度，这并不是岩石的本质特征，乃是实验设备在保证岩石试样常膨胀变形速率前提下，通过伺服系统强制驱动伺服阀调节背压强流量，卸载作动器手段造成的假象。

在20世纪60年代到80年代期间，国际上的相关学者研发过多种刚性岩石力学实验设备；但是，有的设备只能进行单轴压缩实验，有的设备没有足够的应变量来达到岩石的残留强度，有的设备无法全过程都采用轴向位移控制加载，实验结果偶尔也出现II型峰后曲线。

针对岩石力学实验设备的刚度，不但影响岩石的破坏形态，而且影响岩石峰后的应力-应变曲线。在1997年，学者Van Mier等进行了实验机刚度对混凝土试件峰后应力-应变曲线影响的研究，然而，由于实验条件有限，仅收集了有限数量的结果，无法基于这些结果进行合理的比较。在2017年，学者Xu Y和Cai M采用了数值模拟的方法进行了这方面的研究，结论是设备的刚度确实影响岩石峰后的应力-应变曲线。

因此，为了更好的研究脆性岩石的全应力-应变曲线和残留强度，亟需设计一种具有特定的超刚度和刚度可变的岩石力学实验设备，以避免实验设备中贮存的弹性势能释放对脆性岩石峰后变形产生的影响，同时具有足够大的变形量达到脆性岩石的残留强度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于获得脆性岩石峰后曲线和残留强度的实验装置及方法，可以避免实验设备中贮存的弹性势能释放对脆性岩石峰后变形产生的影响，同时具有足够大的变形量达到脆性岩石的残留强度，该实验装置拥有特定的超刚度且刚度可变，进而可研究实验设备的刚度对岩石峰后曲线的影响。