[发明专利]超重力真三轴岩石加载实验装置及方法

权利要求书

1.一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，包括控制中枢、地面油源、离心机、真三轴加载试验装置和配重块；

所述真三轴加载试验装置包括底板、三轴室、三轴室顶盖、轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置、第二透明反力观测装置和地下洞室围岩试样；

所述三轴室为圆环形，上部固定三轴室顶盖，下部固定在底板上；所述地下洞室围岩试样放置在底板上，其顶部设有轴向主应力加载装置，四个侧面则分别设有第一侧向主应力加载装置、第二侧向主应力加载装置、第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置；

所述轴向主应力加载装置由轴向主应力压头、轴向主应力油囊、轴向主应力高压密封接头和轴向主应力压头限位块组成；轴向主应力压头与轴向主应力油囊位于轴向主应力压头限位块内，轴向主应力压头与地下洞室围岩试样顶面紧密接触，轴向主应力油囊位于轴向主应力压头的上方，与轴向主应力高压密封接头相连；轴向主应力高压密封接头通过高压油管和离心机旋转接头与地面油源相连，将来自地面油源的高液压联通到轴向主应力油囊中；轴向主应力油囊产生的高油压推动轴向主应力压头对地下洞室围岩试样进行轴向主应力加载；

所述第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样的两个相邻侧面，均由侧向主应力压头、侧向主应力液压缸和侧向主应力液压密封接头组成；侧向主应力压头与地下洞室围岩试样的侧壁紧密接触，侧向主应力液压缸位于侧向主应力压头的外侧，与侧向主应力液压密封接头相连；侧向主应力液压密封接头通过高压油管和离心机旋转接头与地面油源相连，将来自地面油源的高液压联通到侧向主应力液压缸中；侧向主应力液压缸推动侧向主应力压头对地下洞室围岩试样进行两个相邻侧面的主应力加载；

第一透明反力观测装置和第二透明反力观测装置的结构相同，分别布置在地下洞室围岩试样的两个相邻侧面，均由透明反力板、反力架、图像观测设备和支撑组成；透明反力板与地下洞室围岩试样直接接触；图像观测设备设于支撑上，支撑与反力架固定连接；两个侧向主应力加载装置产生的侧向压力经地下洞室围岩试样、透明反力板、反力架传递到三轴室壁上；图像观测设备能够直接观测模拟地下洞室围岩试样的形变、开裂情况；图像观测设备通过电缆线、离心机导电滑环与控制中枢相连，将观测到的图像数据传递给控制中枢，并接受来自控制中枢的控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述三轴室的壁厚设计为上薄下厚，以应对在超重力下因岩石和三轴室自重产生的纵向应力梯度。

3.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，侧向主应力加载装置还包括液压缸支撑装置，液压缸支撑装置紧密连接侧向主应力液压缸外侧和侧向主应力压头外侧，并支承于底板之上，提供足够的支撑力以对抗液压缸以及可能存在的压头倾斜造成的超自重力。

4.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，三个主应力压头之间应留有缝隙，缝隙为地下洞室围岩试样尺寸的3-6%，以防在加载的过程中互相干扰。

5.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，透明反力观测装置的支撑契合图像观测设备的机身及镜头外形，给图像观测设备提供足够的纵向支撑力，对抗其在超重力下的自重应力。

6.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述反力架为田字型中空结构，其内四个通孔内分别设置有图像观测设备和支撑，图像观测设备设于支撑上，通过支撑与反力架固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述地下洞室围岩试样在朝向其中一个透明反力观测装置的一侧挖有模拟地下洞室，模拟地下洞室为实际洞室的对称的一半。

8.根据权利要求1所述的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，其特征在于，所述真三轴加载试验装置位于离心机的吊篮中心，以减小吊篮内不均匀离心力的误差。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置进行超重力真三轴岩石加载实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据所要模拟的地下洞室围岩原型，设计相关参数，包括地下洞室围岩试样的尺寸、力学参数、预加载的轴向主应力值和两个侧向主应力值、地下洞室的形状、大小；

步骤2：制备地下洞室围岩试样，并在地下洞室围岩试样一侧根据现场原型地下洞室制作比例缩尺半剖切模拟地下洞室；

步骤3：真三轴加载试验装置吊装到离心机吊篮上；

步骤4：取下三轴室顶盖和轴向主应力加载装置，将制备好的地下洞室围岩试样放置到三轴室内，其预挖有模拟地下洞室的一侧朝向透明反力板，以便于后续实验中进行观察；

步骤5：将轴向主应力加载装置和三轴室顶盖组装到位，启动轴向主应力加载装置、第一侧向主应力加载装置和第二侧向主应力加载装置，将地下洞室围岩试样进行预压紧；

步骤6：离心机启动，使离心加速度达到N倍重力，N为本次模拟实验的缩尺比例；

步骤7：根据地下洞室围岩的受力状态所设计的三个主应力，在控制中枢操控地面油源驱动三向主应力加载装置对地下洞室围岩试样进行加载，并利用透明反力板后的图像观测设备进行图像观测；

步骤8：在控制中枢对所接收到的图像数据进行处理，反演模拟地下洞室表面及地下洞室围岩试样表面的位移场、应变场以及应力场，以供后续分析；

步骤9：实验结束，关闭离心机，撤下加载装置。