[发明专利]超重力真三轴岩石加载实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种超重力真三轴岩石加载实验装置及方法，该装置包括控制中枢、地面油源、离心机、真三轴加载试验装置和配重块；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、两个侧向主应力加载装置、两个透明反力观测装置和地下洞室围岩试样；本发明利用N倍超重力环境进行1/N倍的地下洞室围岩缩尺模型实验，大大提高了模型实验的相似性；采用透明反力板，直接通过图像观测试样侧面上的形变和开裂，相比传统贴应变片和位移传感器的单点测量方式，监测密度大大提高，成本大大降低，统筹难度也大大降低；采用圆环形三轴室提供反力，相比传统真三轴的支架式结构更为合理，提供相同围压情况下，极大地节省材料和离心机负载。

技术领域

本发明属于岩石力学实验领域，尤其涉及一种超重力真三轴岩石加载实验装置及方法。

背景技术

深部资源开发、油气深地储存、二氧化碳地质封存和高放射性废物地质处置等成为了我国能源地下开采、储备、放射性废物深地处置研究设施的建设过程中重要的科学研究方向。对于这些问题的研究，都需要对深地空间围岩灾变规律进行探索。目前对于深地空间围岩灾变的评估，多通过单元体岩石试块加载实验获取基本力学性质+数值模拟的方法进行研究。由于自重应力的存在，大尺度深地空间的围岩中存在着较大的应力梯度，而在实验室尺度的缩尺岩体模型实验无法实现这个均布的应力梯度。故深地空间围岩灾变评估相关的模型实验一直以来处于空白状态。

而随着超重力离心机的出现，提供了一种新的加载方式，即可以在离心机试样中施加数百倍的重力加速度，以模拟原岩的应力场。基于此原理的超重力离心机的土工实验逐渐得到了广泛应用(目前涉及的相关实验有土石坝管涌、溃坝实验、近海结构稳定性实验、边坡失稳实验等)，对于岩石类，也有关于桥跨结构、岩石高边坡的加载实验，但是对于深地空间问题方面的超重力应用尚为空白。原因在于对于深地问题而言，仅靠自重应力是不够的，还需要解决其轴压、围压加载的问题，目前，此类相关模型实验研究尚为空白。另外，岩石实验过程中，需要监测岩石的应变、位移、开裂等，目前在三轴室内多通过贴应变片、各类线性位移计，以及声发射技术等。但应变片和位移计均为单点测量，难以提供模型实验所需的大量数据；而声发射技术要求苛刻，且成本较高，对于裂缝的识别精度有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种超重力真三轴岩石加载实验装置及方法，利用离心机产生的超重力环境和所施加的三向荷载，可以使得室内模拟实验中的深地空间围岩试样处于和真实原型相同的应力场中，且其可以通过透明的反力板实时观测围岩体的变形，相对于传统应变片、位移传感器等监测方法，其监测密度高、精度高、范围大。

本发明的技术方案原理如图1所示；

对于原型：Δσ＝ρgh

对于1/N倍的缩尺模型：Δσ1＝ρ·g·h/N

对于N倍超重力下1/N倍的缩尺模型：Δσ2＝ρ·Ng·h/N＝ρgh

容易看出，Δσ＝Δσ2，即原型与N倍超重力下1/N倍的缩尺模型的应力梯度相等。即可以在超重力下复制原型的应力场，从而达到大幅度提高深地空间围岩力学模型实验的相似性的效果。

本发明提出的一种超重力真三轴岩石加载实验装置，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；