[发明专利]一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法

说明书

一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法，属于岩石室内加载试验技术领域，包括液压系统，左端组合切向加载油缸，右端组合切向加载油缸、前端组合侧向加载油缸、后端组合侧向加载油缸、上法向加载油缸、下法向加载油缸、环形框架、侧向辅助推拉框架、环形框架支撑平台、水平支撑平台、试验箱；首次实现了真三轴条件下的硬岩剪切试验试验。为了满足在真三轴条件下进行岩石的真三轴试验，本发明设计了具有全新结构的加载框架及油缸，在提高设备整体刚度的同时，确保了真三向剪切过程岩石试样全截面应力覆盖的加载方式。通过改进油缸前端降温方式，确保高达300℃高温不会使油缸内液压油温度升高而影响作动器正常运动。

技术领域

本发明涉及岩石室内加载试验技术领域，具体是一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法。

背景技术

岩石作为地下采矿、深埋隧道及核废料处置库等的天然载体，其承载能力直接影响着工程是否可以正常运行及人员安全的重要保障。地下岩体并非完整的，都不同程度存在着承载能力较低的结构面及断层等。含结构面岩体在高剪切应力作用下，容易形成地震、塌方、深层开裂及时滞型岩爆等工程灾害。因此，研究含结构面硬岩的破坏机理对理解及预防工程灾害的发生具有重要意义。

众所周知，地下岩体受真三向应力(τ＞σ_p＞σ_n)影响，一般情况下，结构面垂直于最小主应力方向时岩体更容易发现破坏。目前关于硬岩剪切试验主要通过常规直接剪切(τ＞σn，σp＝0)方法，所用岩样一般为长方体。常规直剪试验时，将岩石试样沿着剪切方向中心线分为上下两部分。试验过程中，岩石试样在剪切方向只有一半截面受力，另一半截面处于临空状态。而且，侧向应力σ_p＝0，被假设为最小主应力。这些与含结构面的地下岩体发生破坏时所处的三维应力状态并不符合。另外，远离隧道临空面的结构面受周围岩体限制，常处于定常法向刚度条件下。目前剪切试验包括准静态下的定常法向应力、定常法向刚度试验和长期保载下的定常法向应力剪切试验。而定常法向刚度下的时效剪切试验至今未试验设备实现。这主要是由于定常法向刚度试验需要用液压油泵和电液伺服阀的协同工作模式，使法向活塞高频率调控，然而这种方式容易使油源温度升高，在长时间运行使容易造成油源系统寿命降低。

除此之外，随着地下岩体工程越来越深，温度对岩石的破坏也起到主要作用。一般认为，深度每增100米，岩体温度会增加3℃，在地下5000米左右位置温度达到180℃左右。而温度是影响深部硬岩变形和破坏的最重要因素之一。

目前的常规剪切试验机，大多采用立柱式及拉杆式框架，这种框架刚度低，在进行试验时，框架很容易积聚足够的弹性应变能，峰后弹性应变能释放，使剪切试验过程峰后曲线失真。而且现有的真三轴设备液压缸每个方向只能提供一个恒定的力，不能进行剪切过程岩石截面全覆盖加载。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高温高压硬岩真三轴多功能剪切试验装置及方法，可以施加高达1200MPa的高应力，最高温度可达到250℃，首次实现了高温高压硬岩真三轴定常法向应力\刚度下准静态及时效剪切试验，在确保设备刚度的同时，对岩石试样全截面施加荷载，而且采用高温箱内加热，作动器前端降温的方法，在室内重现真实高温高三维应力条件下硬岩剪切破坏过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：