CN105865930B - 一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，由电液伺服加卸荷***和孔内加卸压执行机构组成；电液伺服加卸荷***包括油箱、液压泵站、电控调压***、三位四通电液换向阀、增压***、可调速卸压***、高压管线和控制主机；孔内加卸压执行机构由液压囊、内外锁紧、压紧螺母、“L”型弯管、接头、开有“U”型槽的刚性压板和支撑块装配而成。本发明结构紧凑，可适用于岩石真三轴和常规三轴试验机，能对孔深为1倍到1.5倍液压囊长度的断面呈圆形、椭圆形、方形、拱形等形状的岩样中心孔洞进行加卸压，可实现孔内多应力路径快速均匀卸荷和岩样内各点应力梯度快速同步重构，并且能够避免液压油侵入岩样影响其力学特性。

Description

一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置
技术领域
本发明涉及一种岩石试验装置，具体是涉及一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，适用于物理模拟深部高应力硬岩开挖卸荷的动态响应过程。
背景技术
随着国民经济发展对矿产资源需求量的日益增加与浅部矿产资源的不断耗尽，矿岩开采与地下硐室开挖逐渐转向深部。由于深部高地应力和强开挖卸荷扰动的存在，涉及深部开挖工程围岩的变形、破坏以及失稳等开挖响应问题，诸如岩爆、分区破裂、挤压大变形、板裂等灾害越来越多。处于较低地应力条件下的浅部岩体，其开挖响应主要取决于开挖断面形状及尺寸和初始地应力大小及构成，受开挖方法及开挖过程的影响较小，故而其开挖被认为是一个准静态过程。然而处于高地应力下的深部岩体，其开挖卸荷响应是一个动力过程。在开挖前深部岩体内部储存有大量的弹性应变能，开挖过程中弹性应变能会发生动态释放，并且其释放过程受开挖方法及开挖过程影响较大。事实上，深部岩体的开挖卸荷扰动主要表现为：①在开挖面附近出现应力重分布过程和高应力梯度，产生应力集中，形成开挖损伤区；②由于高曲率卸荷应力路径的存在，在工作面激起一向岩体深部传播的卸荷拉伸波，波阵面经过处，径向产生卸荷松弛，切向出现应力集中。因此，高应力梯度和高曲率卸荷应力路径是深部岩体开挖卸荷响应的内在因素，其过程主要取决于初始地应力大小及构成、开挖方法及开挖过程。初始地应力决定着深部岩体开挖后围岩中的应力梯度分布。不同的开挖方法及开挖过程对应不同的卸荷应力路径。钻爆法和机械开挖方法分别对应不同的卸荷速率，钻爆法可看作强卸荷瞬态开挖，而机械开挖卸荷速率较小，可看作准静态过程。不同的开挖过程则又对应不同的卸荷应力路径，全断面一次开挖时围岩应力变化表现为线性卸荷路径，而多次开挖时围岩应力变化则表现为先慢后快或者先快后慢的非线性卸荷路径。因而模拟深部高地应力条件下岩体开挖卸荷响应过程，开展含孔洞岩石在三轴外压(包括轴压和围压)和孔内液压耦合压缩条件下的孔内多样应力路径卸荷试验，对理解深部岩体开挖破坏机理，防治开挖扰动诱发的工程灾害，指导深部岩石工程的开挖和支护，以及开展深部坚硬矿岩的诱导致裂非爆开采具有重要的理论和应用价值。
目前，可以实现不同应力路径加卸荷的岩石室内试验装置主要是基于电液伺服***的材料试验机，特别是岩石三轴试验机，可实现多个方向的不同应力路径加卸荷，但不能在岩石内形成可控的应力梯度，且难以实现快速多应力路径卸荷。现有的岩石材料试验机可再现开挖工程围岩局部岩块的力学过程，但难以模拟围岩整体的应力重分布过程，即难以同时再现岩样在时间维度上的卸荷应力路径和空间维度上的应力梯度。现有的岩石内部液压加载装置将液压油或者水等液压介质直接与岩石内腔接触，液压介质因高压容易侵入岩石孔隙或者裂隙内，从而弱化岩石力学特性，并且液压介质极易从岩石与外压加载机构的接触面处漏出，难以密封。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在于提供一种结构紧凑、自动化程度高、测量精确、能实现孔内多应力路径均匀强卸荷、具有应力梯度重构能力的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，包括孔内加卸压执行机构和电液伺服加卸荷***；
所述的孔内加卸荷执行机构包括：液压囊、与所述的液压囊连接的“L”型弯管、连接所述的“L”型弯管和所述的电液伺服加卸荷***出口的接头、开有“U”型槽供所述的“L”型弯管通过的刚性压板、以及填充所述的“L”型弯管与岩样端面间空隙的支撑块；所述的液压囊置入中心含孔洞岩样的孔洞内，与孔壁紧密接触，所述的液压囊尾端用硬胶垫块进行衬垫；
所述的电液伺服加卸荷***包括油箱、进口与油箱连接的液压泵站、与液压泵站出口连通的电控调压***和三位四通电液换向阀、与三位四通电液换向阀相连的增压***和可调速卸压***、连接各部分的高压管线以及控制主机；所述的增压***和可调速卸压***与所述的接头连接；所述的控制主机与电控调压***、三位四通电液换向阀、增压***和可调速卸压***的控制端通信相连。
所述中心含孔洞岩样分别加工成方块岩样和圆柱形岩样，并且刚性压板分别为方形刚性压板和圆形刚性压板。
所述的“L”型弯管***所述的液压囊内且所述的“L”型弯管的端部设有内锁紧、所述的“L”型弯管上设有压在所述的液压囊开口外的外锁紧、将内外锁紧和囊壁压紧防止液压油泄露的压紧螺母。
所述的电控调压***通过先导型比例电磁控制阀来实现；所述的增压***包括增压缸、二位四通电磁换向阀、调压阀、无簧液控单向阀和单向阀；所述的可调速卸压***由二位二通电磁阀和调速阀连接组成；所述的液压泵站的出口通过所述的高压管线连接所述的先导型比例电磁控制阀的入口和所述的三位四通电液换向阀的一个入口，所述的先导型比例电磁控制阀的出口与所述的油箱连接，所述的三位四通电液换向阀的一个出口与调压阀的入口和所述的无簧液控单向阀的入口连接，所述的调压阀的出口与所述的二位四通电磁换向阀的一个入口连接，所述的二位四通电磁换向阀的一个出口与所述的增压缸的一个驱动油缸连接，所述的增压缸的另一个驱动油缸与所述的二位四通电磁换向阀的另一个入口连接，所述的二位四通电磁换向阀的另一个出口与所述的油箱连接，所述的增压缸的一个增压油缸和驱动油缸通过所述的单向阀与所述的液压囊连接，所述的增压缸的另一个增压油缸和驱动油缸通过所述的单向阀与所述的无簧液控单向阀的出口连接；所述的三位四通电液换向阀的另一个出口分别与所述的调速阀的出口和所述的无簧液控单向阀的控制端连接，所述的调速阀的入口与所述的二位二通电磁阀的一个接口连接，所述的二位二通电磁阀的另一个接口与所述的液压囊连接。
采用上述技术方案的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，液压囊置入中心含孔洞岩样的孔洞内，与孔壁紧密接触，液压囊尾端用硬胶垫块进行衬垫；相应于岩石真三轴试验机和常规三轴试验机，中心含孔洞岩样分别加工成方块岩样和圆柱形岩样，并且刚性压板分别为方形刚性压板和圆形刚性压板；多样加卸荷路径为多条不同的纵轴表示液压、横轴表示时间的曲线，每条曲线由一段加载路径和一段卸荷路径连接而成，其中卸荷路径根据试验需求分别为高速线性卸荷路径、高速下凸非线性卸荷路径、高速上凸非线性卸荷路径、次高速线性卸荷路径、次高速下凸非线性卸荷路径和次高速上凸非线性卸荷路径。
液压囊可对孔深为1倍到1.5倍液压囊长度的断面呈圆形、椭圆形、方形、拱形等形状的岩样中心孔洞进行均匀加卸压；并且液压囊可避免液压油与孔壁直接接触而侵入岩样影响其力学特性。
孔内加卸荷执行机构与中心含孔洞岩样配合好后一并放入岩石三轴试验机的加载腔内，然后与所述电液伺服加卸荷***相连通，进行三轴外压和孔内液压耦合压缩条件下的孔内多样应力路径强卸荷试验，伴随卸荷过程实现岩样内各点应力梯度的快速同步重构。
控制主机与电控调压***、三位四通电液换向阀、增压***和可调速卸压***相连，用于监测和控制各个子***，实现通过预设的多样加卸荷路径将压力传递给孔内加卸压执行机构。
岩样中心孔洞贯通岩样，孔洞中轴线与岩样端面中轴线重合。
已置入液压囊、与刚性压板紧密接触的中心含孔洞的所述岩样，与孔内加卸荷执行机构装配好后放入岩石真三轴试验机或常规三轴试验机的加载腔内进行试验。
相应于岩石真三轴试验机和常规三轴试验机分别所需的方块岩样和圆柱形岩样，所述刚性压板分别为方形和圆形；
液压囊尾端用硬胶垫块进行衬垫，防止液压囊在高压力条件下从岩样与试验机加载腔间微小缝隙中挤出而破裂。
本发明具有以下优点：
⑴、结构紧凑
该装置通过液压囊将电液伺服加卸荷***输出的液压均匀作用在孔壁上，供液压油进出的“L”型弯管以及内外锁紧、压紧螺母等密封元件装配好后一并放置在刚性压板的“U”型槽内，“U”型槽与岩样间的空隙通过支撑块填充保证刚性压板能够将外压均匀地传递到岩样表面，整个装置结构紧凑。
⑵、适应性强
该装置只要将刚性压板加工成方形或者圆形便可适用于岩石真三轴试验机或者常规三轴试验机；液压囊具有很好的弹性、柔性和延展性，可以对孔深为1倍到1.5倍液压囊长度的岩样中心孔洞进行加卸压，并且只要调整外锁紧的形状便可使孔内加卸荷执行机构适用于断面呈圆形、椭圆形、方形、拱形等形状的孔洞。
⑶、密封性好
该装置通过液压囊将液压作用在孔壁上，液压囊本身具有很好的气密性，可避免液压油与孔壁接触而侵入岩样影响其力学特性，同时液压囊开口处通过内外锁紧和压紧螺母进行密封，可避免液压油泄露，整个装置密封性好。
⑷、可实现孔内多应力路径快速均匀卸荷
该装置通过电液伺服加卸荷***对岩石孔壁进行加卸荷，并配置有独立的可动态在线调速的卸压***，能够实现岩石孔内线性和非线性多应力路径的加卸荷过程，特别是可以实现60MPa/s的快速卸荷；另外，该装置通过柔性很好的液压囊将液压作用于岩石孔壁，孔壁各处所受到的压力一致，可保证整个孔壁的均匀加卸荷。
⑸、可实现岩样内各点应力梯度快速同步重构
该装置与中心含孔洞岩样配合好后放入岩石三轴试验机的加载腔内，进行三轴外压和孔内液压耦合压缩条件下的孔内多样应力路径强卸荷试验，伴随卸荷过程可实现岩样内各点应力梯度的快速同步重构，从而物理模拟深部高地应力条件下岩体开挖卸荷响应过程。
综上所述，本发明是一种在保证装置结构紧凑、自动化程度高、测量精确的前提下，能够实现多应力路径均匀强卸荷，同时具有应力梯度快速同步重构能力的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，以模拟深部开挖工程围岩整体的应力重分布过程，即同时再现岩样在时间维度上的卸荷应力路径和空间维度上的应力梯度。
附图说明
图1为本发明的电液伺服加卸荷***结构示意图。
图2为本发明的孔内加卸压执行机构剖视图。
图3为本发明的孔内加卸荷执行机构俯视图。
图4为本发明所能实现的多样卸荷路径示意图。
图中：1—油箱；2—液压泵站；3—先导型比例电磁控制阀；4—电控调压***；5—高压管线；6—三位四通电液换向阀；7—调压阀；8—二位四通电磁换向阀；9—增压***；10—增压缸；11—单向阀；12—无簧液控单向阀；13—调速阀；14—可调速卸压***；15—二位二通电磁阀；16—液压囊；17—控制主机；18—加卸荷应力路径；19—中心含孔洞岩样；20—内锁紧；21—外锁紧；22—压紧螺母；23—“L”型弯管；24—接头；25—“U”型槽；26—刚性压板；27—支撑块；28—硬胶垫块；29—方形刚性压板；30—圆形刚性压板；31—加载路径；32—高速线性卸荷路径；33—高速下凸非线性卸荷路径；34—高速上凸非线性卸荷路径；35—次高速线性卸荷路径；36—次高速下凸非线性卸荷路径；37—次高速上凸非线性卸荷路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，包括图1所示的电液伺服加卸荷***和图2、图3所示的孔内加卸压执行机构。
所述的孔内加卸荷执行机构包括：液压囊16、置入液压囊16内的内锁紧20、压在液压囊16开口外的外锁紧21、将内外锁紧和囊壁压紧防止液压油泄露的压紧螺母22、“L”型弯管23、连接“L”型弯管23和电液伺服加卸荷***出口的接头24、开有“U”型槽25供“L”型弯管23通过的刚性压板26、以及填充“L”型弯管23与岩样端面间空隙的支撑块27；“L”型弯管23***液压囊16内且“L”型弯管23的端部设有内锁紧20、“L”型弯管23上设有压在液压囊16开口外的外锁紧21、将内外锁紧和囊壁压紧防止液压油泄露的压紧螺母22。所述液压囊16置入中心含孔洞岩样19的孔洞内，与孔壁紧密接触，液压囊16尾端用硬胶垫块28进行衬垫。相应于岩石真三轴试验机和常规三轴试验机，所述中心含孔洞岩样19分别加工成方块岩样和圆柱形岩样，并且刚性压板分别为方形刚性压板29和圆形刚性压板30；
电液伺服加卸荷***包括油箱1、进口与油箱1连接的液压泵站2、与液压泵站2出口连通的电控调压***4和三位四通电液换向阀6、与三位四通电液换向阀6相连的增压***9和可调速卸压***14、连接各部分的高压管线5以及控制主机17；所述的电控调压***4通过先导型比例电磁控制阀3来实现；所述的增压***9包括增压缸10、二位四通电磁换向阀8、调压阀7、无簧液控单向阀12和单向阀11；所述的可调速卸压***14由二位二通电磁阀15和调速阀13连接组成；液压泵站2的出口通过高压管线5连接先导型比例电磁控制阀3的入口和三位四通电液换向阀6的一个入口，先导型比例电磁控制阀3的出口与油箱1连接，三位四通电液换向阀6的一个出口与调压阀7的入口和无簧液控单向阀12的入口连接，调压阀7的出口与二位四通电磁换向阀8的一个入口连接，二位四通电磁换向阀8的一个出口与增压缸10的一个驱动油缸连接，增压缸10的另一个驱动油缸与二位四通电磁换向阀8的另一个入口连接，二位四通电磁换向阀8的另一个出口与油箱1连接，增压缸10的一个增压油缸和驱动油缸通过单向阀11与液压囊16连接，增压缸10的另一个增压油缸和驱动油缸通过单向阀11与无簧液控单向阀12的出口连接；三位四通电液换向阀6的另一个出口分别与调速阀13的出口和无簧液控单向阀12的控制端连接，调速阀13的入口与二位二通电磁阀15一个接口连接，二位二通电磁阀15的另一个接口与液压囊16连接。
控制主机17与电控调压***4、三位四通电液换向阀6、增压***9和可调速卸压***14的控制端通信相连，监控整个电液伺服加卸荷***，通过预设的多样加卸荷路径18将压力传递给孔内加卸压执行机构。
多样加卸荷路径18是多条不同的纵轴表示液压P、横轴表示时间t的曲线；所述的每条曲线由一段加载路径31和一段卸荷路径连接而成；所述卸荷路径根据试验需求分别为高速线性卸荷路径32、高速下凸非线性卸荷路径33、高速上凸非线性卸荷路径34、次高速线性卸荷路径35、次高速下凸非线性卸荷路径36和次高速上凸非线性卸荷路径37。
本发明的工作过程：
⑴、加工中心含孔洞岩样19，对应于岩石真三轴试验机和常规三轴试验机岩样分别需要加工成方块岩样和圆柱形岩样，岩样尺寸根据试验机的加载腔尺寸确定，岩样中心孔洞可以加工成断面呈圆形、椭圆形、方形、拱形等形状的柱型孔洞；
⑵、装配孔内加卸荷执行机构，将内锁紧20通过液压囊16前端圆形开口放入液压囊16内，将压紧螺母22旋至“L”型弯管23的短臂端螺纹上，继而将外锁紧21套至“L”型弯管23的短臂端置于压紧螺母22下面，然后将“L”型弯管23的短臂端旋至液压囊16内的内锁紧20，通过旋紧压紧螺母22将内外锁紧与囊壁固定紧并保证良好的密封性和耐高压性，然后将连接好的“L”型弯管23放入刚性压板26的“U”型槽25内，然后用支撑块27将槽内空隙充填，最后将接头24旋至“L”型弯管23的长臂端螺纹上，至此孔内加卸荷执行机构的装配工作完成；
⑶、挤压液压囊16排出内部空气，然后将孔内加卸荷执行机构的接头24放入液压油中，反复挤压液压囊16使其内部充满液压油；
⑷、将装配好的孔内加卸荷执行机构的液压囊16、内锁紧20和外锁紧21一并放置到岩样19的中心孔洞内，放至外锁紧21端面与岩样端面平齐后停止，在液压囊16尾端用硬胶垫块28进行衬垫，防止液压囊16在高压力条件下从岩样与试验机加载腔间微小缝隙中挤出而破裂；
⑸、连接电液伺服加卸荷***，依次将油箱1、液压泵站2、先导型比例电磁控制阀3、三位四通电液换向阀6、调压阀7、二位四通电磁换向阀8、增压缸10、单向阀11、无簧液控单向阀12、调速阀13、二位二通电磁阀15等液压元件通过高压管线5进行连接，并将控制主机17与电控调压***4、增压***9、可调速卸压***14和三位四通电液换向阀6连接，用于监控整个电液伺服加卸荷***，从而通过预设的多样加卸荷路径18将压力传递给孔内加卸压执行机构，实现岩石孔内电液伺服加卸荷；
⑹、将电液伺服加卸荷***与孔内加卸压执行机构的接头24进行连通，使带有液压压力信息的液压油能通过“L”型弯管23进出液压囊16，并能将液压压力均匀作用于岩样孔壁；
⑺、将装配好的岩样和孔内加卸压执行机构一并放置到岩石三轴试验机的加载腔内开始进行中心含孔洞岩样在三轴外压(包括轴压和围压)和孔内液压耦合压缩条件下的孔内多样应力路径卸荷试验；
⑻、以在常规三轴试验机上试验为例，试验过程中首先加载轴压至5MPa将岩样及孔内加卸荷执行机构固定，然后加载围压至5MPa，然后以同样的加载速率按线性加载路径31将围岩和内压均加载至Pr，将轴压加载至Pz，Pz>Pr，然后分别按高速线性卸荷路径32、高速下凸非线性卸荷路径33、高速上凸非线性卸荷路径34、次高速线性卸荷路径35、次高速下凸非线性卸荷路径36、次高速上凸非线性卸荷路径37等卸荷路径将内压卸载，研究卸荷速率和卸荷路径对岩石孔内卸荷响应的影响；控制不同的轴压Pz和围压Pr重复上述卸荷过程再将内压卸载，研究外压对岩石孔内卸荷响应的影响；
⑼、改变岩样中心孔洞断面形状及尺寸再进行加卸荷试验，研究圆形、椭圆形、方形、拱形等开挖形状及开挖尺寸对岩石孔内卸荷响应的影响；
⑽、改变岩样中心孔洞的深度，研究开挖范围或者开挖长度对岩石孔内卸荷响应的影响。

Claims (4)

1.一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，其特征是：包括孔内加卸压执行机构和电液伺服加卸荷***；
所述的孔内加卸压执行机构包括：液压囊(16)、与所述的液压囊(16)连接的“L”型弯管(23)、连接所述的“L”型弯管(23)和所述的电液伺服加卸荷***出口的接头(24)、开有“U”型槽(25)供所述的“L”型弯管(23)通过的刚性压板(26)、以及填充所述的“L”型弯管(23)与岩样端面间空隙的支撑块(27)；所述的液压囊(16)置入中心含孔洞岩样(19)的孔洞内，与孔壁紧密接触，所述的液压囊(16)尾端用硬胶垫块(28)进行衬垫；
所述的电液伺服加卸荷***包括油箱(1)、进口与油箱(1)连接的液压泵站(2)、与所述的液压泵站(2)出口连通的电控调压***(4)和三位四通电液换向阀(6)、与所述的三位四通电液换向阀(6)相连的增压***(9)和可调速卸压***(14)、连接各部分的高压管线(5)以及控制主机(17)；所述的增压***(9)和可调速卸压***(14)与所述的接头(24)连接；所述的控制主机(17)与所述的电控调压***(4)、所述的三位四通电液换向阀(6)、所述的增压***(9)和所述的可调速卸压***(14)的控制端通信相连。
2.根据权利要求1所述的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，其特征是：所述的中心含孔洞岩样(19)分别加工成方块岩样和圆柱形岩样，并且所述的刚性压板(26)分别为方形刚性压板(29)和圆形刚性压板(30)。
3.根据权利要求1或2所述的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，其特征是：所述的“L”型弯管(23)***所述的液压囊(16)内且所述的“L”型弯管(23)的端部设有内锁紧(20)、所述的“L”型弯管(23)上设有压在所述的液压囊(16)开口外的外锁紧(21)、将内、外锁紧和囊壁压紧防止液压油泄露的压紧螺母(22)。
4.根据权利要求1或2所述的实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，其特征是：所述的电控调压***(4)通过先导型比例电磁控制阀(3)来实现；所述的增压***(9)包括增压缸(10)、二位四通电磁换向阀(8)、调压阀(7)、无簧液控单向阀(12)和单向阀(11)；所述的可调速卸压***(14)由二位二通电磁阀(15)和调速阀(13)连接组成；所述的液压泵站(2)的出口通过所述的高压管线(5)连接所述的先导型比例电磁控制阀(3)的入口和所述的三位四通电液换向阀(6)的一个入口，所述的先导型比例电磁控制阀(3)的出口与所述的油箱(1)连接，所述的三位四通电液换向阀(6)的一个出口与调压阀(7)的入口和所述的无簧液控单向阀(12)的入口连接，所述的调压阀(7)的出口与所述的二位四通电磁换向阀(8)的一个入口连接，所述的二位四通电磁换向阀(8)的一个出口与所述的增压缸(10)的一个驱动油缸连接，所述的增压缸(10)的另一个驱动油缸与所述的二位四通电磁换向阀(8)的另一个入口连接，所述的二位四通电磁换向阀(8)的另一个出口与所述的油箱(1)连接，所述的增压缸(10)的一个增压油缸和驱动油缸通过所述的单向阀(11)与所述的液压囊(16)连接，所述的增压缸(10)的另一个增压油缸和驱动油缸通过所述的单向阀(11)与所述的无簧液控单向阀(12)的出口连接；所述的三位四通电液换向阀(6)的另一个出口分别与所述的调速阀(13)的出口和所述的无簧液控单向阀(12)的控制端连接，所述的调速阀(13)的入口与所述的二位二通电磁阀(15)的一个接口连接，所述的二位二通电磁阀(15)的另一个接口与所述的液压囊(16)连接。
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