CN112432845B - 一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***及方法，涉及岩石力学试验领域，解决了高温条件下观察岩石节理剪切破坏发展过程，以及定量分析节理面局部变形的问题。该试验***包括纵向加载机构和横向加载机构，分别施加法向载荷和切向载荷，在加载区域内放置高温箱，高温箱内放置有剪切盒，在剪切盒底部和高温箱之间设置有滚轮板，法向承载压头和切向承载压头均穿过高温箱压设在剪切盒上；高温箱上设置真空玻璃窗，真空玻璃窗对面设置有高速相机，法向承载压头和切向承载压头上均设置有冷却通道，声发射探头安装在冷却通道和加载油缸之间的承载压头上。该***可以进行高温、高压条件下的岩石节理面剪切试验，试验更加符合工程实际。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验领域，尤其是一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***，以及利用岩石节理面的剪切试验***进行试验的方法。
背景技术
随着经济和科学技术的快速发展，对石油、天然气、煤炭、金属等地下能源、资源的需求量日益增加，尤其是水电站建设、铁路工程建设、矿井建设和核废料处置中需要建造大量的深部岩体工程。此外，由于浅部煤炭资源的逐渐减少，干热岩、地热能、可燃冰等新型清洁能源受到越来越多关注。但是深部岩体常常处于高温、高压环境下，地温梯度通常为(1-3)℃/百米，因此深部巷道或隧道常常遭遇高地温影响；深部干热岩赋存温度200℃以上。为了揭示深部岩体复杂环境下的破坏机制，保障深部岩体工程的施工安全和运营，必须开展对高温、高应力下岩体力学特性的研究。
岩石的内部构造及矿物成分的差异性导致岩石的不均匀性和各向异性，岩石中不同矿物成分的热膨胀系数不同，造成不同矿物在受高温后的膨胀变形不一致，当矿物的自由变形受到限制时，岩石中产生热应力，诱发热裂纹。地下岩体往往不是连续的整体，而是被弱面，如节理、结构面和断层等切割，岩石块体沿结构面发生剪切滑移破坏是工程岩体中会经常遇到的破坏方式之一。结构面的存在对岩体的力学特性、渗透特性和稳定性往往起着决定性的作用。高温环境下温度诱发的微破裂在高应力作用下更容易诱发岩体发生宏观失稳破坏。如：在地下岩石隧道中，火灾过后高温会劣化围岩岩体力学性质，可能会使结构面具有更低的剪切强度，在外界应力扰动作用诱发围岩剪切滑移破坏，影响地下隧道、巷道等稳定性；核废料半衰期长且衰变释放出大量的热，核废料的深层地下处置会造成热应力与原岩应力叠加导致次生裂隙面发生滑移破坏，发生核废料泄露事故；在深部干热岩开采过程中，压裂开采扰动改变地下岩体应力状态可能诱发地下深部断层、节理在高温、高压下剪切破坏，诱发地震，造成重大社会影响。因此，研究高温、高压作用下岩石节理面的剪切力学特性、破坏机制、影响因素和力学模型对于深部高温高压环境下岩体工程的防灾减灾、促进深部地下资源的安全、高效开发具有重要意义。
室内剪切试验是研究节理岩体剪切破坏的重要手段，通过室内试验可以设计不同的试验条件(如应力、剪切速率、粗糙度、刚度、环境温度等)揭示节理岩体在不同复杂地质环境下的破坏机制、获得节理的剪切强度参数、建立峰值强度模型等。目前常温环境下的岩石节理的剪切试验较容易实现，但是缺少高温环境下的岩石剪切试验***。此外传统的岩石节理剪切仪器由于受封闭的剪切盒影响，很难实时对节理面不同位置处的变形和位移场进行观察；常温条件下很容易进行的声发射测试由于声发射探头和导线无法承受高温作用也很难开展。
发明内容
为了解决了高温条件下观察岩石节理剪切破坏发展过程，以及定量分析节理面局部变形的问题，本发明提供了一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***及方法，实现实时高温、高压条件下岩石的剪切试验，进而探究高应力环境下节理岩体的剪切力学特性及破坏特征，模拟的试验环境更贴近深埋高温隧洞、核废料处置库和高温干热岩储层等实际岩体工程，具体的技术方案如下。
一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***，包括纵向加载机构、横向加载机构、承载压头、高温箱、剪切盒、声发射探头和滚轮板；所述纵向加载结构包括纵向加载框架和纵向加载油缸，纵向加载油缸固定设置在纵向加载框架的上部并向下加载；所述横向加载机构包括横向加载框架、切向加载油缸和切向承压柱，切向加载油缸和切向承压柱分别固定在横向加载框架的两端，切向加载油缸和切向承压柱相对交错加载；所述纵向加载框架和横向加载框架的底边固定连接，纵向加载框架设置在横向加载框架的中部，纵向加载框架和横向加载框架之间留设有加载区域；纵向加载油缸和法向承载压头相连，切向加载油缸和第一切向承载压头相连，切向承压柱和第二切向承载压头相连；所述高温箱放置在加载区域内，剪切盒放置在高温箱内，剪切盒底部和高温箱之间设置有滚轮板，所述高温箱上分别设置有与法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头相互配合的开孔；所述法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头上均设置有冷却通道，声发射探头设置在冷却通道和加载油缸之间的承载压头上。
优选的是，高温箱上设置有真空玻璃窗，高速相机配置在真空玻璃窗的对侧。
优选的是，法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头均设置有声发射探头固定孔，声发射探头固定孔内设置有固定弹簧；
还优选的是，冷却通道的两端分别固定连接有进水口和出水口；所述高温箱内配置有加热棒。
还优选的是，剪切盒内放置岩石节理试样，剪切盒水平放置在滚轮板上，所述滚轮板上均匀排列与多个滚轮。
一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，利用上述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***，步骤包括：
S1.制作岩石节理试样并放置在剪切盒内；
S2.将剪切盒放置在高温箱内的滚轮板上，密闭高温箱；
S3.通过设置的加热棒加热岩石节理试样，加热过程中保持冷却通道的循环水流通降温；
S4.当高温箱内加热至设定温度后，纵向加载机构和横向加载机构分别施加法向载荷和切向载荷；
S5.声发射探头监测剪切过程中的声发射试件，高速相机记录节理面两侧的位移场和应变场。
进一步优选的是，冷却通道阻隔高温箱向声发射探头和加载油缸的热量传递。
进一步优选的是，高速相机获取节理面剪切破坏过程中的图像，利用数字图像相关法处理图像，确定岩石节理面位置的变形和破坏情况。
进一步优选的是，加载油缸控制应力的加载和剪切速率，所述高温箱控制加载温度。
进一步优选的是，岩石节理试样的节理面在剪切盒的上盒体和下盒体之间，剪切盒的上盒体和下盒体之间留有间隙。
本发明提供的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***及方法有益效果包括：
(1)该试验***利用高温箱进行加热，不仅可以进行实时高温、高压条件下的岩石节理面剪切试验，还可以进行常温条件下的岩石节理剪切试验，对研究高温、高压作用下岩石节理面的剪切力学特性、破坏机制、影响因素和力学模型具有重要的推动作用，对保障深部高温高压环境下岩体工程的防灾减灾、促进深部地下资源的安全、高效开发具有重要意义。
(2)该试验***通过在承载压头上配置声发射探头，从而可以实时记录剪切过程中岩石破裂发生的声发射信号；利用冷却通道保证了声发射探头的安全性，并且不需要使用高温声发射探头和导线，降低了试验成本；另外该试验***在多个承载压头上分别设置声发射探头可以保证监测结果的准确性。
(3)高温箱的侧面设置有真空玻璃，从而可以利用高速相机实时观测岩石节理面的剪切破坏过程，获得节理表面剪切过程中的位移场，解决了传统剪切***密闭剪切盒无法实时观察岩石节理剪切破坏发展过程，以及无法定量分析节理面局部变形的难题。
附图说明
图1是岩石节理面的剪切试验***的结构示意图；
图2是岩石节理面的剪切试验***的剖视结构示意图；
图3是岩石节理面的剪切试验***的侧视图；
图4是岩石节理面的剪切试验***的侧面剖视图；
图5是岩石节理面的剪切试验***的俯视图；
图6是声发射探头固定孔的结构示意图；
图中：1-纵向加载机构，2-横向加载机构，3-承载压头，4-高温箱，5-剪切盒，6-声发射探头，7-滚轮板，8-岩石节理试样；
11-纵向加载框架，12-纵向加载油缸；
21-横向加载框架，22-切向加载油缸，23-切向承压柱；
31-法向承载压头，32-第一切向承载压头，33-第二切向承载压头，34-冷却通道，35-声发射探头固定孔，36-弹簧，37-第一折面，38-第二折面；
41-真空玻璃窗，42-加热棒。
具体实施方式
结合图1至图6所示，对本发明提供的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***及方法具体实施方式进行说明。
一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***，包括纵向加载机构1、横向加载机构2、承载压头3、高温箱4、剪切盒5、声发射探头6和滚轮板7。该***利用纵向加载机构和横向加载机构分别对岩石节理试样的法向和切向加载，完成剪切；高温箱通过加热控制温度的加载，剪切盒放置岩石节理试样，通过声发射探头监测剪切破坏过程，滚轮板方便了剪切盒在剪切过程中的位移。
纵向加载结构1包括纵向加载框架11和纵向加载油缸12，纵向加载油缸12固定设置在纵向加载框架的上部并向下加载，纵向加载框11为刚性结构，纵向加载油缸12可以通过焊接、套接、插接等方式固定配置在纵向加载框架上。横向加载机构2包括横向加载框架21、切向加载油缸22和切向承压柱23，切向加载油缸22和切向承压柱23分别固定在横向加载框架21的两端，切向加载油缸22和切向承压柱23相对交错，切向加载油缸施加载荷进行加载，切向加载油缸22和切向承压柱23的沿相对的方向布置，并且加载的轴向不在同一条直线上。纵向加载框架11和横向加载框架21的底边固定连接，纵向加载框架11设置在横向加载框架的中部，纵向加载框架11和横向加载框架21之间留设有加载区域。纵向加载油缸12和法向承载压头31相连，切向加载油缸22和第一切向承载压头32相连，切向承压柱23和第二切向承载压头33相连。高温箱4放置在加载区域内，承载压头穿过高温箱压设在剪切盒上。剪切盒5放置在高温箱内，剪切盒5底部和高温箱之间设置有滚轮板7，从而方便剪切破坏后继续加载。高温箱4上分别设置有与法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头相互配合的开孔，承载压头传递加载油缸的载荷。法向承载压头31、第一切向承载压头32及第二切向承载压头33上均设置有冷却通道，冷却通道隔离高温箱向承载压头上热量的传递，声发射探头设置在冷却通道和加载油缸之间的承载压头上。
承载压头3包括法向承载压头31、第一切向承载压头32及第二切向承载压头33，加载油缸包括纵向加载油缸、切向加载油缸和切向承压柱。
高温箱4上设置有真空玻璃窗41，从而方便观察，高速相机配置在真空玻璃窗41的对侧，利用高速摄像头可以记录岩石节理面位置的变形和破坏情况。高温箱4内配置有加热棒，加热棒的形状和设置位置可以根据需要确定，从而可以设定不同的加热路径。
法向承载压头31、第一切向承载压头32及第二切向承载压头33上均设置有声发射探头固定孔35，声发射探头固定孔内设置有固定弹簧36，用于固定声发射探头。其中声发射探头固定孔内的弹簧一端固定在固定孔的孔壁上，另一端可以设置推板，推板由两个折面组成，第一折面37和弹簧的伸缩方向垂直，第二折面38向弹簧一侧倾斜，声发射探头放入固定孔，先沿第二折面向孔底滑动，随后压缩弹簧并固定在第一折面和固定孔的孔壁之间。
冷却通道34的两端分别固定连接有进水口和出水口，持续通水，可以隔离冷却通道34两侧的热量传递。其中冷却通道34在承载压头内3可以呈螺旋线对称分布，从而不仅提升隔热效果和冷却效率，还能保证承载压头均匀传递应力。
剪切盒5内放置岩石节理试样，剪切盒5水平放置在滚轮板上，滚轮板7上均匀排列与多个滚轮，滚轮板7可以沿加热箱的底部平移，剪切盒5的下盒体随之移动。岩石节理试样8的节理面在剪切盒的上盒体和下盒体之间，剪切盒5的上盒体和下盒体之间留有间隙，从而方便高速相机对岩石节理试样的观测。
该试验***利用高温箱进行加热，从而不仅可以进行实时高温、高压条件下的岩石节理面剪切试验，还可以进行普通的剪切试验，以及常温条件下的岩石节理剪切试验；方便室内试验开着，对研究高温、高压作用下岩石节理面的剪切力学特性、破坏机制、影响因素和力学模型对于深部高温高压环境下岩体工程的防灾减灾、促进深部地下资源的安全、高效开发具有重要意义。通过在承载压头上配置声发射探头，从而可以实时记录剪切过程中岩石破裂发生的声发射信号，利用冷却通道保证了声发射探头的安全性，并且不需要使用高温声发射探头和导线，降低了试验成本；另外该试验***在多个承载压头上分别设置声发射探头可以保证监测结果的准确性。高温箱的侧面设置有真空玻璃，从而可以利用高速相机实时观测岩石节理面的剪切片破坏过程。
一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，利用上述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***，步骤包括：
S1.制作岩石节理试样并放置在剪切盒内。岩石节理试样的制作可以是通过室内相似材料直接制作尺寸合适的节理试样，也可以通过现场取样含有节理的岩石并制作尺寸合适的节理试样。岩石节理试样的节理面在剪切盒的上盒体和下盒体之间，剪切盒的上盒体和下盒体之间留有间隙。
S2.将剪切盒放置在高温箱内的滚轮板上，密闭高温箱，为了控制热量的传递剪切过程在密闭的高温箱内进行。
S3.通过设置的加热棒加热岩石节理试样，加热过程中保持冷却通道的循环水流通降温。冷却通道阻隔高温箱向声发射探头和加载油缸的热量传递，从而可以使用普通的声发射探头进行监测。
S4.当高温箱内加热至设定温度后，纵向加载机构和横向加载机构分别施加法向载荷和切向载荷。其中可以通过加载油缸控制应力的加载和剪切速率，高温箱控制加载温度；此外制作相应的节理试样还可以试验不同粗糙度、刚度的影响。
S5.声发射探头监测剪切过程中的声发射试件，高速相机记录节理面两侧的位移场和应变场。高速相机获取节理面剪切破坏过程中的图像，利用数字图像相关法处理图像，确定岩石节理面位置的变形和破坏情况。
利用该试验***进行剪切试验的方法具有步骤简单，操作方便，试验灵活，加载符合工程实际等优点，另外利用该方法可以实时观测节理面的剪切破坏过程，获得节理表面剪切过程中的位移场，解决了传统剪切***密闭剪切盒无法实时观察岩石节理剪切破坏发展过程，以及无法定量分析节理面局部变形的难题。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，利用一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验***，包括纵向加载机构、横向加载机构、承载压头、高温箱、剪切盒、声发射探头和滚轮板；所述纵向加载结构包括纵向加载框架和纵向加载油缸，纵向加载油缸固定设置在纵向加载框架的上部并向下加载；所述横向加载机构包括横向加载框架、切向加载油缸和切向承压柱，切向加载油缸和切向承压柱分别固定在横向加载框架的两端，切向加载油缸和切向承压柱相对交错布置；所述纵向加载框架和横向加载框架的底边固定连接，纵向加载框架设置在横向加载框架的中部，纵向加载框架和横向加载框架之间留设有加载区域；纵向加载油缸和法向承载压头相连，切向加载油缸和第一切向承载压头相连，切向承压柱和第二切向承载压头相连；所述高温箱放置在加载区域内，剪切盒放置在高温箱内，剪切盒底部和高温箱之间设置有滚轮板，所述高温箱上分别设置有与法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头相互配合的开孔；所述法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头上均设置有冷却通道，声发射探头设置在冷却通道和加载油缸之间的承载压头上；
步骤包括：
S1.制作岩石节理试样并放置在剪切盒内；
S2.将剪切盒放置在高温箱内的滚轮板上，密闭高温箱；
S3.通过设置的加热棒加热岩石节理试样，加热过程中保持冷却通道的循环水流通降温；
S4.当高温箱内加热至设定温度后，纵向加载机构和横向加载机构分别施加法向载荷和切向载荷；
S5.声发射探头监测剪切过程中的声发射试件，高速相机记录节理面两侧的位移场和应变场。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述高温箱上设置有真空玻璃窗，高速相机配置在真空玻璃窗的对侧。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述法向承载压头、第一切向承载压头及第二切向承载压头均设置有声发射探头固定孔，声发射探头固定孔内设置有固定弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述冷却通道的两端分别固定连接有进水口和出水口；所述高温箱内配置有加热棒。
5.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述剪切盒内放置岩石节理试样，剪切盒水平放置在滚轮板上，所述滚轮板上均匀排列与多个滚轮。
6.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述冷却通道阻隔高温箱向声发射探头和加载油缸的热量传递。
7.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述高速相机获取节理面剪切破坏过程中的图像，利用数字图像相关法处理图像，确定岩石节理面位置的变形和破坏情况。
8.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述加载油缸控制应力的加载和剪切速率，所述高温箱控制加载温度。
9.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石节理面的剪切试验方法，其特征在于，所述岩石节理试样的节理面在剪切盒的上盒体和下盒体之间，剪切盒的上盒体和下盒体之间留有间隙。
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