CN113776926B - 临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及方法 - Google Patents

临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种临空面岩石在围压‑温度‑水耦合作用下的试验装置，属于地下岩石工程力学领域；本发明所述的试验装置，其包括油浴加热***、围压加载***和实时观测***。本发明通过围压加载***来模拟地下洞室开挖后临空面岩石的受力状态，通过设置相应的围压加载螺栓和垫片的结构后，可利用电子扭矩扳手或者定扭矩扳手等实现围压的定量加载并维持；同时通过油浴加热***实现对导热油的加热，进而最终加热内部淹没岩体试件的水，以此模拟临空面岩石处于温度和水浸的状态。因此本发明可实现对围压‑温度‑水三种影响因素的耦合作用下的临空面岩石的试验。

Description

临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及地下岩石工程力学领域，具体涉及一种用于临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及其试验方法。
背景技术
地下洞室开挖后临空面岩石的松弛变形与块体稳定分析成为工程关注的焦点。以往的研究多侧重于对完整岩石试件的常规单轴或三轴力学特性进行研究，没有考虑到洞室开挖后临空面岩石的特殊受力状态(仅临空面为自由面，其余面仍受到围压作用)，此时岩石的力学特性将有异于常规的室内试验。以往试验的限制主要体现在没有可用于模拟临空面岩石受力状态的围压加载装置。
随着地下工程领域不断朝着深处进发，高地温与地下水耦合现象将愈加明显。现有的研究表明，脆性岩石具有明显的温度效应，高温可对岩石力学性能的劣化起到重要作用，且水对岩石的劣化作用同样不可忽视。但以往的研究多是针对高温岩样在单轴或三轴加载时的力学性能进行试验，没有考虑到临空面岩石在围压、高温、水共同作用下的力学性能。对于深部洞室，临空面岩石的变形破坏是采取相关支护措施、改善施工工艺的重要依据，因此开展临空面岩石在围压-温度-水三者耦合作用下的研究显得尤为迫切。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种用于临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，包括油浴加热***、围压加载***和实时观测***；所述油浴加热***包括环形中空壳体、总底座和加热装置，环形中空壳体安装在总底座上，在环形中空壳体的壳内具有环形油浴腔体，在环形油浴腔体内具有导热油，所述加热装置用于加热所述导热油，在环形中空壳体的中部具有容水腔体，在容水腔体内设置有水，在容水腔体的底部对应的总底座上设置有围压加载***；所述围压加载***包括加载底座、试件固定装置、垫片和围压加载螺栓，加载底座安装在总底座上，试件固定装置安装在加载底座上并形成前侧面后顶侧面为敞口的半封闭结构的用于岩石试件固定放置的固定腔，其中试件固定装置的前侧面在固定岩石试件后形成临空面，而试件固定装置的顶侧面在固定岩石试件后形成外部加载面，在试件固定装置的左侧和右侧分别设置有若干的围压加载螺栓，围压加载螺栓在穿过试件固定装置的相应侧壁后向内固定腔伸出，并且在试件固定装置的左侧和右侧的固定腔内侧分别垫设有一块垫片，垫片与对应侧的围压加载螺栓的端部接触配合，通过拧动围压加载螺栓可以将垫片向固定腔内部移动；所述实时观测***包括保护装置和摄像头，所述保护装置设置于试件固定装置的前侧面的前方并在容水腔体内隔离出摄像头安装区域，所述摄像头安装于所述摄像头安装区域内并且摄像头正对所述的临空面方向设置，所述保护装置采用透明材料制成。
进一步的是：还包括外部加载压力机，所述外部加载压力机作用到外部加载面上进行加载；还包括用于拧紧围压加载螺栓进行加载用的电子扭矩扳手或者定扭矩扳手；在试件固定装置的左侧和右侧分别设置有不少于五颗均匀分布的围压加载螺栓。
进一步的是：所述加热装置包括加热电阻丝和电压电流控制器，加热电阻丝设置于环形油浴腔体内，并且加热电阻丝通过导线与电压电流控制器相连。
进一步的是：还包括温度传感器，所述温度传感器设置于环形油浴腔体内的导热油内和/或者设置于容水腔体内的水中。
进一步的是：在环形油浴腔体的顶部设置有进油孔。
进一步的是：环形中空壳体的外周壁上设置有绝热材料层。
进一步的是：还包括顶盖，所述顶盖能够盖在容水腔体的顶部。
进一步的是：试件固定装置为采用厚度为3cm以上的45号钢板，并且在拐角部位设置有倒角，垫片为采用厚度为1cm以上的45号钢板。
另外，本发明还提供一种临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验方法，采用上述本发明所述的进行试验，包括如下步骤：
步骤一、现场获取岩体试块，选取完整损伤较小的区域进行切割加工，将试块加工成规定尺寸的长方体形的岩石试件，其中，岩石试件的长、宽均小于试件固定装置内部固定腔对应的长、宽尺寸，且岩石试件的高度低于试件固定装置内部固定腔对应的高度；
步骤二、将岩石试件放入到试件固定装置内部固定腔内，并且岩石试件的后部紧靠试件固定装置的背侧壁，岩石试件的左侧面和右侧面分别对应与垫片相贴接触，然后通过拧紧围压加载螺栓对岩石试件的左侧面和右侧面进行加载，加载过程中根据试验所需的围压加载值计算出每个围压加载螺栓对应加载扭矩值，然后采用电子扭矩扳手或者定扭矩扳手进行围压定量加载；
步骤三、将岩石试件连同围压加载***一同通过底座螺栓安装到容水腔体内，同时安装实时观测***部分；
步骤四、向容水腔体内注入适当高度的水，并至少完全淹没岩石试件；
步骤五、启动油浴加热***进行加热，直到容水腔体内部水的温度加热到试验所需的温度后维持；
步骤六、将外部压力机的加压端压在岩石试件的外部加载面上，通过外部压力机对岩石试件的外部加载面进行控制加载以进行开展围压-温度-水耦合作用下试验。
进一步的是：第五步中，启动油浴加热***进行加热过程中，水的升温速度不高于1℃/min；第六步中，外部压力机对岩石试件的外部加载面进行控制加载的方式采用逐级加载方式。
本发明的有益效果是：本发明通过围压加载***来模拟地下洞室开挖后临空面岩石的受力状态，通过设置相应的围压加载螺栓和垫片的结构后，可利用电子扭矩扳手或者定扭矩扳手等实现围压的定量加载并维持；同时通过油浴加热***实现对导热油的加热，进而最终加热内部淹没岩体试件的水，以此模拟临空面岩石处于温度和水浸的状态。因此本发明可实现对围压-温度-水三种影响因素的耦合作用下的临空面岩石的试验；并且，本发明通过预留岩石试件的临空面和外部加载面，还可在试验过程中实现利用外部压力机通过外部加载面进行定量的加压控制，可实现不同外部加压作用下的试验；同时通过设置实时观测***可对临空面的试验过程进行实时的观察和记录，及时、准确的获得试验结果。因此，通过本发明的试验装置及方法可有效揭示临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的相关力学性能。
附图说明
图1为本发明的总体试验装置结构图；
图2为围压加载***与实时观测***的结构图；
图中标记为：1.加热电阻丝；2.绝热材料层；3.进油孔；4.顶盖；5.环形油浴腔体；6.电压电流控制器；7.加载底座；8.围压加载螺栓；9.垫片；10.岩石试件；11.试件固定装置；12.温度传感器；13.总底座；14.保护装置；15.摄像头；16.倒角；17.底座螺栓；18.环形中空壳体；19.容水腔体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
需要说明，若本发明中有涉及方向性指示用语，如上、下、左、右、前、后的方向、方位用语，是为了利于构件间相对位置联系的描述，非为相关构件、构件间位置关系的绝对位置特指，仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。若本发明中有涉及数量的用语，如“多”、“多个”、“若干”等，具体指的是两个及两个以上。
如图1和图2中所示，本发明所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，包括油浴加热***、围压加载***和实时观测***；所述油浴加热***包括环形中空壳体18、总底座13和加热装置，环形中空壳体18安装在总底座13上，在环形中空壳体18的壳内具有环形油浴腔体5，在环形油浴腔体5内具有导热油，所述加热装置用于加热所述导热油，在环形中空壳体18的中部具有容水腔体19，在容水腔体19内设置有水，在容水腔体19的底部对应的总底座13上设置有围压加载***；所述围压加载***包括加载底座7、试件固定装置11、垫片9和围压加载螺栓8，加载底座7安装在总底座13上，试件固定装置11安装在加载底座7上并形成前侧面后顶侧面为敞口的半封闭结构的用于岩石试件10固定放置的固定腔，其中试件固定装置11的前侧面在固定岩石试件10后形成临空面，而试件固定装置11的顶侧面在固定岩石试件10后形成外部加载面，在试件固定装置11的左侧和右侧分别设置有若干的围压加载螺栓8，围压加载螺栓8在穿过试件固定装置11的相应侧壁后向内固定腔伸出，并且在试件固定装置11的左侧和右侧的固定腔内侧分别垫设有一块垫片9，垫片9与对应侧的围压加载螺栓8的端部接触配合，通过拧动围压加载螺栓8可以将垫片9向固定腔内部移动；所述实时观测***包括保护装置14和摄像头15，所述保护装置14设置于试件固定装置11的前侧面的前方并在容水腔体19内隔离出摄像头安装区域，所述摄像头15安装于所述摄像头安装区域内并且摄像头正对所述的临空面方向设置，所述保护装置14采用透明材料制成。
其中，围压加载***为用于对岩石试件10进行围压的预加载，以使得试验过程中的岩石试件10处于有预定量的围压状态；具体的，本发明则是设置相应的加载底座7、试件固定装置11、垫片9和围压加载螺栓8等；其中，试件固定装置11可参照附图中所示做成“C形”的结构，其具有背侧壁和左右两侧壁的结构形式，其中，在左侧和右侧分别安装设置有围压加载螺栓8，围压加载螺栓8可以与对应侧的侧壁为螺纹配合，这样通过拧动围压加载螺栓8即可实现对垫片9的移动控制，进而可通过挤压垫片9后实现对岩石试件10的围压加载。并且，本发明在安装岩石试件10的过程中将岩石试件10与试件固定装置11的背侧壁紧贴配合，然后只需要通过两侧的围压加载螺栓8的预加载，即可使得岩石试件10产生一定的形变，这样即可自然在岩石试件10与试件固定装置11的背侧壁之间产生相应的围压作用。
更具体的，为了确保在围压的预加载过程中试件固定装置11以及垫片9不发生较大变形而影响加载效果，本发明中优选设置试件固定装置11优选为采用厚度为3cm以上的45号钢板，并且在拐角部位设置有倒角16，同时垫片9优选为采用厚度为1cm以上的45号钢板。另外，为了确保对每块垫片9的加载的受力均匀性，本发明中优选在试件固定装置11的左侧和右侧分别设置有不少于五颗均匀分布的围压加载螺栓8。
更具体的，本发明中为了确保通过围压加载螺栓8进行定量的围压预加载，进一步设置有用于拧紧围压加载螺栓8进行定量加载用的电子扭矩扳手或者定扭矩扳手；这样，在进行围压加载时，可先根据试验所需的围压加载值计算出每个围压加载螺栓8对应加载扭矩值，然后再采用电子扭矩扳手或者定扭矩扳手进行围压定量加载。
更具体的，本发明中通过在试件固定装置11上预留有顶面的外部加载面，这样可在试验过程中，通过配套相应的外部压力机，利用外部压力机的加压端压在岩石试件10的外部加载面上进行试验过程中的可控加载，这样即可通过该加载进一步方便后续试验过程中随时控制加载压力大小，进而可开展不同外部压力机加载压力下的试验。
其中，油浴加热***为用于进行对内部水的加热的结构，进而模拟试验为岩石试件10处于有温度和水浸的条件下进行。本发明中可设置所述加热装置包括加热电阻丝1和电压电流控制器6，加热电阻丝1设置于环形油浴腔体5内，并且加热电阻丝1通过导线与电压电流控制器6相连；这样即可通过电压电流控制器6实现对环形油浴腔体5的导热油的加热控制，然后通过环形中空壳体18的侧壁传热给容水腔体19内的水，以此实现对水的加热处理。
另外，为了便于导热油的加入和放出以及加热过程中避免内部气压过大而引发安全问题，本发明中可在环形油浴腔体5的顶部设置有进油孔3。
另外，为了避免在加热后整个环形中空壳体18的外周壁面温度过高而存在安全隐患，本发明中进一步可在环形中空壳体18的外周壁上设置有绝热材料层2。
另外，为了便于在加热内部的水的过程中，提高加热效果，本发明中还可设置有顶盖4，所述顶盖4能够盖在容水腔体19的顶部；这样，可在加热过程中先盖上顶盖4，而在加热到设定为度后，再打开顶盖4后进行后续试验。另外，在设置有顶盖4的情况下，为了避免顶盖4的顶面在加热后温度过高而存在安全隐患，本发明中同样可在顶盖4的顶部设置有一层绝热材料层2。
另外，本发明中为了便于加热过程中实时获得加热后的温度情况，还可设置有温度传感器12，并且温度传感器12可以设置在环形油浴腔体5内的导热油内或者设置在容水腔体19内的水中，或者同时在环形油浴腔体5内的导热油内和容水腔体19内的水中分别设置有温度传感器12。
另外，本发明所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验方法，即采用上述本发明所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，包括如下步骤：
步骤一、现场获取岩体试块，选取完整损伤较小的区域进行切割加工，将试块加工成规定尺寸的长方体形的岩石试件10，其中，岩石试件10的长、宽均小于试件固定装置11内部固定腔对应的长、宽尺寸，且岩石试件10的高度低于试件固定装置11内部固定腔对应的高度；并且岩石试件10的高度低于一般优选为低于试件固定装置11内部固定腔对应的高度5mm左右即可；通过上述设置，可确保整个岩石试件10能够被完全放入到试件固定装置11内，同时也方便后续外部压力机的加压端与岩石试件10的外部加载面接触加压；
步骤二、将岩石试件10放入到试件固定装置11内部固定腔内，并且岩石试件10的后部紧靠试件固定装置11的背侧壁，岩石试件10的左侧面和右侧面分别对应与垫片9相贴接触，然后通过拧紧围压加载螺栓8对岩石试件10的左侧面和右侧面进行加载，加载过程中根据试验所需的围压加载值计算出每个围压加载螺栓8对应加载扭矩值，然后采用电子扭矩扳手或者定扭矩扳手进行围压定量加载；其中，垫片9优选设置为大小不小于岩石试件10的相应侧面的大小，这样可确保二者相贴时尽量为全面覆盖岩石试件10的侧面，进而确保在围压加载过程中能对岩石试件10的相应侧面实现全面、均匀的围压余加载；具体的，可设置垫片9与试件固定装置11的相应侧面的大小一致，如设置垫片9高于岩石试件10的高度5mm、且垫片9的宽度与岩石试件10宽度一致；
步骤三、将岩石试件10连同围压加载***一同通过底座螺栓17安装到容水腔体19内，同时安装实时观测***部分，实时观测***中通过安装保护装置14来起到对摄像头15的隔水、隔温保护；相应的，摄像头15也可采用具有防水性的耐高温摄像头，以确保在试验过程中摄像头15的正常运行；
步骤四、向容水腔体19内注入适当高度的水，并至少完全淹没岩石试件10；
步骤五、启动油浴加热***进行加热，直到容水腔体19内部水的温度加热到试验所需的温度后维持；其中，若设置有顶盖4的情况下，在该步骤中可加盖顶盖4后再进行加热操作，以确保加热效果；并在加热到试验所需温度后再打开顶盖4即可；当然不失一般性的，在加热到试验所需温度时，需要位置在该温度状态下进行后续的试验，具体则可通过调整电压电流控制器6来维持温度。当然，由于本发明中是需要在维持温度条件下进行的试验，因此在维持温度的过程中，实际上导热油的温度和水的温度会大致相同，因此当在容水腔体19内的水中设置有温度传感器12的情况下，可通过温度传感器12的示数来直接获得相应的加热后的温度情况；当然，若温度传感器12设置于导热油内时，也可通过获得导热油的温度后间接获得水的温度情况；
步骤六、将外部压力机的加压端压在岩石试件10的外部加载面上，通过外部压力机对岩石试件10的外部加载面进行控制加载以进行开展围压-温度-水耦合作用下试验。
更具体的，本发明中为确保加热过程中的稳定性，优选设置在步骤五中，启动油浴加热***进行加热过程中，水的升温速度不高于1℃/min。这样可确保温度能够缓慢升高，进而避免温度快速变化产生对岩石试件10的破坏。
更具体的，本发明中还可在步骤六中，外部压力机对岩石试件10的外部加载面进行控制加载的方式采用逐级加载方式。这样即可通过逐级加载方式，获得不同大小级别的外部加载情况下的试验结果。

Claims (10)

1.临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：包括油浴加热***、围压加载***和实时观测***；所述油浴加热***包括环形中空壳体（18）、总底座（13）和加热装置，环形中空壳体（18）安装在总底座（13）上，在环形中空壳体（18）的壳内具有环形油浴腔体（5），在环形油浴腔体（5）内具有导热油，所述加热装置用于加热所述导热油，在环形中空壳体（18）的中部具有容水腔体（19），在容水腔体（19）内设置有水，在容水腔体（19）的底部对应的总底座（13）上设置有围压加载***；所述围压加载***包括加载底座（7）、试件固定装置（11）、垫片（9）和围压加载螺栓（8），加载底座（7）安装在总底座（13）上，试件固定装置（11）安装在加载底座（7）上并形成前侧面后顶侧面为敞口的半封闭结构的用于岩石试件（10）固定放置的固定腔，其中试件固定装置（11）的前侧面在固定岩石试件（10）后形成临空面，而试件固定装置（11）的顶侧面在固定岩石试件（10）后形成外部加载面，在试件固定装置（11）的左侧和右侧分别设置有若干的围压加载螺栓（8），围压加载螺栓（8）在穿过试件固定装置（11）的相应侧壁后向内固定腔伸出，并且在试件固定装置（11）的左侧和右侧的固定腔内侧分别垫设有一块垫片（9），垫片（9）与对应侧的围压加载螺栓（8）的端部接触配合，通过拧动围压加载螺栓（8）可以将垫片（9）向固定腔内部移动；所述实时观测***包括保护装置（14）和摄像头（15），所述保护装置（14）设置于试件固定装置（11）的前侧面的前方并在容水腔体（19）内隔离出摄像头安装区域，所述摄像头（15）安装于所述摄像头安装区域内并且摄像头正对所述的临空面方向设置，所述保护装置（14）采用透明材料制成。
2.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：还包括外部加载压力机，所述外部加载压力机作用到外部加载面上进行加载；还包括用于拧紧围压加载螺栓（8）进行加载用的电子扭矩扳手或者定扭矩扳手；在试件固定装置（11）的左侧和右侧分别设置有不少于五颗均匀分布的围压加载螺栓（8）。
3.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：所述加热装置包括加热电阻丝（1）和电压电流控制器（6），加热电阻丝（1）设置于环形油浴腔体（5）内，并且加热电阻丝（1）通过导线与电压电流控制器（6）相连。
4.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：还包括温度传感器（12），所述温度传感器（12）设置于环形油浴腔体（5）内的导热油内和/或者设置于容水腔体（19）内的水中。
5.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：在环形油浴腔体（5）的顶部设置有进油孔（3）。
6.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：环形中空壳体（18）的外周壁上设置有绝热材料层（2）。
7.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：还包括顶盖（4），所述顶盖（4）能够盖在容水腔体（19）的顶部。
8.如权利要求1所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置，其特征在于：试件固定装置（11）为采用厚度为3cm以上的45号钢板，并且在拐角部位设置有倒角（16），垫片（9）为采用厚度为1cm以上的45号钢板。
9.临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验方法，其特征在于：采用上述权利要求1～8任一项所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置实施，包括如下步骤：
步骤一、现场获取岩体试块，选取完整损伤较小的区域进行切割加工，将试块加工成规定尺寸的长方体形的岩石试件（10），其中，岩石试件（10）的长、宽均小于试件固定装置（11）内部固定腔对应的长、宽尺寸，且岩石试件（10）的高度低于试件固定装置（11）内部固定腔对应的高度；
步骤二、将岩石试件（10）放入到试件固定装置（11）内部固定腔内，并且岩石试件（10）的后部紧靠试件固定装置（11）的背侧壁，岩石试件（10）的左侧面和右侧面分别对应与垫片（9）相贴接触，然后通过拧紧围压加载螺栓（8）对岩石试件（10）的左侧面和右侧面进行加载，加载过程中根据试验所需的围压加载值计算出每个围压加载螺栓（8）对应加载扭矩值，然后采用电子扭矩扳手或者定扭矩扳手进行围压定量加载；
步骤三、将岩石试件（10）连同围压加载***一同通过底座螺栓（17）安装到容水腔体（19）内，同时安装实时观测***部分；
步骤四、向容水腔体（19）内注入适当高度的水，并至少完全淹没岩石试件（10）；
步骤五、启动油浴加热***进行加热，直到容水腔体（19）内部水的温度加热到试验所需的温度后维持；
步骤六、将外部压力机的加压端压在岩石试件（10）的外部加载面上，通过外部压力机对岩石试件（10）的外部加载面进行控制加载以进行开展围压-温度-水耦合作用下试验。
10.如权利要求9所述的临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验方法，其特征在于：
第五步中，启动油浴加热***进行加热过程中，水的升温速度不高于1℃ /min；
第六步中，外部压力机对岩石试件（10）的外部加载面进行控制加载的方式采用逐级加载方式。
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