本发明专利技术公开了一种岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，由底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统组成；围压加卸荷系统包括压力室、围压囊、保护胎、进出油通道、以及围压电液伺服系统；孔内液压加卸荷系统包括内压囊、上下密封构件、上下“L”型弯管、上下盖板、以及内压电液伺服系统；轴压加卸荷系统包括加载块、活塞杆、油缸、上下油腔通道、以及轴压电液伺服系统。本发明专利技术结构紧凑、各项功能独立协同，通过调节不同的围压和内压组合便可构建不同的环向分布非均匀径向应力场和切向应力场，通过伺服调节内压的卸荷速率便可在岩样内非均匀应力场上各点处实现线性和非线性的径向卸荷和切向加载应力路径。
【技术实现步骤摘要】
岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置
本专利技术涉及一种室内岩石力学试验装置，具体是涉及一种可实现多样应力路径和非均匀应力场重构的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置。
技术介绍
随着经济发展对矿产资源需求量的增加和浅部资源的不断消耗，国内外越来越多的矿山进入深部或更深的开采状态，今后相当长时间内深部开采将是矿山开采的趋势和必然。深部硬岩开采中出现了一些现有理论无法很好解释、严重影响工程施工和资源高效回收的灾害现象，例如挤压大变形、岩爆、分区破裂、板裂等。近年来的研究发现，这些灾害与深部高应力硬岩在开挖卸荷扰动下岩体中的能量转移和释放密切相关。同时，深部硬岩矿体开采中出现的“好凿好爆”、开挖卸荷后的松动圈范围较浅部增大、小扰动后岩石易于致裂等特点说明深部高应力硬岩存在着更利于岩石破碎的倾向，只要找到适当的诱导破裂方法和途径，其内部储能就会变成有效破岩的有用动力源，从而为硬岩矿山的非爆机械化开采提供有利条件。但是，由于目前对深部高应力硬岩开挖卸荷响应内部机理缺乏透彻认识，无法对这些能量进行利用和控制，致使它们以灾害的形式表现出来。事实上，深部高应力硬岩的开挖卸荷响应主要表现为：①伴随开挖过程中的非均匀应力场重构，产生应力集中和应力释放，在开挖区附近形成松动区；②伴随快速开挖卸载过程，在开挖面产生卸荷拉伸波，并向岩体深部传播，产生高强度动力扰动。因此，非均匀应力场和强卸荷应力路径是深部高应力硬岩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。初始地应力决定着开挖后围岩非均匀应力场的分布，而开挖方法及开挖过程则对应不同的卸荷应力路径。因而模拟深部高应力硬岩开挖卸荷响应过程，开展岩石三轴外压(包括围压和轴压)和孔内液压耦合加卸荷试验，研究岩石在多样应力路径卸荷和非均匀应力场作用下的变形、破裂、破坏等响应特性，对理解深部岩体开挖破坏机理具有重要的理论和应用价值。目前，可以实现多样应力路径加卸荷的岩石室内试验装置主要是岩石材料试验机，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，能够模拟局部岩块在开挖过程中的力学过程，但不能在岩石内形成可控的非均匀应力场，不能模拟开挖围岩整体的卸荷响应过程，且难以实现多样应力路径强卸荷。现有的岩石孔内液压加载方法直接将水等压力介质作用在岩石孔壁，水容易侵入岩石孔隙或者微裂隙内，甚至从岩样渗出，从而弱化岩石力学特性，并且岩石与轴压加载块间难以密封，难以满足高应力硬岩加卸荷试验的要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种密封性好、液压介质与岩样隔离、能实现多应力路径强卸荷、具有非均匀应力场重构能力的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统等四大部分，所述的底座包括用于支撑孔内液压加卸荷系统的底座板和用于支撑围压加卸荷系统的四个圆柱形支柱；所述的围压加卸荷系统由压力室、用于储集围压加卸荷系统液压油的围压囊、安设在所述的围压囊和所述的压力室内壁之间的用于保护所述的围压囊的保护胎、安设在所述的围压囊低位的进油通道、安设在所述的围压囊高位的出油通道以及与所述的进油通道和所述的出油通道连通的围压电液伺服系统组成；所述的孔内液压加卸荷系统包括：放置在岩样中心孔洞内两端开口的内压囊、用于密封所述的内压囊的开口的上下密封构件、上部“L”型出油弯管、下部“L”型进油弯管、开有槽口供弯管通过并且其间隙用支撑块填充的上盖板和下盖板以及与所述的上部“L”型出油弯管和下部“L”型进油弯管连通的内压电液伺服系统；所述的轴压加卸荷系统由用于将轴压均匀作用于岩样上的加载块、能够上下移动与所述的加载块连接的活塞杆、油缸、与所述的油缸连通的上部油腔通道和下部油腔通道，以及与所述的上部油腔通道和下部油腔通道连通的轴压电液伺服系统组成。所述的上下密封构件由分别安放在内压囊的开口内外的内锁紧和外锁紧，以及用于压紧内外锁紧密封内压囊的开口的压紧螺母组成。所述的加载块由与所述的上盖板接触的下加载板、与所述的活塞杆连接的上加载板、以及将所述的下加载板和所述的上加载板连接起来并保证两者能够相对移动进行接触调节的连接弹簧组成。所述的底座板、下盖板、围压囊、内压囊、岩样、上盖板、下加载板、上加载板、活塞杆和油缸的中轴线重合。所述的压力室、上盖板、下盖板和岩样之间的接触面密切配合，防止所述的围压囊或者所述的内压囊在高压条件下从接触缝隙中挤出。采用上述技术方案的岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统；围压加卸荷系统和孔内液压加卸荷系统安置在底座上，轴压加卸荷系统安置在孔内液压加卸荷系统上。通过两个液压囊(内压囊和围压囊)将内压和围压分别作用在厚壁圆筒型岩样的孔洞内壁和外壁上，液压囊本身具有很好的气密性，同时液压囊开口处通过内外锁紧和压紧螺母进行密封，可保证整个装置具有良好的密封性；液压囊的囊壁将液压介质与岩样隔离，可避免液压介质侵入岩石孔隙或者微裂隙内而影响岩石力学特性；液压囊具有良好的柔韧性，岩壁各处所受到的压力一致，可保证整个岩壁的均匀加卸荷。围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统和轴压加卸荷系统分别独立地将围压、内压和轴压均匀作用在沿中轴线开有圆柱型孔洞的厚壁圆筒型岩样的外壁、内壁和上下端面上，并通过各自对应的电液伺服系统对压力进行伺服控制。围压加卸荷系统和孔内液压加卸荷系统分别控制围压和内压的大小，通过调节不同的围压和内压组合便可在岩样中形成不同的径向应力梯度，从而构建不同的环向分布非均匀径向应力场和切向应力场。孔内液压加卸荷系统控制内压的卸荷过程，通过伺服调节内压的卸荷速率便可形成不同的内压卸荷路径，从而可在岩样内非均匀应力场上各点处实现线性和非线性的径向卸荷应力路径和切向加载应力路径。围压、内压和轴压电液伺服系统分别独立地对围压、内压和轴压加卸荷过程进行伺服控制。本专利技术具有以下优点：⑴、密封性好该装置通过两个液压囊(内压囊和围压囊)将内压和围压分别作用在厚壁圆筒型岩样的孔洞内壁和外壁上，液压囊本身具有很好的气密性，同时液压囊开口处通过内外锁紧和压紧螺母进行密封，整个装置密封性好。⑵、液压介质与岩样隔离该装置通过液压囊将伺服加卸荷系统内的油压均匀传递到厚壁圆筒型岩样的内外壁，液压囊的囊壁将液压介质与岩样隔离，可避免液压介质侵入岩石孔隙或者微裂隙内而影响岩石力学特性，防止液压介质从岩样渗出。⑶、岩样受载均匀该装置通过柔性很好的液压囊将液压作用于厚壁圆筒型岩样的内外壁，岩壁各处所受到的压力一致，可保证整个岩壁的均匀加卸荷。⑷、可实现多应力路径强卸荷该装置通过内压电液伺服系统对岩样中心孔洞的孔壁进行加卸荷，并配置有独立的具有动态调速能力的快速卸压系统，能够实现孔内线性和非线性多应力路径强卸荷，从而模拟不同的岩体开挖方法和开挖过程。⑸、具有非均匀应力场重构能力该装置通过独立的孔内液压和围压加卸荷系统分别对厚壁圆筒型岩样的内外壁施加或释放内压和围压，通过调节不同的围压和内压组合便可在岩样中形成不同的应力梯度，从而构建不同的非均匀应力场，从而模拟开挖岩体内的应力场分布及变化。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，其特征是：包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统等四大部分；所述的底座包括用于支撑孔内液压加卸荷系统的底座板(1)和用于支撑围压加卸荷系统的四个圆柱形支柱(2)；所述的围压加卸荷系统由压力室(4)、用于储集围压加卸荷系统液压油的围压囊(6)、安设在所述的围压囊(6)和所述的压力室(4)内壁之间的用于保护所述的围压囊(6)的保护胎(5)、安设在所述的围压囊(6)低位的进油通道(18)、安设在所述的围压囊(6)高位的出油通道(17)以及与所述的进油通道(18)和所述的出油通道(17)连通的围压电液伺服系统(21)组成；所述的孔内液压加卸荷系统包括：放置在岩样中心孔洞内两端开口的内压囊(10)、用于密封所述的内压囊(10)的开口的上下密封构件、上部“L”型出油弯管(15)、下部“L”型进油弯管(19)、开有槽口(14)供弯管通过并且其间隙用支撑块(16)填充的上盖板(8)和下盖板(3)，以及与所述的上部“L”型出油弯管(15)和下部“L”型进油弯管(19)连通的内压电液伺服系统(20)；所述的轴压加卸荷系统由用于将轴压均匀作用于岩样上的加载块、能够上下移动与所述的加载块连接的活塞杆(26)、油缸(27)、与所述的油缸(27)连通的上部油腔通道(28)和下部油腔通道(29)，以及与所述的上部油腔通道(28)和下部油腔通道(29)连通的轴压电液伺服系统(22)组成。...
【技术特征摘要】
1.一种岩石三轴外压和孔内液压耦合加卸荷试验装置，其特征是：包括底座、围压加卸荷系统、孔内液压加卸荷系统、轴压加卸荷系统等四大部分；所述的底座包括用于支撑孔内液压加卸荷系统的底座板(1)和用于支撑围压加卸荷系统的四个圆柱形支柱(2)；所述的围压加卸荷系统由压力室(4)、用于储集围压加卸荷系统液压油的围压囊(6)、安设在所述的围压囊(6)和所述的压力室(4)内壁之间的用于保护所述的围压囊(6)的保护胎(5)、安设在所述的围压囊(6)低位的进油通道(18)、安设在所述的围压囊(6)高位的出油通道(17)以及与所述的进油通道(18)和所述的出油通道(17)连通的围压电液伺服系统(21)组成；所述的孔内液压加卸荷系统包括：放置在岩样中心孔洞内两端开口的内压囊(10)、用于密封所述的内压囊(10)的开口的上下密封构件、上部“L”型出油弯管(15)、下部“L”型进油弯管(19)、开有槽口(14)供弯管通过并且其间隙用支撑块(16)填充的上盖板(8)和下盖板(3)，以及与所述的上部“L”型出油弯管(15)和下部“L”型进油弯管(19)连通的内压电液伺服系统(20)；所述的轴压加卸荷系统由用于将轴压均匀作用于岩样上的加载块、能够上下移动与所述的加载块连接的活塞杆(26)、油缸(27...
【专利技术属性】
技术研发人员：王少锋，李夕兵，周健，冯帆，陈冲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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