一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置及方法与流程

本发明属于室内岩石流变试验技术领域，特别是涉及一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置及方法。

背景技术：

深部岩体作为地下采矿、隧道与地下硐室开挖、石油天然气以及非常规能源开采等工程对象的天然载体，都不同程度的承受着三个正交方向不等的地应力，即大主应力、中主应力及小主应力，而且埋深越大且地质条件越复杂，地应力量级则越高。在岩体开挖时，岩体的初始应力状态发生连续变化，可能引起岩体的瞬时破裂或时效性破裂，岩体在长时间载荷条件下的时效性破裂属于岩石流变学范畴，其是岩石力学研究的一个难点，而岩石的时效强度直接关乎到工程运营期间的安全。

目前，关于岩石长期时效破裂的研究仍处于初级阶段，通常采用岩石常规三轴流变试验机来研究岩石的时效破裂，由于只能考虑中主应力等于小主应力这一特殊应力条件，而不能还原真三轴地应力边界条件，其结果应用并不具备代表性。另外，深部岩体的地温一般随埋深而增加，通常埋深增加100m，地温则上升3℃，而在2000m的地下岩体中，地温通常在60℃左右；对于岩石常规三轴流变试验机来说，为了减少环境温度波动引起的岩石试样变形，通常采用室内空调进行控温，或是采用温控精度在±0.5℃的温控装置进行控温，但由于硬岩在应力条件下的流变变形较小，极易被温度轻微波动引起的热变形所覆盖，导致在硬岩时效破裂试验中，所给定的应力条件和环境温度与实际地应力条件和环境温度明显不符，进而导致试验结果可信度并不高。

因此，有必要将硬岩时效破裂试验提升到真三轴条件。那么，能否将岩石常规三轴流变试验机改造成岩石真三轴流变试验机呢，或是将现有的真三轴设备改造为真三轴流变试验机呢，答案是否定的，具体原因为：对于岩石常规三轴流变试验机，由于中主应力独立伺服加载控制技术复杂，且岩石试样体变测量装置与压力室空间矛盾等因素，导致岩石常规三轴流变试验机无法简单改造为岩石真三轴流变试验机；对于现有的真三轴设备，通常采用液压油泵和电液伺服阀的协同工作模式，并得到岩石静态应力应变力学行为，试验周期一般在几个小时以内，而硬岩时效破裂试验的周期通常为3～6个月，假设让现有的真三轴设备强制进行3～6个月的硬岩时效破裂试验，液压油泵和电液伺服阀等液压元件将严重损坏，而这种情况显然是不允许出现的。另外，现有的真三轴设备中测力传感器通常布置在压力室外，测力传感器不仅受到环境温度波动的影响，还受到传力活塞的摩擦力影响，这都会对载荷稳定控制造成影响。

因此，受到岩石常规三轴流变试验机的加载边界与实际边界条件不符的影响，以及受到现有真三轴设备不具备长时间稳定加载能力的制约，真三轴条件下的硬岩时效破裂试验目前还难以实现。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置及方法，首次实现了真三轴条件下的岩石时效破裂试验，不但具备长时间稳定加载能力，而且可对环境温度条件进行恒温设定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置，包括压力室、第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器、第二中主应力作动器及刚性支撑平台，所述压力室固定安装在刚性支撑平台上，所述第一大主应力作动器及第二大主应力作动器水平对称设置在压力室的左右两侧，所述第一中主应力作动器及第二中主应力作动器竖直对称设置在压力室的上下两侧；其特点是：在所述压力室中心设置有一个水平贯通的圆柱形通孔，在圆柱形通孔的上侧、下侧、左侧及右侧压力室刚性壳体上均布有四个应力加载通孔，在圆柱形通孔内设置有圆柱形试样承载台，圆柱形试样承载台与圆柱形通孔密封配合，圆柱形试样承载台相对于圆柱形通孔具有轴向移动自由度；

在所述圆柱形试样承载台中心设置有试样承放腔，在试样承放腔的上侧、下侧、左侧及右侧圆柱形试样承载台上均布有四个刚性压头安置孔，四个刚性压头安置孔与四个应力加载通孔一一对应，在四个刚性压头安置孔内分别设置有刚性压头；在所述圆柱形试样承载台上开设有围压加载供油孔，围压加载供油孔与试样承放腔相通；所述围压加载供油孔连通有围压加载用注射泵；

所述第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器及第二中主应力作动器结构相同，均包括封盖、环形端盖、反力缸筒、活塞、活塞杆、密封法兰及应力加载用注射泵；所述反力缸筒固连在压力室外表面，反力缸筒与应力加载通孔的轴向中心线相重合；所述封盖固装在环形端盖中部，环形端盖固装在反力缸筒外端，所述密封法兰固装在反力缸筒内端与压力室之间，所述活塞杆一端位于反力缸筒内，活塞杆另一端穿过密封法兰并延伸至应力加载通孔内，所述活塞位于反力缸筒内并固定套装在活塞杆上，活塞与反力缸筒密封滑动配合；在所述环形端盖上开设有应力加载供油孔，所述环形端盖与活塞之间为应力加载油腔，应力加载供油孔与应力加载油腔相通；在所述反力缸筒上开设有应力卸载供油孔，活塞与密封法兰之间为应力卸载油腔，应力卸载供油孔与应力卸载油腔相通；所述应力加载供油孔及应力卸载供油孔通过电磁换向阀与应力加载用注射泵相连通。

在所述压力室的刚性壳体中内置有辅助推拉液压缸，辅助推拉液压缸与圆柱形试样承载台平行设置，辅助推拉液压缸的活塞杆延伸至压力室外部，在活塞杆端部固连有转接法兰，转接法兰与圆柱形试样承载台相固连，圆柱形试样承载台通过辅助推拉液压缸在圆柱形通孔内轴向移动。

在所述压力室的刚性壳体中设置有导向孔，在导向孔内设有导向杆，导向杆与辅助推拉液压缸平行设置，导向杆一端延伸至压力室外部并与转接法兰相固连。

在所述转接法兰相对侧的圆柱形试样承载台上安装有配重平衡杆。

在所述压力室内安装有加热线圈，加热线圈的温度控制精度为±0.2℃。

在位于所述应力加载通孔内的活塞杆端部固装有测力传感器。

在所述圆柱形试样承载台内安装有压力传感器。

在所述封盖上安装有活塞监测用LVDT位移传感器。

所述应力加载用注射泵及围压加载用注射泵均采用步进电机式伺服液压注射泵。

一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验方法，采用了所述的高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样；

步骤二：密封岩石试样；

步骤三：在密封后的岩石试样表面安装体变测量用LVDT位移传感器；

步骤四：启动辅助推拉液压缸，向压力室外部移动圆柱形试样承载台，直到试样承放腔位于压力室外部；

步骤五：将密封后且安装了体变测量用LVDT位移传感器的岩石试样放置到试样承放腔内；

步骤六：控制辅助推拉液压缸回缩，直到圆柱形试样承载台完全回到压力室的圆柱形通孔内；

步骤七：对第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器及第二中主应力作动器实施位移控制，完成岩石试样的精确对中夹紧；

步骤八：调整体变测量用LVDT位移传感器的位置及触针伸长量，使体变测量用LVDT位移传感器处于试验量程范围内；

步骤九：向压力室内充液压油；

步骤十：启动压力室内的加热线圈，将液压油调整到目标温度；

步骤十一：启动第一大主应力作动器、第二大主应力作动器、第一中主应力作动器及第二中主应力作动器的应力加载用注射泵，同时启动围压加载用注射泵，对岩石试样进行阶梯式真三轴加载；

步骤十二：在各个阶梯等级载荷下，记录并观测岩石试样的变形情况。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，首次实现了真三轴条件下的硬岩时效破裂试验。为了满足在真三轴条件下进行岩石时效破裂试验，本发明设计了具有全新结构的压力室，以及与压力室配装应用的具有全新结构形式的作动器，并且还首次在真三轴加载中引入了步进电机式伺服液压注射泵，通过上述创新设计，最终使本发明首次具备了真三轴条件下长时间稳定加载的能力。另外，为了保证所给定的应力条件和环境温度与实际地应力条件和环境温度相符，本发明还首次引入了油温控制，以满足岩石恒温时效破裂试验要求，保证了试验结果更加真实可信。

本发明的压力室首次采用了高刚度一体化结构设计，压力室本身还作为大主应力和中主应力的反力框架，与压力室配装应用的作动器具有低摩擦大吨位加载能力，并具备对称同步加载大主应力和中主应力的能力，其最大加载能力可达6000kN；本发明首次引入的步进电机式伺服液压注射泵，其具备增压和长期稳定低功耗加载的能力，其内伺服电机的功率可低至1kW，其围压加载能力可达100MPa；本发明首次引入的油温控制，能够对液压油进行恒温长期加热，有效模拟岩石试样的地温条件。

附图说明

图1为本发明的一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置正向剖视图；

图2为本发明的一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置侧向剖视图；

图3为图2中的圆柱形试样承载台处于移出时的状态图；

图4为本发明的作动器(应力加载用注射泵未画出)结构示意图；

图5为本发明的压力室正向剖视图；

图6为本发明的压力室侧向剖视图；

图7为本发明的圆柱形试样承载台正向剖视图；

图8为本发明的圆柱形试样承载台侧向剖视图；

图9为密封后且安装了体变测量用LVDT位移传感器的岩石试样示意图；

图中，1—压力室，2—第一大主应力作动器，3—第二大主应力作动器，4—第一中主应力作动器，5—第二中主应力作动器，6—刚性支撑平台，7—圆柱形通孔，8—应力加载通孔，9—圆柱形试样承载台，10—试样承放腔，11—刚性压头安置孔，12—封盖，13—环形端盖，14—反力缸筒，15—活塞，16—活塞杆，17—密封法兰，18—应力加载供油孔，19—应力加载油腔，20—应力卸载供油孔，21—应力卸载油腔，22—应力加载用注射泵，23—刚性压头，24—围压加载供油孔，25—围压加载用注射泵，26—测力传感器，27—活塞监测用LVDT位移传感器，28—辅助推拉液压缸，29—转接法兰，30—配重平衡杆，31—导向杆，32—岩石试样，33—体变测量用LVDT位移传感器，34—电磁换向阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～8所示，一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置，包括压力室1、第一大主应力作动器2、第二大主应力作动器3、第一中主应力作动器4、第二中主应力作动器5及刚性支撑平台6，所述压力室1固定安装在刚性支撑平台6上，所述第一大主应力作动器2及第二大主应力作动器3水平对称设置在压力室1的左右两侧，所述第一中主应力作动器4及第二中主应力作动器5竖直对称设置在压力室1的上下两侧；其特点是：在所述压力室1中心设置有一个水平贯通的圆柱形通孔7，在圆柱形通孔7的上侧、下侧、左侧及右侧压力室1刚性壳体上均布有四个应力加载通孔8，在圆柱形通孔7内设置有圆柱形试样承载台9，圆柱形试样承载台9与圆柱形通孔7密封配合，圆柱形试样承载台9相对于圆柱形通孔7具有轴向移动自由度；

在所述圆柱形试样承载台9中心设置有试样承放腔10，在试样承放腔10的上侧、下侧、左侧及右侧圆柱形试样承载台9上均布有四个刚性压头安置孔11，四个刚性压头安置孔11与四个应力加载通孔8一一对应，在四个刚性压头安置孔11内分别设置有刚性压头23；在所述圆柱形试样承载台9上开设有围压加载供油孔24，围压加载供油孔24与试样承放腔10相通；所述围压加载供油孔24连通有围压加载用注射泵25；

所述第一大主应力作动器2、第二大主应力作动器3、第一中主应力作动器4及第二中主应力作动器5结构相同，均包括封盖12、环形端盖13、反力缸筒14、活塞15、活塞杆16、密封法兰17及应力加载用注射泵22；所述反力缸筒14固连在压力室1外表面，反力缸筒14与应力加载通孔8的轴向中心线相重合；所述封盖12固装在环形端盖13中部，环形端盖13固装在反力缸筒14外端，所述密封法兰17固装在反力缸筒14内端与压力室1之间，所述活塞杆16一端位于反力缸筒14内，活塞杆16另一端穿过密封法兰17并延伸至应力加载通孔8内，所述活塞15位于反力缸筒14内并固定套装在活塞杆16上，活塞15与反力缸筒14密封滑动配合；在所述环形端盖13上开设有应力加载供油孔18，所述环形端盖13与活塞15之间为应力加载油腔19，应力加载供油孔18与应力加载油腔19相通；在所述反力缸筒14上开设有应力卸载供油孔20，活塞15与密封法兰17之间为应力卸载油腔21，应力卸载供油孔20与应力卸载油腔21相通；所述应力加载供油孔18及应力卸载供油孔20通过电磁换向阀34与应力加载用注射泵22相连通。

本发明的压力室1采用了高刚度一体化结构设计，压力室1本身还作为大主应力和中主应力的反力框架，完全不同于传统真三轴设备中采用的两个加载框架与一个压力室的三组件设计，采用高刚度一体化结构设计使压力室具有更小的尺寸，这有助于刚度的进一步提升，以更好的匹配岩石试样的刚度，也有效避免了传统真三轴设备中三组件之间的安装空间和安装误差问题。

在所述压力室1的刚性壳体中内置有辅助推拉液压缸28，辅助推拉液压缸28与圆柱形试样承载台9平行设置，辅助推拉液压缸28的活塞杆延伸至压力室1外部，在活塞杆端部固连有转接法兰29，转接法兰29与圆柱形试样承载台9相固连，圆柱形试样承载台9通过辅助推拉液压缸28在圆柱形通孔7内轴向移动。

本发明的圆柱形试样承载台9通过辅助推拉液压缸28实现在压力室1的圆柱形通孔7中轴向移动，进而满足岩石试样的快速装样和取样，而传统压力室采用的螺栓锁紧式密封门，每次装样和取样都需要拆装一次密封门，对于试验人员来说都是一次繁重的体力劳动，而本发明完全省去了这一重体力劳动过程。

在所述压力室1的刚性壳体中设置有导向孔，在导向孔内设有导向杆31，导向杆31与辅助推拉液压缸28平行设置，导向杆31一端延伸至压力室1外部并与转接法兰29相固连。

在所述转接法兰29相对侧的圆柱形试样承载台9上安装有配重平衡杆30。当圆柱形试样承载台9沿着圆柱形通孔7向外移动时，随着移出的距离加大，伸出部分的圆柱形试样承载台9会因自重而损伤圆柱形通孔7，通过配重平衡杆30则可以抵消伸出部分的圆柱形试样承载台9自重，避免圆柱形通孔7的损伤。

在所述压力室1内安装有加热线圈，加热线圈的温度控制精度为±0.2℃；而液压油作为冷媒介质，更有助于保证温度控制精度。

在位于所述应力加载通孔8内的活塞杆16端部固装有测力传感器26，由于测力传感器26位于应力加载通孔8内，与现有真三轴设备中测力传感器通常布置在压力室外相比，消除了环境温度波动及传力活塞摩擦力的影响，有助于载荷的长期稳定控制。

在所述圆柱形试样承载台9内安装有压力传感器。

在所述封盖12上安装有活塞监测用LVDT位移传感器27。

所述应力加载用注射泵22及围压加载用注射泵25均采用步进电机式伺服液压注射泵；本实施例中，所选用的步进电机式伺服液压注射泵的最高输出压力为100MPa，最低输出流量为0.0005ml/min。由于步进电机式伺服液压注射泵内的伺服电机功率较低，能够有效降低泵缸内液压油的温升速度，且步进电机式伺服液压注射泵内的大减速比变速箱还可以确保泵缸活塞低速移动，更适合于硬岩的小变形特点，同时采用步进电机控制器与载荷反馈的双闭环控制技术，也有助于载荷的长期恒定控制。

一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验方法，采用了所述的高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样32，岩石试样32的最终尺寸为50mm×50mm×100mm；

步骤二：密封岩石试样32；

步骤三：在密封后的岩石试样32表面安装体变测量用LVDT位移传感器33，如图9所示；

步骤四：启动辅助推拉液压缸28，向压力室1外部移动圆柱形试样承载台9，直到试样承放腔10位于压力室1外部；

步骤五：将密封后且安装了体变测量用LVDT位移传感器33的岩石试样32放置到试样承放腔10内；

步骤六：控制辅助推拉液压缸28回缩，直到圆柱形试样承载台9完全回到压力室1的圆柱形通孔7内；

步骤七：对第一大主应力作动器2、第二大主应力作动器3、第一中主应力作动器4及第二中主应力作动器5实施位移控制，完成岩石试样32的精确对中夹紧；

步骤八：调整体变测量用LVDT位移传感器33的位置及触针伸长量，使体变测量用LVDT位移传感器33处于试验量程范围内；

步骤九：向压力室1内充液压油；

步骤十：启动压力室1内的加热线圈，将液压油调整到目标温度；本实施例中，加热线圈的温控最高温度设定为100℃；

步骤十一：启动第一大主应力作动器2、第二大主应力作动器3、第一中主应力作动器4及第二中主应力作动器5的应力加载用注射泵22，同时启动围压加载用注射泵25，对岩石试样32进行阶梯式真三轴加载；本实施例中，考虑到安全性，第一大主应力作动器2及第二大主应力作动器3的最大输出载荷设定为3000kN，第一中主应力作动器4及第二中主应力作动器5的最大输出载荷设定为6000kN，围压的最大载荷设定为100MPa；

步骤十二：在各个阶梯等级载荷下，记录并观测岩石试样32的变形情况。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。