一种工程软岩灾变全过程可视的真三轴压力室的制作方法

本发明属于岩石力学试验仪器领域，特别涉及一种工程软岩灾变全过程可视的真三轴压力室，适用于模拟岩石赋存的复杂受力环境，可在试验过程中对岩样表面裂纹进行实时观测。

背景技术：

水-岩相互研究是国际上岩石力学与工程地质学的学科前沿课题之一，软岩与水相互作用及其耦合效应问题作为其中的重点和难点问题，已经成为学术界与工程界共同关注的焦点。

根据国家国土资源部发布的数据：2011年至2015年底，我国平均每年因地质灾害导致的直接经济损失达54.68亿元，死亡/失踪人数达388.8人。而这些灾害90％以上集中在青藏高原以东、秦岭淮河以南的南方湿润区(图1)，究其原因，该区降雨丰沛，人类工程活动密集，且广泛分布着红层，由于红层中大多存在有泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等软弱岩体，其在工程开挖和遇水条件下极易软化，迅速产生变形破坏从而导致灾害的发生。试验是岩石破坏机理研究的重要手段，其中，三轴试验由于能模拟岩石实际赋存的各种环境条件而得到广泛的应用。现有的岩石三轴压力室多为钢制的非透明压力室，且试验时岩样需要包保护膜，因而在试验过程中无法直接观测岩样变形破坏的全过程，特别是在真三轴试验仪中，加载轴直接与岩样接触，更加无法观测到岩样表面裂纹的发展变化过程，这在一定程度上制约了岩石变形破坏机理的进一步研究。

技术实现要素：

为了克服上述已有技术中存在的不足，本发明目的在于提供一种工程软岩灾变全过程可视的真三轴压力室，可实现岩石赋存的不同应力环境的模拟，并可实现岩样表面变形的实时观测。

为了达到上述目的，本发明提供了一种工程软岩灾变全过程可视的真三轴压力室，它由底座、固定瓦、卡箍、x方向第一加载系统、x方向第二加载系统、y方向第一加载系统、y方向第二加载系统、压力室筒、轴向加载轴、备帽、过度塞、上压垫、下压垫组成；x方向第一加载系统、y方向第一加载系统、x方向第二加载系统、y方向第二加载系统依次通过螺丝固定在压力室筒外部，相互间的夹角为90°，中心高度与岩样的中心高度一致；压力室筒安装在底座上，通过固定瓦连接，并由卡箍锁紧；压力室筒开设有上腔和下腔，上腔和下腔之间的隔板开设有圆孔，轴向加载轴通过圆孔从上腔穿入下腔，轴向加载轴上部通过过渡塞和备帽安装于压力室筒上腔；下压垫放置于底座中心，岩样安装在下压垫上，上压垫放置在岩样顶部，轴向加载轴经过上压垫向岩样施加轴压。

所述的x方向第一加载系统由第一高强度透明板、第一加载板、第一加载轴、第一液压缸、第一液压缸固定板、第一面阵ccd组成；第一高强度透明板由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第一加载板开设的槽内，另一面与岩样第一面接触；第一加载板中间开设有第一方孔；第一加载板的另一端与第一加载轴相连；第一加载轴与第一加载板相连的一端开设有第二方孔，第二方孔内安装第一面阵ccd，第一面阵ccd的镜头伸至第一加载板中间的第一方孔，靠近第一高强度透明板，第一面阵ccd的第一数据线从第一加载轴的内部穿出；第一加载轴的另一端与第一液压缸的活塞相连；第一液压缸固定在第一液压缸固定板上，并通过螺丝固定在压力室筒外部。

所述的x方向第二加载系统由第一高强度透明板、第二加载板、第二加载轴、第二液压缸、第二液压缸固定板、第二面阵ccd组成；第二高强度透明板由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第一加载板开设的槽内，另一面与岩样第二面接触；第二加载板中间开设有第三方孔；第二加载板的另一端与第二加载轴相连；第二加载轴与第二加载板相连的一端开设有第四方孔，第四方孔内安装第二面阵ccd，第二面阵ccd的镜头伸至第二加载板中间的第三方孔，靠近第二高强度透明板，第二面阵ccd的第二数据线从第二加载轴的内部穿出；第二加载轴的另一端与第二液压缸的活塞相连；第二液压缸固定在第二液压缸固定板上，并通过螺丝固定在压力室筒外部。

所述的y方向第一加载系统由第三高强度透明板、第三加载板、第三加载轴、第三液压缸、第三液压缸固定板、第三面阵ccd组成；第三高强度透明板由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第三加载板开设的槽内，另一面与岩样第三面接触；第三加载板中间开设有第五方孔；第三加载板的另一端与第三加载轴相连；第三加载轴与第三加载板相连的一端开设有第六方孔，第六方孔内安装第三面阵ccd，第三面阵ccd的镜头伸至第三加载板中间的第五方孔，靠近第三高强度透明板，第三面阵ccd的第三数据线从第三加载轴的内部穿出；第三加载轴的另一端与第三液压缸的活塞相连；第三液压缸固定在第三液压缸固定板上，并通过螺丝固定在压力室筒外部。

所述的y方向第二加载系统由第四高强度透明板、第四加载板、第四加载轴、第四液压缸、第四液压缸固定板、第四面阵ccd组成；第四高强度透明板由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第四加载板开设的槽内，另一面与岩样第四面接触；第四加载板中间开设有第七方孔；第四加载板的另一端与第四加载轴相连；第四加载轴与第四加载板相连的一端开设有第八方孔，第八方孔内安装第四面阵ccd，第四面阵ccd的镜头伸至第四加载板中间的第七方孔，靠近第四高强度透明板，第四面阵ccd的第四数据线从第四加载轴的内部穿出；第四加载轴的另一端与第四液压缸的活塞相连；第四液压缸固定在第四液压缸固定板上，并通过螺丝固定在压力室筒外部。

本发明具有以下优点：

(1)既能进行普通真三轴试验，也能单轴和普通三轴试验；

(2)能在试验过程中实时观测岩样表面的变形。

附图说明：

图1是一种工程软岩灾变全过程可视的真三轴压力室

图2是a-a剖面图

图3是b-b剖面图

图4是x方向第二加载系统示意图

图5是c-c剖面图

其中：1-底座；2-固定瓦；3-卡箍；4-x方向第一加载系统；5-x方向第二加载系统；6-y方向第一加载系统；7-y方向第二加载系统；8-压力室筒；9-轴向加载轴；10-备帽；11-过度塞；12-上压垫；13-下压垫；14-岩样；4-1-第一高强度透明板；4-2-第一加载板；4-3-第一加载轴；4-4-第一液压缸；4-5-第一液压缸固定板；4-6-第一面阵ccd；4-7-第一数据线；4-8-led灯；5-1-第二高强度透明板；5-2-第二加载板；5-3-第二加载轴；5-4-第二液压缸；5-5-第二液压缸固定板；5-6-第二面阵ccd；5-7-第二数据线；6-1-第三高强度透明板；6-2-第三加载板；6-3-第三加载轴；6-4-第三液压缸；6-5-第三液压缸固定板；6-6-第三面阵ccd；6-7-第三数据线；7-1-第四高强度透明板；7-2-第四加载板；7-3-第四加载轴；7-4-第四液压缸；7-5-第四液压缸固定板；7-6-第四面阵ccd；7-7-第四数据线。

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本发明的使用方式。

如图1-2所示，本发明提供了一种工程软岩灾变全过程可视的真三轴压力室，它由底座1、固定瓦2、卡箍3、x方向第一加载系统4、x方向第二加载系统5、y方向第一加载系统6、y方向第二加载系统7、压力室筒8、轴向加载轴9、备帽10、过度塞11、上压垫12、下压垫13组成；x方向第一加载系统4、y方向第一加载系统6、x方向第二加载系统5、y方向第二加载系统7依次通过螺丝固定在压力室筒8外部，相互间的夹角为90°，中心高度与岩样14的中心高度一致；压力室筒8安装在底座1上，通过固定瓦2连接，并由卡箍3锁紧；压力室筒8开设有上腔和下腔，上腔和下腔之间的隔板开设有圆孔，轴向加载轴9通过圆孔从上腔穿入下腔，轴向加载轴9上部通过过渡塞11和备帽10安装于压力室筒8上腔；下压垫13放置于底座1中心，岩样14安装在下压垫13上，上压垫12放置在岩样14顶部，轴向加载轴9经过上压垫12向岩样14施加轴压；所述的上压垫12和下压垫13内部均内置了声发射探头。

如图3-5所示，x方向第一加载系统4由第一高强度透明板4-1、第一加载板4-2、第一加载轴4-3、第一液压缸4-4、第一液压缸固定板4-5、第一面阵ccd4-6组成；第一高强度透明板4-1由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第一加载板4-2开设的槽内，另一面与岩样14第一面接触；第一加载板4-2中间开设有第一方孔；第一加载板4-2的另一端与第一加载轴4-3相连；第一加载轴4-3与第一加载板4-2相连的一端开设有第二方孔，第二方孔内安装第一面阵ccd4-6，第一面阵ccd4-6的镜头伸至第一加载板4-2中间的第一方孔，靠近第一高强度透明板4-1，第一面阵ccd4-6的第一数据线4-7从第一加载轴4-3的内部穿出；第一加载轴4-3的另一端与第一液压缸4-4的活塞相连；第一液压缸4-4固定在第一液压缸固定板4-5上，并通过螺丝固定在压力室筒8外部。

x方向第二加载系统5由第二高强度透明板5-1、第二加载板5-2、第二加载轴5-3、第二液压缸5-4、第二液压缸固定板5-5、第二面阵ccd5-6组成；第二高强度透明板5-1由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第二加载板5-2开设的槽内，另一面与岩样14第一面接触；第二加载板5-2中间开设有第三方孔；第二加载板5-2的另一端与第二加载轴5-3相连；第二加载轴5-3与第二加载板5-2相连的一端开设有第四方孔，第四方孔内安装第二面阵ccd5-6，第二面阵ccd5-6的镜头伸至第二加载板5-2中间的第三方孔，靠近第二高强度透明板5-1，第二面阵ccd5-6的第二数据线5-7从第二加载轴5-3的内部穿出；第二加载轴5-3的另一端与第二液压缸5-4的活塞相连；第二液压缸5-4固定在第二液压缸固定板5-5上，并通过螺丝固定在压力室筒8外部。

y方向第一加载系统6由第三高强度透明板6-1、第三加载板6-2、第三加载轴6-3、第三液压缸6-4、第三液压缸固定板6-5、第三面阵ccd6-6组成；第三高强度透明板6-1由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第三加载板6-2开设的槽内，另一面与岩样14第三面接触；第三加载板6-2中间开设有第五方孔；第三加载板6-2的另一端与第三加载轴6-3相连；第三加载轴6-3与第三加载板6-2相连一端开设有第六方孔，第六方孔内安装第三面阵ccd6-6，第三面阵ccd6-6的镜头伸至第三加载板6-2中间的第五方孔，靠近第三高强度透明板6-1，第三面阵ccd6-6的第三数据线6-7从第三加载轴6-3的内部穿出；第三加载轴6-3的另一端与第三液压缸6-4的活塞相连；第三液压缸6-4固定在第三液压缸固定板6-5上，并通过螺丝固定在压力室筒8外部。

y方向第二加载系统7由第四高强度透明板7-1、第四加载板7-2、第四加载轴7-3、第四液压缸7-4、第四液压缸固定板7-5、第四面阵ccd7-6组成；第四高强度透明板7-1由高纯氧化铝玻璃加工而成，其一面镶嵌在第四加载板7-2开设的槽内，另一面与岩样14第四面接触；第四加载板7-2中间开设有第七方孔；第四加载板7-2的另一端与第四加载轴7-3相连；第四加载轴7-3与第四加载板7-2相连一端开设有第八方孔，第八方孔内安装第四面阵ccd7-6，第四面阵ccd7-6的镜头伸至第四加载板7-2中间的第七方孔，靠近第四高强度透明板7-1，第四面阵ccd7-6的第四数据线7-7从第四加载轴7-3的内部穿出；第四加载轴7-3的另一端与第四液压缸7-4的活塞相连；第四液压缸7-4固定在第四液压缸固定板7-5上，并通过螺丝固定在压力室筒8外部。

下面说明干湿循环真三轴试验系统的工作过程：

①将岩样14放置在下压垫13上，将上压垫12放于岩样14上端，将压力室筒8安装在底座1上，安装固定瓦2，套上卡箍3并锁紧；

②打开第一面阵ccd4-6、第二面阵ccd5-6、第三面阵ccd6-6、第四面阵ccd7-6；

③打开x方向第一加载系统4、x方向第二加载系统5、y方向第一加载系统6、y方向第二加载系统7，施加压力至预定值；

④施加轴压，直至岩样破坏；

⑤试验结束，关闭电源，清理仪器。