[发明专利]自平衡岩石全端面真三轴压缩试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及地学和岩体工程技术领域，更具体涉及一种自平衡岩石全端面 真三轴压缩试验装置，主要是用于研究在复杂的组合应力状态下岩石的基本力 学特性以及可溶岩的应力-溶解耦合特性，试验结果可应用于地学和岩体工程研 究及岩石力学学科。

背景技术

在天然条件下，地壳和工程岩体是在复杂的组合应力状态下产生变形和破 坏的。岩体是一种复杂的地质体，处于复杂的三维应力场中，岩体破坏通常是 由于其所赋存的应力状态发生改变引起的。常规三轴岩石力学试验一般都是对 岩石施加一定的围压，然后保持围压不变(即σ₂＝σ₃)增加最大主应力σ₁使岩 石发生破坏，这种试验方法只能研究轴对称的应力状态，不适用于中间主应力 对岩体强度和变形的影响。真三轴试验可以解决常规三轴试验不能反映的复杂 应力路径的演化问题，通过主应力σ₁，σ₂，σ₃的独立变化，可以体现岩体实 际受荷情况。

岩石(特别是可溶于水的岩石，如岩盐、石膏、石灰岩等)的应力、溶解 耦合过程研究是国际岩石力学领域最前沿的课题之一，是核废料地下处置、地 下能源储存、地下二氧化碳储存、地热开发、石油开采、坝基、边坡、硐室等 众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一，具有十分重要的研究意义。 在岩石工程的安全性的诸多影响因素中，水是最活跃的一个因素，对于岩石， 特别是可溶于水的岩石，其力学性质和溶解特性相互作用，相互影响：一方面， 由于在一定的应力和应力变化作用下岩石发生塑性变形，从而产生不同尺度的 裂隙，当岩石与水溶液接触时，由于裂隙的不断产生和扩展，岩石的溶蚀过程 发生了变化；另一方面，由于水溶液对岩石裂隙产生溶蚀作用，从而进一步使 裂隙开度增大，对岩石的力学性质产生影响。

在岩石(特别是可溶于水的岩石，如岩盐)的溶蚀机理方面，从二十世纪 六十年代开始，R.W.Durie、F.W.Jessen、Saberian等大批学者进行了大量试验 研究，对岩盐表面光滑程度、溶蚀面倾角、环境温度、流速及岩石组成等因素 对溶蚀速度的影响进行了分析。吴刚、杨俊六、赵晓华、刘成伦、黄德芳等从 二十世纪八十年代开始进行了岩盐溶蚀模拟试验研究。但岩石(特别是可溶于 水的岩石，如岩盐)的力学性质和溶解特性是相互作用，相互影响，目前对于 岩石(特别是可溶于水的岩石，如岩盐)的应力-溶解耦合机理方面的研究还不 够完善。

目前国内外已研发的岩石力学试验设备，主要存在以下几个方面的问题：

1、未真实的反应岩体的受荷状态

岩石常规三轴压缩装置虽然采用了油(或水溶液)施加围压，但无法真实 的反应岩体的实际受荷状态；岩石真三轴压缩试验装置采用了三向应力施加方 式，但在对岩石试件施加全端面应力方面存在着不足：

(1)采用方形压板对岩石试件施加应力，试件未被施加全端面应力。采 用方形压板对岩石试件进行压缩试验时，为了避免岩石试件变形后不同方向的 方形压板互相影响，在不同方向的方形压板之间预留了一定的空间，这一部分 空间决定了该试验仪器的变形测量量程，但由于这部分空间的存在，造成岩石 试件的受力状态与实际不符，不是全端面受力。

(2)采用斜断面的压板对岩石试件施加应力，不同方向的斜断面压板之 间存在着空间，但是由于空间较小，可近似地认为岩石试件被施加了全端面应 力。压板采用斜断面的方式可以扩大岩石试件的变形范围，但是由于不同方向 的斜断面压板之间的空间较小，使得该试验装置的测量范围还是较小，变形量 程小，不适于变形量大的岩石，限制了该试验装置的适用范围。

(3)对岩石试件施加了全端面的应力，但是由于不同方向的压板之间的 相互影响，造成岩石试件与压板之间的摩擦力大，这与岩石的实际受力状态不 符。

2、试验仪器在结构上不具备“自平衡”功能，即试验装置不能够从本身 结构设计上实现加载力和反力相平衡，这就造成试验仪器必须使用巨大的承力 柱去承担由于加载而产生的反力，试验装置的尺寸大，仪器笨重，应力的施加 方式较单一，操作难度较高，人力进行试验操作比较困难，安全性较差。

3、某些岩石三轴压缩试验装置在设计上限制了该装置的功能，不能较好 的进行试验仪器功能的扩展，特别是不能进行岩石试件的应力-溶解耦合试验。