[发明专利]一种高压真三轴硬岩恒温时效破裂试验装置及方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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；