[发明专利]一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置和方法

说明书

本发明一种贯通裂隙的剪切‑低温耦合实验装置和方法，该装置包括DIC图像、加载驱动电机、采集仪、基座和计算机；基座上表面固定下部温控平板，下部温控平板连接实时温控箱，在实时温控箱上固定放置裂隙试件，在裂隙试件的上表面放置上透明钢化玻璃，上透明钢化玻璃和下部温控平板通过固定螺栓固定在一起；裂隙试件的竖直方向为竖向固定端，在裂隙试件的水平方向的左右两个侧面上均固定有刚性支撑，左右两个刚性支撑相对裂隙试件的中心上下交错布置；在每个加载力上均设置压力调节阀，通过压力调节阀控制加载力；所述裂隙试件为3D打印试件。该装置采用光敏树脂材料模拟实际岩石非直裂隙的现实情况，能够提高裂隙在应力作用下的断裂破坏认识。

技术领域

本发明涉及岩石力学、断裂力学技术领域，具体涉及一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置和方法。

背景技术

裂隙岩体是经历长期地质构造作用形成的，由基质岩块和结构面组成并具有一定的结构特征，赋存于一定物理地址环境(地应力、地下水及低温等)中的不连续、多相。各向异性的地质体。由于构造应力及各种开挖扰动，裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔洞及节理裂隙等宏观不连续结构面，并往往伴随新裂纹从原生裂隙尖端处萌生、扩展甚至与相邻裂隙贯通，最后导致整个岩体的破坏。裂隙扩展所导致的岩体强度降低不仅影响岩体稳定，也能导致许多工程危害和自然灾害。

近年来，随着隧道、水利水电工程及国家战略防护工程等重大基础设施工程的大力建设以及地下水封油库、地热资源开发、二氧化碳封存等大规模地质工程快速发展，这些工程均普遍涉及复杂地质环境及生态环境下条件下岩体剪切-温度耦合描述、剪切特性评估，温度对裂隙扩展影响等关键技术问题。目前，蒋宇静等(蒋宇静,王刚,李博,等.岩石节理剪切渗流耦合试验及分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11):2253-2259.)采用自行研制开发的试验设备(岩石节理单剪切-渗流试验机)，在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下，对不同接触状态下的岩石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验，研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况。赵阳升等(赵阳升,万志军,张渊,等.20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制[J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):1-8)自行研制的20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机，该试验机主要由主机加载系统、温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成。但关于裂隙岩体中低温-剪切耦合设备及试验还没有相关介绍。而深入开展裂隙岩体剪切-地温耦合特性研究，有助于加深对裂隙岩体破坏模式及基本规律的认识，从耦合的角度加深对裂隙岩体变形破坏机理和岩体稳定性影响因素的认识。因此，开展裂隙岩体应力场与温度场的耦合分析，特别是裂隙岩体断裂力学的理论计算、实验、数值模拟的研究具有深远的现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种贯通裂隙的剪切-低温耦合实验装置和方法。该装置采用3D打印试件模拟实际岩石非直裂隙的现实情况，适用于小尺度的贯通裂隙试件的测试，能够提高裂隙在应力作用下的断裂破坏认识。本发明方法针对3D打印技术制备透明的裂隙试件，将剪切和低温耦合作用相结合，得到不同温度下，裂隙试件的破坏模式，观察得到具有规律性的宏观破坏特性。该方法简单易行、成本低、能进行小尺度范围的自动化剪切-低温温控实验，并能实现裂隙扩展的可视化，能够准确测量、评价3D打印材料的在剪切和低温耦合作用下的宏观裂隙扩展情况，这为内置裂隙的剪切破坏特性及温度场的可视化认识提供有价值的帮助。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：