[发明专利]可获取脆岩峰后曲线和残留强度的真三轴实验装置及方法

说明书

一种可获取脆岩峰后曲线和残留强度的真三轴实验装置及方法，装置的固定式高刚度反力框架中部设有刚性加载框架，大主应力加载作动器通过刚性加载框架间接对压力室内的岩石试样进行加载。方法为：制备和密封岩石试样，安装位移传感器；安装试样，以位移控制方式精确对中夹紧试样，消除间隙；微调位移传感器至量程范围；封闭压力室，充入液压油；同步施加最小、中间及最大主应力，且由第一和第二最大主应力加载作动器对刚性加载框架施加轴向载荷，通过刚性加载框架微变形对试样施加最大主应力，同时测量试样变形；加载试样进入峰后变形阶段并破坏；继续加载试样至残留强度；依次卸载最大、中间及最小主应力，拆除破坏后的岩石试样，保存实验数据。

技术领域

本发明属于岩石力学实验技术领域，特别是涉及一种可获取脆岩峰后曲线和残留强度的真三轴实验装置及方法。

背景技术

深部岩体是地下采矿、水电硐室开挖、石油天然气、非常规能源开采等工程对象的天然载体，工程开挖使得岩体的初始应力状态发生变化，而初始应力状态处于真三轴应力状态(σ₁σ₂σ₃)，这种状态变化具体表现为最小主应力σ₃减小且最大主应力σ₁增大，当岩石中的应力达到岩石的强度时，岩石发生破坏并进入峰后变形阶段，并且岩石的峰值强度和破坏形式还是受到中间主应力σ₂的影响，而岩石的峰后变形特征直接影响到围岩破坏领域的大小和破坏的形态，这也是岩石力学研究中的一个难点。

目前，现有的岩石力学实验设备，基本上都是基于20世纪60年代开发出来的伺服控制系统进行加载或卸载，虽然也能够得到岩石的峰后曲线，但峰后曲线的形态取决于岩石的脆性。对于非脆性岩石来说，可以采用轴向压缩变形控制，并可获得稳定破坏特征的峰后曲线。对于脆性硬岩来说，如果也采用轴向压缩变形控制，使用现有的实验设备不可能获得稳定的峰后曲线，因为脆性岩石的破坏是非稳定的。以往脆性岩石的真三轴力学实验通常采用侧向(最小主应力方向)膨胀变形控制，在保持变形速率一定的情况下，当变形进入峰后阶段时，在最小主应力较小、中间主应力较大的情况下加载系统必须卸载才能得到稳定的峰后曲线。

在20世纪60年代到80年代期间，国际上的相关学者研发过多种刚性岩石力学实验设备；但是，这些设备只能进行单轴和常规三轴压缩实验，有的设备没有足够的应变量来达到岩石的残留强度，有的设备无法全过程都采用轴向压缩变形控制加载来获得稳定的峰后曲线。针对现有的真三轴岩石力学实验设备，采用的加载方式都是柔性加载，在最小主应力较小、中间主应力较大的情况下想要得到脆性硬岩的稳定的峰后应力-应变曲线，也必须采用侧向膨胀变形控制。

因此，为了更好地研究脆性岩石在真三轴压缩条件下采用不同加载控制方式得到的全应力-应变曲线、脆性和残留强度，亟需设计一种具有超强刚度的真三轴实验设备，采用最大主应力方向位移控制加载，以避免实验设备中贮存的弹性势能释放对脆性岩石峰后变形产生的影响，同时具有足够大的变形量达到脆性岩石的残留强度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可获取脆岩峰后曲线和残留强度的真三轴实验装置及方法，该实验装置拥有超强刚度，可以避免实验设备中贮存的弹性势能释放对脆性岩石峰后变形产生的影响，同时具有足够大的变形量达到脆性岩石的残留强度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可获取脆岩峰后曲线和残留强度的真三轴实验装置，包括基座、固定式高刚度反力框架、移动式高刚度反力框架、刚性加载框架、第一最大主应力加载作动器、第二最大主应力加载作动器、中间主应力加载作动器及压力室；所述固定式高刚度反力框架固定安装在基座上；所述移动式高刚度反力框架滑动安装在基座上；所述刚性加载框架位于固定式高刚度反力框架内部；所述第一最大主应力加载作动器和第二最大主应力加载作动器均安装在固定式高刚度反力框架上；所述中间主应力加载作动器安装在移动式高刚度反力框架上；所述压力室位于固定式高刚度反力框架中部，且压力室固定安装在在基座上。