[发明专利]一种岩石变形破坏过程的实验装置及其实验方法

说明书

本发明公开了一种岩石变形破坏过程的实验装置及其实验方法，由温度‑应力加载系统、人工主动降温系统和岩石变形破坏监测系统组成。温度‑应力加载系统用于对含通孔的岩样施加水平荷载和竖直荷载模拟水平地应力和铅直地应力并进行岩样加热。人工主动降温系统将冷却水通过水循环装置和水管送入岩样的通孔入口，并将与岩样产生热交换后的水通过水管送回水冷系统。岩石变形破坏监测系统通过贴在岩样表面的应变片收集径向和环向应变数据，并通过声发射传感器收集声发射数据。本发明的优点是：实现研究人工主动降温对高温高压隧洞围岩变形破坏过程和长期稳定性的影响，对我国高原地区和地球深部基础设施的建设和运营安全具有重要意义。

技术领域

本发明涉及水电工程施工安全技术领域，特别涉及一种温度变化作用下岩石变形破坏过程的实验装置及其实验方法。

背景技术

随着地理位置便利的山区水利水电工程趋于饱和，我国未来水利水电工程的建设中心逐渐向高原地区转移。位于高原地区的水电工程地下厂房通常面临高地应力和高地温的问题，例如，新疆布仑口-公格尔水电站引水洞开挖面实测最高温度为105℃(侯代平,刘乃飞,余春海,等.新疆布仑口高温引水隧洞几个设计与施工问题探讨[J].岩石力学与工程学报,2013,32(2,s1):3396-3403)。高地温将造成工作人员和机械设备效率降低、开挖爆破作业难以正常实施、现场监测仪器不能正常工作等情况(袁培国.超高地温条件下引水隧洞施工关键技术探讨[J].水利水电技术,2014,45(4):101-106)，严重影响施工效率和质量。

对于高地温问题，工程上一般采用通风或喷雾的方式来降低围岩温度。由于热胀冷缩效应，地应力作用下的隧洞围岩在降温过程中必然产生应力调整，然而目前尚没有任何一种实验方法能够真实反映降温过程对地应力作用下的隧洞围岩稳定性的影响。

现有技术一：李天斌等(李天斌,潘皇宋,陈国庆,等.热-力作用下隧道岩爆温度效应的物理模型实验[J].岩石力学与工程学报,2018,37(2):261-273.)开发了一套物理模型实验装置研究温度和地应力耦合作用下硐室围岩开挖卸荷造成的变形破坏过程，但该装置未考虑人工主动降温对硐室围岩稳定性的影响。

现有技术二：以Xu et al.(Xu Xiaoli,Gao Feng,Shen Xiaoming,XieHeping.Mechanical characteristics and microcosmic mechanisms of granite undertemperature loads[J].J.China Univ.MiningTechnol.,2008,18:413-417.)为代表的研究[方案II]通过先加热、后降温的方式利用三轴实验探讨了温度变化对岩石物理力学性质的影响，但这些研究均以完整岩块为研究对象，不能揭示降温过程对地应力作用下的隧洞围岩变形破坏过程的影响。

值得注意的是，虽然本领域的技术人员有动机在现有技术一的基础上增加冷却系统来研究降温对温度-地应力耦合作用下硐室围岩卸荷变形的影响，但降温造成硐室围岩应力状态调整、进而改变洞室围岩蠕变特性、最终影响洞室围岩长期稳定性不属于本领域技术人员的固有知识，因此现有实验手段和认识难以揭示降温过程对地应力作用下的隧洞围岩长期稳定性的影响。另一方面，由于三轴实验装置对样品尺寸的限制，因此现有技术二难以通过引入降温过程来研究温度变化对不同初始应力作用下含孔洞岩石试件变形破坏过程的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种岩石变形破坏过程的实验装置及其实验方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种岩石变形破坏过程的实验装置，由温度-应力加载系统、人工主动降温系统和岩石变形破坏监测系统组成。

所述温度-应力加载系统包括：加载框架1、围压加载装置2、加载垫板3、岩石试件4、轴向约束垫板6、加热带7、以及轴向约束螺栓8和温度计；