一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統技術方案

本發明專利技術公開了一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統，包括：待測試的巖樣、兩個下壓緊盤、與所述下壓緊盤貼合的兩個上壓緊盤，上壓緊盤上設有圓柱型凹槽,下壓緊盤上設有圓筒型凸臺并設有貫穿下壓緊盤的倒圓錐孔；壓緊錐，壓緊錐包括圓柱型平臺和圓錐體，壓緊錐上設有貫穿的圓柱細孔，圓柱型平臺套接在圓柱型凹槽內，圓錐體套接在倒圓錐孔內；被壓緊在圓錐體與倒圓錐孔間并通過巖樣中心內壓通孔的內壓橡膠管，還包括軸壓加載系統、圍壓加載系統和內壓加載系統。本發明專利技術能夠實現內壓系統獨立自密封、巖樣與液壓介質相互隔離、內壓系統獨立精細化加卸載，并可實現常規三軸和真三軸兩種應力邊界的不同應力邊界下非均勻應力場室內再現。

An indoor reconstruction system of heterogeneous stress field under different stress boundaries

Uniform stress field indoor reproduction system, including non disclosed different stress boundary conditions: test samples, two under the pressing disc, and the lower pressing plate attached to the pressing plate two, the pressure on the disk is provided with a cylindrical groove, a lower pressing plate is provided with a cylindrical convex Taiwan is through the reverse conical hole under the pressing plate; pressing cone, cone compression comprises a cylinder type platform and cone cylindrical pores are arranged on the clamping cone penetration, cylindrical platform is sheathed in the cylindrical groove, the cone is sheathed on the taper hole; is pressed on a cone and inverted cone holes and through in the center of rock pressure via the internal pressure rubber tube, including axial loading system, pressure loading system and loading system. The invention can realize the internal pressure self sealing system independent, isolated, and rock hydraulic medium pressure system independent of fine loading and unloading, and can realize the conventional three axis and three axis are two kinds of stress boundary should be uniform stress field under non stress boundary representation of indoor.

【技術實現步驟摘要】
一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統
本專利技術涉及一種巖石力學特性室內試驗系統，具體是涉及一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統。
技術介紹
地下工程開挖導致原巖一個方向或者多個方向上的應力卸除，打破了原巖初始應力平衡狀態，進而使工程巖體處于非均勻的二次應力場內和經歷復雜多樣的應力路徑，這一變化過程易引起地下工程巖體破裂及災害發生，尤其是巖爆、擠壓大變形、分區破裂、板裂等非常規破裂及災害現象。研究表明地下開挖硐室周邊的二次應力場是非均勻的，且普遍存在。因此通過室內試驗物理模擬地下硐室開挖前后所處的復雜應力環境及變化過程，開展由可控復雜邊界應力再造的非均勻二次應力場下巖石變形、強度、破裂等力學特性研究，是揭示工程災害致災機理以及提出合理支護等防控技術措施的前提條件。針對地下工程巖體處于復雜的三向壓應力狀態的特點，巖石常規或真三軸試驗系統常被用于研究復雜應力環境下巖石力學特性。利用該系統雖然一定程度上實現了三維應力環境下巖石力學特性的初步研究，但均未考慮非均勻應力場的影響。目前，一些研究人員基于常規三軸的加載模式，利用含孔洞巖石進行多軸壓縮實驗從而物理模擬巷道的受力情況，開展不均勻應力場下的巖石力學特性研究。該方法采用空心圓筒巖樣，對圓筒巖樣兩端施加軸壓，外壁施加圍壓，內壁施加內壓，整個試樣處于一種軸對稱應力狀態，圓筒壁內不同半徑圓周上的應力狀態不同，從而構建具有徑向應力梯度的不均勻應力場。然而，目前已有的圓筒巖樣多軸壓縮試驗方法存在一些不足：⑴向內壁施加內壓時，液壓油或者水等液壓介質直接與巖壁接觸，由于巖石內部含有眾多微小孔隙，具有一定的滲透性，高壓下液壓介質能夠通過孔隙滲透，一方面弱化巖石力學性能，另一方面導致內壓施加不高；⑵大多在圓筒巖樣端面進行密封，密封效果受加載過程影響大，在巖樣塑性段或者鋒后段密封易失效，從而導致內壓和圍壓系統連通，難以實現梯度加載，并且如果內壓通過水施加時，一旦內壓和圍壓系統連通，就會使水混入液壓油中，造成液壓油品質的降低或者徹底報廢；⑶內壓系統往往是外接的液壓系統，達不到原來試驗系統施加軸壓和圍壓時所具有的加卸荷精度；⑷實際情況下，地下巖體應力邊界是復雜多樣的，有一些是常規三軸受力邊界，但絕大多數是真三軸受力邊界，然而目前常用的圓筒巖樣多軸壓縮試驗方法難以模擬實際的三軸應力邊界。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種能夠實現內壓系統和圍壓系統獨立自密封、巖樣與液壓介質相互隔離、內壓系統獨立精細化加卸載的室內試驗系統，以解決上述問題。為實現上述目的，本專利技術公開了一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統，包括：待測試的巖樣，所述巖樣上設置有內壓通孔；兩個下壓緊盤，所述下壓緊盤上設有圓筒型凸臺，所述圓筒型凸臺上設有貫穿所述圓筒型凸臺和所述下壓緊盤的倒圓錐孔，兩個所述下壓緊盤分別與所述巖樣兩端貼合；與所述下壓緊盤貼合的兩個上壓緊盤，所述上壓緊盤上設有圓柱型凹槽，所述圓柱型凹槽內設有圓柱通孔，所述圓柱型凹槽和圓柱通孔相互連通且在交接處形成有階梯面；壓緊錐，所述壓緊錐包括圓柱型平臺和圓錐體，所述壓緊錐上設有貫穿所述圓柱型平臺和圓錐體的圓柱細孔，所述圓錐體套接于所述倒圓錐孔內，所述圓柱型平臺與所述圓筒型凸臺貼合并一起套接在所述圓柱型凹槽內，所述圓柱型平臺與所述階梯面貼合；套接在所述倒圓錐孔和內壓通孔內的內壓橡膠管，所述內壓橡膠管兩端的內壁與所述圓錐體的外壁套接，所述內壓橡膠管兩端的外壁與所述倒圓錐孔的孔壁套接，所述內壓橡膠管通過所述圓柱細孔與所述圓柱通孔連通；作用在上壓緊盤上、對所述巖樣施加軸向力的軸壓加載系統；作用在巖樣上、對所述巖樣施加周向力的圍壓加載系統；以及通過所述圓柱通孔與所述內壓橡膠管連通且對所述內壓橡膠管施加內壓力的內壓加載系統。進一步的，所述壓緊錐和所述圓柱型凹槽之間設有密封件。進一步的，所述密封件為密封圈，所述圓柱型平臺位于與所述階梯面相對的面上設有環形槽，所述密封圈設置于所述密封槽內。進一步的，所述巖樣為回轉體或方形體結構。與現有技術相比，本專利技術的優點在于：(1)、本專利技術的整個安裝過程不需要進行螺栓連接和反復校正位置，也不需要穿線引導橡膠管，因此巖樣及內壓施加裝置一體化安裝過程方便、簡捷。(2)、本專利技術的內壓通過巖石常規三軸壓縮及滲流試驗平臺的孔隙水壓加載系統或者巖石真三軸壓縮試驗平臺外置的巖石孔內液壓加載系統施加，并借助軸壓加載系統施加的軸向壓力將上壓緊盤、密封圈、壓緊錐、內壓橡膠管的端部管壁和下壓緊盤牢牢壓緊，實現內壓系統獨立自密封，并且軸向壓力越大，密封性能越好，即能夠實現內壓系統獨立自密封。(3)、本專利技術在施加孔內液壓時，液壓介質和巖樣中心孔洞內壁由內壓橡膠管進行密封隔離；此外，壓緊錐上的密封圈和壓緊錐與下壓緊盤上倒圓錐孔間的內壓橡膠管端部管壁，在軸向壓力下將內壓加載系統中的液壓介質始終密封在內壓系統內，防止液壓介質滲漏；綜上所述，整個試驗過程中，巖樣與水或者液壓油這些液壓介質始終處于相互隔離狀態，避免了液壓介質對巖樣力學性能的影響，同時避免了液壓介質間的相互作用影響試驗正常進行或者造成液壓介質品質降低或者徹底報廢。(4)、本專利技術在試驗過程中內壓通過巖石常規三軸壓縮及滲流試驗平臺自帶的孔隙水壓加載系統或者巖石真三軸壓縮試驗平臺外置的巖石孔內液壓加載系統施加，內壓系統的液壓通過電液伺服系統進行控制，從而可實現孔內液壓的獨立精細化加卸載。(5)、本專利技術利用巖石常規三軸壓縮及滲流試驗平臺和其自帶的孔隙水壓加載系統，以及本專利技術提供的內壓施加裝置可實現空心圓筒巖樣常規三軸應力邊界下非均勻應力場的室內再現；利用巖石真三軸壓縮試驗平臺和外置的巖石孔內液壓加載系統，以及本專利技術提供的內壓施加裝置可實現圓孔立方巖樣真三軸應力邊界下非均勻應力場的室內再現。綜上所述，本專利技術能夠實現內壓系統獨立自密封、巖樣與液壓介質相互隔離、內壓系統獨立精細化加卸載，并可實現常規三軸和真三軸兩種應力邊界的不同應力邊界下非均勻應力場室內再現。下面將參照附圖，對本專利技術作進一步詳細的說明。附圖說明構成本申請的一部分的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。在附圖中：圖1為本專利技術優選實施例公開的不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統示意圖；圖2為本專利技術優選實施例公開的常規三軸應力邊界下空心圓筒巖樣受力示意圖；圖3為本專利技術優選實施例公開的真三軸應力邊界下圓孔立方巖樣受力示意圖；圖4為本專利技術優選實施例公開的上壓緊盤剖面示意圖；圖5為本專利技術優選實施例公開的下壓緊盤剖面示意圖；圖6為本專利技術優選實施例公開的壓緊錐剖面示意圖。圖例說明：1、上部自密封構件；2、下部自密封構件；3、上壓緊盤；4、圓柱通孔；5、圓柱型凹槽；6、下壓緊盤；7、倒圓錐孔；8、圓筒型凸臺；9、壓緊錐；10、圓柱細孔；11、圓柱型平臺；12、環形槽；13、密封圈；14、圓錐體；15、內壓橡膠管；16、巖樣；17、空心圓筒巖樣；18、圓孔立方巖樣；19、端面軸壓；20、外壁圍壓；21、水平X向圍壓；22、水平Y向圍壓；23、孔壁內壓。具體實施方式以下結合附圖對本專利技術的實施例進行詳細說明，但是本專利技術可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。本專利技術公開了一種不同應力邊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統，其特征在于，包括：待測試的巖樣，所述巖樣上設置有內壓通孔；兩個下壓緊盤，所述下壓緊盤上設有圓筒型凸臺，所述圓筒型凸臺上設有貫穿所述圓筒型凸臺和所述下壓緊盤的倒圓錐孔，兩個所述下壓緊盤分別與所述巖樣兩端貼合；與所述下壓緊盤貼合的兩個上壓緊盤，所述上壓緊盤上設有圓柱型凹槽，所述圓柱型凹槽內設有圓柱通孔，所述圓柱型凹槽和圓柱通孔相互連通且在交接處形成有階梯面；壓緊錐，所述壓緊錐包括圓柱型平臺和圓錐體，所述壓緊錐上設有貫穿所述圓柱型平臺和圓錐體的圓柱細孔，所述圓錐體套接于所述倒圓錐孔內，所述圓柱型平臺與所述圓筒型凸臺貼合并一起套接在所述圓柱型凹槽內，所述圓柱型平臺與所述階梯面貼合；套接在所述倒圓錐孔和內壓通孔內的內壓橡膠管，所述內壓橡膠管兩端的內壁與所述圓錐體的外壁套接，所述內壓橡膠管兩端的外壁與所述倒圓錐孔的孔壁套接，所述內壓橡膠管通過所述圓柱細孔與所述圓柱通孔連通；作用在上壓緊盤上、對所述巖樣施加軸向力的軸壓加載系統；作用在巖樣上、對所述巖樣施加周向力的圍壓加載系統；以及通過所述圓柱通孔與所述內壓橡膠管連通且對所述內壓橡膠管施加內壓力的內壓加載系統。...

【技術特征摘要】
1.一種不同應力邊界下非均勻應力場室內再現系統，其特征在于，包括：待測試的巖樣，所述巖樣上設置有內壓通孔；兩個下壓緊盤，所述下壓緊盤上設有圓筒型凸臺，所述圓筒型凸臺上設有貫穿所述圓筒型凸臺和所述下壓緊盤的倒圓錐孔，兩個所述下壓緊盤分別與所述巖樣兩端貼合；與所述下壓緊盤貼合的兩個上壓緊盤，所述上壓緊盤上設有圓柱型凹槽，所述圓柱型凹槽內設有圓柱通孔，所述圓柱型凹槽和圓柱通孔相互連通且在交接處形成有階梯面；壓緊錐，所述壓緊錐包括圓柱型平臺和圓錐體，所述壓緊錐上設有貫穿所述圓柱型平臺和圓錐體的圓柱細孔，所述圓錐體套接于所述倒圓錐孔內，所述圓柱型平臺與所述圓筒型凸臺貼合并一起套接在所述圓柱型凹槽內，所述圓柱型平臺與所述階梯面貼合；套接在所述倒圓錐孔和內壓通孔內的內壓橡膠管，所述內壓橡膠管兩端的內壁與所述圓錐體...

【專利技術屬性】
技術研發人員：杜坤，王少鋒，蘇睿，李夕兵，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43