深部多场耦合环境下岩石动态响应测试装置及方法

本发明涉及多场耦合作用下的岩石动力学研究，特别是一种深部多场耦合环境下岩石动态响应测试装置及方法。

背景技术：

1、随着地球浅部资源开采的日益枯竭，深部资源开发已成趋势。然而，深部岩体的赋存环境相较于浅部有着显著的高地应力、高渗透压、高地温及强烈构造运动等特征，在爆破、tbm开挖等动载作用下的力学响应特征、灾变机制更为复杂。目前深部岩石工程建设实践超前于基础理论研究，关于深部岩石在复杂多场耦合环境下的动态力学行为不甚清楚，相关项目施工与支护措施缺少理论支撑，致使工程事故频发。因此，认识和掌握岩石在深部多场耦合环境下的动态力学响应特征是实现国家深地战略目标必须解决的一项重要课题。

2、现有关于岩石在多场耦合作用下的变形与力学行为研究多集中于静态加载，少有关于动态加载的研究，这主要受限于试验设备。有关装置如专利cn 112858024a公开的用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置及方法，并未考虑温度场的影响。专利cn112362504 a公开的用于岩土体动态冲击压缩的热-水-力耦合三轴实验装置，其中测试岩样整体浸润于经加热的带压水中，未在岩样内部形成稳定的渗流通道，无法贴近深部岩石原位赋存环境。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种深部多场耦合环境下岩石动态响应测试装置及方法，本发明可模拟深部工程岩体所处的高地应力、高渗透水压、高温与强扰动荷载环境，实现深部多场耦合环境下岩石的动态响应测试。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种深部多场耦合环境下岩石动态响应测试装置，包括工作平台和安装于所述工作平台上的多场耦合环境施加系统以及霍普金森压杆系统；所述多场耦合环境施加系统用于模拟深部工程岩体的高地应力、高温及高渗透水压环境，所述霍普金森压杆系统用于对处于所述多场耦合环境施加系统下的岩样施加动力扰动。

3、作为本发明的进一步改进，所述霍普金森压杆系统包括撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆、拉杆和轴压模块，所述轴压模块包括轴向油压室、挡板和拉杆；所述撞击杆安装于发射管内部，并与入射杆保持平齐，所述发射管与气压室固定连接，气压室下部设有气压室支撑底座；所述入射杆、透射杆和吸收杆通过竖向支撑块固定于工作平台上，入射杆与透射杆表面均贴有应变片；所述入射杆在靠近撞击杆一侧的端面上设有整形片；所述吸收杆的一端与透射杆端面相接，另一端与含缓冲材料的阻尼室相连；所述透射杆的一侧设有所述轴向油压室，所述挡板通过支撑底座固定于工作平台上，挡板的四个角点位置设有圆形通孔，相应的圆形通孔间穿有由螺栓固定的所述拉杆，所述挡板的中部设有供入射杆与透射杆穿过的中通孔。

4、作为本发明的进一步改进，所述多场耦合环境施加系统安装于入射杆与透射杆之间，下端通过滑动支撑座固定于工作平台上；所述多场耦合环境施加系统包括渗透水压加载模块、围压加载模块与温度场模块。

5、作为本发明的进一步改进，所述渗透水压加载模块包括一对l型的渗流法兰盘、导流杆和孔压垫块，所述渗流法兰盘中部设有轴向贯通孔，所述导流杆与孔压垫块依次安装于轴向贯通孔内，所述入射杆及透射杆插入轴向贯通孔与多场耦合环境施加系统滑动相接。

6、作为本发明的进一步改进，所述渗流法兰盘侧壁分别设有注水孔和出水孔，所述注水孔和出水孔外部依次连接有孔压探头、注水阀或出水阀、调压阀及排气阀；所述调压阀依次与水压表、电动水压泵相连，并由渗透水压控制仪控制施加指定渗透水压；所述出水孔一侧的水压控制模块中，水压泵连接有集水罐，用于收集试验所排废水；所述排气阀依次与气压表和真空泵相连，用于注水前对渗透水压模块进行脱气处理。

7、作为本发明的进一步改进，所述导流杆的表面设有环向导流槽与轴向导流槽，环向导流槽与注水孔和出水孔位置保持竖向对齐，在环向导流槽的一侧设有第一密封圈。

8、作为本发明的进一步改进，所述孔压垫块在靠近导流杆的端面上设有纵横交错的环形引流槽与直切槽，所述环形引流槽与直切槽底面设有均匀分布且贯通垫块的轴向微通孔，轴向微通孔引导带压水均匀渗入测试岩样内；所述岩样安装于孔压垫块之间，孔压垫块上设有第二密封圈；岩样与孔压垫块通过耐高温热缩管进行包裹，所述热缩管外套有一层柔性保护套，柔性保护套与渗流法兰盘端面通过镶嵌式连接，并在镶嵌界面设有第三密封圈。

9、作为本发明的进一步改进，所述围压加载模块包括围压筒，围压筒通过嵌入左右渗流法兰盘端面预设的环形凹槽以形成围压腔；渗流法兰盘与围压筒端面设有沿环向均匀分布的螺栓孔，所述围压筒上设有注油孔、排气孔与油压表，所述注油孔通过油管依次连接油压阀与油压泵。

10、作为本发明的进一步改进，所述温度场模块包括热电偶测温探头、履带式加热层、保温层与自动式温度控制仪；所述热电偶测温探头安装于l型的渗流法兰盘上端面的构造孔中；所述履带式加热层呈包裹式覆于围压筒表面，在履带式加热层外部设有保温层，所述加热层与热电偶测温探头均由自动式温度控制仪控制，自动式温度控制仪可实时显示加热温度与测温探头的监测温度，并根据监测温度反馈调节加热温度。

11、本发明还提供一种深部多场耦合环境下岩石动态响应测试方法，采用如上所述的深部多场耦合环境下岩石动态响应测试装置实现，所述的方法包括以下步骤：

12、s1、将多场耦合环境施加系统与霍普金森压杆系统组装成一整体并安装于工作平台上；

13、s2、启动霍普金森压杆系统的轴压加载与围压加载模块，施加预定轴压与围压；

14、s3、打开排气阀，通过真空泵对渗透水压加载模块进行脱气处理；脱气完毕后关闭真空泵及排气阀；

15、s4、打开调压阀与电动水压泵，由渗透水压控制仪控制电动水压泵与调压阀对岩样施加指定渗透水压；

16、s5、启动自动式温度控制仪，控制履带式加热层加热岩样；加热过程中根据测温探头的监测温度实时反馈调节加热温度与加热速率；

17、s6、启动霍普金森压杆的冲击装置，开启动态加载测试；

18、s7、测试完成后，依次关闭温度场模块、渗透水压加载模块、围压模块及轴压模块，取出破坏岩样；

19、s8、对应变片记录的应力波形进行修正，根据修正的应力波形计算分析岩样的动态力学响应特征。

20、作为本发明的进一步改进，在步骤s8中，对应变片记录的应力波形进行修正具体如下：

21、根据连续性条件与牛顿第三定律，在入射杆与导流杆接触界面两侧质点的速度和应力满足以下条件：

22、

23、式中，vi、vr、vt分别为杆中入射波、反射波及透射波质点速度大小，σi、σr、σt分别为入射波、反射波与透射波强度；a1为入射杆的截面面积，a2为导流杆截面面积；根据弹性波波阵面上的守恒关系，有：

24、dσ＝±(ρc)dv

25、式中的正负号分别代表左行波与右行波，(ρc)表示材料的波阻抗；

26、根据波阵面守恒关系将连续性条件表示为：

27、

28、令面积比m＝a1/a2、波阻抗比β＝(ρc)1/(ρc)2，结合上述各式可解得：

29、

30、上式中参数2m/(1+mβ)表示由应力波由入射杆透射至导流杆的透射系数；同理可得应力波由导流杆透射至入射杆或透射杆的透射系数为2β/(1+mβ)；

31、此外，渗流端的波阻抗(ρc)2会受温度和渗透水压的影响，表示为：

32、(ρc)2＝f(p,t)(ρ0c0)2

33、f(p,t)表示渗流端波阻抗随温度和渗透水压的变化系数；(ρ0c0)2表示常温常压下渗流端的波阻抗值；

34、从而可得修正后的入射波、反射波与透射波信号为：

35、

36、式中，ωi、ωr、ωt分别为应变片监测的应力波信号，ω’i、ω’r、分别为经修正后表示岩样端面真实应力波强度的波形信号。

37、作为本发明的进一步改进，在步骤s8中，根据修正的应力波形计算分析岩样的动态力学响应特征具体如下：

38、根据修正后的应力波形，结合一维弹性波传播理论，通过以下公式获取岩样动态加载过程中的动态应力σs、动态应变εs与应变率值：

39、

40、式中，e为压杆的弹性模量，a与as分别为压杆与岩样的横截面积，c0与l0分别为压杆的弹性波波速及岩样的长度，εi’、εr’、εt’分别为经上述波形修正方法修正后的应变脉冲信号。

41、本发明的有益效果是：

42、1、本发明的深部多场耦合环境下岩石动态响应测试装置及方法，可实现不同地应力、渗透水压和温度条件下岩石的动态加载测试。此外，考虑了应力波波形修正以获得准确试验数据，测试结果可为深部岩石工程设计和参数优化提供参考；

43、2、本发明实现了多场耦合环境施加系统与霍普金森压杆系统的一体化，为室内研究岩石在深部多场耦合作用下的动态力学响应特征提供了装置和方法。渗流法兰盘结合导流杆与孔压垫块的渗透水压加载模块设计，可于试验中高效、稳定地施加目标渗透水压。自反馈式加热模块可确保岩样目标温度场的准确施加。围压模块与霍普金森压杆系统可对岩样有效施加围压与动态冲击荷载。该装置可实现深部工程岩体在高地应力、高渗透水压、高温及强冲击的多场耦合环境下的力学行为分析，解决了现有动力学设备难以进行多场耦合环境下岩石动力学试验的难题。此外，本发明考虑到多场耦合环境施加系统对应力波的影响并进行了修正，使得试验结果分析更具准确性。