[发明专利]一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置

说明书

本发明提供一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置，包括：设备框架，在设备框架内设置有试样约束装置、用于给试样约束装置分别在X轴、Y轴、Z轴三个方向施加压力的加载装置、用于对所述X轴、Y轴、Z轴三个方向施加的压力进行支撑的被动支撑装置、以及用于对试样约束装置内的试样进行爆破的爆破装置。本装置能够以不破坏岩石试样的方式将围压升高至足够大，从而实现岩石行为从脆性向延性的转换，进而使得围压对岩石爆炸荷载响应的影响从量变产生质变，最终获得高应力软岩在不同围压量值和各向异性条件下的爆炸力学行为响应。

技术领域

本发明涉及部岩石力学测试技术领域，尤其涉及一种三轴围压下高应力软岩的爆炸加载试验装置。

背景技术

随着世界人口的增长和经济的发展，地球浅部资源逐渐枯竭，人类对资源的开发利用不断转向地球深部。根据工程荷载作用下的力学响应，可将岩石介质划分为在达到破坏状态之前发生显著性变形的延性材料和不产生显著变形的脆性材料。在地壳浅部，岩石的破坏通常表现出脆性硬岩的特征；然而，随着深度增加，原本在浅部表现出脆性行为的硬岩，在深部升高的地应力作用下可能表现出大变形、难支护的延性软岩特征，这种岩石被称为“高应力软岩”。

作为开发利用深部资源的重要工程手段，岩石爆破技术广泛应用于水电、交通、采矿等领域的地下巷道和厂房开挖。然而，目前国内外针对深部岩体爆炸力学响应的测试技术大多仅关注于脆性硬岩，而针对深部高应力软岩爆炸力学响应的测试技术却极为匮乏。为优化岩石爆炸破碎效果、提高炸药能量有效利用率、降低炸药单耗和工程成本，应在通过爆破产生长大拉裂隙的同时控制粉碎区的范围(Donzéet al.,1997；冷振东等,2015)。然而，脆性岩石和延性岩石具有不同的屈服破坏形式和机理：岩石的脆性破坏一般伴随着相对较少的宏观裂隙发展；而岩石的延性破坏则伴随着大量微观裂隙的形成，进而产生相对更大的粉碎区，造成更大的爆炸能量损耗，不利于长大拉裂隙的发展(KutterFairhurst,1971；Hagan,1979)。因此，测试研究具有延性特征的高应力软岩在不同围压作用下的爆炸荷载响应，对于适应和利用原岩应力提高深部爆炸破岩效果和效率具有至关重要的理论和工程意义。

目前现有技术测试研究岩石在不同围压作用下爆炸荷载响应的装置为一种双轴围压加载装置和中心孔爆炸加载装置的组合，该装置测试岩石在双轴围压作用下、中心孔爆破导致的岩石粉碎区大小和裂隙发展规律，而该双轴围压加载装置具有以下缺陷：

1.围压加载能力小：现有的液压加载装置目前可施加的最大作用力仅为500kN，对常规尺寸岩石试样仅能施加最大16MPa的围压(He et al.,2018)。已有的试验研究表明，火成岩等硬岩的脆性-延性转换临界压力一般为1000MPa数量级(Logan,1987)，而砂岩等较软的岩石的脆性-延性转换临界压力也在25MPa以上(WongBaud,2012)。因此，这样的围压加载能力几乎不能使岩石出现脆性-延性转换，即所施加围压对岩石爆炸荷载响应的影响也仅是量变而未产生质变，所能得到的试验结果揭示的仍属于深部脆性硬岩爆炸力学响应的范畴，而不能反映深部高应力软岩的爆炸力学响应。

2.围压加载方式易破坏岩石试样：现有的平面应力状态的双轴围压加载方式将在岩石试样中产生剪应力，这种围压加载方式在应力空间中对应加载路径的斜率大于常规岩石30°-60°内摩擦角对应的剪切屈服面斜率。因此，即使围压加载能力大幅提高，在其双轴围压加载作用下，岩石可能将在达到脆性-延性转换临界压力之前就产生了剪切破坏，而无法再进行后续的深部高应力软岩的爆炸力学响应测试。