CN103994716B - 一种分布式岩石变形测量方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式岩石变形测量方法，属于岩石变形测量技术领域。现阶段最为广泛的岩石变形测量方法为：利用LVDT位移传感器或应变式传感器进行非接触式测量，以获得岩石试样相对两侧的两个轴向变形数据，但是这种测量方法无法有效反映岩石表面变形的局部差异性，导致测量范围有限，且当岩石试样产生宏观裂隙时，裂隙产生部位与传感器固定点的相对位置，会显著影响测量准确性，导致测量误差比较大。本发明能够有效反映岩石表面变形的局部差异性，解决了测量局限性的不足，能够将宏观裂隙对测量准确性的影响降到最低，同时适用于常规三轴压力机，能够满足高围压条件下稳定的测量岩石整体变形。

Description

一种分布式岩石变形测量方法

技术领域

本发明属于岩石变形测量技术领域，特别是涉及一种适用于常规三轴压力机的分布式岩石变形测量方法。

背景技术

岩石作为自然界中各种矿物质的集合体，是具有微结构面的天然地质作用产物，其变形与破坏机理研究是岩石力学学科中的一个重要领域。岩石在外载荷作用下的破坏过程实际上是岩石内部微裂纹萌生、扩展到贯通的全过程，探求其变形破坏机理的基础就是准确捕捉岩石在破坏过程中的物理力学信息。

目前关于岩石破裂过程的研究手段多种多样，常见的测量手段包括：传感器变形测量技术、声发射技术、CT扫描技术、声波测试技术、全息摄影技术、红外遥感技术、基于散斑场DSCM技术、应用光纤应变传感器等，当然在实际应用中它们也各有利弊。对于声发射、CT扫描等测量手段可以捕捉岩石裂隙萌生扩展的位置，但是不能测量岩石加载过程中相关部位的变形特征，而全息摄影、红外遥感等非接触式测量技术虽然能获得裂隙扩展部位的变形特征，但无法在常规三轴试验中进行应用。光纤应变传感器的使用需要对岩石进行穿孔凿槽等工作，破坏了岩石的完整性。

现阶段，采用最为广泛的测量方法为：利用LVDT位移传感器或应变式传感器进行非接触式测量，以获得岩石试样相对两侧的两个轴向变形数据，但是这种测量方法无法有效反映岩石表面变形的局部差异性，导致测量范围有限，且当岩石试样产生宏观裂隙时，裂隙产生部位与传感器固定点的相对位置，会显著影响测量准确性。例如：当布置左右两个位移传感器进行岩石加载试验时，岩石裂隙贯通位置恰好一侧在位移传感器测量范围内，另一侧在位移传感器的测量范围外，前者会测得岩石压缩变形，后者会测得岩石回弹变形，即两个传感器测得的应力-应变曲线在峰值后出现两种形态，分别对应岩石的Ⅰ类破坏模式和Ⅱ类破坏式，然而此时的岩石真实破坏模式为后者，如果取两者的平均值就会出现较大的测量误差。又由于LVDT位移传感器安装在支架之上，支架又通过螺丝固定于岩石表面，当出现上述情况时，有可能出现上下支架不平行，即铁芯不平行于传感器的情况，造成一定的测量误差。对于应变式位移传感器也有类似问题。

还有部分技术人员采用短栅应变片对岩石试样进行测量，但是，该测量方法同样无法避免测量范围有限的缺点，同时难以在高围压条件下应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种分布式岩石变形测量方法，能够有效反映岩石表面变形的局部差异性，解决了测量局限性的不足，能够将宏观裂隙对测量准确性的影响降到最低，同时适用于常规三轴压力机，能够满足高围压条件下稳定的测量岩石整体变形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种分布式岩石变形测量方法，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样，选取应变片，应变片数量为8～16个，应变片为长栅电阻式应变片，应变片的栅长范围为60～80mm；

步骤二：在岩石试样侧表面划线，确定应变片粘贴位置，划线方向即为应变片的测量轴线方向，并保证划线方向与加载方向一致，且划线数量即为应变片的数量，各划线之间间距相等；

步骤三：在划线处涂抹粘结剂，再按照划线依次将相应数量的应变片粘接到位，保证应变片的测量轴线方向与加载方向一致；在应变片的线脚处粘贴应变片端子，再将应变片的线脚焊接到应变片端子上，并覆盖树脂胶，直到树脂胶完全固化为止；

步骤四：准备一个上压块和一个下压块，上压块和下压块的直径与岩石试样相同，在上压块上套装一个第一硅胶密封圈，在下压块上套装一个第二硅胶密封圈，在第二硅胶密封圈的外圆周上加工有凹槽，凹槽的数量与应变片的数量相同；第一硅胶密封圈、第二硅胶密封圈的内径略小于上压块、下压块的直径；然后用绝缘胶带将上压块和下压块分别固定在岩石试样的上、下表面；

步骤五：准备一个数据传输插头和一些数据线，通过数据线将各个应变片端子与数据传输插头连接在一起，连接处通过焊接固定，同时令各条数据线分别穿过一个第二硅胶密封圈的凹槽，再用环氧树脂胶将数据线固定在凹槽内；

步骤六：准备一根热缩管，热缩管的长度略大于第一硅胶密封圈与第二硅胶密封圈之间的距离，将热缩管套在岩石试样外，保证热缩管位于第一硅胶密封圈与第二硅胶密封圈之间，再用热缩枪对热缩管进行热缩处理，直到热缩管紧密贴合在岩石试样表面，同时第一硅胶密封圈和第二硅胶密封圈也被热缩管包裹在内，最后在第一硅胶密封圈及第二硅胶密封圈处利用密封铁箍进行箍紧密封处理，保证热缩管、第一硅胶密封圈及上压块之间紧密压实，保证热缩管、第二硅胶密封圈及下压块之间紧密压实，此时构成试样组合体；

步骤七：将试样组合体送入常规三轴压力机的压力室内，将试样组合体置于压力机的上、下压头之间，再将试样组合体上的数据传输插头插入压力室内数据接口内，数据接口另一端与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连；

步骤八：封闭压力室，充油加压，同时对试样组合体进行常规三轴应力加载，通过数据采集仪进行数据的采集记录，通过计算机处理分析实验数据。

所示三轴压力室内的数据接口采用是耐高压数据接口，以起到良好的密封效果和良好的信号接收效果。

在试样组合体外部安装有两组外置的轴向LVDT位移传感器和一组径向LVDT位移传感器，作为局部应变片失效时的补充。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，能够有效反映岩石表面变形的局部差异性，解决了测量局限性的不足，能够将宏观裂隙对测量准确性的影响降到最低，同时适用于常规三轴压力机，能够满足高围压条件下稳定的测量岩石整体变形。

附图说明

图1为实施例中试样组合体安装了轴向、径向LVDT位移传感器后的结构示意图；

图2为实施例中第二硅胶密封圈结构示意图；

图3为实施例中采用的耐高压数据接口结构示意图；

图4为实施例中应力-应变-时间关系曲线图；

图5为实施例中应力-应变-时间关系3D云图；

图中，1—岩石试样，2—应变片，3—应变片端子，4—第一硅胶密封圈，5—第二硅胶密封圈，6—上压块，7—下压块，8—热缩管，9—密封铁箍，10—轴向LVDT位移传感器，11—径向LVDT位移传感器，12—凹槽，13—数据线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

所述的分布式岩石变形测量方法，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样1，岩石试样1的直径为50mm，高度为100mm，选取应变片2，应变片2数量为八个，应变片2为长栅电阻式应变片，应变片2的栅长范围为60～80mm，在粘贴应变片之前，需要将岩石试样1表面打磨光滑，并用浸有酒精的药棉擦拭被打磨表面，直到药棉擦拭不褪色为止；

步骤二：在岩石试样1侧表面划线，确定应变片2粘贴位置，划线方向即为应变片2的测量轴线方向，并保证划线方向与加载方向一致，且划线数量即为应变片2的数量，各划线之间间距相等；

步骤三：在划线处涂抹粘结剂，再按照划线依次将八个应变片2粘接到位，保证应变片2的测量轴线方向与加载方向一致；在应变片2的线脚处粘贴应变片端子3，再将应变片2的线脚焊接到应变片端子3上，并覆盖树脂胶，直到树脂胶48小时后完全固化为止；

步骤四：准备一个上压块6和一个下压块7，上压块6和下压块7的直径与岩石试样1相同，在上压块6上套装一个第一硅胶密封圈4，在下压块7上套装一个第二硅胶密封圈5，在第二硅胶密封圈5的外圆周上加工有八个凹槽12，；第一硅胶密封圈4、第二硅胶密封圈5的内径略小于上压块6、下压块7的直径；然后用绝缘胶带将上压块6和下压块7分别固定在岩石试样1的上、下表面；

步骤五：准备一个数据传输插头和一些数据线13，通过数据线13将各个应变片端子3与数据传输插头连接在一起，连接处通过焊接固定，同时令各条数据线13分别穿过一个第二硅胶密封圈5的凹槽12，再用环氧树脂胶将数据线13固定在凹槽12内，环氧树脂胶需要24小时进行充分固化；

步骤六：准备一根热缩管8，热缩管8的长度略大于第一硅胶密封圈4与第二硅胶密封圈5之间的距离，将热缩管8套在岩石试样1外，保证热缩管8位于第一硅胶密封圈4与第二硅胶密封圈5之间，再用热缩枪对热缩管8进行热缩处理，直到热缩管8紧密贴合在岩石试样1表面，同时第一硅胶密封圈4和第二硅胶密封圈5也被热缩管8包裹在内，最后在第一硅胶密封圈4及第二硅胶密封圈5处利用密封铁箍9进行箍紧密封处理，保证热缩管8、第一硅胶密封圈4及上压块6之间紧密压实，保证热缩管8、第二硅胶密封圈5及下压块7之间紧密压实，此时构成试样组合体；

步骤七：将试样组合体送入常规三轴压力机的压力室内，将试样组合体置于压力机的上、下压头之间，再将试样组合体上的数据传输插头插入压力室内数据接口内，数据接口另一端与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连；

步骤八：封闭压力室，充油加压，同时对试样组合体进行常规三轴应力加载，通过数据采集仪进行数据的采集记录，通过计算机处理分析实验数据，使用的软件为Origin；本实施例中，所施加的围压为60MPa，在60MPa的围压下，得到的应力-应变-时间关系曲线图如图4所示，其3D云图如图5所示。在3D云图中可以看出，在加载初期，岩石试样1的各个部位压缩应变几乎一致，应变等值线基本保持平直，随着岩石试样1加载过程的进行，1、7、8号应变片的压缩应变相对其他位置明显偏大，在达到峰值后可以看出在这三个位置以外出现了明显的云图下凹，岩石试样1的其他部位发生了一定程度的变形回弹，而这三个位置继续发生压缩变形，说明这一侧出现了宏观裂纹的萌生和扩展，进而获得了岩石试样1的各部位变形信息及其裂纹扩展信息。

所示三轴压力室内的数据接口采用是耐高压数据接口，以起到良好的密封效果和良好的信号接收效果，耐高压数据接口的结构如图3所示。

为了保证测量稳定性，在试样组合体外部安装有两组外置的轴向LVDT位移传感器10和一组径向LVDT位移传感器11，作为局部应变片失效时的补充，安装了轴向、径向LVDT位移传感器的试样组合体结构示意图如图1所示。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种分布式岩石变形测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样，选取应变片，应变片数量为8～16个，应变片为长栅电阻式应变片，应变片的栅长范围为60～80mm；

步骤二：在岩石试样侧表面划线，确定应变片粘贴位置，划线方向即为应变片的测量轴线方向，并保证划线方向与加载方向一致，且划线数量即为应变片的数量，各划线之间间距相等；

步骤三：在划线处涂抹粘结剂，再按照划线依次将相应数量的应变片粘接到位，保证应变片的测量轴线方向与加载方向一致；在应变片的线脚处粘贴应变片端子，再将应变片的线脚焊接到应变片端子上，并覆盖树脂胶，直到树脂胶完全固化为止；

步骤四：准备一个上压块和一个下压块，上压块和下压块的直径与岩石试样相同，在上压块上套装一个第一硅胶密封圈，在下压块上套装一个第二硅胶密封圈，在第二硅胶密封圈的外圆周上加工有凹槽，凹槽的数量与应变片的数量相同；第一硅胶密封圈、第二硅胶密封圈的内径略小于上压块、下压块的直径；然后用绝缘胶带将上压块和下压块分别固定在岩石试样的上、下表面；

步骤五：准备一个数据传输插头和一些数据线，通过数据线将各个应变片端子与数据传输插头连接在一起，连接处通过焊接固定，同时令各条数据线分别穿过一个第二硅胶密封圈的凹槽，再用环氧树脂胶将数据线固定在凹槽内；

步骤六：准备一根热缩管，热缩管的长度略大于第一硅胶密封圈与第二硅胶密封圈之间的距离，将热缩管套在岩石试样外，保证热缩管位于第一硅胶密封圈与第二硅胶密封圈之间，再用热缩枪对热缩管进行热缩处理，直到热缩管紧密贴合在岩石试样表面，同时第一硅胶密封圈和第二硅胶密封圈也被热缩管包裹在内，最后在第一硅胶密封圈及第二硅胶密封圈处利用密封铁箍进行箍紧密封处理，保证热缩管、第一硅胶密封圈及上压块之间紧密压实，保证热缩管、第二硅胶密封圈及下压块之间紧密压实，此时构成试样组合体；

步骤七：将试样组合体送入常规三轴压力机的压力室内，将试样组合体置于压力机的上、下压头之间，再将试样组合体上的数据传输插头插入压力室内数据接口内，数据接口另一端与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连；

步骤八：封闭压力室，充油加压，同时对试样组合体进行常规三轴应力加载，通过数据采集仪进行数据的采集记录，通过计算机处理分析实验数据。

2.根据权利要求1所述的一种分布式岩石变形测量方法，其特征在于：所示三轴压力室内的数据接口采用耐高压数据接口，以起到良好的密封效果和良好的信号接收效果。

3.根据权利要求1所述的一种分布式岩石变形测量方法，其特征在于：在试样组合体外部安装有两组外置的轴向LVDT位移传感器和一组径向LVDT位移传感器，作为局部应变片失效时的补充。