CN104198291B - 一种测量岩石试样径向变形的装置 - Google Patents

一种测量岩石试样径向变形的装置 Download PDF

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Abstract

一种测量岩石试样径向变形的装置，涉及岩石力学试验，解决现有装置在高低温条件下测量元件会失效导致无法测量的问题。本发明包括放置岩石试样的三轴压力室，岩石试样置于三轴压力室的中下位后，通过上部可产生轴向载荷的柱塞和密封，使岩石试样四周与压力室内腔之间形成封闭空间；三轴压力室的下部开有与传压介质相通的下部进液孔，三轴压力室的中部开有与透明耐压毛细管相通的中部进液孔，透明耐压毛细管与高压气体稳压容器上部相通，高压气体稳压容器与高压气体相通，三轴压力室的侧面上部设有可控放气孔。本发明采用物理方法进行高低温岩石试样径向变形测量，具有结构简单可靠，所用方法测量精度高、直观、适应性强的优点。

Description

一种测量岩石试样径向变形的装置
技术领域
本发明涉及岩石力学试验，尤其涉及一种高低温三轴应力条件下，测量岩石试样径向变形的装置。
背景技术
岩石的基本力学特性是实施重大岩石工程的基础，岩石的基本力学特性参数包括弹性模量和泊松比，泊松比的定义为试样径向应变与轴向应变之比。目前，根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会制定的岩石力学试验建议方法，在常温条件下轴向应变通过测量轴向应力作用下岩石试样轴向变形量来确定轴向应变。而径向应变通过束缚在试样轴向中间位置处的环形变形环测量岩石试样的径向变形计算得到。这种方法已广泛应用于常温试验条件。但高温(如400℃)或低温(如-140℃)条件下，由于环形变形环不具有耐热、耐冷性能，从而会导致径向变形测量失效。因此，高低温条件下测量岩石径向变形方法的装置，仍是岩石力学基本特性研究中的技术难题。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术的缺点，提供一种测量岩石试样径向变形的装置，解决现有方法所采用的装置在高低温条件下测量元件失效，致使无法测量岩石试样径向变形的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种测量岩石试样径向变形的装置，包括：岩石试样，放置岩石试样的三轴压力室，其特征在于：所述岩石试样置于所述三轴压力室的中下位后，通过上部可产生轴向载荷的柱塞和密封，使岩石试样四周与压力室内腔之间形成封闭的空间；所述三轴压力室的下部开有与传压介质相通的下部进液孔，所述三轴压力室的中部开有与透明耐压毛细管相通的中部进液孔，所述透明耐压毛细管与高压气体稳压容器上部相通，所述高压气体稳压容器与高压气体相通，所述三轴压力室的侧面上部设有可控放气孔。
进一步，所述传压介质通过输送装置经所述下部进液孔进入所述三轴压力室内。
进一步，所述输送装置是高压泵或高压液氮罐。
进一步，所述三轴压力室与所述透明耐压毛细管之间设有Ⅰ号控制阀。
进一步，所述透明耐压毛细管长度的中部设有Ⅱ号控制阀和Ⅲ号控制阀。
进一步，所述透明耐压毛细管与所述高压气体稳压容器之间设有Ⅳ号控制阀。
进一步，所述高压气体稳压容器与高压气体之间设有高压气泵。
进一步，对于高温条件下岩石径向变形的测量，所述三轴压力室外部可设置加热保温器；对于低温条件下岩石径向变形的测量，所述三轴压力室外部可设置降温保温器。
进一步，所述透明耐压毛细管为无色透明状，耐压大于60MPa，透明毛细管的孔径小于3mm，孔截面积在全管长度内允许正负波动1/1000，透明毛细管的长度大于1m。
采用本发明测量岩石试样径向变形的方法，其测量步骤为：
(1)采用密封材料将岩石试样密封后安装在三轴压力室内，同时施加初始轴向载荷；
(2)打开可控放气孔和Ⅰ号控制阀、Ⅱ号控制阀、Ⅲ号控制阀、Ⅳ号控制阀；
(3)将传压介质通过输送装置经下部进液孔进入三轴压力室内，当三轴压力室内的传压介质的液面超过中部进液孔时，进入透明耐压毛细管内，当充满整个耐压毛细管时，关闭Ⅱ号控制阀；
(4)继续使传压介质进入压力室内，当传压介质从三轴压力室上部的可控放气孔溢出时，停止输送装置，此时，关闭可控放气孔；
(5)将高压气体经高压气泵压入高压气体稳压容器内，同时打开Ⅱ号控制阀，待透明耐压毛细管内的传压介质与气体的界面移动至Ⅱ号控制阀附近时，关闭Ⅱ号控制阀，同时停止高压气泵；
(6)按照试验方案，将轴向载荷和三轴压力室内的传压介质的压力交替加至设定值P0；
(7)启动高压气泵，将高压气体压入高压气体稳压容器内，直至高压气体稳压容器内的气体压力达到P0时，停止高压气泵，此时，Ⅱ号控制阀两边的透明耐压毛细管内的介质压力均为P0；
(8)打开Ⅱ号控制阀，气液界面自动移动并逐渐稳定；
(9)待气液界面稳定后，记下此时的位置L0，然后按照试验方案，保持围压不变，逐步施加轴向载荷，此时，岩石试样径向变形，将挤压传压介质致使透明耐压毛细管内的气液界面移动至新的位置L1；
(10)根据透明耐压毛细管内截面S，按公式：V＝S·(L1-L0)计算岩石试样径向变形产生的传压介质体积的变化量V，然后由岩石试样初始直径d0、初始高度h0、高度变化量Δh(即试样轴向变形量)，即可按公式：
计算岩石试样径向直径d1，再根据公式：
计算岩石试样2的径向应变ε2。
对于高温条件下岩石径向变形的测量，应在步骤(8)后，启动三轴压力室外部的加热保温器对岩石试样进行加温，当温度达到设定值时保温，温度设定值最高为400℃；对于低温条件下岩石径向变形的测量，应在步骤(8)后，启动三轴压力室外部的降温保温器对岩石试样进行降温，当温度达到设定值时保温，温度设定值最低为-140℃。
所述岩石试样的密封材料为橡胶套或热缩塑料，或紫铜套；所述传压介质，在常温时采用水或油，在高温时采用高温合成导热油，在低温时采用液氮；所述输送装置为高压泵，或高压液氮罐。
本发明与现有技术相比，由于将岩石试样密封后装入三轴压力室内，试样四周与压力室之间的空间通过密封形成封闭的空间，在该封闭空间内充入传压液体，该液体作为传压介质向岩石试样施加径(侧)向载荷。在压力室外侧顶部、中部和下部分别开三个进液孔与上述封闭空间相通，将传压液体通过下部进液孔注入并达到设定压力。耐高压透明毛细管连接压力室外侧中部进液孔并与高压气体稳压容器相通，通过测量透明毛细管内气液界面的变化，可获得三轴应力条件下不同温度状态(常温、高温、低温)岩石试样径向变形。岩石试样径向变形引起的传压液体体积变化由透明耐压毛细管内气液界面的移动距离与透明耐压毛细管的内截面相乘得到，由此计算岩石试样直径的变化量，进而可计箅得到岩石试样的径向应变。
本发明采用物理方法进行高低温岩石试样径向变形测量，具有结构简单可靠，采用本装置的测量方法精度高、直观、适应性强的优点。
附图说明
图1为常温三轴应力下，测量岩石试样径向变形装置的结构示意图；
图2为高温三轴应力下，测量岩石试样径向变形装置的结构示意图；
图3为低温三轴应力下，测量岩石试样径向变形装置的结构示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例，将结合附图在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的保护范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
实施例1
如图1所示，一种常温三轴应力下，测量岩石试样径向变形的装置，包括：岩石试样2，放置岩石试样的三轴压力室3，所述岩石试样2置于所述三轴压力室3的中下位后，通过上部可产生轴向载荷4的柱塞和密封，使岩石试样四周与压力室内腔之间形成封闭的空间；所述三轴压力室3的下部开有与传压介质13相通的下部进液孔15，所述三轴压力室3的中部开有与透明耐压毛细管8相通的中部进液孔6，所述透明耐压毛细管8与高压气体稳压容器11上部相通，所述高压气体稳压容器11与高压气体16相通，所述三轴压力室3的侧面上部设有可控放气孔5。
所述传压介质13通过输送装置14经所述进液孔15进入所述三轴压力室3内，所述输送装置14是高压泵。
所述三轴压力室3与所述透明耐压毛细管8之间设有Ⅰ号控制阀7；所述透明耐压毛细管8长度的中部设有Ⅱ号控制阀9和Ⅲ号控制阀10；所述透明耐压毛细管8与所述高压气体稳压容器11之间设有Ⅳ号控制阀12。
所述高压气体稳压容器11与高压气体16之间设有高压气泵17。
所述透明耐压毛细管为无色透明状，耐压大于60MPa，透明毛细管的孔径小于3mm，孔截面积在全管长度内允许正负波动1/1000，透明毛细管的长度大于1m。
如图1所示，一种常温三轴应力下，测量岩石试样径向变形装置的使用方法，其测量步骤为：
(1)采用密封材料1将试样2密封后安装在压力室3内，同时施加初始轴向载荷4；
(2)打开压力室侧面上部的放气孔5和与中部孔6相连的控制阀7及透明耐压毛细管8中部的控制阀9和10及高压气体稳压容器11上的控制阀12；
(3)将传压介质13通过高压试压泵14经压力室3下部的进液孔15压入压力室3内。当压力室3内的传压介质13的液面超过中部孔6时进入透明耐压毛细管8内，当充满整个耐压毛细管8时，关闭控制阀9。
(4)继续将传压介质13压入压力室3内，当传压介质13从压力室3上部的放气孔5溢出时停止高压试压泵14，此时，关闭放气孔5。
(5)将高压气体16经高压气泵17压入高压气体稳压容器11内，同时打开控制阀9，待与高压气体稳压容器11相连的透明耐压毛细管8内的传压介质13与气体的界面移动至控制阀9附近时，关闭控制阀9，同时停止高压气泵17。
(6)按照试验方案，将轴压4和压力室3内的传压介质13的压力交替加至设定值P0。
(7)启动高压气泵17，将高压气体16压入高压气体稳压容器11内，直至高压气体稳压容器11内的气体压力达到P0时停止高压气泵，此时，控制阀9两边的透明耐压毛细管8内的介质压力均为P0。
(8)打开控制阀9，气液界面自动移动并逐渐稳定。
(9)待气液界面稳定后，记下此时的位置L0。然后按照试验方案，保持围压不变，逐步施加轴向载荷4，此时，岩石试样2径向变形，将挤压传压介质13致使透明耐压毛细管8内的气液界面移动至新的位置L1。
(10)根据透明耐压毛细管8内截面S，按公式：V＝S·(L1-L0)计算岩石试样2径向变形产生的传压介质体积的变化量V，然后由岩石试样2初始直径d0、初始高度h0、高度变化量Δh(即试样轴向变形量)，即可按公式：
计算岩石试样径向直径d1，再根据公式：
计算岩石试样2的径向应变ε2。
所述岩石试样2的密封材料1为橡胶套或热缩塑料；所述传压介质13采用水或油；所述输送装置14为高压泵14。
实施例2
如图2所示，一种高温三轴应力下，测量岩石试样径向变形的装置，包括：岩石试样2，放置岩石试样的三轴压力室3，所述岩石试样2置于所述三轴压力室3的中下位后，通过上部可产生轴向载荷4的柱塞和密封，使岩石试样四周与压力室内腔之间形成封闭的空间；所述三轴压力室3的下部开有与传压介质13相通的下部进液孔15，所述三轴压力室3的中部开有与透明耐压毛细管8相通的中部进液孔6，所述透明耐压毛细管8与高压气体稳压容器11上部相通，所述高压气体稳压容器11与高压气体16相通，所述三轴压力室3的侧面上部设有可控放气孔5。
所述传压介质13通过输送装置14经所述进液孔15进入所述三轴压力室3内，所述输送装置14是高压泵。
所述三轴压力室3与所述透明耐压毛细管8之间设有Ⅰ号控制阀7；所述透明耐压毛细管8长度的中部设有Ⅱ号控制阀9和Ⅲ号控制阀10；所述透明耐压毛细管8与所述高压气体稳压容器11之间设有Ⅳ号控制阀12。
所述高压气体稳压容器11与高压气体16之间设有高压气泵17。
所述三轴压力室3外部设置加热保温器18。
所述透明耐压毛细管8为无色透明状，耐压大于60MPa，孔径小于3mm，孔截面积在全管长度内允许正负波动1/1000，长度大于1m。
如图2所示，一种高温三轴应力下，测量岩石试样径向变形装置的使用方法，其测量步骤为：
(1)采用密封材料1将岩石试样2密封后安装在三轴压力室3内，同时施加初始轴向载荷4；
(2)打开可控放气孔5和Ⅰ号控制阀7、Ⅱ号控制阀9、Ⅲ号控制阀10、Ⅳ号控制阀12；
(3)将传压介质13通过输送装置14经下部进液孔15进入三轴压力室3内，当三轴压力室3内的传压介质13的液面超过中部进液孔6时，进入透明耐压毛细管8内，当充满整个耐压毛细管8时，关闭Ⅱ号控制阀9；
(4)继续使传压介质13进入压力室3内，当传压介质13从三轴压力室3上部的可控放气孔5溢出时，停止输送装置14，此时，关闭可控放气孔5；
(5)将高压气体16经高压气泵17压入高压气体稳压容器11内，同时打开Ⅱ号控制阀9，待透明耐压毛细管8内的传压介质13与气体的界面移动至Ⅱ号控制阀9附近时，关闭Ⅱ号控制阀9，同时停止高压气泵17；
(6)按照试验方案，将轴向载荷4和三轴压力室3内的传压介质13的压力交替加至设定值P0；
(7)启动高压气泵17，将高压气体16压入高压气体稳压容器11内，直至高压气体稳压容器11内的气体压力达到P0时，停止高压气泵17，此时，Ⅱ号控制阀9两边的透明耐压毛细管8内的介质压力均为P0；
(8)打开Ⅱ号控制阀9，气液界面自动移动并逐渐稳定；
(9)启动压力室3外部的加热保温器18对岩石试样进行加温，当温度达到设定值时(最高为400℃)保温；
(10)待气液界面稳定后，记下此时的位置L0，然后按照试验方案，保持围压不变，逐步施加轴向载荷4，此时，岩石试样2径向变形，将挤压传压介质13致使透明耐压毛细管8内的气液界面移动至新的位置L1；
(11)根据透明耐压毛细管8内截面S，按公式：V＝S·(L1-L0)计算岩石试样2径向变形产生的传压介质体积的变化量V，然后由岩石试样2初始直径d0、初始高度h0、高度变化量Δh(即试样轴向变形量)，即可按公式：
计算岩石试样径向直径d1，再根据公式：
计算岩石试样2的径向应变ε2。
所述岩石试样2的密封材料1为紫铜套；所述传压介质13采用高温合成导热油；所述输送装置14为高压泵14。
实施例3
如图3所示，一种低温三轴应力下岩石试样径向变形的测量装置，包括：岩石试样2，放置岩石试样的三轴压力室3，所述岩石试样2置于所述三轴压力室3的中下位后，通过上部可产生轴向载荷4的柱塞和密封，使岩石试样四周与压力室内腔之间形成封闭的空间；所述三轴压力室3的下部开有与传压介质13相通的下部进液孔15，所述三轴压力室3的中部开有与透明耐压毛细管8相通的中部进液孔6，所述透明耐压毛细管8与高压气体稳压容器11上部相通，所述高压气体稳压容器11与高压气体16相通，所述三轴压力室3的侧面上部设有可控放气孔5。
所述传压介质13通过输送装置14经所述进液孔15进入所述三轴压力室3内；所述输送装置14是高压液氮罐。
所述三轴压力室3与所述透明耐压毛细管8之间设有Ⅰ号控制阀7；进一步，所述透明耐压毛细管8长度的中部设有Ⅱ号控制阀9和Ⅲ号控制阀10；所述透明耐压毛细管8与所述高压气体稳压容器11之间设有Ⅳ号控制阀12。
所述高压气体稳压容器11与高压气体16之间设有高压气泵17。
所述三轴压力室3外部设置降温保温器19。
所述透明耐压毛细管8为无色透明状，耐压大于60MPa，孔径小于3mm，孔截面积在全管长度内允许正负波动1/1000，长度大于1m。
如图3所示，一种低温三轴应力下，测量岩石试样径向变形装置的使用方法，其测量步骤为：
(1)采用密封材料1将岩石试样2密封后安装在三轴压力室3内，同时施加初始轴向载荷4；
(2)打开可控放气孔5和Ⅰ号控制阀7、Ⅱ号控制阀9、Ⅲ号控制阀10、Ⅳ号控制阀12；
(3)将传压介质13通过输送装置14经下部进液孔15进入三轴压力室3内，当三轴压力室3内的传压介质13的液面超过中部进液孔6时，进入透明耐压毛细管8内，当充满整个耐压毛细管8时，关闭Ⅱ号控制阀9；
(4)继续使传压介质13进入压力室3内，当传压介质13从三轴压力室3上部的可控放气孔5溢出时，停止输送装置14，此时，关闭可控放气孔5；
(5)将高压气体16经高压气泵17压入高压气体稳压容器11内，同时打开Ⅱ号控制阀9，待透明耐压毛细管8内的传压介质13与气体的界面移动至Ⅱ号控制阀9附近时，关闭Ⅱ号控制阀9，同时停止高压气泵17；
(6)按照试验方案，将轴向载荷4和三轴压力室3内的传压介质13的压力交替加至设定值P0；
(7)启动高压气泵17，将高压气体16压入高压气体稳压容器11内，直至高压气体稳压容器11内的气体压力达到P0时，停止高压气泵17，此时，Ⅱ号控制阀9两边的透明耐压毛细管8内的介质压力均为P0；
(8)打开Ⅱ号控制阀9，气液界面自动移动并逐渐稳定；
(9)启动压力室3外部的降温保温器19对岩石试样进行降温，当温度达到设定值时(最低为-140℃)保温；
(10)待气液界面稳定后，记下此时的位置L0，然后按照试验方案，保持围压不变，逐步施加轴向载荷4，此时，岩石试样2径向变形，将挤压传压介质13致使透明耐压毛细管8内的气液界面移动至新的位置L1；
(11)根据透明耐压毛细管8内截面S，按公式：V＝S·(L1-L0)计算岩石试样2径向变形产生的传压介质体积的变化量V，然后由岩石试样2初始直径d0、初始高度h0、高度变化量Δh(即试样轴向变形量)，即可按公式：
计算岩石试样径向直径d1，再根据公式：
计算岩石试样2的径向应变ε2。
所述岩石试样2的密封材料1为紫铜套；所述传压介质13采用液氮；所述输送装置14为高压液氮罐。
本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的变化和改型都应为权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种测量岩石试样径向变形的装置，包括：岩石试样(2)，放置岩石试样的三轴压力室(3)；所述岩石试样(2)置于所述三轴压力室(3)的中下位后，通过上部可产生轴向载荷(4)的柱塞和密封，使岩石试样四周与压力室内腔之间形成封闭的空间；所述三轴压力室(3)的下部开有与传压介质(13)相通的下部进液孔(15)，所述三轴压力室(3)的中部开有与透明耐压毛细管(8)相通的中部进液孔(6)，所述透明耐压毛细管(8)与高压气体稳压容器(11)上部相通，所述高压气体稳压容器(11)与高压气体(16)相通，所述三轴压力室(3)的侧面上部设有可控放气孔(5)；所述传压介质(13)通过输送装置(14)经所述下部进液孔(15)进入所述三轴压力室(3)内，所述输送装置(14)是高压泵或高压液氮罐；所述高压气体稳压容器(11)与高压气体(16)之间设有高压气泵(17)；对于高温条件下岩石径向变形的测量，在所述三轴压力室(3)外部设置加热保温器(18)；对于低温条件下岩石径向变形的测量，在所述三轴压力室(3)外部设置降温保温器(19)；其特征在于：所述三轴压力室(3)与所述透明耐压毛细管(8)之间设有Ⅰ号控制阀(7)；所述透明耐压毛细管(8)长度的中部设有Ⅱ号控制阀(9)和Ⅲ号控制阀(10)；所述透明耐压毛细管(8)与所述高压气体稳压容器(11)之间设有Ⅳ号控制阀(12)。
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