CN104792682A - 相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，包括如下步骤：首先将三轴渗透性测试装置主机、液压系统、PLC程序控制系统、位移传感器、电源、空气压缩机、平衡罐、SL8-02单项微调节流阀、进气筛板、MF5700气体质量流量计、声发射传感器、声发射信号采集仪相连，然后将制作好的试件周涂抹704密封硅橡胶，放入实台箱体中并与进气筛板用密封胶密封，确保气体在通过试件的整个过程中的气密性后进行实验。本发明首次实现了相似材料试件三轴压缩全应力应变、气体渗流、能量测试同步测试相集成的要求，得到相似材料试件三轴应力条件下渗透性及能量耗散的规律。
Description
技术领域
本发明涉及物理模拟领域，具体涉及一种相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法。
背景技术
现有技术中的实验方法，操作不方便，并且精度较低，不能有效地体现试件的渗透性变化规律。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，包括如下步骤：
S1、组装实验装置：将三轴应力机前后左右四块钢板用前后板固定螺栓固定在底部固定托板上，同时将轴向油缸、后围压油缸、左围压油缸的推板固定在油缸推杆端头；
S2、将待试件制作完成并放入步骤S1所得的箱体内，用上下盖板固定螺栓将三轴应力机上盖板固定在底部固定托板上；
S3、待三轴应力机箱体固定完成后，将轴向油缸、后围压油缸、左围压油缸与液压泵站相连接，以此对油缸提供推动力，同时将近期孔、进气筛板、进气管路与空气压缩泵相连接，以此来对试件提供带有压力的气体；
S4、采用HG-YB型号的压力变送器对三条油缸施加给三个推板的压力进行实时监控，将压力变送器与比例减压阀连接，通过专用线路与PLC程序控制系统连接，PLC程序控制系统接通电源工作后，给压力变送器提供相应的电流，压力变送器将该电流换算成与之对应的压力，输出给PLC程序控制系统，以此实现对油泵输出压力的实施监控；
S5、利用连杆机构的原理将拉杆式位移传感器与轴向应力缸(1#油缸)相连，通过1#缸下压试件时的行程位移来监测试件的轴向位移；
S6、通过专用耐压胶管及快插接头将气体流量测试装置与实验箱体相连，通过试件后由在2#油缸推杆上开设的导气孔经过SL8-02单项微调节流阀，流入流量计，以此监测气体流过试件的流量，通过观测相同压力下流量的变化情况，进而判断试件压缩状态；
S7、在箱体右侧面开变径圆孔，并用空心螺栓引出数据采集线，将数据采集线与能量测试装置相连，之后用密封胶密封；
S8、将制作好的试件周涂抹704密封硅橡胶，放入实台箱体中并与进气筛板用密封胶密封，确保气体在通过试件的整个过程中的气密性；
S9、盖上试验箱体上盖板，紧固螺栓，充入大于规定实验压力的气体后，关闭空气压缩机及气体出口端所有阀门，用肥皂水涂抹箱体各部位，检测是否有气泡产生，如果没有发现气泡并且将整个设备放置0.5h后，其中气体压力没有发生明显的变化，则认为气密性达到实验要求；
S10、开展试件全应力应变过程中渗透性的测试，测试不同组合围压、轴压及气体压力条件下，试件全应力应变过程中的渗透性变化规律，测试过程中轴向应力以5-45kg每递增5kg的方式对试件施加压力，围压设计为5kg、10kg、15kg，气体压力设计为1kPa、2kPa、3kPa、4kPa、5kPa，每次增加轴向应力或改变围压前，对试件渗透性进行测试，直至试件压裂为止。
优选的，所述液压泵站由120L油箱、YB1-4型号的油泵、HOB-50*500/50*300型号的液压缸、3DREP6C型号的比例减压阀、MPW-02型号的双向节流阀、RVP型号的单向节流阀、XNQ-0.8型号的蓄能器及耐高压油管组成，所述液压泵站连接有PLC程序控制系统。
优选的，所述PLC程序控制系统由微处理器和可编程序的存储器组成，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
优选的，所述气体流量测试装置由MF5700气体质量流量计、专用耐压胶管、快速插头组成。
优选的，所述拉杆式位移传感器采用KTC-4500型号拉杆式位移传感器。
优选的，所述能量测试装置由计算机、声发射信号采集仪、声波放大器、SR150S接触式声发射传感器构成。
本发明具有以下有益效果：
首次实现了相似材料试件三轴压缩全应力应变、气体渗流、能量测试同步测试相集成的要求，得到相似材料试件三轴应力条件下渗透性及能量耗散的规律。
附图说明
图1为本发明实施例中实验装置的主视图。
图2为图1的侧面图；
图3为图1的俯视图；
图4为实验装置内部结构图正视角度。
图5为实验装置内部结构图右视角度。
图6为充气压力为1kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图7为充气压力为2kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图8为充气压力为3kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图9为充气压力为4kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图10为充气压力为5kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图11为充气压力为1kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图12为充气压力为2kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图13为充气压力为3kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图14为充气压力为4kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图15为充气压力为5kPa时试件渗透性随轴向应力的变化。
图16为水泥河沙质量比1∶10淀粉含量50g三轴条件下渗透速度与能量耗散的关系。
图17为水泥河沙质量比1∶20淀粉含量50g三轴条件下渗透速度与能量耗散的关系。
图18为水泥河沙质量比1∶30淀粉含量50g三轴条件下渗透速度与能量耗散的关系。
图19为水泥河沙质量比1∶40淀粉含量50g三轴条件下渗透速度与能量耗散的关系。
图20为水泥河沙质量比1∶50淀粉含量50g三轴条件下渗透速度与能量耗散的关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本具体实施中的箱体如图1-5所示，三轴应力机前后左右四块钢板通过前后板固定螺栓固定在底部固定托板上，轴向油缸、后围压油缸、左围压油缸的推板固定在油缸推杆端头，试件位于三轴应力机箱体内，三轴应力机上盖板通过上下盖板固定螺栓固定在底部固定托板上，轴向油缸、后围压油缸、左围压油缸与液压泵站相连接，近期孔、进气筛板、进气管路与空气压缩泵相连接。
实施例1
不同水泥河沙质量比试件渗透性随轴压的变化规律
轴向应力在三轴应力环境下对试件渗透性的影响起着关键作用，利用自主研发的三轴渗透性测试装置对相同骨胶比条件下相似材料试件在相同围压下的渗透性随轴向应力的变化规律开展实验，得出相同骨胶比、相同围压条件下试件渗流速度随轴向应力的不断增大，首先呈现出缓慢下降的变化趋势，该变化趋势一直持续到塑性变形区边缘截止，而在塑性变形区内试件渗透性呈现出突然下降，而后随着试件内部结构发生变化，即裂隙导通，试件渗透速度出现突然增大的变化趋势，而后随着配比的变化分别进入各自的软化区，通过对实验数据的整理，得到如图6-图10所示的变化规律。
从图6～图10中可以看出，随着相似材料试件骨胶比的变大，试件压实区和弹性变形区的范围逐渐缩小，但其变化趋势逐渐变陡；塑性区的出现提前，影响范围逐渐变窄，但下降幅度增大，对试件渗透性的影响也逐渐增强；主裂隙导通区的出现也明显提前，而且渗流速度最大值的数值也明显提高，但由于骨胶比增大，试件强度便会降低，导致主裂隙很容易在此闭合，导致其维持的试件变短，同时由于主裂隙导通区产生的时间有所提前，导致试件渗流速度峰值的位置发生前移；由于主裂隙的闭合，试件渗透速度出现下降的变化趋势，逐步进入软化区，由于骨胶比的影响其进入软化区的先后有所不同，导致软化区的范围出现差异，随着骨胶比的不断增大，试件软化区的范围以呈现不断变大的变化趋势，而且渗流速度的下降幅度也逐渐变大。
骨胶比为1∶10时，由于试件强度较大，因此在压缩过程中没有出现主裂隙导通，但在发生塑性变形的同时有微裂隙的产生，随轴向应力的变大试件本身的变化处于压实、弹性形变，故其渗透速度一直处于线性减小，而当轴向应力达到0.5MPa时试件进入塑性变形区，内部产生为裂隙，导致其渗透速度出现上升的趋势。骨胶比为1∶20时，强度明显较1∶10时的小很多，从图中能够清晰的看出其渗透速度随轴向应力的增大会经历压实、弹性变形、塑性变形、主裂隙导通等被变化过程，但由于其硬度较大仍然没有进入后期的软化区。
骨胶比为1∶30及1∶40时，在轴向应力不断增大过程中，其渗流速度呈现出先线性降低，然后突然增大，最后缓慢降低的倒“Z”型变化趋势，包括了试件受压时其内部结构变化的所有区域，即压实、弹性变形、塑性变形、主裂隙导通、软化等变化阶段，而且随着试件强度的降低，其渗流速度峰值发生后移。而当骨胶比变化至1∶50时，其渗透速度随着轴向应力的变大其变化呈现倒“Z”型的变化趋势更加明显，由于此时试件强度较小，使得主裂隙导通后继续增大轴向应力主裂隙会迅速闭合，导致渗透速度降低，由于试件强度较小，随轴向应力的不断增大会将原本闭合的裂隙更加密实，从而导致试件进入软化阶段其渗透速度降低的更快更低。
实施例2
不同淀粉含量试件渗透性随轴压的变化规律
轴向应力在三轴应力环境下对试件渗透性的影响起着关键作用，开展相同淀粉含量、相同侧向应力时试件渗透速度随轴向应力的变化规律的实验研究，得出试件随着轴向应力的不断增大，表现出压实、弹性变形、塑性变形、主裂隙导通及软化过程，压实阶段试件中颗粒之间的距离靠近，从而使得其中孔隙逐渐变小，弹性形变阶段，也是孔隙逐渐变小的过程，只不过在这两个阶段变化的孔隙结构能够在卸载后恢复原状，而试件压缩一旦进入塑性变形阶段，则其中孔隙仍然发生着变化，但这种变化即便是卸载也无法恢复到原始状态，紧随其后的便是为裂隙的产生与主裂隙的贯通，此时试件中储存的能量瞬间释放，使得试件的渗透速度发生突变，随着轴向应力的不断增大，试件进入软化阶段，导致试件中主裂隙发生闭合，从而使试件渗透速度呈现出下降的变化趋势，但变化较为平缓，而且仍大于初始状态的渗透速度，通过对实验数据的总结并作图，得出这五个过程中试件渗透速度的变化规律如图11～图15所示。
通过对图11～图15的分析可知，相同淀粉含量、相同侧向应力条件下，随着轴向应力的不断增大，在试件渗流速度的变化上可以清晰的看出，轴向应力在0.06～0.11MPa之间，属于试件的压实区；轴向应力0.11～0.22MPa之间，属于试件的弹性变形区；轴向应力0.22～0.28MPa之间，属于试件的塑性变形区；轴向应力0.28～0.44MPa之间，属于试件的裂隙导通区；轴向应力0.44～0.5MPa之间，属于试件的软化区。
同时还能看出，除淀粉含量为0g及50g两种配比之外，其余淀粉含量下的试件随轴向应力不断增大的过程中，渗透速度均存在线性缓慢下降、线性突增、缓慢下降的三种变化趋势，其中线性缓慢下降阶段跨越压实区、弹性变形区及塑性变形区，线性突增阶段跨越整个裂隙导通区，缓慢下降区跨越软化去，而对于不同淀粉含量的试件来说，其主裂隙导通区及软化去的范围有所不同，但主要还是集中在0.28～0.50MPa的范围内。
淀粉含量为0g的相似材料试件虽然也符合这种变化趋势，但由于强度较小，压实区、弹性变形区及塑性变形区中试件渗流速度随着轴向应力的增大变化不大，主裂隙导通后，渗流速度有所上升，但很快便进入软化阶段，主裂隙发生闭合，故形成了如图中所变现出的变化趋势。而淀粉含量为50g的相似材料试件，由于其抗压强度较大，该三轴渗透性测试装置没有将其完全压裂，因此在整个压缩过程中其渗透性均呈现下降的变化趋势，这也进一步验证了抗压强度越大，其渗透速度承受轴向应力变化的能力越强，而抗压强度越小，其承受轴向应力的能力越弱。
实施例3
不同骨胶比条件下试件渗透性与能量耗散之间的关系
实验利用由计算机、声发射信号采集仪、声波放大器、SR150S接触式声发射传感器组成的能量测试系统对三轴应力压缩过程中试件变形破裂时能量耗散规律进行实验测试，并将其与试件在此过程中的渗透速度随轴向应力的变化规律结合分析，通过对实验数据的总结得出如图16～图20所示的变化规律。
从图16-图20可以得出能量耗散的最大值出现在试件渗透速度突变的时候，说明此时试件中孔隙结构发生了较为明显的变化，甚至出现裂隙，导致原本积累的弹性能瞬间释放出来，此时渗流速度也出现突增的变化。同时，实验还发现在淀粉含量相同的情况下改变其骨胶比，强度较低的试件在压裂时所释放出的能量远小于强度大的试件，这与其在试件弹性阶段的长短有关，强度小的试件受到外界应力作用后，会很快经过弹性区而进入塑性变形区并产生裂隙，产生裂隙的同时便会产生能量的耗散，因此导致其主裂隙产生时所释放的能量较小，强度较大的试件其弹性变形阶段所经历的时间较长，在此阶段中积累的弹性能较多，在试件进入塑性变形阶段及裂隙导通阶段前，未产生明显的裂隙，导致其在主裂隙导通时所释放的能量很大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、组装实验装置：将三轴应力机前后左右四块钢板用前后板固定螺栓固定在底部固定托板上，同时将轴向油缸、后围压油缸、左围压油缸的推板固定在油缸推杆端头；
S2、将待试件制作完成并放入步骤S1所得的箱体内，用上下盖板固定螺栓将三轴应力机上盖板固定在底部固定托板上；
S3、待三轴应力机箱体固定完成后，将轴向油缸、后围压油缸、左围压油缸与液压泵站相连接，以此对油缸提供推动力，同时将近期孔、进气筛板、进气管路与空气压缩泵相连接，以此来对试件提供带有压力的气体；
S4、采用HG-YB型号的压力变送器对三条油缸施加给三个推板的压力进行实时监控，将压力变送器与比例减压阀连接，通过专用线路与PLC程序控制系统连接，PLC程序控制系统接通电源工作后，给压力变送器提供相应的电流，压力变送器将该电流换算成与之对应的压力，输出给PLC程序控制系统，以此实现对油泵输出压力的实施监控；
S5、利用连杆机构的原理将拉杆式位移传感器与轴向应力缸(1#油缸)相连，通过1#缸下压试件时的行程位移来监测试件的轴向位移；
S6、通过专用耐压胶管及快插接头将气体流量测试装置与实验箱体相连，通过试件后由在2#油缸推杆上开设的导气孔经过SL8-02单项微调节流阀，流入流量计，以此监测气体流过试件的流量，通过观测相同压力下流量的变化情况，进而判断试件压缩状态；
S7、在箱体右侧面开变径圆孔，并用空心螺栓引出数据采集线，将数据采集线与能量测试装置相连，之后用密封胶密封；
S8、将制作好的试件周涂抹704密封硅橡胶，放入实台箱体中并与进气筛板用密封胶密封，确保气体在通过试件的整个过程中的气密性；
S9、盖上试验箱体上盖板，紧固螺栓，充入大于规定实验压力的气体后，关闭空气压缩机及气体出口端所有阀门，用肥皂水涂抹箱体各部位，检测是否有气泡产生，如果没有发现气泡并且将整个设备放置0.5h后，其中气体压力没有发生明显的变化，则认为气密性达到实验要求；
S10、开展试件全应力应变过程中渗透性的测试，测试不同组合围压、轴压及气体压力条件下，试件全应力应变过程中的渗透性变化规律，测试过程中轴向应力以5-45kg每递增5kg的方式对试件施加压力，围压设计为5kg、10kg、15kg，气体压力设计为1kPa、2kPa、3kPa、4kPa、5kPa，每次增加轴向应力或改变围压前，对试件渗透性进行测试，直至试件压裂为止。
2.根据权利要求1所述的相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，其特征在于，所述液压泵站由120L油箱、YB1-4型号的油泵、HOB-50*500/50*300型号的液压缸、3DREP6C型号的比例减压阀、MPW-02型号的双向节流阀、RVP型号的单向节流阀、XNQ-0.8型号的蓄能器及耐高压油管组成，所述液压泵站连接有PLC程序控制系统。
3.根据权利要求2所述的相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，其特征在于，所述PLC程序控制系统由微处理器和可编程序的存储器组成，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
4.根据权利要求1所述的相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，其特征在于，所述气体流量测试装置由MF5700气体质量流量计、专用耐压胶管、快速插头组成。
5.根据权利要求1所述的相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，其特征在于，所述拉杆式位移传感器采用KTC-4500型号拉杆式位移传感器。
6.根据权利要求1所述的相似材料固气能量耦合规律真三轴测试实验方法，其特征在于，所述能量测试装置由计算机、声发射信号采集仪、声波放大器、SR150S接触式声发射传感器构成。
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- 2015-04-10 CN CN201510173826.2A patent/CN104792682B/zh not_active Expired - Fee Related
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