CN106525598B - 一种简易的岩石三轴压缩试验仪器 - Google Patents

一种简易的岩石三轴压缩试验仪器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种简易的岩石三轴压缩试验仪器。包括三轴压力室、三轴压力加载装置、加载控制及数据采集系统，其特征在于：所述的三轴压力室包括压力室支架、液压筒体、上下顶杆、活塞部件、胶套，其中上顶杆通过固定板与轴向位移传感器相连；所述的三轴压力加载装置包括柜机操作面板、压力传感器、径向位移传感器、施加轴压的活塞泵和施加围压的柱塞泵，试验中采用电液伺服控制；所述的加载控制及数据采集系统可实时采集、存储、处理试验数据并显示多条试验曲线，计算机控制可部分替代加载装置操作面板的按钮功能。本发明仪器小巧灵活，岩心样品装卸操作简单，大大缩短了试验时间，且仪器成本较低，可应用于大量的基础试验研究；将声发射探头吸附于下顶杆上，可同时进行岩石三轴压缩条件下的声发射试验。

Description

一种简易的岩石三轴压缩试验仪器
技术领域
本发明属于岩石力学技术领域，具体的，涉及一种简易的岩石三轴压缩试验仪器。
背景技术
岩石的物理力学性质是油气田工程、隧道工程、水利水电工程以及采矿工程等领域的研究重点之一，岩石三轴试验是研究岩石物理力学性质的重要手段，不仅可以得到弹性模量、泊松比、峰值强度、内聚力和内摩擦角等基本力学参数，还可利用全应力-应变曲线进行能量分析和可压性分析等。
三轴试验机在近200年的发展过程中主要有两大进步，一是刚性试验机的诞生，二是反馈伺服控制的实现。从1935年Speath在对铸铁做压力试验时发现由于试验机的刚度小于铸铁的刚度而导致试验结果发生偏差，直到1970年Wawersick和Fairharst利用刚性试验机获得了岩石完整的应力-应变曲线。随着科学技术的发展，到上世纪80年代初，刚性试验机的加载控制实现了电液伺服控制，即试验过程中应力、应变等可以通过反馈电信号来自动控制。
我国最早的岩石三轴试验机为上世纪50年代生产的长江-500型岩石三轴应力试验机，其设备装置及测量记录技术等与国外相比都较为落后。到上世纪80年代随着我国工程规模和科研技术的发展需要，开始从国外进口先进的岩石三轴试验设备，主要有美国的MTS公司、日本的谷腾株式会社以及德国的申克公司等。近些年来，我们国家的岩石三轴试验设备走上了一条国外进口和自我研制相结合的道路，总体发展趋势是功能越来越多，控制精度越来越高。
郝庆泽和程远方在文《岩石三轴全伺服压力试验机》(郝庆泽,程远方.岩石三轴全伺服压力试验机[J].试验技术与试验机,2000,40(1、2):63-65.)中介绍了将一台1000KN四柱式压力试验机升级改造，改造后的试验机可进行轴向压力控制、轴向位移控制、轴向变形控制，并且这三种控制方式可以平滑切换，其改造费用与同水平的进口试验机的价格相比有较大优势，但也达到了70万元人民币。
李广平和王玉玲等在文《岩石三轴强度试验》(李广平,王玉玲,蔡玉贞.岩石三轴强度试验[J].岩矿测试,2005,24(1):75-78.)中介绍了利用现有的万能材料试验机，通过自制三轴压力室和配备液压泵组成岩石三轴试验系统，但其围压上限仅为50MPa，且其三轴压力室的结构构造限制了进行声发射试验的条件。
赵阳升和万志军等在文《20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制》(赵阳升,万志军等.20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制[J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):1-8.)中介绍了研制的试验机主要由主机加载系统、高温三轴压力室及温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成，该试验机功能较多，考虑了高温高压等实际地下因素，但其设备体积庞大，成本较高，试验操作时间较长。
目前，岩石三轴压缩试验的位移测量技术主要包括应变片测量、位移传感器测量和数字图像测量等。应变片测量技术，试验准备时间较长，操作技术要求较高，受高温高压因素影响较大；位移传感器测量技术，精度较高，但对设备构造安装要求也较高，尤其径向位移的测量难度更大；数字图像测量技术，实现了变形过程的非接触直接测量，但受三轴压力室侧壁材料属性的限制，此项技术只适用于泥质岩这类强度较弱的岩石。
发明内容
为解决现有技术中的一些问题，本发明提供了一种简易的岩石三轴压缩试验仪器。
为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案为：
一种简易的岩石三轴压缩试验仪器，包括三轴压力室、三轴压力加载装置、加载控制及数据采集系统；所述的三轴压力室包括压力室支架、液压筒体、上下顶杆、活塞部件、胶套，其中上顶杆通过固定板与轴向位移传感器相连；所述的三轴压力加载装置包括柜机操作面板、压力传感器、径向位移传感器、施加轴压的活塞泵和施加围压的柱塞泵，试验中采用电液伺服控制，可精确实现恒应力加载、恒应力速率加载、恒位移加载、恒位移速率加载；所述的加载控制及数据采集系统可实时采集、存储、处理试验数据并显示多条试验曲线，计算机控制可部分替代加载装置操作面板的按钮功能；将声发射探头吸附于下顶杆上，可同时进行岩石三轴压缩条件下的声发射试验。
所述的液压筒体包括轴压仓和围压仓，其中轴压仓利用所述的活塞部件通过上顶杆将轴向压力施加到岩芯上，围压仓中岩芯通过所述的胶套与加压液体隔离。
所述的径向位移传感器为磁致伸缩液位计，量程为200mm，测量精度为0.01mm，通过测量与围压仓相连筒体的液位变化，可求得围压仓中液体体积的变化量，利用围压仓液体体积的变化量可计算得到试验岩芯的径向变形量。
所述的声发射探头可通过磁力吸附于所述的下顶杆上，下顶杆为质地均匀的无损钢质材料，岩石三轴压缩破坏过程中的声发射信号可通过下顶杆被声发射探头采集。
本发明具有如下有益效果：
(1)为岩石三轴压缩试验中的径向变形测量提供了一种新方法，利用间接法测量降低了设备构造的复杂程度，提高了测量精度；
(2)岩石声发射信号可通过三轴压力室的下顶杆直接传递到声发射探头上，实现了三轴压缩试验和声发射试验的同步进行，且探头安装简单，试验操作便捷；
(3)该发明提供的岩石三轴压缩仪体积较小，搬运方便，且成本低廉，试验过程操作简单，大大缩短了试验时间，适用于通过大量的重复性的岩石三轴试验来探寻科学规律。
附图说明
图1为本发明的岩石三轴压缩试验系统的示意图；
图2为本发明实施例的三组岩芯应力-应变曲线图；
图3为本发明实施例利用莫尔圆求内聚力和内摩擦角；
图4为本发明实施例的声发射试验到达时间-振铃计数关系图；
其中，1-上顶杆，2-下顶杆，3-轴压仓，4-活塞部件，5-围压仓，6-胶套，7-压力室支架，8-活塞泵，9-柱塞泵。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明提供的仪器的试验过程作进一步说明：
(1)用取芯机从青海油田提供的全直径大岩芯上钻取直径为25mm的岩芯柱，将岩芯柱在切割机上切割成长度为50mm的小岩芯，然后将小岩芯的两端面在磨平机上磨平，磨平后的两端面平行度公差不大于0.1mm，至此，小岩芯加工完毕；
(2)在PC端打开岩石压缩试验软件，进入系统设置，进行位移传感器和压力传感器的清零和校正设置；点击参数录入，将试验岩芯的井号、井深、岩性、围压、试验温度、岩芯尺寸等数据录入系统；
(3)打开阀门F8，关闭阀门F7，在柜机操作面板按充液键使活塞泵8充满液，然后打开阀门F7，关闭阀门F8；打开阀门F10，关闭阀门F9，在柜机操作面板按充液键使柱塞泵9充满液，然后打开阀门F9，关闭阀门F10；关闭阀门F5，打开阀门F1、F4，关闭阀门F2、F3，用活塞泵8使轴压仓3的活塞部件4运动至顶部；旋下下顶杆2，确保上顶杆1旋到底，然后将试验岩芯装入压力室内，旋上下顶杆2，使上下顶杆的两端与岩芯端面接触，然后将声发射探头吸附于下顶杆上；
(4)试验开始前，确保阀门F1、F4、F5、F8、F10关闭，阀门F2、F3、F6、F7、F9打开；在PC端进入数据采集页面，围压的加载由柱塞泵9实现，可选择恒压和恒流模式，试验时输入数值按回车键启动；轴压的加载由活塞泵8实现，可选择恒位移和恒压力模式，此处选择恒位移模式，加载速率设定为0.2mm/min，按启动键先将岩芯端面压力施加至0.1MPa，使岩芯端面与上下顶杆紧密接触，围压选择恒压模式，输入20MPa并按回车键启动，将轴压和围压同时施加至20MPa，维持10min，使岩芯受力情况尽量接近真实地应力状态，然后输入采集周期，此处选1s，点击启动键开始施加轴压，同时启动声发射采集系统进行岩石三轴压缩条件下的声发射试验；
(5)施加荷载直至岩芯发生破坏，在数据采集页面点击停止键，并保存试验数据，同时停止声发射试验并保存数据，然后在柜机操作面板设定压力值0.1MPa，按运行键，先由活塞泵8将轴向压力卸载；同样操作流程，再由柱塞泵9将围压卸载至0.1MPa，此处压力卸载顺序为先卸轴压、再卸围压，目的是为了避免损坏胶套；然后打开阀门F8、F10，使整套加压系统与外界相通，确保后续操作的安全；之后旋下下顶杆2和上顶杆1，将试验后的岩芯取出，岩芯取出后用毛刷将筒壁内的岩芯碎屑清理干净，避免影响下次试验；
(6)重复步骤(1)-(5)，此处共进行三组岩芯三轴压缩试验，为避免加载方式及速率的不同对试验结果造成影响，后两组的轴压加载同样选择恒位移模式，加载速率为0.2mm/min，围压加载同样选择恒压模式，围压加载值分别为30MPa和40MPa。
如图2所示，通过对岩芯三轴压缩试验得到的应力-应变曲线的数据处理，可得出三组试验岩芯的峰值强度、弹性模量和泊松比等力学参数，试验结果见表1；如图3所示，利用三组岩芯不同围压下的峰值强度可得出内聚力和内摩擦角；1号岩芯的三轴压缩条件下声发射试验数据图如图4所示。
表1
岩芯编号 围压/MPa 峰值强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比
1 20 187.85 21.06 0.34
2 30 239.59 25.68 0.36
3 40 311.81 32.51 0.32
以上结合附图及具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种简易的岩石三轴压缩试验仪器，包括三轴压力室、三轴压力加载装置、加载控制及数据采集系统，其特征在于：所述的三轴压力室包括压力室支架、液压筒体、上下顶杆、活塞部件、胶套，其中上顶杆通过固定板与轴向位移传感器相连；所述的三轴压力加载装置包括柜机操作面板、压力传感器、径向位移传感器、施加轴压的活塞泵和施加围压的柱塞泵，试验中采用电液伺服控制，精确实现恒应力加载、恒应力速率加载、恒位移加载、恒位移速率加载；所述的加载控制及数据采集系统实时采集、存储、处理试验数据并显示多条试验曲线，计算机控制部分替代加载装置操作面板的按钮功能；将声发射探头吸附于下顶杆上，同时进行岩石三轴压缩条件下的声发射试验，所述的液压筒体包括轴压仓和围压仓，其中轴压仓利用所述的活塞部件通过上顶杆将轴向压力施加到岩芯上，围压仓中岩芯通过所述的胶套与加压液体隔离，所述轴压仓两侧依次固定连接有阀门F1、F2、F3和F4，所述阀门F1和阀门F2相对安装在轴压仓两侧，所述阀门F3和阀门F4相对安装在轴压仓两侧，所述阀门F1安装在阀门F3的上方，所述阀门F1和阀门F3并联后固定连接在储液装置上，所述阀门F2安装在阀门F4的上方，所述阀门F2和阀门F4并联后与阀门F5固定连接，所述阀门F6的一端固定连接在围压仓上，所述阀门F6的另一端与阀门F9固定连接，所述阀门F9的另一端固定安装在柱塞泵上，所述柱塞泵的另一端固定安装有阀门F10,所述阀门F10的另一端固定安装在柜机操作面板上，所述阀门F6固定安装在阀门F5的下方，所述阀门F5与阀门F6并联，所述阀门F5上方固定安装有阀门F7，所述阀门F5与阀门F7并联，所述阀门F7另一端固定安装在活塞泵上，所述活塞泵的另一侧固定安装有阀门F8,所述阀门F8另一端固定安装在柜机操作面板上；所述岩石三轴压缩试验仪器的试验步骤：
(1)用取芯机从青海油田提供的全直径大岩芯上钻取直径为25mm的岩芯柱，将岩芯柱在切割机上切割成长度为50mm的小岩芯，然后将小岩芯的两端面在磨平机上磨平，磨平后的两端面平行度公差不大于0.1mm，至此，小岩芯加工完毕；
(2)在PC端打开岩石压缩试验软件，进入系统设置，进行位移传感器和压力传感器的清零和校正设置；点击参数录入，将试验岩芯的井号、井深、岩性、围压、试验温度、岩芯尺寸录入系统；
(3)打开阀门F8，关闭阀门F7，在柜机操作面板按充液键使活塞泵充满液，然后打开阀门F7，关闭阀门F8；打开阀门F10，关闭阀门F9，在柜机操作面板按充液键使柱塞泵充满液，然后打开阀门F9，关闭阀门F10；关闭阀门F5，打开阀门F1、F4，关闭阀门F2、F3，用活塞泵使轴压仓的活塞部件运动至顶部；旋下下顶杆，确保上顶杆旋到底，然后将试验岩芯装入压力室内，旋上下顶杆，使上下顶杆的两端与岩芯端面接触，然后将声发射探头吸附于下顶杆上；
(4)试验开始前，确保阀门F1、F4、F5、F8、F10关闭，阀门F2、F3、F6、F7、F9打开；在PC端进入数据采集页面，围压的加载由柱塞泵实现，选择恒压或恒流模式，试验时输入数值按回车键启动；轴压的加载由活塞泵实现，选择恒位移或恒压力模式，此处选择恒位移模式，加载速率设定为0.2mm/min，按启动键先将岩芯端面压力施加至0.1MPa，使岩芯端面与上下顶杆紧密接触，围压选择恒压模式，输入20MPa并按回车键启动，将轴压和围压同时施加至20MPa，维持10min，使岩芯受力情况尽量接近真实地应力状态，然后输入采集周期，此处选1s，点击启动键开始施加轴压，同时启动声发射采集系统进行岩石三轴压缩条件下的声发射试验；
(5)施加荷载直至岩芯发生破坏，在数据采集页面点击停止键，并保存试验数据，同时停止声发射试验并保存数据，然后在柜机操作面板设定压力值0.1MPa，按运行键，先由活塞泵将轴向压力卸载；同样操作流程，再由柱塞泵将围压卸载至0.1MPa，此处压力卸载顺序为先卸轴压、再卸围压，目的是为了避免损坏胶套；然后打开阀门F8、F10，使整套加压系统与外界相通，确保后续操作的安全；之后旋下下顶杆和上顶杆，将试验后的岩芯取出，岩芯取出后用毛刷将筒壁内的岩芯碎屑清理干净，避免影响下次试验；
(6)重复步骤(1)-(5)，此处共进行三组岩芯三轴压缩试验，为避免加载方式及速率的不同对试验结果造成影响，后两组的轴压加载同样选择恒位移模式，加载速率为0.2mm/min，围压加载同样选择恒压模式，围压加载值分别为30MPa和40MPa。
2.根据权利要求1所述的一种简易的岩石三轴压缩试验仪器，其特征在于：所述的径向位移传感器为磁致伸缩液位计，量程为200mm，测量精度为0.01mm，通过测量与围压仓相连筒体的液位变化，求得围压仓中液体体积的变化量，利用围压仓液体体积的变化量计算得到试验岩芯的径向变形量。
3.根据权利要求1所述的一种简易的岩石三轴压缩试验仪器，其特征在于：所述的声发射探头通过磁力吸附于所述的下顶杆上，下顶杆为质地均匀的无损钢质材料，岩石三轴压缩破坏过程中的声发射信号通过下顶杆被声发射探头采集。
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