CN107402181A - 一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法，属于岩石力学和油藏工程技术领域，装置包括应力场加载装置、温度场加载装置、数据采集处理装置。利用应力场加载装置，能对胶结颗粒进行压缩、剪切、弯扭、旋扭等力学特性试验；利用温度场加载装置可为试验创造高温环境，更加接近深部地层，增加试验结果的真实性；利用数据采集处理装置能定量得到并记录试验过程中胶结颗粒的各项参数变化情况，具有非直接接触、全场测量、精度高等特点。利用本发明的装置，能在高温环境下对胶结颗粒加载垂向载荷、剪切载荷、弯矩载荷和扭矩载荷，测定并记录胶结颗粒在多种加载条件下的应力应变过程，从细观基本颗粒单元角度描述岩石的破裂特性。

Description

一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法，属于岩石力学和油藏工程技术领域。

背景技术

岩石力学与油藏工程中需要对岩石破裂机理及规律进行大量的力学特性研究。实际地层中的应力情况十分复杂，岩石的破裂受到了很多的因素影响，如外加载荷、岩石孔隙压力、地热因素等都起到了不可忽视的作用。值的注意的是，不同的影响因素会同时发生，他们之间可能会发生相互耦合，因此需要对其综合影响进行针对性的研究。

对于岩石而言，尤其是致密介质岩石，具有明确的微观结构，即基质颗粒之间通过胶结物粘连。由于岩石存在这种非连续性质，在相关的工程研究中，多采用离散单元法进行技术分析。离散单元法是以不连续介质力学为基础的数值模拟技术，因此在使用离散单元法进行模拟之前，需要先进行物理模型试验并解析颗粒间的接触本构关系。

相关领域的学者曾经利用圆柱体和半球体等形状的理想化胶结颗粒试样(8)，研究了常温常压下外加载荷(剪切、拉压、弯转、扭转等)对胶结颗粒的影响。然而实际地层岩石处于高温高压的环境下，发生破裂的诱因也多种多样、十分复杂，因此前人的试验条件和模型选择过于理想化和简单化，不能直接真实的反应出地层条件下岩石球形胶结颗粒的力学行为。

中国专利文件(申请号201710057913.0)公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统。转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机；胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板；所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。该方案尚不能模拟高温环境，所测试的力学性质种类也稍有限制。

为解决上述存在的问题及技术不足，进一步研究高温环境下球形颗粒的接触力学特性，本发明设计了一种新型的测试胶结颗粒接触力学特性的装置系统，所述的装置系统能够提供高温环境条件，通过加载设备对球体胶结颗粒进行多种形式的力学加载，并测定胶结颗粒在不同垂向载荷下的剪切、抗弯、抗扭强度，为岩石力学与油藏工程等相关领域中进行地层岩石破裂的离散元分析研究提供物理模型的试验基础。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置。

本发明还提供上述装置的工作使用方法。

本发明的技术方案如下：

为对胶结颗粒间的接触力学特性进行研究，首先构建理想双球体颗粒胶结模型，简化胶结物(13)上下胶结面为点接触。对其中的胶结物(13)进行受力分析如下：

1、在压缩试验过程中，胶结物(13)仅受到垂向载荷，如图1所示，假设垂向载荷大小为F，那么胶结物(13)受到的总应力大小为2倍垂向载荷，即：

F_合＝2F

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下的力，下表面受到大小为F垂直向上的力。

2、在压缩—旋扭试验过程中，胶结物(13)受到了垂向载荷和旋扭载荷，如图2所示，假设垂向载荷大小为F、旋扭载荷大小为f，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力，大小为f俯视为逆时针的旋扭力；下表面受到大小为F垂直向上的垂向力。

3、在压缩—剪切试验过程中，胶结物(13)受到了垂向载荷和剪切载荷，如图3所示，假设垂向载荷大小为F、剪切载荷大小为f，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力，大小为f水平向右的切向力；下表面受到大小为F垂直向上的垂向力，大小为f水平向左的切向力。

4、在压缩—弯扭试验过程中，胶结物(13)受到了垂向载荷和弯扭载荷，如图4所示，假设垂向载荷大小为F，弯扭载荷大小为f'h，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力；下表面大小为F垂直向上的垂向力，受到大小为f'h的顺时针扭矩。

5、在压缩—弯扭—旋扭试验中，胶结物(13)受到了垂向载荷、旋扭载荷和弯扭载荷，如图5所示，假设垂向载荷大小为F，旋扭载荷大小为f，弯扭载荷大小为f'h，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力，大小为f俯视为逆时针的旋扭力；下表面受到大小为F垂直向上的垂向力，大小为f'h的顺时针扭矩。

基于以上分析，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的装置，所述装置包括：应力场加载装置、温度场加载装置；

应力场加载装置包括颗粒夹持器、上部加载部件、下部加载部件，颗粒夹持器用以夹持待测试的胶结颗粒试样，待测试的胶结颗粒试样有两个、呈竖直上下设置，上部加载部件、下部加载部件用于向胶结颗粒试样施加加载力；

温度场加载装置包括高温环境箱，高温环境箱内设有空腔，空腔内设置应力场加载装置，高温环境箱内壁上设有加热系统、温度传感器，加热系统、温度传感器与外部的温度控制器、外置电源相连，温度控制器控制加热系统工作。温度传感器实时记录箱体内部环境温度。

优选的，所述的颗粒夹持器包括竖直部分、连接杆和锁定扣，每个胶结颗粒试样对应设置至少两个竖直部分，竖直部分通过连接杆联合在一起，上方胶结颗粒试样对应的竖直部分的上端平面设有旋扭力施力凹槽，上部加载部件通过旋扭力施力凹槽与竖直部分连接；每个竖直部分的侧面设有剪切力施力凹槽；下方胶结颗粒试样对应的竖直部分的侧面设有弯扭力施力凹槽；每个胶结颗粒试样对应设置的竖直部分相向一侧水平设有锁定扣。

进一步优选的，剪切力施力凹槽的中心位于胶结颗粒试样球心的水平延长线上。

进一步优选的，同一竖直部分上的弯扭力施力凹槽位于剪切力施力凹槽的竖直下方，弯扭力施力凹槽的数量为至少两个，优选三个。

进一步优选的，所述的应力场加载装置还包括上辅助加载楔块、下辅助加载楔块、滚柱，上部加载部件的竖直截面为T形台，T形台的水平部设有凸起、凸起与竖直部分连接，T形台的垂直部与上辅助加载楔块连接；下部加载部件表面、下辅助加载楔块底面均设有弧形凹槽，弧形凹槽内设有滚柱，下部加载部件通过滚柱连接下辅助加载楔块；上辅助加载楔块、下辅助加载楔块均设有凹球面，凹球面用于贴合胶结颗粒试样。上部加载部件用于加载垂向载荷和扭矩载荷，能够与颗粒夹持器和上辅助加载楔块(16)相连接，从而实现垂向载荷的加载；所述的上辅助加载楔块和下辅助加载楔块来辅助施加垂向载荷、剪切载荷、旋扭载荷以及弯扭载荷；颗粒夹持器设计有锁定扣来固定胶结颗粒，设计有施力凹槽来施加水平约束和弯扭载荷；所述的滚柱用于辅助加载垂向载荷、剪切载荷以及弯矩载荷；所述的下部加载部件用于加载垂向载荷。

进一步优选的，上辅助加载楔块的顶面设有方形凹槽，上部加载部件通过方形凹槽与上辅助加载楔块相契合。下辅助加载楔块的底平面部分设有弧形施力凹槽，可以通过滚柱与下部加载部件相连接。

优选的，加热系统为热电阻丝，热电阻丝缠绕于高温环境箱内表面。

优选的，测试装置还包括数据采集处理装置，所述的数据采集处理装置是由数据采集传感器、控制信号发生器单元、信号转换单元、信号传递单元、伺服阀、伺服放大器组成的闭环控制回路，与液压万能试验机(按照GB/T3159—2008、GB/T228-2002和GB/T7314-2005标准设计制造)配套连接，数据采集处理装置内通过多路高精准24位A/D转换通道互连，采用符合PCI总线标准，所述的数据采集处理装置与液压万能试验机的PC机数据连接，能够在试验的过程中直接获取应力试验中的相关数据并进行处理，并通过PC机屏幕显示处理的试验结果。

进一步优选的，PC机通过I/O接口与温度控制器相连接，同时可以通过检测软件实时控制热电阻丝的加热功率。

一种利用上述装置在高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的试验方法，步骤包括：

步骤1，安装胶结颗粒试样；将制作好的胶结颗粒试样安装到应力场加载装置中，调整胶结颗粒试样位置，保持上下两颗球体位于垂直方向，利用颗粒夹持器紧固固定胶结颗粒试样；将胶结颗粒试样的凸出部分插入固定扣，然后安装连接杆使颗粒夹持器固定；

步骤2，安装辅助加载楔块；分别将上辅助加载楔块、下辅助加载楔块与上下两颗胶结颗粒试样相连接，将凹球面部分与胶结颗粒试样的球体表面贴合；

步骤3，安装加载部件；将上部加载部件安装到应力场加载装置中，将上部加载部件T形台水平部的凸起插入旋扭力施力凹槽中，上部加载部件与上辅助加载楔块相契合；将涂抹有润滑油的滚柱安装在下辅助加载楔块与下部加载部件中间，保证各部件之间接触良好，上述完成后将组合好的应力场加载装置放置到液压万能试验机上；

步骤4，安装温度场加载装置；首先把温度传感器固定在高温环境箱内部壁面上，然后将准备好的热电阻丝均匀紧贴环布高温环境箱内部，绕开温度传感器，将整套温度场加载装置安装在应力场加载装置外围，通过I/O接口与液压万能试验机的PC机相连接，并通电检查温度场加载装置能否正常工作；

步骤5，检测数据采集处理装置工作状态；由于数据采集处理装置属于液压万能试验机的配套装置，因此不需要进行特殊的安装操作；只需要确保液压万能试验机的测量传感器与应力场加载装置应力或应变位置正确接触，并确保PC机能够正常运行相关测控软件和数据处理软件；测量传感器包括压力传感器、位移传感器、变形引伸计；

步骤6，检查所有装置连接准确无误后，开启温度控制器、外置电源、PC机、测量传感器、伺服阀、伺服放大器；

步骤7，从PC机显示屏上观察温度值变化情况，当温度达到100摄氏度时，在PC机端调节加热系统的功率使高温环境箱内温度达到稳定；

步骤8，进行压缩、剪切、弯转、扭转力学载荷加载试验，在PC机导出抗压、抗剪、抗弯、抗扭强度数据以及应力—应变关系、弯矩—转角关系、扭矩—转角关系。

步骤9，断开电源，使高温环境箱内部及胶结颗粒试样表面温度降至室温后，取走温度场加载装置，拆卸应力场加载装置，取下胶结颗粒试样。所述室温为10—20℃。

本发明的有益效果在于：

1.本发明涉及的一种高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的装置系统，可以通过液压万能试验机进行接触力学加载，分别对胶结颗粒进行法向压缩、剪切、弯转、扭转等试验，测定胶结颗粒接触点在不同垂向载荷下的抗压、抗剪、抗弯、抗扭强度等力学特性。

2.本发明涉及的一种高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的装置系统，可以模拟地层岩石的环境温度条件，贴切的模拟地热因素对岩石基质胶结颗粒的破裂影响。

3.本发明涉及的一种高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的装置系统，所述的应力场加载装置，可以针对球形胶结颗粒进行相关力学特性试验，并且该装置拆装方便，便于重复利用，具有良好的实际操作意义及应用价值。

附图说明

图1是理想胶结球形颗粒试样的压缩受力图。

图2是理想胶结球形颗粒试样的压缩—旋扭受力图。

图3是理想胶结球形颗粒试样的压缩—剪切受力图。

图4是理想胶结球形颗粒试样的压缩—弯扭受力图。

图5是理想胶结球形颗粒试样的压缩—弯扭—旋扭受力图。

图6是本发明一种高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的装置系统示意图。

图7是应力场加载装置结构示意图。

图8是温度场加载装置结构示意图。

图9是数据采集处理装置原理图。

附图标记如下：

1、应力场加载装置 2、温度场加载装置

3、数据采集传感器 4、上部加载部件

5、旋扭力施力凹槽 6、竖直部分

7、剪切力施力凹槽 8、胶结颗粒试样

9、下辅助加载楔块 10、滚柱

11、下部加载部件 12、弯扭力施力凹槽

13、胶结物 14、锁定扣

15、连接杆 16、上辅助加载楔块

17、温度传感器 18、热电阻丝

19、高温环境箱。

具体实施方式

为更加准确清晰的体现本发明的原理、技术方案和创新性，下面结合附图以及实施例，对本装置的具体使用方法做更进一步的详细说明。应当理解，本发明的实施例操作及其说明仅仅用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图6所示，一种高温环境中不同垂向载荷下球形胶结颗粒抗剪、抗弯、抗扭强度测试的装置系统，所述装置系统包括：应力场加载装置、温度场加载装置、数据采集处理装置。

所述的应力场加载装置包括：上部加载部件(4)、颗粒夹持器、上辅助加载楔块(16)、下辅助加载楔块(9)、滚柱(10)和下部加载部件(11)。颗粒夹持器用以夹持待测试的胶结颗粒试样，待测试的胶结颗粒试样有两个、呈竖直上下设置，上部加载部件、下部加载部件用于向胶结颗粒试样施加加载力。

所述的上部加载部件(4)的竖直截面为T形台、设计成特殊的T型台形状用于加载垂向载荷和扭矩载荷，能够与颗粒夹持器和上辅助加载楔块(16)相连接，T形台的水平部设有凸起、凸起与竖直部分连接，T形台的垂直部与上辅助加载楔块连接；所述的颗粒夹持器设计有锁定扣(14)来固定胶结颗粒，设计有施力凹槽来施加水平约束和弯矩载荷；下部加载部件表面、下辅助加载楔块底面均设有弧形凹槽，弧形凹槽内设有滚柱，下部加载部件通过滚柱连接下辅助加载楔块，所述的滚柱(10)用于辅助加载垂向载荷、剪切载荷以及弯矩载荷；所述的上辅助加载楔块(16)和下辅助加载楔块(9)用来辅助对胶结颗粒施加各种载荷；所述的下部加载部件(11)用于加载垂向载荷；上辅助加载楔块、下辅助加载楔块均设有凹球面，凹球面用于贴合胶结颗粒试样。所述的应力场加载装置(1)位于所述的温度场加载装置(2)的内部。

所述的温度场加载装置(2)为一温度可调控的高温环境箱(19)，高温环境箱内设有空腔，空腔内设置应力场加载装置，高温环境箱内壁上设有加热系统、温度传感器，加热系统、温度传感器与外部的温度控制器、外置电源相连，温度控制器控制加热系统工作。温度传感器实时记录箱体内部环境温度。所述的加热系统为热电阻丝(18)，位于高温环境箱(19)内部，所述热电阻丝(18)为多圈缠绕于所述的高温环境箱(19)内表面，与所述高温环境箱(19)中并通过外接电源相连；所述的温度控制器设置在箱体外部，为手动操控件，控制热电阻丝(18)工作。

所述的数据采集处理装置是由数据采集传感器(3)、控制信号发生器单元、信号转换单元、信号传递单元、伺服放大器组成的闭环控制回路，与液压万能试验机(按照GB/T3159—2008、GB/T228-2002和GB/T7314-2005标准设计制造)配套连接，液压万能试验机为优鸿测控技术有限公司的液压万能材料试验机，数据采集处理装置是其配套装置；数据采集处理装置内通过多路高精准24位A/D转换通道互连，采用符合PCI总线标准，所述的数据采集处理装置与液压万能试验机的PC机数据连接，能够在试验的过程中直接获取应力试验中的相关数据并进行处理，并通过PC机屏幕显示处理的试验结果。PC机通过I/O接口与温度控制器相连接，同时可以通过检测软件实时控制热电阻丝的加热功率。

本发明需要通过所使用的胶结颗粒试样形状和尺寸、剪切时所需的最大位移和扭转时所需的最大转角，以及加载设备的限制来确定本发明各部件的具体尺寸。在胶结颗粒试样测试时，一般将两颗特制的石英球形颗粒试样按图7所示胶结在一起，进而测试胶结模型的抗压、抗剪、抗弯、抗扭强度等接触力学特性。胶结颗粒试样在受到不同应力载荷时的受力分析图如图1—图5所示。

实施例2：

一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述的颗粒夹持器包括竖直部分、连接杆和锁定扣，每个胶结颗粒试样对应设置两个竖直部分，竖直部分通过连接杆联合在一起，上方胶结颗粒试样对应的竖直部分的上端平面设有旋扭力施力凹槽，上部加载部件通过旋扭力施力凹槽与竖直部分连接；每个竖直部分的侧面设有剪切力施力凹槽；下方胶结颗粒试样对应的竖直部分的侧面设有弯扭力施力凹槽；每个胶结颗粒试样对应设置的竖直部分相向一侧水平设有锁定扣，锁定扣的构造是内部形状为长方柱的圆柱体。

实施例3：

一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，剪切力施力凹槽的中心位于与胶结颗粒试样球心的水平延长线上。

实施例4：

一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其结构如实施例3所述，所不同的是，同一竖直部分上的弯扭力施力凹槽位于剪切力施力凹槽的竖直下方，弯扭力施力凹槽的数量为三个。

实施例5：

一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其结构如实施例4所述，所不同的是，上辅助加载楔块的顶面设有方形凹槽，上部加载部件通过方形凹槽与上辅助加载楔块相契合。

实施例6：

一种利用实施例5所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置的试验方法，其步骤包括：

步骤1，安装胶结颗粒。如图7所示，将胶结好的颗粒直径为10mm，胶结厚度为2mm的胶结颗粒试样(8)竖直放置，使上下两颗粒关于胶结物(13)的中间水平面对称，然后为胶结颗粒试样(8)安装颗粒夹持器，使颗粒夹持器的锁定扣(14)与颗粒试样凸出部分接合，随后安装调节颗粒夹持器的连接杆(15)，并将定位销装入颗粒夹持器竖直部分(6)的销孔，使得上下两颗粒分别被两组颗粒夹持器固定住。本发明的设计的颗粒夹持器可以使得在进行力学试验时，胶结颗粒试样(8)不会发生过度位移或偏转，提高了测量的准确性；

步骤2，安装辅助加载楔块，如图7所示，安装好颗粒夹持器后，需要安装辅助加载楔块。楔块的凹球面部分可以与颗粒的球面完全重合；上辅助加载楔块的顶面设有方形凹槽，上部加载部件可以通过方形凹槽与上辅助加载楔块相契合；下辅助加载楔块的底平面部分设有弧形凹槽，可以通过滚柱与下部加载部件相连接。方形凹槽和弧形凹槽的中心线与两个楔块平面部分的中心对称线重合。进行垂向载荷加载时，通过上辅助加载楔块(16)、下辅助加载楔块(9)的传递，可以使得垂向载荷均匀的加载到颗粒的上表面；进行弯扭载荷加载时，通过滚柱(10)在弧形凹槽内的转动，在保证楔块随着颗粒试样发生转动的同时，垂向载荷不发生方向上的改变。辅助加载楔块的设计有效的避免了作用力发生偏转，较好的控制了试验精度；

步骤3，安装加载部件。将上部加载部件(4)安装到应力场加载装置(1)中，首先将上部加载部件(4)T形台水平部的凸起插入旋扭力施力凹槽中，上部加载部件(4)与上辅助加载楔块(16)相契合，将涂抹有润滑油的滚柱(10)安装在下辅助加载楔块(9)与下部加载部件(11)中间，保证各部件之间接触良好，上述完成后将组合好的应力场加载装置放置到液压万能试验机上；

步骤4，安装温度场加载装置(2)。首先把温度传感器(17)固定在高温环境箱(19)内部壁面上，然后将准备好的热电阻丝(18)均匀紧贴环布高温环境箱(19)内部，绕开温度传感器(17)，将整套温度场加载装置(2)安装在应力场加载装置外围，通过I/O接口与液压万能试验机的PC机相连接，并通电检查温度场加载装置(2)能否正常工作；

步骤5，检测数据采集处理装置工作状态。由于数据采集处理装置属于液压万能试验机的配套装置，因此不需要进行特殊的安装操作。只需要确保液压万能试验机的测量传感器(压力传感器、位移传感器、变形引伸计)与应力场加载装置应力或应变位置正确接触，并确保PC机能够正常运行相关测控软件和数据处理软件。

步骤6，检查所有装置连接准确无误后，开启温度控制器、外置电源、PC机、测量传感器、伺服阀、伺服放大器；

步骤7，从PC机显示屏上观察温度值变化情况，当温度达到100摄氏度时，在PC机端调节加热系统的功率使高温环境箱(19)内温度达到稳定。

步骤8，进行压缩、剪切、弯转、扭转等力学载荷加载试验，在PC机端导出抗压、抗剪、抗弯、抗扭强度等数据以及应力—应变关系、弯矩—转角关系、扭矩—转角关系。

其中，所述的压缩试验操作步骤及结果分析包括：

(1)、将上部加载部件(4)按照图7所示的方式安装，使得各部件接触良好；

(2)、将整套接触力学测试装置放置到液压万能试验机上，为了防止在进行压缩试验时装置发生水平位移，需要通过在装置的左右两侧各加一水平约束(水平约束通过加注润滑油的滚柱(10)与装置连接，但并不施加任何作用力，仅对装置起到水平方向的固定作用)；

(3)、对接触力学测试装置以0.1kN/s的加载速率施加垂向载荷，加载过程直到胶结物(13)被破坏且颗粒球体接触后有一定的挤压停止；

(4)、通过数据采集处理装置采集压缩荷载与相对应的压缩位移，得到压缩荷载—压缩位移的关系曲线，即压缩趋势曲线。分析得到胶结颗粒试样(8)的初始压缩刚度、屈服点、临界抗压强度、弹性压缩阶段、塑性软化阶段、残余强度阶段和胶结物(13)临界残留强度等试验结果。

其中，压缩—旋扭试验操作步骤及结果分析包括：

(1)、与压缩试验的第一步操作步骤相同；

(2)、将整套装置放置到液压万能试验机上，首先进行垂向压缩加载，施加垂直载荷至5kN，然后再施加旋扭载荷；

(3)、检查整套接触力学测试装置，使各部件接触良好。对上部加载部件(4)以0.1kN*mm/s的扭矩加载速率施加旋扭扭矩，加载过程直到胶结物(13)被破坏且颗粒球体完全分离停止；

(4)、以5kN为一个单位，逐次增加垂向荷载值，重复步骤(1)至(3)；

(5)、通过数据采集处理装置采集到不同垂向载荷下的旋扭荷载与相对应的扭转位移，得到不同垂向载荷下旋扭载荷—扭转角的关系曲线(即旋扭特征曲线)、垂向载荷—旋扭载荷关系曲线，分析得到胶结颗粒试样(8)的临界抗扭强度、塑性软化阶段以及压缩-旋扭力学加载的结构稳定区间。

其中，压缩—剪切试验操作步骤及结果分析包括：

(1)、与压缩试验的第一步操作步骤相同；

(2)、将整套接触力学测试装置放置到液压万能试验机上，首先进行垂向压缩加载，施加垂直载荷至5kN，然后再施加剪切载荷；

(3)、对接触力学测试装置施加上下两部分反向等大的剪切载荷。剪切载荷施力点设置在颗粒夹持器的剪切力施力凹槽(7)上，水平力加载设备与本装置部件之间用加注润滑油的滚柱(10)连接，使得各部件接触良好。剪切载荷加载时为减小试验误差试验误差，设定较小的水平方向载荷加载速度，取0.1kN/s为加载速率。加载过程直到胶结物(13)被破坏且上下颗粒球体完全分离停止；

(4)、以5kN为一个单位，逐次增加垂向荷载值，重复步骤(1)至(3)；

(5)、通过数据采集系统采集到不同垂向载荷下的剪切荷载与相对应的剪切位移，得到不同垂向压力下剪切荷载—剪切位移的关系曲线(即剪切特征曲线)、剪切载荷—垂向载荷关系曲线，分析得到胶结颗粒试样(8)的临界抗剪强度、应力蠕变阶段、应力骤变阶段、剪切荷载与法向荷载的关系以及压剪结构稳定区间。

其中，压缩—弯扭试验操作步骤及结果分析包括：

(1)、与压缩试验第一步操作步骤相同；

(2)、将整套接触力学测试装置放置到液压万能试验机上，首先进行垂向压缩加载，施加垂直载荷至5kN，然后再施加弯矩载荷；

(3)、对接触力学测试装置施加弯扭载荷。对位于装置上半部分的颗粒夹持器施加相向的水平载荷，使得上半部分保持静止，施力点设置在颗粒夹持器两侧的剪切力施力凹槽(7)上；对位于装置下部分的颗粒夹持器施加相向的水平载荷，施力点一端设置在颗粒夹持器一侧的弯扭力施力凹槽(12)上，另一端设置在颗粒夹持器的另一侧剪切力施力凹槽(7)上。水平力加载设备与本装置部件之间用加注润滑油的滚柱(10)连接，并使得各部件接触良好。水平载荷加载时为减小试验误差试验误差，设定较小的水平方向载荷加载速度，取0.1kN/s为加载速率。加载过程直到上下颗粒相对扭转角度大于5°停止；

(4)、以5kN为一个单位，逐次增加垂向荷载值，重复步骤(1)至(3)；

(5)、改变弯扭力施力凹槽(12)，重复步骤(1)至(4)；

(6)、通过数据采集系统采集到不同垂向载荷下的弯矩荷载与相对应的弯转位移，得到不同垂向压力下弯扭载荷—弯转角的关系曲线(即弯扭特征曲线)、垂向载荷—弯扭载荷关系曲线，分析得到胶结颗粒试样(8)的临界抗弯强度、塑性软化阶段以及压缩—弯扭力学加载的结构稳定区间。

其中，压缩—弯扭—旋扭试验操作步骤及结果分析包括：

(1)、与压缩试验的第一步操作步骤相同。

(2)、将整套接触力学测试装置放置在液压万能试验机上，首先进行垂向压缩加载，施加垂直载荷至5kN；

(3)、对装置同时施加旋扭载荷和弯扭载荷。检查整套接触力学测试装置，使各部件接触良好，对上部加载部件(4)以0.1kN*mm/s的扭矩加载速率施加旋扭扭矩，对位于装置下部分的颗粒夹持器施加相向的水平载荷，施力点一端设置在颗粒夹持器一侧的弯扭力施力凹槽(12)上，另一端设置在颗粒夹持器的另一侧剪切力施力凹槽(7)上，取0.1kN/s为加载速率。加载过程直到胶结物(13)被破坏且颗粒球体完全分离停止；

(4)、以5kN为一个单位，逐次增加垂向荷载值，重复步骤(1)至(3)；

(5)、通过数据采集系统采集到旋扭载荷与弯扭载荷都存在的情况下，旋扭载荷-扭转角的关系、弯扭载荷-弯转角的关系以及不同垂向载荷下临界抗扭强度-临界抗剪强度的强度包络线，并且与各力矩单独存在时的抗扭强度、抗剪强度进行对比，分析得到胶结颗粒试样(8)同时受弯矩和扭矩的情况下下抗扭强度、抗剪强度和垂向载荷的相互影响关系，定量得到胶结颗粒的在多力矩加载下的破坏边界条件和结构稳定区间。

在进行各力学实验过程中，需要注意以下几点：

(1)、在胶结颗粒试样(8)安装过程中需要小心精心操作，避免胶结模型发生损坏。

(2)、保持各个接触点接触良好，并在滚柱(10)与各施力凹槽之间加注润滑油，减少摩擦阻力对试验的影响。

(3)、在对胶结颗粒试样(8)加载时，需要注意加载过程。压缩试验中，要按照一定的加载速率施加垂向载荷；剪切和旋扭试验中，要先加载垂向载荷，后加载其他载荷，施力加载顺序不能交换，垂向载荷要一次性施加一个稳定值，剪切和旋扭荷载是按照一定的位移速率来施加。

步骤9，断开电源，使高温环境箱(19)内部及胶结颗粒试样表面温度降至室温后，取走温度场加载装置(2)，拆卸应力场加载装置，取下胶结颗粒试样。

本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的工作者理解和使用本发明，本发明不限于上述实施例，根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，所述装置包括：应力场加载装置、温度场加载装置；

应力场加载装置包括颗粒夹持器、上部加载部件、下部加载部件，颗粒夹持器用以夹持待测试的胶结颗粒试样，待测试的胶结颗粒试样有两个、呈竖直上下设置，上部加载部件、下部加载部件用于向胶结颗粒试样施加加载力；

温度场加载装置包括高温环境箱，高温环境箱内设有空腔，空腔内设置应力场加载装置，高温环境箱内壁上设有加热系统、温度传感器，加热系统、温度传感器与外部的温度控制器、外置电源相连，温度控制器控制加热系统工作。

2.根据权利要求1所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，所述的颗粒夹持器包括竖直部分、连接杆和锁定扣，每个胶结颗粒试样对应设置至少两个竖直部分，竖直部分通过连接杆联合在一起，上方胶结颗粒试样对应的竖直部分的上端平面设有旋扭力施力凹槽，上部加载部件通过旋扭力施力凹槽与竖直部分连接；每个竖直部分的侧面设有剪切力施力凹槽；下方胶结颗粒试样对应的竖直部分的侧面设有弯扭力施力凹槽；每个胶结颗粒试样对应设置的竖直部分相向一侧水平设有锁定扣。

3.根据权利要求2所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，剪切力施力凹槽的中心位于与胶结颗粒试样球心的水平延长线上。

4.根据权利要求2所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，同一竖直部分上的弯扭力施力凹槽位于剪切力施力凹槽的竖直下方，弯扭力施力凹槽的数量为至少两个，优选三个。

5.根据权利要求2所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，所述的应力场加载装置还包括上辅助加载楔块、下辅助加载楔块、滚柱，上部加载部件的竖直截面为T形台，T形台的水平部设有凸起、凸起与竖直部分连接，T形台的垂直部与上辅助加载楔块连接；下部加载部件表面、下辅助加载楔块底面均设有弧形凹槽，弧形凹槽内设有滚柱，下部加载部件通过滚柱连接下辅助加载楔块；上辅助加载楔块、下辅助加载楔块均设有凹球面，凹球面用于贴合胶结颗粒试样；所述的滚柱用于辅助加载垂向载荷、剪切载荷以及弯矩载荷。

6.根据权利要求5所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，上辅助加载楔块的顶面设有方形凹槽，上部加载部件通过方形凹槽与上辅助加载楔块相契合。

7.根据权利要求1所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，加热系统为热电阻丝，热电阻丝缠绕于高温环境箱内表面。

8.根据权利要求1所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，测试装置还包括数据采集处理装置，所述的数据采集处理装置是由数据采集传感器、控制信号发生器单元、信号转换单元、信号传递单元、伺服放大器组成的闭环控制回路，与液压万能试验机配套连接，数据采集处理装置内通过24位A/D转换通道互连，所述的数据采集处理装置与液压万能试验机的PC机数据连接。

9.根据权利要求8所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置，其特征在于，液压万能试验机的PC机通过I/O接口与温度控制器相连接。

10.一种利用权利要求1-9任意一项权利要求所述的高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置的试验方法，步骤包括：

步骤1，安装胶结颗粒试样；将制作好的胶结颗粒试样安装到应力场加载装置中，调整胶结颗粒试样位置，保持上下两颗球体位于垂直方向，利用颗粒夹持器紧固固定胶结颗粒试样；

步骤2，安装辅助加载楔块；分别将上辅助加载楔块、下辅助加载楔块与上下两颗胶结颗粒试样相连接，将凹球面部分与胶结颗粒试样的球体表面贴合；

步骤3，安装加载部件；将上部加载部件安装到应力场加载装置中，将上部加载部件T形台水平部的凸起插入旋扭力施力凹槽中，上部加载部件与上辅助加载楔块相契合；将滚柱安装在下辅助加载楔块与下部加载部件中间，上述完成后将力场加载装置放置到液压万能试验机上；

步骤4，安装温度场加载装置；首先把温度传感器固定在高温环境箱内部壁面上，然后将热电阻丝均匀紧贴环布高温环境箱内部，绕开温度传感器，将整套温度场加载装置安装在应力场加载装置外围，通过I/O接口与液压万能试验机的PC机相连接，并通电检查温度场加载装置能否正常工作；

步骤5，检测数据采集处理装置工作状态；确保液压万能试验机的测量传感器与应力场加载装置应力或应变位置正确接触，并确保PC机能够正常运行测控软件和数据处理软件；测量传感器包括压力传感器、位移传感器、变形引伸计；

步骤6，检查所有装置连接准确无误后，开启温度控制器、外置电源、PC机、测量传感器、伺服阀、伺服放大器；

步骤7，从PC机显示屏上观察温度值变化情况，当温度达到100摄氏度时，在PC机端调节加热系统的功率使高温环境箱内温度达到稳定；

步骤8，进行压缩、剪切、弯转、扭转力学载荷加载试验，在PC机导出抗压、抗剪、抗弯、抗扭强度数据以及应力—应变关系、弯矩—转角关系、扭矩—转角关系；

步骤9，断开电源，使高温环境箱内部及胶结颗粒试样表面温度降至室温后，取走温度场加载装置，拆卸应力场加载装置，取下胶结颗粒试样。