CN107991170A - 测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室及其操作方法，包括基座和设置在基座上的压力舱，压力舱内为提供围压的密闭容腔，压力舱内连接的压力传感器与精密体积压力控制器共同作用，通过调节进出水量保证舱内压力严格不变，故进出水量即为岩石试样的体应变，最后与竖向应变进行换算得到泊松比。本发明避免了传统贴应变片方法中位置选择时所受操作人员的主观影响的误差，也避免了应变片导线所带来的漏液现象；同时一次实验即可获得所有参数，避免了多次试验造成的数据不统一误差，极大的简化了实验操作过程，提高了实验效率；围压是通过进水孔的注水提供的，相较于传统的油压而言，水来源广、更加经济易于控制。

Description

测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室及其操作方法
技术领域
本发明属于岩土工程学科土工实验领域，具体涉及一种测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室及其操作方法。
背景技术
在土木工程领域中，土的本构关系十分重要且十分复杂，它揭示了土的应力-应变变形特性。岩石三轴实验的体积应变是本构关系的重要参数，主要通过泊松比结合轴向应变计算得到。波松比的获取方法主要为以下两种：(1)先进行岩石的单轴实验，在不加围压的情况下，通过在岩块试样的侧面粘贴电阻式应变片测量岩块的横向应变ε2和竖向应变ε1，通过计算μ＝ε2/ε1得到土的波松比，将其结果应用于三轴实验中。这种方法虽然能直接通过应变片的测得，但是存在两个问题：a、在单轴实验中测量完横向应变和纵向应变后，所测试岩块已经被损坏，在进行三轴实验时需要采用新的岩块，这就导致三轴实验采用的波松比其实并不是该试样的波松比，从而造成很大的误差；b、一些小的裂隙会对实验结果造成重要影响，而该方法在应变片所贴的位置选择上没有统一的规定或要求，因此受操作人员主观影响很大，所以此方法得到的结果并不能准确反映岩块的波松比。(2)目前也有直接用三轴实验测量的方法，即用橡皮膜包裹岩样提供围压，同样采用贴应变片的方法，用油压进行加载通过电阻片得到横向应变和纵向应变。这种方法虽然避免了上述更换试样所带来的实验误差，但其仍然有以下三方面问题：a、该方法通过橡皮膜对岩样进行包裹，由于岩块三轴实验所加的应力很大，容易造成橡皮膜的破坏。b、电阻应变片需要通电，导线的出入也降低了橡皮膜的密封性，在巨大的液压下容易造成实验过程中的漏油情况c、该方法同样面临应变片位置选择受主观性影响较大的问题。
总之，无论采用哪种方法均需要在试样上贴应变片，此方法造成传统的岩石泊松比测试存在较大误差，导致采用该泊松比计算最终得到的岩石三轴实验的体积应变及应力-应变曲线的准确性也不高。因此，如何在三轴实验中精确测量岩块体积应变是一个值得关注的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室及其操作方法，解决了现有技术中存在的单轴实验参数用于三轴实验所导致的不准确、应变片位置选取带来的误差、现有实验过程不易操作问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，包括基座和设置在基座上的压力舱，压力舱为提供围压的密闭容腔，内设有用于承载岩石试样的承样平台，还包括设置在岩石试样顶部加压帽，承样平台与岩石试样之间以及岩石试样与加压帽之间均设置有透水石，还包括贯穿基座和承样平台用于对岩石试样进行饱和的进水管，加压帽上设置有一上下贯通的排水管，排水管连接至开设在基座上的出水孔；
压力舱上设置有用于装样时的对中观察和完整试样破坏过程观察的观测窗；压力舱内还设置有用于测量舱内压力的压力传感器，压力传感器与精密体积压力控制器连接，精密体积压力控制器通过进出水管连通压力舱内腔；
压力舱顶部设置有活塞套杆组件，活塞套杆组件内套设有传力装置，传力装置的前端伸入压力舱内腔作用在加压帽上，传力装置的尾端连接有加载装置，加载装置上固定连接有用于测量传力装置位移的位移百分表。
进一步的，压力舱采用厚壁不锈钢制备，为无变性的纯刚性舱。
进一步的，观测窗包括分别设置压力舱两侧的第一观测窗和第二观测窗，第一观测窗和第二观测窗位于压力舱中上部，与试样加压顶帽同高度。
进一步的，第一观测窗和第二观测窗均为带透镜功能的高强有机玻璃。
进一步的，加压帽位于岩样上表面中心，加压帽的顶部中心为内凹的结构设置，传力装置作用于加压帽的顶部中心位置。
进一步的，还包括用于确保传力装置运动轨迹为竖直方向的活塞套杆组件，活塞套杆组件与传力装置之间设置有至少三层密封圈。
进一步的，压力舱顶部设置有纵向支杆，纵向支杆上设置有可沿其纵向升降的用于确定位移百分表初始位置的承台。
进一步的，压力舱顶部还设置有排气孔，排气孔内设置有排气螺栓。
本发明还提供了测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室的操作方法，从基座上取掉压力舱，承样平台上套好橡皮膜，在橡皮膜内自下而上依次放置透水石、岩石试样、透水石和加压帽，并通过侧壁观测窗进行观察，保持其竖直对齐，岩石试样安装完毕后，将压力舱与基座紧固，松开压力舱顶部的排气螺钉，通过进出水管向压力舱中注水，当压力舱内水从排气孔溢出时，停止进水孔注水，拧紧排气螺钉，通过精密压力体积控制器控制进/出水量继续向压力舱内注水进行施加围压至既定大小。
当研究对象为饱和岩样时，通过打开试样进水管和出水管向岩石试样中注水，饱和过程由反压控制器控制直至岩石试样饱和。
采用本发明的装置在岩石三轴实验中测量岩石试样体积应变的方法，在完成上述操作后通过进水孔对压力舱内进行加水提供围压，当压力传感器显示检测到舱内压力达到既定压力时施加竖向荷载，在加载过程中，精密体积压力控制器可根据压力传感器数据通过控制进/出水量保证舱内压力不变，并记录相应的进出水体积。实验结束后根据进/出水口的体积计直接得到岩石试样的体应变εv，以及传力装置的位移即竖向应变ε1，根据应变换算公式εv＝ε1+2ε2得到ε2，最后通过公式μ＝ε2/ε1计算得到岩石试样的波松比。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，首先，能对岩样进行三轴实验直接测得岩样的体应变，通过换算得到岩石的波松比，避免了单轴实验后更换岩样带来的实验误差，一次实验即可得到结果，大大提高了实验效率；同时，本发明通过压力传感器的即时反馈作用保证了压力舱的压力恒定，通过精密体积压力控制器控制舱内进/出水口水量严格控制舱内体积不变，确保了进出水量即为岩石试样的体应变，避免了传统贴应变片方法中位置选择时所受操作人员的主观影响，也避免了应变片导线所带来的漏液现象，极大的简化了实验操作过程，提高了实验效率；围压是通过进水孔的注水提供的，相较于传统的油压而言，水来源广、更加经济易于控制。
进一步的，压力舱采用厚壁不锈钢制备，为无变性的纯刚性舱，能承受更大的内部压力，且受压后不变形，从而实现了水体积变化等于岩石试样体积的变化，保证了实验结果的精确性。
进一步的，压力舱两侧的观测窗内为具有放大功能的透镜结构，可以进行装样时的对中观察并可观察到试样破坏的完整过程，保证了实验结果的准确性。
进一步的，观测窗的设置以及加压帽的顶部中心为内凹的结构设置，都能够有助于确认和辅助传力装置正好作用于加压帽的顶部中心位置，保证过了实验的精确程度。
综合来说，本发明装置通过合理的结构设计，实现了通过三轴实验获取岩石波松比的控制更加简便，操作更加便捷，结果更加准确。
附图说明
图1是可测岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室结构示意图。
附图中：1-位移百分表，2-承台，3-排气螺栓，4-加压帽，5-第一观测窗，6-岩石试样，7-固定螺栓，8-基座，9-加载装置，10-传力装置，11-活塞套杆组件，12-试样排水管，13-第二观测窗，14-压力舱，15-出水孔，16-透水石，17-进出水管，18-承样平台，19-试样进水管，20-压力传感器，21-精密体积压力控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室包括基座8和设置在基座8上的压力舱14，两者之间通过固定螺栓7实现固定，压力舱14为提供围压的密闭容腔，内设有用于承载岩石试样6的承样平台18，还包括设置在岩石试样6顶部加压帽4，承样平台18与岩石试样6之间以及岩石试样6与加压帽4之间均设置有透水石16；加压帽4位于岩样9上表面中心，加压帽4的顶部中心为内凹的结构设置，传力装置10作用于加压帽4的顶部中心位置；还包括用于确保传力装置10运动轨迹为竖直方向的活塞套杆组件11，活塞套杆组件11与传力装置10之间设置有至少三层密封圈。
还包括贯穿基座8和承样平台18用于对岩石试样6进行饱和的试样进水管19，加压帽4上设置有一上下贯通的试样排水管12，试样排水管12连接至开设在基座8上的出水孔15；
压力舱14采用厚壁不锈钢制备，为无变性的纯刚性舱，在三轴固结及剪切过程中的围压作用下无变性、可保持围压舱固有体积不变，保证了压力舱中围压水的体积变化即为岩石试样在剪切过程中产生的体积变化。
压力舱14上设置有用于装样时的对中观察和完整试样破坏过程观察的观测窗，观测窗包括分别设置压力舱14两侧的第一观测窗5和第二观测窗13，第一观测窗5和第二观测窗13位于压力舱14中上部，与试样加压顶帽4同高度，第一观测窗5和第二观测窗13均为带透镜功能的高强有机玻璃；能在开窗面积较小的条件下，有效放大观测视野。
压力舱14内还设置有用于测量舱内压力的压力传感器20，压力传感器20与精密体积压力控制器21连接，精密体积压力控制器21通过进出水管17连通压力舱14内腔；精密体积压力控制器21能控制并精确测得经进/出压力舱的水量，保持三轴剪切过程中的围压值严格不变；精密体积压力控制器21与压力传感器20共同作用，可在监测压力舱内部压力的同时，通过调节进/出压力仓14的围压水量，严格保持固结及剪切过程中压力舱14的围压与设定值一致，精密体积压力控制器21还能精确测得试验过程中流经进/出水管17的围压水的体积，该体积值即为岩石试样在实验过程中的体积变化量。
压力舱14顶部设置有活塞套杆组件11，活塞套杆组件11内套设有传力装置10，传力装置10的前端伸入压力舱14内腔作用在加压帽4上，传力装置10的尾端连接有加载装置9，加载装置9上固定连接有用于测量传力装置10位移的位移百分表1。
压力舱14顶部设置有纵向支杆，纵向支杆上设置有可沿其纵向升降的用于确定位移百分表1初始位置的承台2，压力舱14顶部还设置有排气孔，排气孔内设置有排气螺栓3。
进行试验时，从基座上取掉压力舱，承样平台上套好橡皮膜，在橡皮膜内自下而上依次放置透水石、岩石试样、透水石和加压帽，并通过侧壁观测窗进行观察，保持其竖直对齐，岩石试样安装完毕后，将压力舱与基座紧固，松开压力舱顶部的排气螺钉，通过进出水管向压力舱中注水，当压力舱内水从排气孔溢出时，停止进水孔注水，拧紧排气螺钉，通过精密压力体积控制器控制进/出水量继续向压力舱内注水进行施加围压至既定大小。
当研究对象为饱和岩样时，通过打开试样进水管和出水管向岩石试样中注水，饱和过程由反压控制器控制直至岩石试样饱和。
采用本发明的装置在岩石三轴实验中测量岩石试样体积应变的方法，在完成上述操作后通过进水孔对压力舱内进行加水提供围压，当压力传感器显示检测到舱内压力达到既定压力时施加竖向荷载，在加载过程中，精密体积压力控制器可根据压力传感器数据通过控制进/出水量保证舱内压力不变，并记录相应的进出水体积。实验结束后根据进/出水口的体积计直接得到岩石试样的体应变εv，以及传力装置的位移即竖向应变ε1，根据应变换算公式εv＝ε1+2ε2得到ε2，最后通过公式μ＝ε2/ε1计算得到岩石试样的波松比。

Claims (10)

1.测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，包括基座(8)和设置在基座(8)上的压力舱(14)，压力舱(14)为提供围压的密闭容腔，内设有用于承载岩石试样(6)的承样平台(18)，还包括设置在岩石试样(6)顶部加压帽(4)，承样平台(18)与岩石试样(6)之间以及岩石试样(6)与加压帽(4)之间均设置有透水石(16)，还包括贯穿基座(8)和承样平台(18)用于对岩石试样(6)进行饱和的试样进水管(19)，加压帽(4)上设置有一上下贯通的试样排水管(12)，试样排水管(12)连接至开设在基座(8)上的出水孔(15)；
压力舱(14)上设置有用于装样时的对中观察和完整试样破坏过程观察的观测窗；压力舱(14)内还设置有用于测量舱内压力的压力传感器(20)，压力传感器(20)与精密体积压力控制器(21)连接，精密体积压力控制器(21)通过进出水管(17)连通压力舱(14)内腔；
压力舱(14)顶部设置有活塞套杆组件(11)，活塞套杆组件(11)内套设有传力装置(10)，传力装置(10)的前端伸入压力舱(14)内腔作用在加压帽(4)上，传力装置(10)的尾端连接有加载装置(9)，加载装置(9)上固定连接有用于测量传力装置(10)位移的位移百分表(1)。
2.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，压力舱(14)采用厚壁不锈钢制备，为无变性的纯刚性舱。
3.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力舱，其特征在于，观测窗包括分别设置压力舱(14)两侧的第一观测窗(5)和第二观测窗(13)，第一观测窗(5)和第二观测窗(13)位于压力舱(14)中上部，与试样加压顶帽(4)同高度。
4.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，第一观测窗(5)和第二观测窗(13)均为带透镜功能的高强有机玻璃。
5.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，加压帽(4)位于岩样(9)上表面中心，加压帽(4)的顶部中心为内凹的结构设置，传力装置(10)作用于加压帽(4)的顶部中心位置。
6.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，还包括用于确保传力装置(10)运动轨迹为竖直方向的活塞套杆组件(11)，活塞套杆组件(11)与传力装置(10)之间设置有至少三层密封圈。
7.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，压力舱(14)顶部设置有纵向支杆，纵向支杆上设置有可沿其纵向升降的用于确定位移百分表(1)初始位置的承台(2)。
8.根据权利要求1所述的测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室，其特征在于，压力舱(14)顶部还设置有排气孔，排气孔内设置有排气螺栓(3)。
9.测量岩石试样体积应变的三轴实验仪压力室的操作方法，其特征在于，从基座(8)上取掉压力舱(14)，承样平台(18)上套好橡皮膜，在橡皮膜内自下而上依次放置透水石、岩石试样(6)、透水石和加压帽(4)，并保持其竖直对齐，岩石试样(6)安装完毕后，将压力舱(14)与基座(8)紧固，松开压力舱(14)顶部的排气螺钉(3)，通过进出水管(17)向压力舱(14)中注水，当压力舱(14)内水从排气孔溢出时，停止注水，拧紧排气螺钉(6)，通过精密压力体积控制器控制进出水管(17)继续注水保持围压。
10.根据权利要求9所述的一种测量岩石试样体积应变的三轴试验仪压力室的操作方法，其特征在于，当研究对象为饱和岩样时，通过打开试样进水管(19)上的阀门向岩石试样(6)中注水，饱和过程由反压控制器控制直至岩石试样饱和。
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