CN108801778A - 一种三轴试验机岩心夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴试验机岩心夹持器，涉及岩石力学特性测试技术领域，本发明结构简单、紧凑，中间环节少，组装方便，稳定性好；岩心夹持器内部设置有传感器，灵敏度高，精度比压力表高，本发明可实现压力系统操作过程的自动控制和遥测，保证了设备平稳地运行，增强了安全保障，提高了工作效率；岩心夹持器为高刚度设计，刚度达20GN/m，内部空间较传统岩心夹持器要小，更加符合试样尺寸，有效地节约了占用空间，此设计结构使设备整体刚度得到提升，远大于传统设备整体刚度，绝对的刚度能够保证试验过程中应力应变曲线平滑，极大地提高了试验测量精度。

Description

一种三轴试验机岩心夹持器

技术领域

本发明涉及岩石力学特性测试技术领域，具体是一种三轴试验机岩心夹持器。

背景技术

随着近些年来国内基础建设的快速发展，建设规模越来越大，紧随而来的工程问题频发，涉及的岩土力学问题也越来越复杂，这种形势就迫使我们进一步改进和开发土工测试技术。经过科学的试验研究确定岩石的各项参数指标，达到合理的选择和使用以及更深入地认识岩体在不同地质环境中的力学特性，以保证施工的安全、经济。

随着土工测试技术的不断发展，三轴试验机已经广泛应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应用等领域。三轴试验机，是一种符合现代岩土力学研究领域，研究岩石(土)力学特性的新型试验设备，岩石三轴试验是研究岩石力学的一种重要手段，岩石三轴试验数据是研究岩石力学的重要参数。它能比较完整地模拟岩石（土）在原始地应力状态下的力学性能，是工程设计的重要依据。由于深部岩体处于复杂的应力状态，在很多情况下,简单应力状态下的岩石应力试验不能完全反映工程实际中的岩体应力状态，必须充分认识复杂应力状态下岩石的力学性质。因此开展三轴状态下的岩石试验研究显得十分重要。

在岩石三轴试验机中，岩心夹持器是设备的核心部件，为试样提供反力以及承受围压，并且其结构刚度直接影响到设备整体刚度，因此，岩心夹持器结构刚度就显得极其重要。传统三轴试验机中岩心夹持器框架内部空间过大，达到了690ｍｍｘ1520ｍｍ，框架垂直空间相对与试样尺寸高度有着巨大差异，在空白区间就需要添加支撑的立柱或其他压垫，增加了环节数，其结构缺点是：由于结构环节数多且每个环节之间均留有间隙，立柱或压垫受压时会产生变形，导致作用到试样上的刚度大大降低，造成框架刚度大而系统刚度小的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴试验机岩心夹持器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三轴试验机岩心夹持器，包括压力室筒体、岩心夹持器筒体、岩心组件、位于岩心夹持器筒体内部的内置传感器和安全组件，其特征在于，所述岩心夹持器筒体、岩心组件和内置传感器安置于压力室筒体内部，岩心组件与岩心夹持器筒体的内壁之间的空间形成围压腔，岩心组件包括固定于围压腔底部的垫块、位于垫块上部的下压垫、位于下压垫上部的岩心试样和位于岩心试样上部的上压垫；所述内置传感器的底部固定安装有球座，球座上安装有球头，且球头位于上压垫的正上方；所述安全组件包括连接件、安全连接件和安全插销，安全连接件与安全插销对称设置于压力室筒体外侧，连接件安装在安全插销的下方。

作为本发明进一步的方案：所述下压垫、垫块和围压腔的底部中心均开有螺纹凹槽，细螺栓与螺纹凹槽紧密咬合。

作为本发明再进一步的方案：所述压力室筒体内侧设有导向带、第一O型圈、第二O型圈、第三O型圈和挡圈，导向带起到压力室筒体上下导向作用，第三O型圈和挡圈用于压力室筒体的密封。

作为本发明再进一步的方案：所述压力室筒体外壁开设有加热圈槽，加热圈槽内镶嵌加热圈。

作为本发明再进一步的方案：所述垫块的两侧分别安置通信法兰和孔隙法兰，通信法兰和孔隙法兰分别作为高压室内外通讯用法兰和孔隙水及孔隙气试验的过渡法兰。

作为本发明再进一步的方案：所述内置传感器的最高使用围压为100MPa，内置传感器的耐温温度为150-200摄氏度。

作为本发明再进一步的方案：所述岩心夹持器筒体为42CrMn合金材料制成，岩心夹持器筒体框架内空间145mmX250mm，刚度为20GN/m。

作为本发明再进一步的方案：所述岩心试样的尺寸范围：直径25mm-100mm，高度为直径的1.8-2.2倍。

作为本发明再进一步的方案：所述岩心夹持器筒体的顶部通过高强螺栓23与轴向加载油缸连接。

作为本发明再进一步的方案：所述内置传感器的底部通过螺栓固定安装有球座。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明结构简单、紧凑，中间环节少，组装方便，稳定性好；

2、岩心夹持器内部设置有传感器，灵敏度高，精度比压力表高，本发明可实现压力系统操作过程的自动控制和遥测，保证了设备平稳地运行，增强了安全保障，提高了工作效率；

3、岩心夹持器为高刚度设计，刚度达20GN/m，内部空间较传统岩心夹持器要小，更加符合试样尺寸，有效地节约了占用空间，此设计结构使设备整体刚度得到提升，远大于传统设备整体刚度，绝对的刚度能够保证试验过程中应力应变曲线平滑，极大地提高了试验测量精度；

4、本发明的岩心夹持器能够承受100Mpa的围压、200℃的温度，能很好地满足测试实验要求，有效地模拟岩体介质在高地应力，高温下的复杂环境，从而更有利于研究岩石在不同环境下的力学特性。

附图说明

图1为一种三轴试验机岩心夹持器正视剖面图；

图2为一种三轴试验机岩心夹持器左视剖面图；

图3为一种三轴试验机岩心夹持器框架示意图；

图4为一种三轴试验机整体结构剖面图；

图5为一种三轴试验机岩心夹持器试样安装示意图。

其中：1-岩心夹持器筒体，2-通信法兰，3-孔隙法兰，4-垫块，5-第一O型圈，6-第二O型圈，7-压力室筒体，8-第三O型圈，9-挡圈，10-导向带，11-安全连接件，12-连接件，13-下压垫，14-上压垫，15-岩心试样，16-球座，17-球头，18-螺栓，19-内置传感器，20-安全插销，21-高压连接器，22-细螺栓，23-高强螺栓，24-加热圈槽，25-注入油孔，26-围压腔，27-变形传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-5，一种新型的三轴试验机岩心夹持器，包括压力室筒体7、岩心夹持器筒体1、岩心组件、内置传感器19及安全组件，岩心夹持器筒体1、岩心组件和设置在岩心夹持器筒体1内部的内置传感器19安置于压力室筒体7内部，压力室筒体7内侧设有导向带10、第一O型圈5、第二O型圈6、第三O型圈8和挡圈9，第三O型圈8和挡圈9与压力室筒7的出孔密封连接，导向带10起到压力室筒体7上下导向作用，第三O型圈8和挡圈9用于压力室筒7的密封；压力室筒体7外壁开设有加热圈槽24，加热圈槽24内镶嵌有加热圈，压力室筒7由工程油缸所驱动实现压力室筒7的开启和闭合，闭合后只需要将安全插销20插入即可，无需固定锁紧装置。

请参阅图1和4，岩心组件与岩心夹持器筒体1内壁之间的空间形成围压腔26，岩心组件包括上压垫14、下压垫13、垫块4以及岩心试样15，岩心试样15夹持在上压垫14与下压垫13之间，试样15尺寸范围为直径25mm-100mm，高度为直径的1.8-2.2倍，根据试验需求选取尺寸，扩大了设备的检测范围，上压垫14与下压垫13分别设置在岩心试样15上部和下部，下压垫14、垫块4及围压腔26底部中心均开有螺纹凹槽，通过细螺栓22与螺纹凹槽紧密咬合，分别将下压垫13与垫块4，垫块4与围压腔26底部连接固定，垫块4两侧分别安置了通信法兰2和孔隙法兰3，分别作为高压室内外通讯用法兰和孔隙水及孔隙气试验的过渡法兰。

请参阅图4，内置传感器19最高使用围压为100MPa,耐温短时间200摄氏度，长时间150摄氏度，保证有效地测试到试样15的受力状态，球座16通过螺栓18固定在内置传感器19底部，球头17与球座16相连，且球头17位于上压垫14上方，球头17与球座16配合保证试样15均匀受力；安全组件包括连接件12、安全连接件11和安全插销20，安全连接件11与安全插销20对称设置于压力室筒体7外侧，连接件12安置在安全插销20下方。

请参阅图1-5，试验过程中，先将岩心试样15夹持在上压垫14与下压垫13之间，接着将变形传感器安装固定于岩心试样15上，然后打开压力室筒7，把准备好的岩心试样15放置在垫块4上，通过细螺栓22将下压垫14、垫块4和围压腔26底部固定在一起，再将变形传感器27连接到高压连接器21上，打开软件连接控制器查看变形传感器27显示数值，并通过数值调整传感器铁芯到合适位置，接着闭合压力室筒7，将安全插销20插入，确保装置锁紧，然后给围压腔26冲液，液压油通过注入油孔进入围压腔26，施加围压到指定数值，再给轴向施加一个预紧力，根据试验要求确定是否需要启动加热圈进行高温试验，岩心夹持器筒体1的高结构刚度保证试验过程中曲线平滑，极大地提高了试验测量精度。试验完成后，卸载围压和轴压，液压油回流之后，打开压力室筒7，拆卸试样15及变形传感器27，将配件工具归位，清理现场完成试验。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种三轴试验机岩心夹持器，包括压力室筒体（7）、岩心夹持器筒体（1）、岩心组件、位于岩心夹持器筒体（1）内部的内置传感器（19）和安全组件，其特征在于，所述岩心夹持器筒体（1）、岩心组件和内置传感器（19）安置于压力室筒体（7）内部，岩心组件与岩心夹持器筒体（1）的内壁之间的空间形成围压腔（26），岩心组件包括固定于围压腔（26）底部的垫块（4）、位于垫块（4）上部的下压垫（13）、位于下压垫（13）上部的岩心试样（15）和位于岩心试样（15）上部的上压垫（14）；

所述内置传感器（19）的底部固定安装有球座（16），球座（16）上安装有球头（17），且球头（17）位于上压垫（14）的正上方；

所述安全组件包括连接件（12）、安全连接件（11）和安全插销（20），安全连接件（11）与安全插销（20）对称设置于压力室筒体（7）外侧，连接件（12）安装在安全插销（20）的下方。

2.根据权利要求1所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述下压垫（13）、垫块（4）和围压腔（26）的底部中心均开有螺纹凹槽，细螺栓（22）与螺纹凹槽紧密咬合。

3.根据权利要求1或2所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述压力室筒体（7）内侧设有导向带（10）、第一O型圈（5）、第二O型圈（6）、第三O型圈（8）和挡圈（9）。

4.根据权利要求3所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述压力室筒体（7）外壁开设有加热圈槽（24），加热圈槽（24）内镶嵌加热圈。

5.根据权利要求1所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述垫块（4）的两侧分别安置通信法兰（2）和孔隙法兰（3）。

6.根据权利要求1所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述内置传感器（19）的最高使用围压为100MPa，内置传感器（19）的耐温温度为150-200摄氏度。

7.根据权利要求1或2或5或6所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述岩心夹持器筒体（1）为42CrMn合金材料制成，岩心夹持器筒体（1）框架内空间145mmX250mm，刚度为20GN/m。

8.根据权利要求1或2或5或6所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述岩心试样（15）的尺寸范围：直径25mm-100mm，高度为直径的1.8-2.2倍。

9.根据权利要求1或2或5或6所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述岩心夹持器筒体（1）的顶部通过高强螺栓（23）与轴向加载油缸连接。

10.根据权利要求1或2或5或6所述的三轴试验机岩心夹持器，其特征在于，所述内置传感器（19）的底部通过螺栓（18）固定安装有球座（16）。