CN109855973A - 一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置和方法 - Google Patents

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刘造保
邵建富
冯夏庭
谢守益
陈鸿杰
蔡力聪
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Abstract

一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,由底座、围压筒、围压室、围压盖板、长拉杆螺栓、试样下基座、固定固定螺丝、第一密封套、岩石试样、试样上基座、试样密封套、侧向变形量测计、轴向变形量测计、活塞、围压自平衡室、拉力施加室、拉杆、短螺栓、盖体、围压自平衡室入口、拉力施加室入口、连通阀门、围压室入口和密封圈组成,本发明根据深部工程原位地应力计算得到其施加的代表性围压,并通过本发明装置得到岩石在不同围压下的直接拉伸强度和变形特征,进而可以通过计算获得岩石抗拉强度准则,弥补当前岩石在三轴拉伸应力路径下的抗拉强度和力学行为方面的认知空白,实现对岩石三轴拉伸力学强度和变形行为的评估,最终服务于深部岩石工程安全。

Description

一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置和方法
技术领域
本发明属于岩石力学与工程技术领域,特别设计一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置和方法。
背景技术
岩石在地层中都是受到三向地应力作用。岩石在三向应力下的拉伸破坏过程和抗拉强度是岩石工程设计中普遍需要关注的问题。目前岩石的抗拉强度一般是通过指定为单轴抗压强度的1/15~1/10的方式近似确定,无法准确获取或直接测量。针对硬脆性岩石存在一种间接劈裂试验,可以近似得到间接抗拉强度,然而劈裂试验无法获知岩石在三向应力下的抗拉强度,更无法获取三向应力下岩石拉伸破坏过程。
发明内容
本发明目的在于提供一种岩石三轴直接拉伸实验装置和方法,用于获取岩石三轴应力下的抗拉强度和三轴拉伸破坏过程,为岩石工程设计和建设安全提供准确的评价方法和依据。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,包括底座,所述底座第一凸台表面顶部设置有围压筒,围压筒底端内壁与底座第二凸台外圆面贴合,围压筒顶部设置有围压盖板,围压筒通过顶部设置的围压盖板和底部设置的底座所形成的腔室为围压室,围压盖板、围压筒通过长拉杆螺栓将三者固定安装在底座第一凸台上表面,所述底座第三凸台上表面设置有试样下基座,试样下基座和底座第三凸台连接处设置有第一密封套,试样下基座顶部设置有岩石试样,岩石试样顶部设置有试样上基座,试样上基座、岩石试样和试样下基座外圆面套设有试样密封套,试样密封套表面设置有侧向变形量测计,所述试样上基座与试样下基座之间设置有轴向变形量测计,所述围压盖板中部开设有腔体,所述围压盖板中部贯穿有活塞,活塞的圆盘部分将腔体分为围压自平衡室和拉力施加室,活塞的圆柱部分底端与试样上基座凹槽槽底紧密贴合,活塞圆盘部分横截面面积与岩石试样横截面面积相等,且活塞与试样上基座通过拉杆固定安装,所述围压盖板上表面通过短螺栓与盖体固定安装,所述围压自平衡室与围压室通过管线和连通阀门相连通,所述围压盖板上分别设置有围压自平衡室入口和拉力施加室入口,所述底座上开设有围压室入口,围压室入口、围压自平衡室入口和拉力施加室入口上均设置有阀门。
所述底座由第一凸台、第二凸台和第三凸台组成,所述第一凸台顶部设置有第二凸台,第二凸台顶部设置有第三凸台,所述底座的第二凸台与围压室之间、所述活塞与围压盖板、盖体、试样上基座之间和所述盖体与围压盖板之间、围压筒与围压盖板之间均设置有密封圈。
一种岩石三轴直接拉伸室内实验的方法,采用一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,包括以下步骤:
步骤1,依据地下工程原位地应力,先确定三个主方向地应力值分别为竖向σh,水平向大主应力σH和水平向小主应力σv,后确定除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi
步骤2,首先将岩石三轴直接拉伸室内实验装置上的试样上基座和试样下基座拆下,其次将待测岩石试样的上下端部分别与试样上基座和试样下基座的中轴线对中后,通过强力胶水将三者粘接在一起,待强力胶水干燥后首先将试样密封套套在试样下基座、待测岩石试样和试样上基座外圆面上,其次在试样上基座和试样下基座之间安装轴向变形量测计,在试样密封套的外圆面安装侧向变形量测计,最后将待测岩石试样、试样上基座、试样下基座、试样密封套和轴向变形量测计整体安装于岩石三轴直接拉伸室内实验装置中,最后安装围压筒和围压盖板;
步骤3,打开围压自平衡室入口上的阀门,并关闭围压自平衡室与围压室管线上的连通阀门,通过压力泵以固定流量将液压油经过围压自平衡室入口向围压自平衡室内施加液压,对活塞产生竖直向下的压力,当压力泵上的显示的压力值快速增加时,活塞与试样上基座紧密贴合,压力泵停止工作,并关闭围压自平衡室入口上的阀门,通过拉杆将活塞与试样上基座固定,打开围压自平衡室与围压室管线上的连通阀门,同时打开围压室入口上的阀门,通过第一伺服控制泵将液压油通过围压室入口处注入带围压室内,在围压室中对岩石试样产生围压,围压以一定压力梯度持续施加至设定值σh,其中部分液压油经过围压室和管线进入到围压自平衡室内,通过围压自平衡室对活塞产生竖直向下的压力,使围压室与围压自平衡室的竖直方向压力达到平衡状态时,此时围压室对岩石试样施加的围压及围压自平衡室对活塞的压力均为σh
步骤4,通过第一伺服控制泵维持σh恒定,打开拉力施加室入口上的阀门,通过第二伺服控制泵将液压油经过拉力施加室入口向拉力施加室内施加液压,拉力施加室内产生的压力对活塞产生竖直向上的压力,活塞在压力的作用下逐渐向上运动,进而带动试样上基座逐渐向上运动,从而对岩石试样产生向上的轴向拉力,至岩石试样发生直接拉伸破坏,通过侧向变形量测计记录侧向应变,通过轴向变形量测计记录竖向应变,通过拉力施加室与σh之间的差值获得竖向应力,当拉力施加室内压力不断增大时,围压自平衡室内的液压油经过管线流入围压室,并返流回第一伺服控制泵,以维持σh恒定;
步骤5,根据获取的侧向应变、竖向应变和竖向应力的时间过程曲线,获得岩石试样的三轴拉伸破坏全过程的应力应变曲线,即应力应变曲线的峰值应力即为岩石试样在σh时的三轴抗拉强度,通过改变围压室对岩石试样施加的围压及围压自平衡室对活塞的压力为σH、σv或除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi,重复步骤3-步骤5,获得压力σH,σv或除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi作用下的三轴抗拉强度。
本发明的有益效果为:
本发明根据深部工程原位地应力计算得到其施加的代表性围压,并通过三轴直接拉伸实验装置得到岩石在不同围压下的直接拉伸强度和变形特征,进而可以通过计算获得岩石抗拉强度准则,弥补当前岩石在三轴拉伸应力路径下的抗拉强度和力学行为方面的认知空白,实现对岩石三轴拉伸力学强度和变形行为的评估,最终服务于深部岩石工程安全。
附图说明
图1为本发明岩石三轴直接拉伸室内实验装置剖面示意图;
图2为本发明实施例1初始围压为12Mpa的岩石试样三轴抗拉实验应力应变曲线图;
1-底座,2-围压筒,3-围压室,4-围压盖板,5-长拉杆螺栓,6-试样下基座,7-固定螺丝,8-第一密封套,9-岩石试样,10-试样上基座,11-试样密封套,12-侧向变形量测计,13-轴向变形量测计,14-活塞,15-围压自平衡室,16-拉力施加室,17-拉杆,18-短螺栓,19-盖体,20-围压自平衡室入口,21-拉力施加室入口,22-连通阀门,23-围压室入口,24-密封圈。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示,一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,包括底座1,所述底座1第一凸台表面顶部设置有围压筒2,围压筒2底端内壁与底座1第二凸台外圆面贴合,围压筒2顶部设置有围压盖板4,围压筒2通过顶部设置的围压盖板4和底部设置的底座1所形成的腔室为围压室3,围压盖板4、围压筒2通过长拉杆螺栓5将三者固定安装在底座1第一凸台上表面,所述底座1第三凸台上表面设置有试样下基座6,试样下基座6和底座1第三凸台的连接处设置有第一密封套8,且试样下基座6和底座1的第三凸台通过固定螺丝7固定安装,试样下基座6顶部设置有岩石试样9,岩石试样9顶部设置有试样上基座10,试样上基座10、岩石试样9和试样下基座6外圆面套设有试样密封套11,试样密封套11和第一密封套8均起到密封的作用,防止围压室3内的液压油渗入到岩石试样9中以及防止液压油渗入到底座1与试样下基座6的连接处,试样密封套11表面设置有侧向变形量测计12,所述试样上基座10与试样下基座6之间设置有轴向变形量测计13,所述围压盖板4中部开设有腔体,所述围压盖板4中部贯穿有活塞14,活塞14的圆盘部分将腔体分为围压自平衡室15和拉力施加室16,活塞14的圆柱部分底端与试样上基座10凹槽槽底紧密贴合,活塞14圆盘部分横截面面积与岩石试样9横截面面积相等,活塞14圆盘部分产生的压强,以压力方式作用在岩石试样9的轴向,活塞14圆盘部分横截面面积与岩石试样9横截面面积相等,为使侧向产生的围压压强与轴向产生的围压压强大小一致,且活塞14与试样上基座10通过拉杆17固定安装,所述围压盖板4上表面通过短螺栓18与盖体19固定安装,所述围压自平衡室15与围压室3通过管线和连通阀门22相连通,所述围压盖板4上分别设置有围压自平衡室入口20和拉力施加室入口21,所述底座1上开设有围压室入口23,围压室入口23、围压自平衡室入口20和拉力施加室入口21上均设置有阀门。
所述底座1由第一凸台、第二凸台和第三凸台组成,所述第一凸台顶部设置有第二凸台,第二凸台顶部设置有第三凸台,所述底座1的第二凸台与围压筒2之间、所述活塞14与围压盖板4、盖体19、试样上基座10之间和所述盖体19与围压盖板4之间、围压筒2与围压盖板4之间均设置有密封圈24。
一种岩石三轴直接拉伸室内实验的方法,采用一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,包括以下步骤:
步骤1,依据地下工程原位地应力,先确定三个主方向地应力值分别为竖向σh、水平向大主应力σH和水平向小主应力σv,后确定除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi
步骤2,首先将岩石三轴直接拉伸室内实验装置上的试样上基座10和试样下基座6拆下,其次将待测岩石试样的上下端部分别与试样上基座10和试样下基座6接触的同时保证中轴线对中,通过强力胶水将三者粘接在一起,待强力胶水干燥后首先将试样密封套11套在试样下基座6、待测岩石试样和试样上基座10外圆面上,其次在试样上基座10和试样下基座6之间安装轴向变形量测计13,在试样密封套11的外圆面安装侧向变形量测计12,在试样密封套11的外圆面安装侧向变形量测计12,最后将待测岩石试样、试样上基座10、试样下基座6、试样密封套11和轴向变形量测计13整体安装于岩石三轴直接拉伸室内实验装置中,最后安装围压筒2和围压盖板4;
步骤3,打开围压自平衡室入口20上的阀门,并关闭围压自平衡室15与围压室3管线上的连通阀门22,通过压力泵以固定流量将液压油经过围压自平衡室入口20向围压自平衡室15内施加液压,对活塞14产生竖直向下的压力,当压力泵上的显示的压力值快速增加时,活塞14与试样上基座10紧密贴合,压力泵停止工作,并关闭围压自平衡室入口20上的阀门,通过拉杆17将活塞14与试样上基座10固定,打开围压自平衡室15与围压室3管线上的连通阀门22,同时打开围压室入口23上的阀门,通过第一伺服控制泵将液压油通过围压室入口23处注入带围压室3内,在围压室3中对岩石试样9产生围压,围压以一定压力梯度持续施加至设定值σh,其中部分液压油经过围压室3和管线进入到围压自平衡室15内,通过围压自平衡室15对活塞14产生竖直向下的压力,使围压室3与围压自平衡室15的竖直方向压力达到平衡状态时,此时围压室3对岩石试样9施加的围压及围压自平衡室15对活塞14的压力均为σh
步骤4,通过第一伺服控制泵维持σh恒定,打开拉力施加室入口21上的阀门,通过第二伺服控制泵将液压油经过拉力施加室入口21向拉力施加室16内施加液压,拉力施加室16内产生的压力对活塞14产生竖直向上的压力,活塞14在压力的作用下逐渐向上运动,进而带动试样上基座10逐渐向上运动,从而对岩石试样9产生向上的轴向拉力,至岩石试样9发生直接拉伸破坏,通过侧向变形量测计12记录侧向应变,通过轴向变形量测计13记录竖向应变,通过拉力施加室16与σh之间的差值获得竖向应力,当拉力施加室16内压力不断增大时,围压自平衡室15内的液压油经过管线流入围压室3,并返流回第一伺服控制泵,以维持σh恒定;
步骤5,根据获取的侧向应变、竖向应变和竖向应力的时间过程曲线,获得岩石试样9的三轴拉伸破坏全过程的应力应变曲线,即应力应变曲线的峰值应力即为岩石试样9在σh时的三轴抗拉强度;通过改变围压室3对岩石试样9施加的围压及围压自平衡室15对活塞14的压力为σH、σv或除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi,重复步骤3-步骤5,获得压力σH、σv或除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi作用下的三轴抗拉强度。
实施例1
本实施例中一定压力梯度为0.5Mpa,围压以初始压力0开始,以0.5Mpa的压力梯度持续施加至设定值竖向σh值为12Mpa,如图2所示。
一种岩石三轴直接拉伸室内实验的方法,采用一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,包括以下步骤:
步骤1,依据地下工程原位地应力,先确定三个主方向地应力值分别为竖向σh,水平向大主应力σH和水平向小主应力σv,后确定除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi
步骤2,首先将岩石三轴直接拉伸室内实验装置上的试样上基座10和试样下基座6拆下,其次将待测岩石试样的上下端部分别与试样上基座10和试样下基座6的中轴线对中后,通过强力胶水将三者粘接在一起,强力胶水采用DELO-CA旗下拉伸强度为25Mpa的胶水,防止在试验过程中,岩石试样9与试样上基座10和试样下基座6产生中轴线偏斜的现象,影响实验结果,待强力胶水干燥后首先将试样密封套11套在试样下基座6、待测岩石试样和试样上基座10外圆面上,其次在试样上基座10和试样下基座6之间安装轴向变形量测计13,在试样密封套11的外圆面安装侧向变形量测计12,最后将待测岩石试样、试样上基座10、试样下基座6、试样密封套11和轴向变形量测计13整体安装于岩石三轴直接拉伸室内实验装置中,最后安装围压筒2和围压盖板4;
步骤3,打开围压自平衡室入口20上的阀门22,并关闭围压自平衡室15与围压室3管线上的阀门22,通过压力泵以固定流量将液压油经过围压自平衡室入口20向围压自平衡室15内施加液压,对活塞14产生竖直向下的压力,当压力泵上的显示的压力值快速增加时,活塞14与试样上基座10紧密贴合,压力泵停止工作,并关闭围压自平衡室入口20上的阀门22,通过拉杆17将活塞14与试样上基座10固定,打开围压自平衡室15与围压室3管线上的阀门22,同时打开围压室入口23上的阀门22,通过第一伺服控制泵将液压油通过围压室入口23处注入带围压室3内,在围压室3中对岩石试样9产生围压,围压以初始压力值0.5Mpa持续施加至设定值σh为12Mpa,其中部分液压油经过围压室3和管线进入到围压自平衡室15内,通过围压自平衡室15对活塞14产生竖直向下的压力,使围压室3与围压自平衡室15的竖直方向压力达到平衡状态时,此时围压室3对岩石试样9施加的围压及围压自平衡室15对活塞14的压力均为σh均为12Mpa;
步骤4,通过第一伺服控制泵维持σh为12Mpa恒定,打开拉力施加室入口21上的阀门,通过第二伺服控制泵将液压油经过拉力施加室入口21向拉力施加室16内施加液压,拉力施加室16内产生的压力对活塞14产生竖直向上的压力,活塞14在压力的作用下逐渐向上运动,进而带动试样上基座10逐渐向上运动,从而对岩石试样9产生向上的轴向拉力,至岩石试样9发生直接拉伸破坏,通过侧向变形量测计12记录侧向应变,通过轴向变形量测计13记录竖向应变,通过拉力施加室16与σh为12Mpa之间的差值获得竖向应力,当拉力施加室16内压力不断增大时,围压自平衡室15内的液压油经过管线流入围压室3,并返流回第一伺服控制泵,以维持σh恒定;
步骤5,根据获取的侧向应变、竖向应变和竖向应力的时间过程曲线,获得岩石试样9的三轴拉伸破坏全过程的应力应变曲线,即应力应变曲线的峰值应力即为岩石试样9在σh为12Mpa时的三轴抗拉强度,如图2所示,三轴抗拉强度值为1.02Mpa。

Claims (3)

1.一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,其特征在于,包括底座,所述底座第一凸台表面顶部设置有围压筒,围压筒底端内壁与底座第二凸台外圆面贴合,围压筒顶部设置有围压盖板,围压筒通过顶部设置的围压盖板和底部设置的底座所形成的腔室为围压室,围压盖板、围压筒通过长拉杆螺栓将三者固定安装在底座第一凸台上表面,所述底座第三凸台上表面设置有试样下基座,试样下基座和底座第三凸台连接处设置有第一密封套,试样下基座顶部设置有岩石试样,岩石试样顶部设置有试样上基座,试样上基座、岩石试样和试样下基座外圆面套设有试样密封套,试样密封套表面设置有侧向变形量测计,所述试样上基座与试样下基座之间设置有轴向变形量测计,所述围压盖板中部开设有腔体,所述围压盖板中部贯穿有活塞,活塞的圆盘部分将腔体分为围压自平衡室和拉力施加室,活塞的圆柱部分底端与试样上基座凹槽槽底紧密贴合,活塞圆盘部分横截面面积与岩石试样横截面面积相等,且活塞与试样上基座通过拉杆固定安装,所述围压盖板上表面通过短螺栓与盖体固定安装,所述围压自平衡室与围压室通过管线和连通阀门相连通,所述围压盖板上分别设置有围压自平衡室入口和拉力施加室入口,所述底座上开设有围压室入口,围压室入口、围压自平衡室入口和拉力施加室入口上均设置有阀门。
2.根据权利要求1所述的一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,其特征在于:所述底座由第一凸台、第二凸台和第三凸台组成,所述第一凸台顶部设置有第二凸台,第二凸台顶部设置有第三凸台,所述底座的第二凸台与围压室之间、所述活塞与围压盖板、盖体、试样上基座之间和所述盖体与围压盖板之间、围压筒与围压盖板之间均设置有密封圈。
3.一种岩石三轴直接拉伸室内实验的方法,采用权利要求1所述的一种岩石三轴直接拉伸室内实验装置,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,依据地下工程原位地应力,先确定三个主方向地应力值分别为竖向σh,水平向大主应力σH和水平向小主应力σv,后确定除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi
步骤2,首先将岩石三轴直接拉伸室内实验装置上的试样上基座和试样下基座拆下,其次将待测岩石试样的上下端部分别与试样上基座和试样下基座的中轴线对中后,通过强力胶水将三者粘接在一起,待强力胶水干燥后首先将试样密封套套在试样下基座、待测岩石试样和试样上基座外圆面上,其次在试样上基座和试样下基座之间安装轴向变形量测计,在试样密封套的外圆面设置有侧向变形量测计,最后将待测岩石试样、试样上基座、试样下基座、试样密封套和轴向变形量测计整体安装于岩石三轴直接拉伸室内实验装置中,最后安装围压筒和围压盖板;
步骤3,打开围压自平衡室入口上的阀门,并关闭围压自平衡室与围压室管线上的连通阀门,通过压力泵以固定流量将液压油经过围压自平衡室入口向围压自平衡室内施加液压,对活塞产生竖直向下的压力,当压力泵上的显示的压力值快速增加时,活塞与试样上基座紧密贴合,压力泵停止工作,并关闭围压自平衡室入口上的阀门,通过拉杆将活塞与试样上基座固定,打开围压自平衡室与围压室管线上的连通阀门,同时打开围压室入口上的阀门,通过第一伺服控制泵将液压油通过围压室入口处注入带围压室内,在围压室中对岩石试样产生围压,围压以一定压力梯度持续施加至设定值σh,其中部分液压油经过围压室和管线进入到围压自平衡室内,通过围压自平衡室对活塞产生竖直向下的压力,使围压室与围压自平衡室的竖直方向压力达到平衡状态时,此时围压室对岩石试样施加的围压及围压自平衡室对活塞的压力均为σh
步骤4,通过第一伺服控制泵维持σh恒定,打开拉力施加室入口上的阀门,通过第二伺服控制泵将液压油经过拉力施加室入口向拉力施加室内施加液压,拉力施加室内产生的压力对活塞产生竖直向上的压力,活塞在压力的作用下逐渐向上运动,进而带动试样上基座逐渐向上运动,从而对岩石试样产生向上的轴向拉力,至岩石试样发生直接拉伸破坏,通过侧向变形量测计记录侧向应变,通过轴向变形量测计记录竖向应变,通过拉力施加室与σh之间的差值获得竖向应力,当拉力施加室内压力不断增大时,围压自平衡室内的液压油经过管线流入围压室,并返流回第一伺服控制泵,以维持σh恒定;
步骤5,根据获取的侧向应变、竖向应变和竖向应力的时间过程曲线,获得岩石试样的三轴拉伸破坏全过程的应力应变曲线,即应力应变曲线的峰值应力即为岩石试样在σh时的三轴抗拉强度,通过改变围压室对岩石试样施加的围压及围压自平衡室对活塞的压力为σH、σv或除了三个主方向地应力值以外的任一方向地应力值σi,重复步骤3-步骤5,获得压力σH,σv或σi作用下的三轴抗拉强度。
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