CN109946171A - 一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法，属于岩石力学领域,它包括如下步骤Ⅰ.把试样放在单轴压缩岩石径向变形测量装置的耐高温底座上面，连接耐高温加长杆与轴压压头，并在耐高温加长杆上面安装冷却装置；启动轴压加载装置，下降轴压压头，使耐高温加长杆的下端通过耐高温球型座与试样上端面轻轻地接触在一起；Ⅱ.分别把4个径向位移测量装置的石英棒两端分别与试样、LVDT位移传感器连接；Ⅲ.开启升温控温装置，设置温度值25°C‑1000°C，以5°C/min‑40°C/min的升温速率的升温速率进行加热加压。本发明实现长期高温（1000°C）单轴岩石力学试验，并可以实现实时动态采集径向变形。
Description
技术领域
本发明为一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法，属于岩石力学领域。
技术背景
随着我国资源开发力度的不断增大，深部岩石力学问题成为了研究热点。而对于深部岩石力学问题，不可避免的要考虑温度对岩石力学性能的影响。尤其是在煤层地下气化、油页岩或者低变质煤的原位注热开采、高放射性核废料的地层深埋处理以及地热资源开发与利用等岩石工程中，由于这些工程所涉及的岩体均会遭受高温作用，这种条件下需要研究高温作用下岩石的变形、强度及破坏特征，获取的相关力学参数是在地下工程开挖及围岩稳定性分析起着至关重要的作用。
在岩石的基本力学参数测量中，岩石的轴向应变和径向应变的测量是一项重要的环节，具有重要的理论意义。一方面，泊松比是岩石重要的力学特性参数，其由试样径向应变与轴向应变的比值得到；另一方面，在岩石的单轴压缩全应力-应变曲线的测量中，体积应变也是岩石力学的重要研究范畴，对于了解岩石的变形、破裂以致最终的破坏崩解全过程，甚至对现场岩体的破坏方式都有重要意义，其中体积应变为轴向应变和两倍的径向应变的加和。
在常温下，轴向应变较容易获取，为试样的轴向位移与其高度的比值。而对于径向变形则可以通过在试样轴向中间位置处的环形变形计测量试样的径向变形计算得到，或者通过在试样轴向中间位置贴多组应变片的方式进行直接测量试样的径向应变。但是在高温条件下，环形变形计和应变片不具有耐高温性质而导致径向变形测量失效。因此，高温条件下的岩石径向变形测量仍然是岩石力学基本特性研究的技术难题。
发明内容
为了能够获得更精确的测量数据，本发明提供了一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法。
一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法，采用高温下单轴压缩岩石径向变形测量装置进行测量。
所述高温下单轴压缩岩石径向变形测量装置包括轴压加载装置、升温控温装置、径向位移测量装置、温度/位移采集装置，轴压加载装置包括压力机，压力机的轴压压头（17）与耐高温加长杆（4）相连，并在耐高温加长杆（4）上距离二者连接处的10cm处连接冷却装置（3），耐高温加长杆（4）伸入到加热炉炉腔（2）内且耐高温加长杆（4）的底端通过耐高温球型座（5）与安装在耐高温底座（15）上的试样（1）轻轻地接触；加热炉炉壁（6）之外设置径向位移测量装置，径向位移测量装置的石英棒伸入到加热炉腔（2）与试样（1）触接。
所述升温控温装置包括加热炉壁（6）、加热炉腔（2）、保温充填材料（7）、温度传感器（16）、加热炉支座（14）、电炉丝（8）及温控装置，加热炉壁（6）与加热炉腔（2）之间填充有保温充填材料（7），温度传感器（16）由加热炉壁（6）之外伸入到加热炉腔（2）内，通过温度传感器（16）测量加热炉腔（2）内的实时温度，加热炉炉腔（2）内设置电炉丝（8），电炉丝（8）连接温控装置。
升温控温装置是为了保证试样处于高温环境，并实现精密实时控温，其中控温精度小于0.05%，最高温度可达到1000°C。
所述径向位移测量装置包括石英棒（10）、小型冷却装置（9）、滑块（11）、联轴器（12）、LVDT位移传感器（13），石英棒穿过加热炉炉壁（6）与试样（1）接触，在石英棒（10）的出口连接小型冷却装置（9），防止温度太高影响LVDT位移传感器（13）的使用，并连接在两个阻力近乎为零的滑块（11）上，保证石英棒的轴向与两个滑块的中线平行，且在同一个水平面上，石英棒（10）通过联轴器（12）与LVDT位移传感器（13）串联在一起，通过LVDT位移传感（13）实时动态采集实验过程中径向位移。
所述LVDT位移传感器（13）设有4个，4个LVDT位移传感器（13）呈辐射状设置在炉体外周，相邻LVDT位移传感器（13）之间呈90°角。每个LVDT位移传感器（13）均通过一个联轴器（12）与石英棒（10）连接。
小型冷却装置（9）设置在石英棒（10）的出口，石英棒（10）外侧设有两个滑块（11），滑块（11）与石英棒（10）之间的摩擦力近似于0。
4组LVDT位移传感器（13）的初始位移都是0，试样的直径为d 0，长度为h 0，t 1时刻轴向的位移为h 1，A、B、C、D四点的位移分别为d A，d B，d C，d D，则t 1时刻径向应变为
。
所述温度/位移采集装置包括温度传感器（16）、LVDT传感器（13）、多通道数据采集卡、计算机，温度传感器（16）、LVDT传感器（13）均与多通道数据采集卡连接，多通道数据采集卡连接电脑；温度/位移采集装置进行实时动态记录实验过程中LVDT位移传感器（13）、温度传感器（16）的数据，监测试验过程中的温度、径向应变的变化规律。
需要进一步说明的是上述的一种高温下测量单轴压缩岩石径向变形的试验装置需要连接在岩石压力机上配合使用（见图2），这样就可以实现实时动态测量高温单轴试验过程中试样的轴向应变与径向应变的变化规律，分析高温条件下岩石的变形机制和破坏特征。
一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法，其特征是包括下述操作步骤：
Ⅰ.把试样（1）放在单轴压缩岩石径向变形测量装置的耐高温底座（15）上面，连接耐高温加长杆（4）与轴压压头（17），并在耐高温加长杆（4）上面安装冷却装置（3）；启动轴压加载装置，下降轴压压头，使耐高温加长杆（4）的下端通过耐高温球型座（5）与试样（1）上端面轻轻地接触在一起；
Ⅱ.分别把4个径向位移测量装置的石英棒（10）一端穿过加热炉炉壁（6）、保温充填材料（7）与试样（1）接触，石英棒（10）另一端与LVDT位移传感器（13）连接；通过LVDT位移传感（13）实时动态采集试验过程中径向位移；
Ⅲ. 开启升温控温装置，设置温度值25°C -1000°C，以5°C/min-40°C/min的升温速率的升温速率进行加热，然后保温4小时后，即可认为试样的温度已经达到稳态值，之后可以进行单轴压缩试验；
Ⅳ. 开启轴向加载装置，打开温度/位移采集装置，轴压以0.05 KN/s（或 0.02mm/min）的加载速度进行加载至所需要的荷载F 0，进入保压阶段，保压时间为t小时，直到试验结束，试验期间可以实时动态采集试样的轴向应变以及径向应变；
4个LVDT位移传感器的初始位移都是0，试样的直径为d 0，长度为h 0，t 1时刻轴向的位移为h 1，A、B、C、D四点的位移分别为d A，d B，d C，d d，则t 1时刻
轴向应变为
径向应变为
Ⅴ. 试验结束后，保存数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是解决了以往不能测量高温（1000°C）单轴压缩下岩石的径向变形的问题，通过本技术方案可以实时测量高温单轴压缩下岩石径向变形，并能保证长期连续工作的稳定性，装置简单、稳定、可靠，为解决相关问题提供了技术方案和理论遵循。
附图说明
图1是本发明中高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法图。
图2是高温下单轴压缩岩石径向变形测量装置结构图。
图3是石英棒与试样的布置图。
图中的标号：1——试样；2——加热炉腔；3——冷却装置；4——耐高温加长杆；5——耐高温球型座；6——加热炉壁；7——保温充填材料；8——电炉丝；9——小型冷却装置；10——石英棒；11——滑块；12——联轴器；13——LVDT位移传感器；14——加热炉支座；15——耐高温底座；16——温度传感器；17——轴压压头；18——温控装置；19——温度/位移采集装置。
具体实施方式
本实施例针对的试样为圆柱形试样，尺寸为φ50mm×100mm。
实施方式1：高温作用下岩石的单轴压缩试验
Ⅰ. 试样的安装。与本发明配合的测量装置安装在如图2所示的压力机上，然后把准备的试样放在耐高温底座（15）上，连接耐高温加长杆（4）与轴压压头（17），并在耐高温加长杆（4）上面安装冷却装置（3）；启动轴压加载装置，下降轴压压头，使耐高温加长杆（4）的下端通过耐高温球型座（5）与试样（1）上端面轻轻地接触在一起；
Ⅱ. 升温控温装置及径向变形测量装置的安装。把升温控温装置按照图1所示进行安装，同时把石英棒（10）穿过两个滑块（11），保证两个滑块（11）的中线与加热炉壁6预留圆孔轴向平行，并保证滑块（11）的摩擦很小，可以忽略；石英棒（10）一端穿过加热炉壁6预留圆孔、保温充填材料，抵在试样的中间位置，石英棒（10）另一端通过联轴器（12）与LVDT位移传感器（13）连成一体；最后，在石英棒（10）的出口位置连接小型冷却装置（9），用以保证LVDT位移传感器（13）以及滑块（11）的良好工作环境；
Ⅲ. 开启升温控温装置，设置温度值为（25°C -1000°C），以（ 5°C/min-40°C/min ）的升温速率进行加热然后保温4小时后，即可认为试样的温度已经达到稳态值，之后可以进行单轴压缩试验；
Ⅳ. 开启轴向加载装置，打开温度/位移采集装置，轴压以0.02mm/min的加载速度进行加载，直到试验结束，试验期间可以实时动态采集试样的轴向应变以及径向应变；
本装置中具有4组径向位移传感器，相互之间呈90°，假设试验过程中，LVDT位移传感器的初始位移都是0，试样的直径为d 0，长度为h 0，t 1时刻轴向的位移为h 1，A、B、C、D四点的位移分别为d A，d B，d C，d D，则t 1时刻
轴向应变为：
径向应变为：
Ⅴ. 试验结束后，保存数据，并把各装置放回原样。
实施方式2：高温条件下岩石的单轴蠕变试验
假设蠕变试验采用的加载方式为恒载和加载，载荷大小为F 0，持续时间为t小时。具体的操作方法如下：
Ⅰ. 试样的安装。本发明所提出的试验装置应该配合安装在如图2所示的压力机上，然后把准备的试样放在耐高温底座（15）上，连接耐高温加长杆（4）与轴压压头（17），并在耐高温加长杆（4）上面安装冷却装置（3）；启动轴压加载装置，下降轴压压头，使耐高温加长杆（4）的下端通过耐高温球型座（5）与试样（1）上端面轻轻地接触在一起。
Ⅱ. 升温控温装置及径向变形测量装置的安装。把升温控温装置按照图1所示进行安装，同时把石英棒（10）穿过两个滑块（11），保证两个滑块（11）的中线与加热炉壁6预留圆孔轴向平行，并保证滑块（11）的摩擦很小，可以忽略；石英棒（10）一端穿过加热炉壁6预留圆孔、保温充填材料，抵在试样的中间位置，石英棒（10）另一端通过联轴器（12）与LVDT位移传感器（13）连成一体；最后，在石英棒（10）的出口位置连接小型冷却装置（9），用以保证LVDT位移传感器（13）以及滑块（11）的良好工作环境。
Ⅲ. 开启升温控温装置，设置温度值为（25°C-1000°C），以（ 5°C/min-40°C/min ）的升温速率进行加热然后保温4小时后，即可认为试样的温度已经达到稳态值，之后可以进行单轴压缩试验。
Ⅳ. 开启轴向加载装置，打开温度/位移采集装置，轴压以0.05 KN/s的加载速度进行加载至所需要的荷载F 0，进入保压阶段，保压时间为t小时，直到试验结束，试验期间可以实时动态采集试样的轴向应变以及径向应变。
本发明的试验装置中具有4组径向位移传感器，相互之间呈90°，假设试验过程中，LVDT位移传感器的初始位移都是0，试样的直径为d 0，长度为h 0，t 1时刻轴向的位移为h 1，A、B、C、D四点的位移分别为d A，d B，d C，d D，则t 1时刻
轴向应变为
径向应变为
Ⅴ. 试验结束后，保存数据，并把各装置放回原样。
综上所述，本发明主要用于对岩石进行高温单轴压缩条件下的径向变形的测量。
最后说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (2)
1.一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法，其特征是包括下述操作步骤：
Ⅰ.把试样（1）放在单轴压缩岩石径向变形测量装置的耐高温底座（15）上面，连接耐高温加长杆（4）与轴压压头（17），并在耐高温加长杆（4）上面安装冷却装置（3）；启动轴压加载装置，下降轴压压头，使耐高温加长杆（4）的下端通过耐高温球型座（5）与试样（1）上端面轻轻地接触在一起；
Ⅱ.分别把4个径向位移测量装置的石英棒（10）一端穿过加热炉炉壁（6）、保温充填材料（7）与试样（1）接触，石英棒（10）另一端与LVDT位移传感器（13）连接；通过LVDT位移传感（13）实时动态采集试验过程中径向位移；
Ⅲ. 开启升温控温装置，设置温度值25°C -1000°C，以5°C/min-40°C/min的升温速率进行加热，然后保温4小时后，即可认为试样的温度已经达到稳态值，之后可以进行单轴压缩试验；
Ⅳ. 开启轴向加载装置，打开温度/位移采集装置，轴压以0.05 KN/s的加载速度进行加载至所需要的荷载F 0，进入保压阶段，保压时间为t小时，直到试验结束，试验期间可以实时动态采集试样的轴向应变以及径向应变；
4个LVDT位移传感器的初始位移都是0，试样的直径为d 0，长度为h 0，t 1时刻轴向的位移为h 1，A、B、C、D四点的位移分别为d A，d B，d C，d d，则t 1时刻
轴向应变为
径向应变为
Ⅴ. 试验结束后，保存数据；
所述单轴压缩岩石径向变形测量装置包括轴压加载装置、升温控温装置、径向位移测量装置、温度/位移采集装置，轴压加载装置包括压力机，压力机的轴压压头（17）与耐高温加长杆（4）相连，并在耐高温加长杆（4）上距离二者连接处的10cm处连接冷却装置（3），耐高温加长杆（4）伸入到加热炉炉腔（2）内且耐高温加长杆（4）的底端通过耐高温球型座（5）与安装在耐高温底座（15）上的试样（1）轻轻地接触；加热炉炉壁（6）之外设置径向位移测量装置，径向位移测量装置的石英棒伸入到加热炉腔（2）与试样（1）触接；
所述径向位移测量装置包括石英棒（10）、小型冷却装置（9）、滑块（11）、联轴器（12）、LVDT位移传感器（13），石英棒（10）一端穿过加热炉炉壁（6）、保温充填材料（7）与试样（1）接触，在石英棒（10）的出口连接小型冷却装置（9），防止温度太高影响LVDT位移传感器（13）的使用，并连接在两个滑块（11）上，保证石英棒的轴向与两个滑块的中线平行，且在同一个水平面上，石英棒（10）通过联轴器（12）与LVDT位移传感器（13）连接在一起，所述径向位移测量装置设有4组，4组径向位移测量装置呈辐射状设置在炉体外周，相邻位移传感器之间呈90°角；石英棒（10）另一端穿过小型冷却装置（9）、两个滑块（11）与联轴器（12）连接，联轴器（12）与LVDT位移传感器（13）连接；小型冷却装置（9）设置在石英棒（10）的出口位置，保证LVDT位移传感器（13）以及滑块（11）的良好工作环境；两个滑块（11）均与石英棒（10）同心；
所述升温控温装置包括加热炉壁（6）、加热炉腔（2）、保温充填材料（7）、温度传感器（16）、加热炉支座（14）、电炉丝（8）及温控装置，加热炉壁（6）与加热炉腔（2）之间填充有保温充填材料（7），温度传感器（16）由加热炉壁（6）之外伸入到加热炉腔（2）内，通过温度传感器（16）测量加热炉腔（2）内的实时温度，加热炉炉腔（2）内设置电炉丝（8），电炉丝（8）连接温控装置。
2.一种高温下单轴压缩岩石径向变形测量方法，其特征是包括下述操作步骤：
Ⅰ.把试样（1）放在单轴压缩岩石径向变形测量装置的耐高温底座（15）上面，连接耐高温加长杆（4）与轴压压头（17），并在耐高温加长杆（4）上面安装冷却装置（3）；启动轴压加载装置，下降轴压压头，使耐高温加长杆（4）的下端通过耐高温球型座（5）与试样（1）上端面轻轻地接触在一起；
Ⅱ. 分别把4个径向位移测量装置的石英棒（10）一端穿过加热炉炉壁（6）、保温充填材料（7）与试样（1）接触，石英棒（10）另一端与LVDT位移传感器（13）连接；通过LVDT位移传感（13）实时动态采集试验过程中径向位移；
Ⅲ. 开启升温控温装置，设置温度值25°C -1000°C，以5°C/min-40°C/min的升温速率进行加热，然后保温4小时后，即可认为试样的温度已经达到稳态值，之后可以进行单轴压缩试验；
Ⅳ. 开启轴向加载装置，打开温度/位移采集装置，轴压以0.02mm/min的加载速度进行加载,直到试验结束，试验期间实时动态采集试样的轴向应变以及径向应变；
4个LVDT位移传感器的初始位移都是0，试样的直径为d 0，长度为h 0，t 1时刻轴向的位移为h 1，A、B、C、D四点的位移分别为d A，d B，d C，d d，则t 1时刻
轴向应变为：
径向应变为：
Ⅴ. 试验结束后，保存数据，并把各装置放回原样；
所述单轴压缩岩石径向变形测量装置包括轴压加载装置、升温控温装置、径向位移测量装置、温度/位移采集装置，轴压加载装置包括压力机，压力机的轴压压头（17）与耐高温加长杆（4）相连，并在耐高温加长杆（4）上距离二者连接处的10cm处连接冷却装置（3），耐高温加长杆（4）伸入到加热炉炉腔（2）内且耐高温加长杆（4）的底端通过耐高温球型座（5）与安装在耐高温底座（15）上的试样（1）轻轻地接触；加热炉炉壁（6）之外设置径向位移测量装置，径向位移测量装置的石英棒伸入到加热炉腔（2）与试样（1）触接；所述径向位移测量装置包括石英棒（10）、小型冷却装置（9）、滑块（11）、联轴器（12）、LVDT位移传感器（13），石英棒穿过加热炉炉壁（6）、保温充填材料（7）与试样（1）接触，在石英棒（10）的出口连接小型冷却装置（9），防止温度太高影响LVDT位移传感器（13）的使用，并连接在两个阻力近乎为零的滑块（11）上，保证石英棒的轴向与两个滑块的中线平行，且在同一个水平面上，最后，通过联轴器（12）把石英棒（10）与LVDT位移传感器（13）串联在一起，通过LVDT位移传感（13）实时动态采集试验过程中径向位移；
所述升温控温装置包括加热炉壁（6）、加热炉腔（2）、保温充填材料（7）、温度传感器（16）、加热炉支座（14）、电炉丝（8）及温控装置，加热炉壁（6）与加热炉腔（2）之间填充有保温充填材料（7），温度传感器（16）由加热炉壁（6）之外伸入到加热炉腔（2）内，通过温度传感器（16）测量加热炉腔（2）内的实时温度，加热炉炉腔（2）内设置电炉丝（8），电炉丝（8）连接温控装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190628 |