CN111272562A - 一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法。本发明解决现有装置存在的无法直接测量试样蠕变体积变形的技术问题。本发明采用的方案是：一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其包括三轴试验釜、轴向位移传感器、磁致式液位计、围压控制端口、气体加载系统、液体加载系统、数据采集处理系统和五个控制阀。其测量方法为：1)先将各部件连接好；2)给三轴试验釜的围压腔进行气、液加载步骤，使围压腔加载至试样目标围压；3)施加轴压，进行目标温度和压力下的蠕变试验；4)在数据采集处理系统里录入试样的初始数据，设置数据记录间隔，进行自动数据记录；5)依据记录数据，通过公式计算岩石试样的高温蠕变体积变形及体积应变。

Description

一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法，它属于岩石实验装置及方法技术领域。

背景技术

在边坡、采矿等岩土项目中，岩石材料极易产生时间相关的蠕变变形。实验室尺度岩石试样的蠕变力学测试结果可为现场变形数据的预测提供有效参考。室内岩石材料蠕变实验中，大多是通过岩石试验机的位移传感器测量试样的轴向应变和径向应变，鲜少直接涉及试样体积变形的测量，大多是通过岩石力学体积应变公式来间接计算体积变形，或采用试样轴向或径向应变的加速变形临界点来预测试样体积变化乃至失稳。但是上述方法并不完全准确。一方面，试样自加载起，经历长期蠕变，其轴向不断压缩，径向不断膨胀，二者综合作用影响试样的体积变形由压缩向膨胀转化，仅从试样的轴向或径向应变的加速变形临界点来判断、预测试样的临界失稳是不科学的。另一方面，常规的径向应变测量大多是在试样表面布置测点或在试样表面测量圆周变形并加以计算，但是岩石是非均质的，其变形具有明显的非均匀性，在单个具体测点或试样圆周表面测量、计算得到的径向变形并不具有代表性，可能比真实结果偏大或偏小。最后，现有的环形位移测量传感器大多是直接与试样表面接触，高温环境下精度降低，影响测量结果的准确度；而极端地质条件下，高温岩石蠕变体积变形测量和预测仍是岩石力学基本特性研究中的技术难题。

目前，已有部分专利通过间接方法，测量试样变形时引起传压介质的体积变化量，再结合试样初始直径、高度等参数，按照公式计算岩石试样径向应变，但是该方法均是在假设试样沿轴向方向上各截面处径向变形线性且均匀的条件下，通过平均计算得到的，该方法得到的结果通常难以代表岩石试样整体的径向变形及体积变形。例如中国专利CN104197868B中根据透明毛细管截面积和传压介质体积变形量，按照公式计算岩石试样径向变形，但是该装置存在以下缺陷：1)受环境温度影响，毛细管中的流体会发生体积变化，在假设毛细管直径不变的条件下，毛细管内流体体积的变化反映为流体长度的变化。温度波动容易给测量结果带来误差。2)当围压变化较大时，毛细管内发生同样大小的压力变化，使得毛细管直径改变，尽管可以通过标定的方法加以校正，但在长期高压力作用下，毛细管直径会发生塑性变形，影响测量结果的准确性。

中国专利CN 106525598B中通过磁致伸缩液位计监测与围压仓相连的筒体液位变化计算岩心的径向变形量。该装置缺陷在于：1)明确了磁致伸缩液位计的液位量程200mm，测量精度0.01mm，却并未给出液位计的内部净截面积参数，更未给出测量的体积精度和体积量程参数。其测量核心是通过筒体内液位体积变化计算径向变形，液位体积变化量的测量是该装置发挥作用和保证测量结果准确性的一项重要参数。不当的液位计内环形液面截面积参数将对体积变形的测量及其准确度带来极大的影响。2)采用磁致伸缩液位计测量液面体积变化时，需保证液位计内液面上方自由空间的气体压力和试样围压压力接近或相同，否则影响液位计内液面的自由移动。该专利中并未给出径向位移传感器和三轴压缩仪器的具体连接方式，更未给出自由空间气体压力的控制与加载方式。当与试样围压相连的磁致伸缩液位计内液体体积发生变化时，由于自由空间气体的可压缩性，气体压力和试样液体围压会在界面处产生压力差，势必影响气液界面的自由移动。因此，该装置无法实现岩石试样径向变形及体积变形的准确、长期测量。

发明内容

本发明的目的是解决现有岩石应变测量装置存在的仅可测量试样的轴向、径向变形，而无法长期准确、直接测量试样蠕变体积变形的技术问题，提供一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其包括三轴试验釜、轴向位移传感器、磁致式液位计、围压控制端口、气体加载系统、液体加载系统、数据采集处理系统和五个控制阀，所述三轴试验釜由试验釜外腔体、试验釜内缸体、传压缸体、上垫块、下垫块、橡胶套、底部接触垫块、封盖和加热装置组成，所述上垫块和下垫块分别设置在橡胶套内腔的上下两端，所述试验釜内缸体由上盖、缸体、下盖和底座构成，所述封盖装在上盖内腔下部设置的凹槽中并位于缸体顶面上，所述上盖通过内螺纹与缸体外表面的上部连接，所述传压缸体装在上盖内腔中且传压缸体的传压轴穿过上盖顶部中心设置的轴孔与轴向位移传感器连接，所述传压缸体的下部穿过封盖中心设置的圆孔且其底面与上垫块的上端面相接触，所述橡胶套及上垫块、下垫块装在传压缸体与底部接触垫块之间，所述底部接触垫块与底座中心设置的螺孔连接，所述下垫块的下端面与底部接触垫块的上端面相接触，所述底座的上部通过外螺纹与缸体内腔的下部连接，所述橡胶套的外表面与缸体、底座和封盖形成围压腔，所述下盖通过内螺纹与缸体外表面的下部连接并使底座的底部位于其中心设置的孔中，所述试验釜内缸体装在试验釜外腔体中，所述加热装置包裹在试验釜外腔体的外面；所述磁致式液位计的出液口通过管道和第一控制阀与围压腔连接，所述磁致式液位计的进液口通过管道和第二控制阀与围压控制端口的出液口连接，所述磁致式液位计的进气口通过管道和第三控制阀与围压控制端口的出气口连接，所述磁致式液位计的数据采集端与数据采集处理系统连接；所述围压控制端口的进气口通过管道和第四控制阀门与气体加载系统连接，所述围压控制端口的进液口通过管道和第五控制阀门与液体加载系统连接。

进一步地，所述磁致式液位计由磁致伸缩位移传感器、浮子和液位计外壳组成，所述浮子套在磁致伸缩位移传感器上并漂浮于液面上方，并能沿传感器测杆随液位的变化而上下移动，所述浮子和磁致伸缩位移传感器装在液位计外壳的内腔中，所述液位计外壳的底部设有进液口和出液口，所述液位计外壳的上部设有进气口。

进一步地，所述磁致式液位计内环形液面的截面积为33.755mm²；所述磁致式液位计高度量程400mm，高度分辨率为0.01mm，对应的体积测量分辨率为0.33755mm³；体积变形测量量程为13502mm³，能实现磁致式液位计内液体体积变形的精确测量。

进一步地，所述液位计外壳为厚壁、高强度的不锈钢管。

一种采用上述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置的测量方法，其测量步骤为：

1)将岩石试样装在三轴试验釜的橡胶套内，把三轴试验釜、轴向位移传感器、磁致式液位计、围压控制端口、气体加载系统、液体加载系统、数据采集处理系统和五个控制阀连接好；

2)首先关闭第三控制阀、第四控制阀，打开第一控制阀、第二控制阀和第五控制阀，液体加载系统通过围压控制端口的出液口向磁致式液位计和三轴试验釜围压腔注入液体；然后关闭第二控制阀和第五控制阀，围压控制端口切换至气体加载，打开第三控制阀和第四控制阀，向磁致式液位计注入气体进行加载；重复多次上述气、液加载步骤，使围压腔加载至试样目标围压，且保证磁致式液位计内的浮子液面高度处在20-30mm量程范围内；

3)施加轴压，将岩石试样加载至室温下静水压力状态；将系统温度设定为目标温度，待磁致式液位计中气液界面稳定，整个试验系统稳定在目标温度下的静水压力状态后，改变岩石试样的轴向应力并保持恒定，进行目标温度和压力下的蠕变试验；

4)在数据采集处理系统里录入试样的轴向初始位移和液位计内液面初始高度，设置数据记录间隔，进行自动数据记录；

5)依据记录数据，通过下述公式计算岩石试样的高温蠕变体积变形及体积应变；岩石试样体积变化量的计算为：

ΔV_试样＝V_液+V_垫块＝Δh·S_截+πr²·Δl

式中：V_液-磁致式液位计内液体体积变化量，通过V_液＝Δh·S_截计算获得，Δh-浮子上下移动的液面高度变化；S_截-磁致式液位计内环形液面的截面积；V_垫块-上垫块向下移动而占据的空间体积，通过V_垫块＝πr²·Δl计算获得，r-上垫块截面半径，即岩石试样截面半径；Δl-上垫块向下移动的位移，即岩石试样在轴向方向上的压缩位移；

岩石试样的体积应变计算为：

e_V＝ΔV_试样/V₀

式中：V₀为岩石试样的初始体积，通过试样的初始直径r₀和初始高度l₀计算得到。

本发明的有益效果是：

(1)为岩石三轴高温蠕变变形中体积变形的测量提供了新方法，可直观、准确地计算试样高温蠕变过程中的绝对体积变形量及体积应变。

(2)可根据液位计内液位体积变化趋势判断试样体积变形由压缩状态向膨胀状态转化，预测试样的临界失稳。

(3)本发明安装和连接简单，体积小，精度高，宜在岩石高温蠕变实验中长期测量使用。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图中：1-试验釜外腔体；2-传压缸体；3-1-上垫块；3-2-下垫块；4-岩石试样； 5-橡胶套；6-围压腔；7-底部接触垫块；8-1-上盖；8-2-缸体；8-3-下盖；8-4-底座；9-轴向位移传感器；10-加热装置；11-磁致式液位计；11-1-磁致伸缩位移传感器；11-2-浮子；11-3-液位计外壳；12-数据采集处理系统；13-围压控制端口； 14-气体加载系统；15-液体加载系统；16-封盖；F1-第一控制阀；F2-第二控制阀； F3-第三控制阀；F4-第四控制阀；F5-第五控制阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例中的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其包括三轴试验釜、轴向位移传感器9、磁致式液位计11、围压控制端口13、气体加载系统14、液体加载系统15、数据采集处理系统12和五个控制阀，所述三轴试验釜由试验釜外腔体1、试验釜内缸体、传压缸体2、上垫块3-1、下垫块 3-2、橡胶套5、底部接触垫块7、封盖16和加热装置10组成，所述上垫块3-1 和下垫块3-2分别设置在橡胶套5内腔的上下两端，所述试验釜内缸体由上盖 8-1、缸体8-2、下盖8-3和底座8-4构成，所述封盖16装在上盖8-1内腔下部设置的凹槽中并位于缸体8-2顶面上，所述上盖8-1通过内螺纹与缸体8-2外表面的上部连接并使封盖16与缸体8-2顶面紧密相接触，所述传压缸体2装在上盖 8-1内腔中且传压缸体2的传压轴穿过上盖8-1顶部中心设置的轴孔与轴向位移传感器9连接，所述传压缸体2的下部穿过封盖16中心设置的圆孔且其底面与上垫块3-1的上端面相接触，所述橡胶套5及上垫块3-1、下垫块3-2装在传压缸体2与底部接触垫块7之间，所述底部接触垫块7与底座8-4中心设置的螺孔连接，所述下垫块3-2的下端面与底部接触垫块7的上端面相接触，所述底座 8-4的上部通过外螺纹与缸体内腔的下部连接，所述橡胶套5的外表面与缸体 8-2、底座8-4和封盖16形成围压腔6，所述下盖8-3通过内螺纹与缸体8-2外表面的下部连接并使底座8-4的底部位于其中心设置的孔中，所述试验釜内缸体装在试验釜外腔体1中，所述加热装置10包裹在试验釜外腔体1的外面；所述磁致式液位计11的出液口通过管道和第一控制阀F1与围压腔6连接，所述磁致式液位计11的进液口通过管道和第二控制阀F2与围压控制端口13的出液口连接，所述磁致式液位计11的进气口通过管道和第三控制阀F3与围压控制端口13的出气口连接，所述磁致式液位计11的数据采集端与数据采集处理系统 12连接；所述围压控制端口13的进气口通过管道和第四控制阀门F4与气体加载系统14连接，所述围压控制端口13的进液口通过管道和第五控制阀门F5与液体加载系统15连接。所述围压控制端口13设有进气口、出气口、进液口和出液口。所述下盖8-3和底座8-4中设有给围压腔6加液的通道。

所述磁致式液位计11由磁致伸缩位移传感器11-1、浮子11-2和液位计外壳 11-3组成，所述浮子11-2套在磁致伸缩位移传感器11-1上并漂浮于液面上方，并能沿传感器测杆随液位的变化而上下移动，所述浮子11-2和磁致伸缩位移传感器11-1装在液位计外壳11-3的内腔中，所述液位计外壳11-3的底部设有进液口和出液口，所述液位计外壳11-3的上部设有进气口。所述液位计外壳11-3为厚壁、高强度的不锈钢管。

所述磁致式液位计11内环形液面的截面积为33.755mm²；所述磁致式液位计11的高度量程400mm，高度分辨率为0.01mm，对应的体积测量分辨率为 0.33755mm³，是

试样体积的万分之1.72；体积变形测量量程为13502mm³，是

试样体积的6.88％，能实现磁致式液位计11内液体体积变形的精确测量。

一种采用上述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置的测量方法，其测量步骤为：

1)将岩石试样4装在三轴试验釜的橡胶套5内，把三轴试验釜、轴向位移传感器9、磁致式液位计11、围压控制端口13、气体加载系统14、液体加载系统15、数据采集处理系统12和五个控制阀连接好；

2)首先关闭第三控制阀F3、第四控制阀F4，打开第一控制阀F1、第二控制阀F2和第五控制阀F5，液体加载系统15通过围压控制端口13的出液口向磁致式液位计11和三轴试验釜围压腔6注入液体；然后关闭第二控制阀F2和第五控制阀F5，围压控制端口13切换至气体加载，打开第三控制阀F3和第四控制阀F4，向磁致式液位计11注入气体进行加载；重复多次上述气、液加载步骤，使围压腔6加载至试样目标围压，且保证磁致式液位计11内的浮子11-2液面高度处在20-30mm量程范围内；

3)施加轴压，将岩石试样4加载至室温下静水压力状态；将系统温度设定为目标温度，待磁致式液位计11中气液界面稳定，整个试验系统稳定在目标温度下的静水压力状态后，改变岩石试样4的轴向应力并保持恒定，进行目标温度和压力下的蠕变试验；

4)在数据采集处理系统12里录入试样的轴向初始位移和液位计内液面初始高度，设置数据记录间隔，进行自动数据记录；

5)依据记录数据，通过下述公式计算岩石试样4的高温蠕变体积变形及体积应变；岩石试样4体积变化量的计算为：

ΔV_试样＝V_液+V_垫块＝Δh·S_截+πr²·Δl

式中：V_液-磁致式液位计11内液体体积变化量，通过V_液＝Δh·S_截计算获得，Δh-浮子11-2上下移动的液面高度变化；S_截-磁致式液位计11内环形液面的截面积； V_垫块-上垫块3-1向下移动而占据的空间体积，通过V_垫块＝πr²·Δl计算获得，r-上垫块截面半径，即岩石试样截面半径；Δl-上垫块向下移动的位移，即岩石试样在轴向方向上的压缩位移；

岩石试样4的体积应变计算为：

e_V＝ΔV_试样/V₀

式中：V₀为岩石试样4的初始体积，通过试样的初始直径r₀和初始高度l₀计算得到。

本发明测量方法的原理为：

通过气液加载围压控制，磁致式液位计11内液面上方气体压力和试样围压一致。当三轴试验釜内岩石试样4体积发生变形时，会引起磁致式液位计11内气液界面自由移动，且液体流动量很小，不会引起三轴试验釜和磁致式液位计 11的温度变化，也不会引起磁致式液位计内气体压力的变化。环境温度及液位计内压力变化引起的液体体积变化可以忽略不计。岩石试样的绝对体积变形可由岩石试样蠕变变形引起的磁致式液位计11内液体体积变化量加以计算。而该部分体积实质上是由两部分引起的，一部分是岩石试样自身的体积变化量ΔV_试样，另一部分是岩石试样4发生蠕变变形时，上垫块3-1向下移动而占据的空间体积 V_垫块，岩石试样4自身的体积变形不宜直接测量，但是岩石试样4长度变化引起上垫块向下移动而占据的空间的体积却可以直接测量，并计算如下：

V_垫块＝πr²·Δl

液体体积变化可通过浮子所显示的液位高度变化和环形液面截面积加以计算；V_液＝Δh·S_截。

因此，岩石试样4体积变化量可以通过下式计算：

ΔV_试样＝V_液+V_垫块＝Δh·S_截+πr²·Δl

如此，岩石试样4的体积应变为：e_V＝ΔV_试样/V₀。V₀为岩石试样的初始体积，通过试样的初始直径r₀和初始高度l₀计算得到。

综上，采用本发明可准确测量岩石试样4的高温蠕变体积变形及体积应变。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，尤其是改变了三轴试验釜和磁致伸缩传感器的内部构造，但是保证液位计与试样围压相通以便于测量液位计液面准确高度的装置，或使用了其他的类型的液位计，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：包括三轴试验釜、轴向位移传感器(9)、磁致式液位计(11)、围压控制端口(13)、气体加载系统(14)、液体加载系统(15)、数据采集处理系统(12)和五个控制阀，所述三轴试验釜由试验釜外腔体(1)、试验釜内缸体、传压缸体(2)、上垫块(3-1)、下垫块(3-2)、橡胶套(5)、底部接触垫块(7)、封盖(16)和加热装置(10)组成，所述上垫块(3-1)和下垫块(3-2)分别设置在橡胶套(5)内腔的上下两端，所述试验釜内缸体由上盖(8-1)、缸体(8-2)、下盖(8-3)和底座(8-4)构成，所述封盖(16)装在上盖(8-1)内腔下部设置的凹槽中并位于缸体(8-2)顶面上，所述上盖(8-1)通过内螺纹与缸体(8-2)外表面的上部连接，所述传压缸体(2)装在上盖(8-1)内腔中且传压缸体(2)的传压轴穿过上盖(8-1)顶部中心设置的轴孔与轴向位移传感器(9)连接，所述传压缸体(2)的下部穿过封盖(16)中心设置的圆孔且其底面与上垫块(3-1)的上端面相接触，所述橡胶套(5)及上垫块(3-1)、下垫块(3-2)装在传压缸体(2)与底部接触垫块(7)之间，所述底部接触垫块(7)与底座(8-4)中心设置的螺孔连接，所述下垫块(3-2)的下端面与底部接触垫块(7)的上端面相接触，所述底座(8-4)的上部通过外螺纹与缸体内腔的下部连接，所述橡胶套(5)的外表面与缸体(8-2)、底座(8-4)和封盖(16)形成围压腔(6)，所述下盖(8-3)通过内螺纹与缸体(8-2)外表面的下部连接并使底座(8-4)的底部位于其中心设置的孔中，所述试验釜内缸体装在试验釜外腔体(1)中，所述加热装置(10)包裹在试验釜外腔体(1)的外面；所述磁致式液位计(11)的出液口通过管道和第一控制阀(F1)与围压腔(6)连接，所述磁致式液位计(11)的进液口通过管道和第二控制阀(F2)与围压控制端口(13)的出液口连接，所述磁致式液位计(11)的进气口通过管道和第三控制阀(F3)与围压控制端口(13)的出气口连接，所述磁致式液位计(11)的数据采集端与数据采集处理系统(12)连接；所述围压控制端口(13)的进气口通过管道和第四控制阀门(F4)与气体加载系统(14)连接，所述围压控制端口(13)的进液口通过管道和第五控制阀门(F5)与液体加载系统(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：所述磁致式液位计(11)由磁致伸缩位移传感器(11-1)、浮子(11-2)和液位计外壳(11-3)组成，所述浮子(11-2)套在磁致伸缩位移传感器(11-1)上并漂浮于液面上方，并能沿传感器测杆随液位的变化而上下移动，所述浮子(11-2)和磁致伸缩位移传感器(11-1)装在液位计外壳(11-3)的内腔中，所述液位计外壳(11-3)的底部设有进液口和出液口，所述液位计外壳(11-3)的上部设有进气口。

3.根据权利要求2所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：所述磁致式液位计(11)内环形液面的截面积为33.755mm²；所述磁致式液位计(11)高度量程400mm，高度分辨率为0.01mm，对应的体积测量分辨率为0.33755mm³；体积变形测量量程为13502mm³，能实现磁致式液位计(11)内液体体积变形的精确测量。

4.根据权利要求2所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：所述液位计外壳(11-3)为厚壁、高强度的不锈钢管。

5.一种采用权利要求1～4任一项所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置的测量方法，其特征在于，测量步骤为：

1)将岩石试样(4)装在三轴试验釜的橡胶套(5)内，把三轴试验釜、轴向位移传感器(9)、磁致式液位计(11)、围压控制端口(13)、气体加载系统(14)、液体加载系统(15)、数据采集处理系统(12)和五个控制阀连接好；

2)首先关闭第三控制阀(F3)、第四控制阀(F4)，打开第一控制阀(F1)、第二控制阀(F2)和第五控制阀(F5)，液体加载系统(15)通过围压控制端口(13)的出液口向磁致式液位计(11)和三轴试验釜围压腔(6)注入液体；然后关闭第二控制阀(F2)和第五控制阀(F5)，围压控制端口(13)切换至气体加载，打开第三控制阀(F3)和第四控制阀(F4)，向磁致式液位计(11)注入气体进行加载；重复多次上述气、液加载步骤，使围压腔(6)加载至试样目标围压，且保证磁致式液位计(11)内的浮子(11-2)液面高度处在20-30mm量程范围内；

3)施加轴压，将岩石试样(4)加载至室温下静水压力状态；将系统温度设定为目标温度，待磁致式液位计(11)中气液界面稳定，整个试验系统稳定在目标温度下的静水压力状态后，改变岩石试样(4)的轴向应力并保持恒定，进行目标温度和压力下的蠕变试验；

4)在数据采集处理系统(12)里录入试样的轴向初始位移和液位计内液面初始高度，设置数据记录间隔，进行自动数据记录；

5)依据记录数据，通过下述公式计算岩石试样(4)的高温蠕变体积变形及体积应变；岩石试样(4)体积变化量的计算为：

ΔV_试样＝V_液+V_垫块＝Δh·S_截+πr²·Δl

式中：V_液-磁致式液位计(11)内液体体积变化量，通过V_液＝Δh·S_截计算获得，Δh-浮子(11-2)上下移动的液面高度变化；S_截-磁致式液位计(11)内环形液面的截面积；V_垫块-上垫块(3-1)向下移动而占据的空间体积，通过V_垫块＝πr²·Δl计算获得，r-上垫块截面半径，即岩石试样截面半径；Δl-上垫块向下移动的位移，即岩石试样在轴向方向上的压缩位移；

岩石试样(4)的体积应变计算为：

e_V＝ΔV_试样/V₀

式中：V₀为岩石试样(4)的初始体积，通过试样的初始直径r₀和初始高度l₀计算得到。

Images