CN112146991A - 一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，包括实验舱，其从上到下依次由顶盖、套筒和底盖组成，顶盖和底盖分别设置在套筒上口和下口，套筒、顶盖和底盖共同形成大围压室，底盖分别设置总轴力加载装置和分块轴力加载装置，可以施加向上的加载力，围压室内设置与分块轴力加载装置一一对应的分围压筒，各分围压筒可以分别施加独立的围压，在集成控制装置的控制下，围压和温度施加完成后，装置能对多种或同种多块岩石试样进行同温度条件下不同围压的实验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率，免去重复装填的过程，并且能得到不同试样的实时的加载变化过程和应力应变曲线，形成对比实验。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学实验技术领域，具体涉及一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置。
背景技术
地下工程建设过程中涉及到的诸如巷道严重变形、隧道涌水等地下工程岩体灾害总体呈上升趋势，这直接影响了地下工程的安全建设与经济效益，甚至对支护造成严重破坏，危及人身安全。
地下工程岩体之所以发生变形、破坏等灾害，其本质原因是开挖活动破坏了原岩的原始应力平衡，岩体的力学行为与开挖过程等密切相关。巷道等地下工程岩体未开挖之前往往处于三向原岩应力状态，开挖过程打破了原始的应力平衡状态，导致围岩三维应力场重新分布。因此，基于开挖引起的三维应力路径下的岩石力学三轴实验对于地下岩体工程大规模建设、围岩稳定性控制方案设计以及重大工程地质灾害预警都具有极为重要的意义。
岩石力学三轴实验又称岩石三轴压缩试验或岩石三轴应力试验，是在三个正交的方向对岩石试件施加压荷载，从而测定试件在此受力状态下强度和变形特性的试验。现有的三轴实验仪器，一次加卸载围压，只能对一块试样进行实验，不能形成对比实验，且浪费时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，以克服现有实验装置无法对处于不同围压下的多种或同种多块岩石试样进行加载的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，包括实验舱8，所述实验舱8从上到下依次由顶盖11、套筒12和底盖13组成；
其中，所述顶盖11设置在套筒12的上口，底盖13设置在套筒12的下口；所述顶盖11、套筒12和底盖13共同形成大围压室，大围压室内分别开设有进油孔133和出油孔112；
所述底盖13设置轴力加载装置7，所述轴力加载装置7包括总轴力加载装置和分块轴力加载装置143，能够施加向上的加载力；
所述大围压室内还设置与所述分块轴力加载装置143一一对应的分围压筒14，各分围压筒14上设置分筒围压加载装置144，能够分别施加独立的围压；
还包括与实验舱8相连的围压加载装置5、温度控制装置6和数据采集系统9；所述围压加载装置5用于对实验舱8施加围压；所述温度控制装置6与加热装置控制连接，加热装置与套筒12相连；所述围压加载装置5、温度控制装置6和轴力加载装置7与计算机相连；通过施加围压和温度，能够对多种或同种多块岩石试样进行同温度条件下不同围压的实验。
优选地，所述顶盖11包括上盖层111，其上设有出油孔112，所述顶盖11下方与套筒12 之间设有上密封圈113。
优选地，所述底盖13包括下盖层131，其上设有进油孔133，所述底盖13与套筒12之间设有下密封圈132。
优选地，所述分围压筒14能够装载试样，数量为9个，设置于下盖层131上方的凸台通孔内，且凸台通孔内部设置对应的相互独立的分块轴力加载装置143。
优选地，所述分围压筒14上开有分筒进油孔141和分筒出油孔142，分围压筒14的上下两端套有分筒上密封圈145和分筒下密封圈146。
优选地，所述加热装置包括加热套夹10和控制装置，加热套夹10夹在套筒12外，套筒12 内部设置温度探头，与温度控制装置6连接。
优选地，所述上密封圈113、下密封圈132、分筒上密封圈145和分筒下密封圈146均采用全氟醚橡胶材料。
优选地，所述轴力加载装置7的加压系统采用液压加压。
优选地，还包括液压油油泵控制面板1、温度加载控制面板2和液压控制系统面板3，所述液压油油泵控制面板1、温度加载控制面板2和液压控制系统面板3分别与计算机4相连，形成集成式控制面板。
优选地，所述液压油油泵控制面板1，用于控制液压油从进油孔133注入，以及控制液压油从分围压筒14的分筒进油孔141注入分围压筒14。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明实验装置能够对多种或同种多块岩石试样进行同温度条件下不同围压的实验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率，免去重复装填的过程，并且能得到不同试样的实时的加载变化过程和应力应变曲线，形成对比实验。
附图说明
图1为本发明用于岩石力学三轴实验的高效实验装置简要流程图；
图2为本发明用于岩石力学三轴实验的高效实验装置实验舱图；
图3为本发明用于岩石力学三轴实验的高效实验装置实验舱拆分图；
图4为本发明用于岩石力学三轴实验的高效实验装置分围压筒图；
图5为本发明用于岩石力学三轴实验的高效实验装置分围压筒剖面图；
图中，1.液压油油泵控制面板 2.温度加载控制面板 3.液压控制系统面板 4.计算机 5.围压加载装置 6.温度控制装置 7.轴力加载装置 8.实验舱 9.数据采集系统 10.加热套夹 11.顶盖 12.套筒 13.底盖 14.分围压筒 111.上盖层 112.出油孔 113.上密封圈 131.下盖层 132.下密封圈 133.进油孔 141.分筒进油孔 142.分筒出油孔 143.分块轴力加载装置 144.分筒围压加载装置 145.分筒上密封圈 146.分筒下密封圈。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本发明用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，由液压油油泵控制面板1、. 温度加载控制面板2、液压控制系统面板3、计算机4、围压加载装置5、温度控制装置6、轴力加载装置7、实验舱8和数据采集系统9组成。
所述液压油油泵控制面板1、.温度加载控制面板2和液压控制系统面板3分别与计算机4 相连，形成集成式控制面板；所述计算机与围压加载装置5、温度控制装置6和轴力加载装置 7控制连接；所述围压加载装置5、温度控制装置6和轴力加载装置7与实验舱8相连；所述实验舱8与数据采集系统9相连。在围压和温度施加完成后，该岩石力学三轴试验仪能对多种或同种多块岩石试样进行同温度条件下不同围压的实验。
如图3所示，所述实验舱8从上到下依次由顶盖11、套筒12和底盖13组成；所述顶盖11 设置在套筒12的上口，底盖13设置在套筒下口；所述顶盖11、套筒12、和底盖13共同形成大围压室，大围压室内分别开设有进油孔133和出油孔112。
所述顶盖11包括上盖层111，其上设有出油孔112，顶盖11下方与套筒12之间设有上密封圈113。所述顶盖11固定，不可移动，由底盖13向上位移进行加载。
所述底盖13包括下盖层131，其上设有进油孔133，所述底盖13与套筒12之间设有下密封圈132。本实施例中，所述上密封圈113和下密封圈132均采用全氟醚橡胶材料。
所述底盖13设置轴力加载装置7，所述轴力加载装置7包括总轴力加载装置和分块轴力加载装置143可以施加向上的加载力。本实施例中，所述轴力加载装置7的加压系统采用液压加压。
所述大围压室内还设置与所述分块轴力加载装置143一一对应的分围压筒14，各分围压筒14能够分别施加独立的围压。
本实施例中，所述分围压筒用于装载试样，数量为9个，相互独立，设置于下盖层131 上方的凸台通孔内，且凸台通孔内部设置对应的相互独立的分块轴力加载装置。
本实施例中，所述分围压筒14上开有分筒进油孔141和分筒出油孔142，分围压筒14的上下两端套有分筒上密封圈145和分筒下密封圈146，分围压筒14上还设置分块轴力加载装置 143和分筒围压加载装置144。本实施例中，所述分筒上密封圈155和分筒下密封圈156均采用全氟醚橡胶材料。
所述温度控制装置6与加热装置控制连接，加热装置与套筒12相连。本实施例中，加热装置包括加热套夹10和控制装置，加热套夹10夹在套筒12外，套筒12内部设置温度探头，与温度控制装置6连接。
所述液压油、加热装置、竖向加压的作业均通过高压阀门和管线相连，并通过它们的共同作业，协调启闭。
首先，进行试样装载，利用轴力加载装置7将套筒12和下盖层131向下降落与上盖层111 分离，随后取下套筒12，将分围压筒14从下盖层131中取出，装载试样，再将装好试样的分围压筒14装回下盖层131中，将套筒12安装在下盖层131上，利用轴力加载装置7将下盖层131 和套筒12升至上盖层111处。
其次，进行充液，用液压油油泵控制面板1，将液压油先从进油孔133注入，注入直至从出油孔112中流出的液压油中不含气泡时停止，关闭阀门。然后，用液压油油泵控制面板1，将液压油从分围压筒14的分筒进油孔141注入分围压筒14，注入直至从分筒出油孔142中流出的液压油中不含气泡时停止。然后，进行加热操作，用加热套夹10对实验舱8进行加热。
随后，进行围压加载操作，先利用围压加载装置5对实验舱8施加围压，若实验要求同一围压，则可直接进入下一步操作，若设置不同围压下的对比实验，则在围压加载完成后，利用分筒围压加载装置5对各个分围压筒15施加不同的围压，随后关闭阀门。
然后，进行轴力加载操作，若是同一围压同种试样可以直接利用轴力加载装置7对试样进行加载，利用数据采集系统9来监测加载过程，实时记录应力应变曲线等数据，并形成同种试样的对比实验；若是不同围压或不同试样，则利用分轴力加载装置7对分围压筒15内的试样进行分别加载，可以同时加载形成实时对比实验，并利用数据采集系统9记录对比。
最后，进性卸载和清洗操作，加载完成后，利用轴力加载装置7将套筒12和下盖层131 向下降落与上盖层111分离，随后取下套筒12，将分围压筒15从下盖层131中取出，将分围压筒15内的破坏试样取出，用清洗液清洗实验舱8和分围压筒15，2-3次，将装清洗好的分围压筒15装回下盖层131中，将套筒12安装在下盖层131上，利用轴力加载装置7将下盖层131和套筒12升至上盖层111处。
上述模拟系统装置中，模型的压力和温度施加可根据需要进行调节，温度可达200℃，压力可达10MPa。
使用本发明模拟系统装置进行热能置换实验时，实验结束后需缓慢释放压力，降低温度后，方可拆卸实验组件。
实验完毕后，对模型本体内侧、阀门、容器等进行清洗，清洗液通过管线阀门放空，重复进行2-3次清理，进入下一个实验。
上述模拟系统装置中，要先对实验舱进行加热操作，再施加围压，防止先施加围压后再加温使围压发生变化。
上述模拟系统装置中，装载试样时，将套筒和下盖层上升至上盖层处时候，施加一个较小轴压来固定试样，防止充液时将试样推离固定位置。
上述模拟系统装置中，各个分围压筒的围压值可以设置不同围压，但均应该大于套筒12 内的围压，来维持分围压筒15围压稳定。
Claims (10)
1.一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：包括实验舱(8)；
所述实验舱(8)从上到下依次由顶盖(11)、套筒(12)和底盖(13)组成；其中，所述顶盖(11)设置在套筒(12)的上口，底盖(13)设置在套筒下口；所述顶盖(11)、套筒(12)、和底盖(13)共同形成大围压室，大围压室内分别开设有进油孔(133)和出油孔(112)；
所述底盖(13)设置轴力加载装置(7)，所述轴力加载装置7包括总轴力加载装置和分块轴力加载装置(143)，能够施加向上的加载力；所述大围压室内还设置与所述分块轴力加载装置(143)一一对应的分围压筒(14)，各分围压筒(14)上设置分筒围压加载装置(144)，能够分别施加独立的围压；
还包括与实验舱8相连的围压加载装置(5)、温度控制装置(6)和数据采集系统(9)；所述围压加载装置(5)用于对实验舱(8)施加围压；所述温度控制装置(6)与加热装置控制连接，加热装置与套筒(12)相连；所述围压加载装置(5)、温度控制装置(6)和轴力加载装置(7)与计算机(4)相连；通过施加围压和温度，能够对多种或同种多块岩石试样进行同温度条件下不同围压的实验。
2.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述顶盖(11)包括上盖层(111)，其上设有出油孔(112)，所述顶盖(11)下方与套筒(12)之间设有上密封圈(113)。
3.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述底盖(13)包括下盖层(131)，其上设有进油孔(133)，所述底盖(13)与套筒(12)之间设有下密封圈(132)。
4.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述分围压筒(14)能够装载试样，数量为9个，设置于下盖层(131)上方的凸台通孔内，且凸台通孔内部设置对应的相互独立的分块轴力加载装置(143)。
5.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述分围压筒(14)上开有分筒进油孔(141)和分筒出油孔(142)，分围压筒(14)的上下两端套有分筒上密封圈(145)和分筒下密封圈(146)。
6.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述加热装置包括加热套夹(10)和控制装置，加热套夹(10)夹在套筒(12)外，套筒(12)内部设置温度探头，与温度控制装置(6)连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述上密封圈(113)、下密封圈(132)、分筒上密封圈(145)和分筒下密封圈(146)均采用全氟醚橡胶材料。
8.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述轴力加载装置(7)的加压系统采用液压加压。
9.根据权利要求1所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：还包括液压油油泵控制面板(1)、温度加载控制面板(2)和液压控制系统面板(3)，所述液压油油泵控制面板(1)、温度加载控制面板(2)和液压控制系统面板(3)分别与计算机4相连，形成集成式控制面板。
10.根据权利要求9所述的一种用于岩石力学三轴实验的高效实验装置，其特征在于：所述液压油油泵控制面板(1)，用于控制液压油从进油孔(133)注入，以及控制液压油从分围压筒(14)的分筒进油孔(141)注入分围压筒(14)。
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2020
- 2020-08-25 CN CN202010861165.3A patent/CN112146991A/zh active Pending
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