CN113008671B - 一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法 - Google Patents

一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113008671B
CN113008671B CN202110203818.3A CN202110203818A CN113008671B CN 113008671 B CN113008671 B CN 113008671B CN 202110203818 A CN202110203818 A CN 202110203818A CN 113008671 B CN113008671 B CN 113008671B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rock
temperature
creep
strain
test piece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110203818.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113008671A (zh
Inventor
姜谙男
蒋浩鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Maritime University
Original Assignee
Dalian Maritime University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Maritime University filed Critical Dalian Maritime University
Priority to CN202110203818.3A priority Critical patent/CN113008671B/zh
Publication of CN113008671A publication Critical patent/CN113008671A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113008671B publication Critical patent/CN113008671B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0003—Steady
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0019—Compressive
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/0032—Generation of the force using mechanical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0071—Creep
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/022—Environment of the test
    • G01N2203/0222—Temperature
    • G01N2203/0226—High temperature; Heating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0658—Indicating or recording means; Sensing means using acoustic or ultrasonic detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/011—Velocity or travel time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0232—Glass, ceramics, concrete or stone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02827—Elastic parameters, strength or force

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置，由超声测试系统、加热系统、轴压系统、千斤顶控制系统、压力恒温室、传感器装置、数据采集处理系统及基础底座外框架等部分组成。本装置通过超声测试系统，能够测试高温岩石蠕变试验过程中声波波速的变化情况，有助于分析温度对岩石蠕变过程中波速的影响机制。此外本装置的使用方法及操作过程简单，提高了试验效率，同时能够模拟岩石在不同温度和压力作用下的蠕变试验，能够揭示出高温对岩石蠕变特性的影响程度。

Description

一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩石蠕变试验装置技术领域，具体涉及一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置。
背景技术
自从上世纪60年代以来，关于岩石蠕变的试验及模型研究逐渐增加。蠕变指在保持恒定应力的条件下，岩石等固体材料的应变随时间增加而增加的现象。在岩体施工过程中，例如地下隧道塌陷、地下核废料储存破坏、矿山岩爆等灾害都会存在岩石蠕变变形而导致的破坏。但目前而言，对于隧道发生火灾等突发状况的岩体蠕变特性的相关研究较少。因此，研究高温与荷载耦合作用下岩石蠕变特性及研究其蠕变过程中声波的变化规律具有重要意义。
岩石的蠕变破坏通常受温度环境因素的影响显著，且受荷载等级的大小与时间因素其周期一般为几个月甚至更长。目前对于高温环境作用岩石蠕变过程中声波变化规律的相关研究较少，且对于高温岩石蠕变的试验装置功能都较为单一。对于高温岩石蠕变过程中实时测试声波变化离不开试验设备的自主创新，目前已有研究涉及到了高温条件下的试验设备，例如：公开号：太原理工大学的“一种同时多级加载的高温三轴岩石蠕变试验机及使用方法(CN111521493A)”，该装置可研究温度和应力耦合情况下岩石的蠕变特性，也解决了现有一台装置不能满足多组蠕变试验的弊端，但是并不能实现高温岩石蠕变过程中声波的测试，因此就不能分析出高温岩石蠕变对声波的影响程度。
综上所述，急需研发一种既能够实现不同温度和恒定或循环荷载耦合作用下岩石蠕变的试验功能，又能够实现在其蠕变过程中声波测试功能的装置。因此基于上述背景，本发明自主研发了一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置与试验方法，能够准确高效地研究不同荷载作用下和不同温度作用下岩石时间-蠕变量的关系及蠕变过程中声波的变化规律，对于解决深部地下工程问题有重要意义。
发明内容
本发明针对提出了一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置，解决了现有延时蠕变试验装置无法实现对岩石试件进行不同温度和恒定或循环荷载耦合作用下岩石蠕变的试验功能，又能够实现在其蠕变过程中声波测试功能的装置。
本发明采用的技术手段如下：
一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置，包括，
底座外框架；
设置在所述底座外框架上的压力恒温室；
设置在所述压力恒温室内用于采集置于所述压力恒温室内岩石试件的应力变化和温度信息的应变传感器和温度传感器；
设置在所述压力恒温室内用于对所述压力恒温室加热的加热系统；
设置在所述压力恒温室内用于对置于所述压力恒温室内的岩石试件轴向加载的轴压加载系统，所述轴压加载系统包括设置在所述压力恒温室内的传力柱Ⅰ和传力柱Ⅱ、与所述传力柱Ⅱ连接的传力柱驱动座以及通过所述传力柱驱动座驱动传力柱Ⅱ运动的千斤顶系统；
设置在所述轴压加载系统上用于采集轴向加载的位移数据的位移传感器；
设置在所述压力恒温室内用于对置于所述压力恒温室内的岩石试件进行声波测试的超声测试系统；
用于采集所述应变传感器、温度传感器以及位移传感器的信号并进行数据处理的数据采集处理系统。
进一步地，所述超声测试系统包括分别设置在所述传力柱Ⅰ和传力柱Ⅱ内的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ、与所述超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ连接的超声控制系统。
进一步地，所述传力柱Ⅰ和所述传力柱Ⅱ朝向压力恒温室的腔体的一端分别设有隔热膜。
进一步地，所述应变传感器和所述温度传感器均具有多个，多个所述应变传感器和所述温度传感器沿所述压力恒温室轴向方向间隔布置在所述岩石试件上。
一种带声波测试的高温岩石蠕变试验方法，包括以下步骤，
步骤1、将岩块预制成标准圆柱型岩石试件，并将所述岩石试件置于压力恒温室的腔体内并进行固定，在所述岩石试件的外壁上固定应变传感器和温度传感器；
步骤2、启动超声测试系统，利用超声测试系统的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ获取声波在所述岩石试件中的初始传播时间t0；
步骤3、利用加热系统将压力恒温室腔体内的岩石试件加热到预设温度，并保持设定时间确保恒温室系统内部中的温度和岩石试件的温度保持一致，当达到预设温度时，加热系统保持预设温度不变继续工作，以确保岩石试样温度在试验过程中持续满足要求；
步骤4、密封压力恒温室，并利用对轴压加载系统中的千斤顶系统进行加载，千斤顶系统施加恒定的力传递至传力柱Ⅱ，通过传力柱Ⅱ对所述岩石试样施加设定恒定力，直至轴压加载到试验设计轴压值并保持恒定；
步骤5、按照蠕变实验过程使轴压加载系统加载至某一特定压力时保持一段时间后逐级加载，通过应变传感器监测岩石试件应变变化、温度传感器监测压力恒温室腔内实时温度、位移传感器监测轴向加载的位移数据以及通过超声测试系统的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ测量超声波在岩石试件中的传播时间；
步骤6、数据采集处理系统采集岩石蠕变实验过程中的应变值ε、加载时间t、温度T及应力σ，进而绘制出不同温度作用下岩石蠕变实验过程的应变-时间关系曲线，超声测试系统实时记录岩石蠕变过程中声波的传播时间t1，根据传播时间t1计算出岩石蠕变过程中的纵波波速，根据所述总应变值ε、加载时间t、温度T、总应力σ以及岩石蠕变过程中的纵波波速构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变蠕变模型，获取高温岩石蠕变试验过程中声波波速的变化情况，进而分析温度对岩石蠕变过程中波速的影响机制。
进一步地，所述构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型包括以下步骤：
步骤60、通过公式(1)计算高温岩石蠕变时的超声波波速Vp：
Vp＝L/(T0-T1) (1)
其中：L为超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ之间的距离；T0为高温岩石蠕变试验过程中超声波在超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ之间的传播时间；T1为声波在传力柱中行走的时间；
步骤61、根据所述超声波波速Vp通过公式(2)计算高温岩石蠕变过程中的高温-声波耦合损伤D：
D＝DV+DT-DV×DT (2)
其中：DV为岩石蠕变过程中的波速损伤，求解方式如下：DV＝1-Vp/V0，V0为常温下高温岩石蠕变过程的波速；DT为岩石蠕变过程中的高温损伤，求解方式如下：DT＝1-Ep/E0，E0为常温下岩石的弹性模量，Ep代表某一温度作用下岩石的弹性模量；
步骤62、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D建立高温-声波耦合时弹性元件应力-应变关系：
Figure BDA0002949024030000041
其中：ε0为高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变；E1为岩石试件的弹性模量；
步骤63、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D建立高温-声波耦合时黏弹性体的应力-应变关系：
Figure BDA0002949024030000042
其中，εH为弹性应变；εK为黏性应变；σH为弹性应力；σK为黏性应力；E2为黏弹性模量；
结合初始条件t＝0，对式(4)进行求解，得到：
Figure BDA0002949024030000043
其中：ε1为高温-声波耦合时岩石试件的黏弹性应变；η1为黏性剪切系数；
步骤64、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D构建高温-声波耦合时塑性元件的应力-应变关系：
Figure BDA0002949024030000044
其中：ε2为高温-声波耦合时岩石试件的塑性应变；σs为岩石试件的屈服应力；η2为黏塑性系数；
步骤65、根据高温-声波耦合损伤D、总应变值ε、总应力σ以及高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变ε0、黏弹性应变ε1和塑性应变ε2构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型：
Figure BDA0002949024030000045
其中：ε(t)为ε的时间序列，总应变ε与高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变ε0、黏弹性应变ε1和塑性应变ε2具有如下关系：
ε＝ε0+ε1+ε2 (8)
步骤66、通过采用Boltzmann叠加原理，将分级加载下的蠕变曲线转化为同一级荷载加载条件下的蠕变曲线，并基于试验结果，利用1stOpt数学优化软件对模型参数进行辨识，得到理论模型中η1、η2等参数，继而将参数代入至蠕变模型中，能够得到理论模型的拟合曲线与试验曲线对比，验证理论模型的合理性。
与现有技术比较，本发明公开的带声波测试的高温岩石蠕变试验装置，本发明结构简单，有较强的综合性，可以实现不同温度作用、荷载加载环境工况，能够开展不同温度和荷载下的岩石蠕变试验，且岩石试件的加热压力恒温室内部进行，避免了从高温炉中取出时造成的温度误差，提高了试验精度。通过该装置的超声测试系统，能够更加测试高温岩石蠕变试验过程中声波波速的变化情况，有助于分析温度对岩石蠕变过程中波速的影响机制，更有利于分析温度对岩石蠕变特性的影响。
附图说明
图1为本发明中一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置整体结构示意图；
图2为超声测试装置工作原理示意图；
图3为压力恒温室内部结构示意图；
图4为本发明中各个装置的连接示意图；
图5为本发明中数据采集处理系统结构示意图；
图6为本发明中一种高温岩石蠕变过程声波测试方法的流程图。
图中：100、应变传感器；200、温度传感器；300、位移传感器；1、千斤顶系统；2、传立柱驱动座；3、加热系统；4、超声测试系统；5、压力恒温室；6、数据采集处理系统；7、基础底座；71、立柱，72、底座外框架，8、岩石试件；51、腔体；52、传力柱Ⅱ；53、传力柱Ⅰ；54、保温材料；55、传力柱驱动座，41、超声波探头Ⅰ；42、超声波探头Ⅱ；43、信号切换器；44、前置放大器；45、数据采集卡；46、脉冲发射器；47、数据处理计算机；48、隔热膜；11、顶板；12、液压头；31、电阻丝；32、导热材料；61、数据收集处理器；62、数据显示器。
具体实施方式
如图1所示为本发明公开的带声波测试的高温岩石蠕变试验装置，包括，
底座外框架72；设置在所述底座外框架72上的压力恒温室5；设置在所述压力恒温室5的腔体51内用于采集置于所述压力恒温室5内岩石试件8的应力变化和温度信息的应变传感器100和温度传感器200；
设置在所述压力恒温室5内用于对所述压力恒温室5加热的加热系统3；
设置在所述压力恒温室5内用于对置于所述压力恒温室5内的岩石试件8轴向加载的轴压加载系统，所述轴压加载系统包括设置在所述压力恒温室5内的传力柱Ⅰ53和传力柱Ⅱ52、与所述传力柱Ⅱ52连接的传力柱驱动座55以及通过所述传力柱驱动座55驱动传力柱Ⅱ52运动的千斤顶系统1；
设置在所述轴压加载系统上用于采集轴向加载的位移数据的位移传感器300，本实施例中位移传感器采用激光位移传感器，用于测量轴向加载的位移数据；
设置在所述压力恒温室5内用于对置于所述压力恒温室内的岩石试件8进行声波测试的超声测试系统4；
用于采集所述应变传感器、温度传感器以及位移传感器的信号并进行数据处理的数据采集处理系统6。
具体地，如图1和图3所示，本发明公开的带声波测试的高温岩石蠕变试验装置的底座外框架72包括基础底座7与四个立柱71所组成，四个立柱上端设置顶板11，在基础底座7上固定压力恒温室5，压力恒温室5内设有腔体51，在基础底座上位于腔体内固定有传力柱Ⅰ53，在压力恒温室5上端设有传力柱Ⅱ52，传力柱Ⅱ52上端固定连接有传力柱驱动座55、传力柱驱动座与顶板之间安装有千斤顶系统1，千斤顶系统可以通过传力柱驱动座驱动传力柱Ⅱ52上下运动进而对置于腔体内的岩石试件8施加轴向压力，在压力恒温室5内还设置有用于采集置于所述压力恒温室5内岩石试件8的应力变化和温度信息的应变传感器100和温度传感器200；压力恒温室内还设有用于对所述压力恒温室5加热的加热系统3，加热系统3由电阻丝31及导热材料32组成，压力恒温室内还设有由保温材料54组成的保温层以保证压力恒温室内温度的恒定。如图4所示将加热系统3、轴压加载系统、超声测试系统4、数据采集处理系统6与岩石试件8安装连接至合适状态。千斤顶系统安装在传力柱Ⅱ52与顶板之间，通过千斤顶系统的液压头12对传力柱Ⅱ52施加恒定压力作用，同时位移传感器300通过数据线连接至数据采集处理系统6中能够实时监测位移变化，如图5所示，数据采集处理系统6包括数据收集处理器61和数据显示器62，数据收集处理器61与应变传感器100、温度传感器200以及位移传感器300通过数据线连接能够分析随时监测压力室内部温度、岩石试件应变变化情况。
所述超声测试系统包括分别设置在所述传力柱Ⅰ53和传力柱Ⅱ52内的超声波探头Ⅰ41和超声波探头Ⅱ42、与所述超声波探头Ⅰ41和超声波探头Ⅱ42连接的超声控制系统，如图2所示，超声控制系统包括信号切换器43、前置放大器44、数据采集卡45、脉冲发射器46以及数据处理计算机47；超声测试系统工作原理如下：通过数据处理计算机47控制信号切换器43能够选择测量通道(纵波、横波)，之后向脉冲发射器46发出触发脉冲，随之脉冲发射器46在接收到触发脉冲后向超声波探头Ⅰ41和超声波探头Ⅱ42发射了高压激励脉冲和数据采集卡45发送同步脉冲，数据采集卡45在接收到该信号时即可进行数据采集，在此之前信号通过前置放大器44进行放大波形处理。
进一步地，所述传力柱Ⅰ53和所述传力柱Ⅱ52朝向压力恒温室的腔体的一端分别设有隔热膜48以用于减少压力恒温室内高温对超声波探头的影响，保证超声测试系统的长时间工作。
进一步地，所述应变传感器和所述温度传感器均具有多个，多个所述应变传感器和所述温度传感器沿所述压力恒温室轴向方向间隔布置在所述岩石试件上，以保证监测数据的准确。
实施例：高温岩石蠕变特性试验及声波测试具体流程如下：首先将岩石试件8制作完成放置在压力恒温室的腔体51内并将整体5固定在基础底座7上，并同时在试件周围放置温度传感器200、应变传感器100，为了使信息的准确性传感器要分层布置，之后密封压力恒温室5并保持完全封闭状态。如图1和4所示将加热系统3、轴向加载系统、千斤顶系统1、超声测试系统4、数据采集处理系统6与压力恒温室5安装连接至合适状态。将千斤顶系统1安装在传力柱驱动座与顶板之间，通过液压头12对轴向加载系统施加恒定压力作用，同时位移传感器300通过数据线连接至数据采集处理系统6中能够实时监测位移变化。
首先开启超声测试装置4，监测高温岩石蠕变过程中的声波变化，其次利用加热系统3将压力恒温室腔体内的岩石试验试件加热到预设温度，并保持足够的时间确保恒温室5系统内部中的温度和岩石试件的温度保持一致，当紧贴试件周围的温度传感器200显示的温度等于设定值时，加热系统3保持恒定功率工作，随之为了充分受热，压力恒温室5持续保持预设温度，确保岩石试件温度一直满足蠕变试验设定温度的要求，紧接利用轴压系统2对压力恒温室5进行轴向加载，当加载至一特定压力时保持一段时间后逐级加载，监测岩石试件8的应变变化和超声测试装置4的声波变化情况，随即对轴压系统2进行卸载，观察卸载时岩石试件的应变随时间的关系曲线及声波变化规律，卸载完成后加热系统3随即更换温度梯度，继续进行加热，如此反复为一循环，通过该步骤并记录数据信息采集装置6收集到的信息继而能够得出不同温度作用下的与岩石试件8蠕变的应变-时间关系曲线，分析出温度与荷载耦合作用岩石的蠕变特性，同时根据超声测试装置4分析出高温岩石蠕变试验过程中声波波速的变化规律，有助于分析温度对岩石蠕变过程中波速的影响机制，具体步骤如下：
如图6所示为本发明公开的带声波测试的高温岩石蠕变试验方法，包括以下步骤，
步骤1、将岩块预制成标准圆柱型岩石试件，并将所述岩石试件置于压力恒温室的腔体内并进行固定，在所述岩石试件的外壁上固定应变传感器和温度传感器；
步骤2、启动超声测试系统，利用超声测试系统的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ获取声波在所述岩石试件中的初始传播时间t0；
步骤3、利用加热系统将压力恒温室腔体内的岩石试件加热到预设温度，并保持设定时间确保恒温室系统内部中的温度和岩石试件的温度保持一致，当达到预设温度时，加热系统保持预设温度不变继续工作，以确保岩石试样温度在试验过程中持续满足要求；
步骤4、密封压力恒温室，并利用对轴压加载系统中的千斤顶系统进行加载，千斤顶系统施加恒定的力传递至传力柱Ⅰ，通过传力柱Ⅰ对所述岩石试样施加设定恒定力，直至轴压加载到试验设计轴压值并保持恒定；
步骤5、按照蠕变实验过程使轴压加载系统加载至某一特定压力时保持一段时间后逐级加载，通过应变传感器监测岩石试件应变变化、温度传感器监测压力恒温室腔内实时温度、位移传感器监测轴向加载的位移数据以及通过超声测试系统的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ测量超声波在岩石试件中的传播时间；
步骤6、数据采集处理系统采集岩石蠕变实验过程中的应变值ε、加载时间t、温度T及应力σ，进而绘制出不同温度作用下岩石蠕变实验过程的应变-时间关系曲线，超声测试系统实时记录岩石蠕变过程中声波的传播时间t1，根据传播时间t1计算出岩石蠕变过程中的纵波波速，根据所述应变值ε、加载时间t、温度T、应力σ以及岩石蠕变过程中的纵波波速构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变蠕变模型，获取高温岩石蠕变试验过程中声波波速的变化情况，进而分析温度对岩石蠕变过程中波速的影响机制。
进一步地，所述构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型包括以下步骤：
步骤60、通过公式(1)计算高温岩石蠕变时的超声波波速Vp：
Vp＝L/(T0-T1) (1)
其中：L为超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ之间的距离；T0为高温岩石蠕变试验过程中超声波在超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ之间的传播时间；T1为声波在传力柱中行走的时间；
步骤61、根据所述超声波波速Vp通过公式(2)计算高温岩石蠕变过程中的高温-声波耦合损伤D：
D＝DV+DT-DV×DT (2)
其中：DV为岩石蠕变过程中的波速损伤，求解方式如下：DV＝1-Vp/V0，V0为常温下高温岩石蠕变过程的波速；DT为岩石蠕变过程中的高温损伤，求解方式如下：DT＝1-Ep/E0，E0为常温下岩石的弹性模量，Ep代表某一温度作用下岩石的弹性模量；
步骤62、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D建立高温-声波耦合时弹性元件应力-应变关系：
Figure BDA0002949024030000091
其中：ε0为高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变；E1为岩石试件的弹性模量；
步骤63、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D建立高温-声波耦合时黏弹性体的应力-应变关系：
Figure BDA0002949024030000092
其中，εH为弹性应变；εK为黏性应变；σH为弹性应力；σK为黏性应力；E2为黏弹性模量；
结合初始条件t＝0，对式(4)进行求解，得到：
Figure BDA0002949024030000093
其中：ε1为高温-声波耦合时岩石试件的黏弹性应变；η1为黏性剪切系数；
步骤64、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D构建高温-声波耦合时塑性元件的应力-应变关系：
Figure BDA0002949024030000094
其中：ε2为高温-声波耦合时岩石试件的塑性应变；σs为岩石试件的屈服应力；η2为黏塑性系数；
步骤65、根据高温-声波耦合损伤D、总应变值ε、总应力σ以及高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变ε0、黏弹性应变ε1和塑性应变ε2构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型：
Figure BDA0002949024030000101
其中：ε(t)为ε的时间序列，总应变ε与高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变ε0、黏弹性应变ε1和塑性应变ε2具有如下关系：
ε＝ε0+ε1+ε2 (8)
步骤66、通过采用Boltzmann叠加原理，将分级加载下的蠕变曲线转化为同一级荷载加载条件下的蠕变曲线，并基于试验结果，利用1stOpt数学优化软件对模型参数进行辨识，得到理论模型中η1、η2等参数，继而将参数代入至蠕变模型中，能够得到理论模型的拟合曲线与试验曲线对比，验证理论模型的合理性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种带声波测试的高温岩石蠕变试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、将岩块预制成标准圆柱型岩石试件，并将所述岩石试件置于压力恒温室的腔体内并进行固定，在所述岩石试件的外壁上固定应变传感器和温度传感器；
步骤2、启动超声测试系统，利用超声测试系统的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ获取声波在所述岩石试件中的初始传播时间t0；
步骤3、利用加热系统将压力恒温室腔体内的岩石试件加热到预设温度，并保持设定时间确保恒温室系统内部中的温度和岩石试件的温度保持一致，当达到预设温度时，加热系统保持预设温度不变继续工作，以确保岩石试样温度在试验过程中持续满足要求；
步骤4、密封压力恒温室，并利用对轴压加载系统中的千斤顶系统进行加载，千斤顶系统施加恒定的力传递至传力柱Ⅱ，通过传力柱Ⅱ对所述岩石试样施加设定恒定力，直至轴压加载到试验设计轴压值并保持恒定；
步骤5、按照蠕变实验过程使轴压加载系统加载至某一特定压力时保持一段时间后逐级加载，通过应变传感器监测岩石试件应变变化、温度传感器监测压力恒温室腔内实时温度、位移传感器监测轴向加载的位移数据以及通过超声测试系统的超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ测量超声波在岩石试件中的传播时间；
步骤6、数据采集处理系统采集岩石蠕变实验过程中的应变值ε、加载时间t、温度T及应力σ，进而绘制出不同温度作用下岩石蠕变实验过程的应变-时间关系曲线，超声测试系统实时记录岩石蠕变过程中声波的传播时间t1，根据传播时间t1计算出岩石蠕变过程中的纵波波速，根据总应变值ε、加载时间t、温度T、总应力σ以及岩石蠕变过程中的纵波波速构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型，获取高温岩石蠕变试验过程中声波波速的变化情况，进而分析温度对岩石蠕变过程中波速的影响机制；
所述构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型包括以下步骤：
步骤60、通过公式(1)计算高温岩石蠕变时的超声波波速Vp：
Vp＝L/(T0-T1) (1)
其中：L为超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ之间的距离；T0为高温岩石蠕变试验过程中超声波在超声波探头Ⅰ和超声波探头Ⅱ之间的传播时间；T1为声波在传力柱中行走的时间；
步骤61、根据所述超声波波速Vp通过公式(2)计算高温岩石蠕变过程中的高温-声波耦合损伤D：
D＝DV+DT-DV×DT (2)
其中：DV为岩石蠕变过程中的波速损伤，求解方式如下：DV＝1-Vp/V0，V0为常温下高温岩石蠕变过程的波速；DT为岩石蠕变过程中的高温损伤，求解方式如下：DT＝1-Ep/E0，E0为常温下岩石的弹性模量，Ep代表某一温度作用下岩石的弹性模量；
步骤62、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D建立高温-声波耦合时弹性元件应力-应变关系：
Figure FDA0003739254270000021
其中：ε0为高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变；E1为岩石试件的弹性模量；
步骤63、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D建立高温-声波耦合时黏弹性体的应力-应变关系：
Figure FDA0003739254270000022
其中，εH为弹性应变；εK为黏性应变；σH为弹性应力；σK为黏性应力；E2为黏弹性模量；
结合初始条件t＝0，对式(4)进行求解，得到：
Figure FDA0003739254270000023
其中：ε1为高温-声波耦合时岩石试件的黏弹性应变；η1为黏性剪切系数；
步骤64、根据总应力σ和高温-声波耦合损伤D构建高温-声波耦合时塑性元件的应力-应变关系：
Figure FDA0003739254270000024
其中：ε2为高温-声波耦合时岩石试件的塑性应变；σs为岩石试件的屈服应力；η2为黏塑性系数；
步骤65、根据高温-声波耦合损伤D、总应变值ε、总应力σ以及高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变ε0、黏弹性应变ε1和塑性应变ε2构建高温-声波耦合损伤下的岩石蠕变模型：
Figure FDA0003739254270000025
其中：ε(t)为ε的时间序列，总应变ε与高温-声波耦合时岩石试件的弹性应变ε0、黏弹性应变ε1和塑性应变ε2具有如下关系：
ε＝ε0+ε1+ε2 (8)
步骤66、通过采用Boltzmann叠加原理，将分级加载下的蠕变曲线转化为同一级荷载加载条件下的蠕变曲线，并基于试验结果，利用1stOpt数学优化软件对模型参数进行辨识，得到理论模型中η1、η2参数，继而将参数代入至蠕变模型中，能够得到理论模型的拟合曲线与试验曲线对比，验证理论模型的合理性。
CN202110203818.3A 2021-02-23 2021-02-23 一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法 Active CN113008671B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110203818.3A CN113008671B (zh) 2021-02-23 2021-02-23 一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110203818.3A CN113008671B (zh) 2021-02-23 2021-02-23 一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113008671A CN113008671A (zh) 2021-06-22
CN113008671B true CN113008671B (zh) 2022-12-16

Family

ID=76408602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110203818.3A Active CN113008671B (zh) 2021-02-23 2021-02-23 一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113008671B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113551981A (zh) * 2021-07-08 2021-10-26 大连海事大学 一种高温环境作用下拉扭蠕变试验装置及试验方法
CN113432967A (zh) * 2021-08-12 2021-09-24 重庆大学 一种岩石三轴蠕变实验装置
CN115290450A (zh) * 2022-10-09 2022-11-04 北京建筑大学 加载装置、三轴仪压力室及冻土三轴仪
CN117705948A (zh) * 2023-12-20 2024-03-15 华南理工大学 一种不同条件下岩石损伤超声试验装置及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102053253A (zh) * 2009-10-30 2011-05-11 中国石油化工股份有限公司 一种岩石样品检测及数据采集系统及其方法和应用
CN203534910U (zh) * 2013-10-15 2014-04-09 合肥工业大学 应力、渗流、化学耦合岩石三轴蠕变试验装置
CN204594788U (zh) * 2015-05-27 2015-08-26 大连海事大学 一种温度可控岩石损伤检测装置
CN104913976A (zh) * 2015-06-03 2015-09-16 北京科技大学 一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置及试验方法
CN107101890A (zh) * 2017-06-23 2017-08-29 西南石油大学 高温岩样应变与声波测试装置及测试方法
CN108426782A (zh) * 2018-02-27 2018-08-21 山东科技大学 多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置
CN109946170A (zh) * 2019-04-10 2019-06-28 太原理工大学 一种高温下测量单轴压缩岩石径向变形的试验装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102053253A (zh) * 2009-10-30 2011-05-11 中国石油化工股份有限公司 一种岩石样品检测及数据采集系统及其方法和应用
CN203534910U (zh) * 2013-10-15 2014-04-09 合肥工业大学 应力、渗流、化学耦合岩石三轴蠕变试验装置
CN204594788U (zh) * 2015-05-27 2015-08-26 大连海事大学 一种温度可控岩石损伤检测装置
CN104913976A (zh) * 2015-06-03 2015-09-16 北京科技大学 一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置及试验方法
CN107101890A (zh) * 2017-06-23 2017-08-29 西南石油大学 高温岩样应变与声波测试装置及测试方法
CN108426782A (zh) * 2018-02-27 2018-08-21 山东科技大学 多场耦合作用下岩石损伤演化超声波监测装置
CN109946170A (zh) * 2019-04-10 2019-06-28 太原理工大学 一种高温下测量单轴压缩岩石径向变形的试验装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Temperature influence on the physical and mechanical properties of a porous rock: San Julian"s calcarenite;V.Brotóns 等;《Engineering Geology》;20131022;第167卷(第17期);第117-127页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113008671A (zh) 2021-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113008671B (zh) 一种带声波测试的高温岩石蠕变试验装置及试验方法
US20190017968A1 (en) Integration of Digital Image Correlation with Acoustic Emission
CN104089822B (zh) 深部开采采动应力场演变过程试验方法
CN105606454B (zh) 用于岩体裂纹扩展下温度‑应力场耦合的强度测试装置
CN206920243U (zh) 一种单轴压缩测试装置
CN105527311B (zh) 大体积混凝土细观破裂试验系统
CN113605887B (zh) 一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法及系统
CN108548726B (zh) 热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置
CN108489808A (zh) 一种声发射测试混凝土单轴受拉应力应变关系的方法
CN100561175C (zh) 球形压头测量形状记忆合金相变特性的方法
CN105510148A (zh) 一种高温下封隔器胶筒接触应力测试装置及方法
CN105301181A (zh) 一种爆生气体破岩实验装置及方法
CN111060411B (zh) 一种智能化岩体蠕变剪切试验机与试验方法
CN115266426A (zh) 煤巷帮部随钻测量模拟试验装置及煤体应力反演方法
CN105738225A (zh) 深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人
CN115290433A (zh) 基于立式shpb系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置及方法
CN116242973A (zh) 二氧化碳地质封存诱发断层失稳评价的实验装置及方法
CN114910367A (zh) 一套适用于土体大小应变测量的室内静力触探、弯曲元联合试验系统
CN205352976U (zh) 大体积混凝土细观破裂试验系统
CN114753834A (zh) 一种井壁各向异性水平地应力测量方法
CN112595598A (zh) 倾斜层状煤岩体力-声-光-波一体化测试装置及方法
CN114486996B (zh) 智能控制岩石热膨胀测试仪及其应用方法
CN115183965B (zh) 一种适用于振动台试验的隧道衬砌地震累积损伤评价方法
CN113552001B (zh) 一种岩石高温下加径向应力声波测试装置及方法
CN205426673U (zh) 用于岩体裂纹扩展下温度-应力场耦合的强度测试装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant