CN113588460B

CN113588460B - 用于岩石的高温三轴shpb装置及其装配方法和试验方法

Info

Publication number: CN113588460B
Application number: CN202110852503.1A
Authority: CN
Inventors: 李樯; 李夕兵; 尹土兵; 黄麟淇; 陈江湛
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: CN113588460A

Abstract

本发明公开了一种用于岩石的高温三轴SHPB装置及其装配方法和试验方法,其装置包括密封套装在透射杆外的第一围挡和密封套装在入射杆外的第二围挡，在第一围挡与第二围挡间设有围压组件及温控组件，所述围压组件包括由内至外依次套装连接环形压块、挤压套筒和限位套筒，环形压块间隙套装在岩石试样外并与第一围挡和第二围挡密封连接，在环形压块与岩石试样间填充有微米级氮化硼粉末，环形压块面向第二围挡的一端呈收口的圆台状，在挤压套筒内壁面向第一围挡的一端设有与环形压块圆台段相适配的斜楔面，在第二围挡上设有液压缸，该液压缸的活塞杆穿过第二围挡与挤压套筒连接。本发明可实现高温三轴条件下岩石的冲击动力学试验，兼容性强。

Description

用于岩石的高温三轴SHPB装置及其装配方法和试验方法

技术领域

本发明属于深部假三轴应力状态下的高温岩石动力学试验领域，尤其涉及一种用于岩石的高温三轴SHPB装置及其装配方法和试验方法。

背景技术

地下高温岩石力学工程中，岩石处于高温下的三轴应力状态。面对如爆破、地震等的频繁动力扰动，高温岩石的动力学属性对地下工程的稳定性十分重要，而SHPB实验装置就是研究岩石动力学属性的重要实验装置。

但现有的SHPB实验装置，如CN208223987U和CN110296898A所示的中国专利，均为单轴压缩条件，无法施加三轴应力下的高温环境；如CN106840892B所示的煤岩样真三轴竖向动静加卸载试验机为真三轴实验装置，需对传统SHPB实验装置大幅改造，成本过高；如CN208223987U所示的中国专利，虽可以模拟深部岩体在温度-压力-渗透压以及动态扰动荷载耦合作用下的三轴应力响应，但其采用的仍是以传统的液压油为围压介质，受密封材料的高温性能影响，该测试系统仍然无法在大于300℃的高温条件下运行。而以“高温高压岩石三轴蠕变实验系统（固体传压介质）”为代表的固体传热传压方案虽得到了创新性的应用，但其三轴加载中最重要的因素——围压的稳定性，一直无法得到有效的改善，因此将该方案直接应用到高温高压状态下的岩石三轴加载是欠妥的。

如何克服上述缺陷，实现高温高压状态下的岩石动态三轴加载，是我们亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种改造成本低、围压稳定性好、加载便捷的用于岩石的高温三轴SHPB装置及其装配方法和试验方法。

本发明提供的这种用于岩石的高温三轴SHPB装置，包括置于支撑平台上的岩石试样、对岩石试样进行轴压加载的冲击单元、对岩石试样进行温度及围压双加载的温压耦合单元，所述冲击单元包括同轴布置在岩石试样两端的入射杆和透射杆，所述温压耦合单元包括密封套装在透射杆外的第一围挡和密封套装在入射杆外的第二围挡，在第一围挡与第二围挡间设有围压组件及温控组件，所述围压组件包括由内至外依次套装连接环形压块、挤压套筒和限位套筒，环形压块间隙套装在岩石试样外并与第一围挡和第二围挡密封连接，在环形压块与岩石试样间填充有微米级氮化硼粉末，环形压块面向第二围挡的一端呈收口的圆台状，在挤压套筒内壁面向第一围挡的一端设有与环形压块圆台段相适配的斜楔面，在第二围挡上设有液压缸，该液压缸的活塞杆穿过第二围挡与挤压套筒连接，在第一围挡上设有与岩石试样透射端相平齐布置的支撑部，在第二围挡上设有与岩石试样入射端相平齐布置的约束部，所述约束部与第二围挡采用分体式结构，在约束部上卡装有限位围挡，第二围挡、限位围挡和第一围挡通过螺纹紧固件连接成一体，限位套筒卡装于限位围挡和第一围挡间，支撑部和约束部分别与透射杆和入射杆密封连接，环形压块端面分别与支撑部和约束部密封连接，挤压套筒可轴向移动的套装在约束部与限位套筒间，活塞杆伸出推动挤压套筒向环形压块侧移动，挤压套筒通过斜楔面推动环形压块内移对包裹在微米级氮化硼粉末中的岩石试样施加环向静态围压；所述温控组件为套装在限位套筒外的温控箱，温控箱升温并将热量传递给包裹在微米级氮化硼粉末中的岩石试样。

为实现环形压块的环向伸缩，所述环形压块由至少三个弧形单体环形拼接而成，相邻弧形单体间通过橡胶垫密封连接。

为进一步确保受力平衡，所述环形压块的两端呈对称布置的圆台状，在支撑部与限位套筒间套装有支撑套筒，在支撑套筒内壁面向第二围挡的一端设有与环形压块圆台段相适配的斜楔面。

为避免热能影响液压缸的运作，所述液压缸通过螺纹紧固件间隔连接于第二围挡上，在液压缸缸体与第二围挡间的活塞杆上缠绕有水冷铜管。

为避免微米级氮化硼粉末与岩石试样的直接接触，所述冲击单元还包括包裹在岩石试样外的柔性金属片。

所述液压缸为套装在入射杆上的空心液压缸。

本发明提供的这种用于岩石的高温三轴SHPB装置的装配方法，包括如下步骤：

S1、将入射杆安装在支撑平台上，旋转支撑平台，使入射杆与岩石试样相接触的一端朝上布置；

S2、将液压缸安装在第二围挡上；

S3、将第二围挡套装在入射杆上，并使约束部上端面与入射杆上端面平齐布置；

S4、将温控箱、限位套筒、挤压套筒由外至内依次套装的放置于入射杆外的第二围挡上；

S5、将环形压块同轴放置于挤压套筒间；

S6、驱动液压缸的活塞杆穿过第二围挡与挤压套筒底面对接，并推动挤压套筒上移至其斜楔面与环形压块的圆台面相连接；

S7、将岩石试样放置于入射杆上；

S8、在岩石试样与环形压块间填充微米级氮化硼粉末；

S9、将第一围挡套装在透射杆上，将透射杆安装在岩石试样上方的支撑平台上；

S10、下压透射杆，使透射杆与岩石试样同轴对接；

S11、下移第一围挡，使第一围挡与环形压块和限位套筒均紧密连接；

S12、通过螺纹紧固件将第一围挡和第二围挡连接成一体，即可完成岩石试样、冲击单元和温压耦合单元在支撑平台上的安装。

本发明这种用于岩石的高温三轴SHPB装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、启动液压缸，通过挤压套筒和环形压块压缩微米级氮化硼粉末，对岩石试样施加围压；

S2、启动温控组件对岩石试样加热，至指定温度；

S3、通过支撑平台上的触发装置向入射杆施加应力波，监测入射杆和透射杆上的应变；

S4、试验结束后，先停止温控组件的加热并关闭液压缸，待装置冷却后拆除第一围挡与第二围挡间的螺纹紧固件，抽出透射杆，取出岩石试样。

本发明通过使用微米级氮化硼粉末作为温度和围压的介质，其中围压由液压缸产生，通过挤压套筒和环形压块联合作用，将轴向的压力转化为环向的压力，再将压力传导至微米级氮化硼粉末上；由于这种压力施加方式采用的材料均可直接传导热量，因此外围只需加装温控箱即可实现岩石试样的温压耦合加载，而温度微米级氮化硼粉末可承受至少700℃的温度，因此可确保高温加载及高温加载时围压的稳定性。本发明可实现高温三轴条件下岩石的冲击动力学试验，同时，该发明可直接安装在现有的SHPB装置上，无需对设备和试样进行改造，兼容性强。

附图说明

图1为本发明中用于岩石的高温三轴SHPB装置的结构示意图。

图2为图1中A-A处的剖视结构示意图。

图3为图1中B-B处的剖视结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、支撑平台；

2、岩石试样；

3、入射杆；

4、透射杆；

5、第一围挡；51、支撑部；

6、第二围挡；61、约束部；62、限位围挡；

7、围压组件；71、环形压块；72、挤压套筒；73、限位套筒；74、微米级氮化硼粉末；75、液压缸；76、支撑套筒；711、弧形单体；712、橡胶垫；751、活塞杆；

8、温控组件；

9、水冷铜管；

10、柔性金属片。

具体实施方式

从图1可以看出，本发明这种用于岩石的高温三轴SHPB装置，包括支撑平台1及置于该支撑平台1上的岩石试样2、冲击单元和温压耦合单元，其中冲击单元用于对岩石试样2进行轴压加载，温压耦合单元用于对岩石试样2进行温度及围压的双加载。

从图1至图3可以看出，本发明中的冲击单元包括入射杆3和透射杆4，入射杆3和透射杆4通过对应的支座同轴安装在支撑平台1，岩石试样2同轴夹持于入射杆3和透射杆4间。

从图1至图3可以看出，本发明中的温压耦合单元包括第一围挡5、第二围挡6、围压组件7和温控组件8，其中，围压组件7包括环形压块71、挤压套筒72、限位套筒73、微米级氮化硼粉末74、液压缸75和支撑套筒76，

第一围挡5套装在透射杆4外，在第一围挡5上设有与岩石试样2透射端相平齐布置的支撑部51，支撑部51内壁与透射杆4外壁密封连接；

第二围挡6套装在入射杆3外，在第二围挡6上设有与岩石试样2入射端相平齐布置的约束部61，约束部61内壁与入射杆3外壁密封连接，在第二围挡6与第一围挡5通过螺纹紧固件相连接；

环形压块71间隙套装在岩石试样2外，环形压块71由至少三个弧形单体711环形拼接而成，相邻弧形单体711间通过橡胶垫712密封连接，弧形单体711的纵剖面呈等腰梯形与矩形相组合的外凸形，环形压块71由弧形单体711环形拼接成两端为收口的圆台状，环形压块71一端与支撑部51端面密封连接、一端与约束部61端面密封连接，

挤压套筒72可轴向移动的套装于约束部61上，支撑套筒76套装于支撑部51上，在挤压套筒72和支撑套筒76对立面的内壁上均设有与环形压块7圆台段相适配的斜楔面，

限位套筒73套装在挤压套筒72和支撑套筒76外侧的第一围挡5和第二围挡6间，限位套筒73的内壁与挤压套筒72和支撑套筒76的外壁均采用可滑动的密封连接，限位套筒73的端面与第一围挡5和第二围挡6间的端面均采用紧密连接，

微米级氮化硼粉末74填充在由岩石试样2、支撑部51、约束部61和环形压块71合围形成的密闭腔体内，

液压缸75为套装在入射杆3上的空心液压缸，液压缸75的缸体通过螺纹紧固件连接在第二围挡6上，液压缸75的活塞杆751穿过第二围挡6与挤压套筒72的端面连接，

温控组件8为套装在限位套筒73外的温控箱，

使用时，液压缸75启动，活塞杆751伸出推动挤压套筒72向环形压块71侧移动，在支撑部51的限位及斜楔面的转向作用下，环形压块71内移将挤压套筒72施加的轴向压力转换为环向围压，对包裹在微米级氮化硼粉末74中的岩石试样2施加环向静态围压；温控箱升温并通过限位套筒73、挤压套筒72和环形压块71将热量传递给包裹在微米级氮化硼粉末74中的岩石试样2。

从图1至图3可以看出，为便于加工且避免约束部与环形压块过渡接触影响其滑动，本发明中的约束部61与第二围挡6采用分体式结构，在约束部61上卡装有限位围挡62，第二围挡6、限位围挡62和第一围挡5通过螺纹紧固件连接成一体，限位套筒73卡装于限位围挡62和第一围挡5间。

从图1可以看出，本发明中液压缸75的缸体通过螺纹紧固件间隔连接于第二围挡6上，在液压缸75缸体与第二围挡6间的活塞杆上缠绕有水冷铜管9，用于与温控箱配合实现温度的区域限制。

从图1和图2可以看出，本发明中的冲击单元还包括包裹在岩石试样2外的柔性金属片10。

本发明这种用于岩石的高温三轴SHPB装置的装配方法，包括如下步骤：

S1、将入射杆3安装在支撑平台1上，旋转支撑平台1，使入射杆3与岩石试样2相接触的一端朝上布置；

S2、通过螺纹紧固件将液压缸75间隙固定在第二围挡6底部，将水冷铜管9缠绕于液压缸75与第二围挡6间的活塞杆751上；

S3、将第二围挡6和约束部61由下至上的依次套装在入射杆3上，将限位围挡62套装在约束部61上，调节第二围挡6的位置，使约束部61上端面与入射杆3上端面平齐布置；

S4、将温控箱、限位套筒73、挤压套筒72由外至内依次套装在约束部61外，并使限位套筒73底面与限位围挡62顶面相连接；

S5、将环形压块71同轴放置于约束部61上，下压环形压块71，使环形压块71下端面与约束部61上端面紧密对接；

S6、通过外部液压泵提供压力启动液压缸75,使液压缸75的活塞杆751穿过第二围挡6推动挤压套筒72上移，直至挤压套筒72的斜楔面与环形压块72的圆台面相连接；将支撑套筒76放置于限位套筒73和环形压块71间，下压支撑套筒76，使支撑套筒76的斜楔面与环形压块72的圆台面相连接；

S7、将岩石试样2放置在入射杆3上；

S8、在岩石试样2与环形压块71间填充微米级氮化硼粉末74；

S9、将第一围挡5套装在透射杆4上，将透射杆4卡装在岩石试样2上方的支撑平台1上；

S10、下压透射杆4，使透射杆4与岩石试样2同轴紧密对接；

S11、下移第一围挡5，将支撑部51插装于支撑套筒76内，使第一围挡5与限位套筒73、支撑部51与环形压块71均上下紧密对接；

S12、通过螺纹紧固件将第一围挡5、限位围挡62和第二围挡6连接成一体，即可完成岩石试样2、冲击单元和温压耦合单元在支撑平台1上的安装。

本发明用于岩石的高温三轴SHPB装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、通过外部液压泵提供压力启动液压缸75，液压缸75的活塞杆75伸出，驱动挤压套筒72和环形压块71压缩微米级氮化硼粉末74，对岩石试样2施加围压；

S2、开启与水冷铜管9相接的水循环系统，启动温控组件8对岩石试样2加热，直至指定温度；

S3、通过支撑平台1上的触发装置向入射杆3施加应力波，监测入射杆3和透射杆4上的应变；

S4、试验结束后，先停止温控组件8的加热并关闭液压缸75的供压，待装置冷却后拆除第一围挡5与第二围挡6间的螺纹紧固件，抽出透射杆4，取出岩石试样2。

在本发明中，环形压块71由四个弧形单体711环形拼接而成。

在本发明中，第二围挡6与液压缸75连接的螺孔和与第一围挡5连接的螺孔为错开布置。

Claims

1.一种用于岩石的高温三轴SHPB装置，包括置于支撑平台（1）上的岩石试样（2）、对岩石试样进行轴压加载的冲击单元、对岩石试样进行温度及围压双加载的温压耦合单元，所述冲击单元包括同轴布置在岩石试样两端的入射杆（3）和透射杆（4），所述温压耦合单元包括密封套装在透射杆外的第一围挡（5）和密封套装在入射杆外的第二围挡（6），在第一围挡与第二围挡间设有围压组件（7）及温控组件（8），其特征在于：所述围压组件包括由内至外依次套装连接环形压块（71）、挤压套筒（72）和限位套筒（73），环形压块间隙套装在岩石试样外并与第一围挡和第二围挡密封连接，在环形压块与岩石试样间填充有微米级氮化硼粉末（74），环形压块面向第二围挡的一端呈收口的圆台状，在挤压套筒内壁面向第一围挡的一端设有与环形压块圆台段相适配的斜楔面，在第二围挡上设有液压缸（75），该液压缸的活塞杆（751）穿过第二围挡与挤压套筒连接，在第一围挡上设有与岩石试样透射端相平齐布置的支撑部（51），在第二围挡上设有与岩石试样入射端相平齐布置的约束部（61），所述约束部与第二围挡采用分体式结构，在约束部上卡装有限位围挡（62），第二围挡、限位围挡和第一围挡通过螺纹紧固件连接成一体，限位套筒卡装于限位围挡和第一围挡间，支撑部和约束部分别与透射杆和入射杆密封连接，环形压块端面分别与支撑部和约束部密封连接，挤压套筒可轴向移动的套装在约束部与限位套筒间；活塞杆伸出推动挤压套筒向环形压块侧移动，挤压套筒通过斜楔面推动环形压块内移对包裹在微米级氮化硼粉末中的岩石试样施加环向静态围压；所述温控组件为套装在限位套筒外的温控箱，温控箱升温并将热量传递给包裹在微米级氮化硼粉末中的岩石试样。

2.根据权利要求1所述的用于岩石的高温三轴SHPB装置，其特征在于：所述环形压块由至少三个弧形单体（711）环形拼接而成，相邻弧形单体间通过橡胶垫（712）密封连接。

3.根据权利要求1所述的用于岩石的高温三轴SHPB装置，其特征在于：所述环形压块的两端呈对称布置的圆台状，在支撑部与限位套筒间套装有支撑套筒（76），在支撑套筒内壁面向第二围挡的一端设有与环形压块圆台段相适配的斜楔面。

4.根据权利要求1所述的用于岩石的高温三轴SHPB装置，其特征在于：所述液压缸通过螺纹紧固件间隔连接于第二围挡上，在液压缸缸体与第二围挡间的活塞杆上缠绕有水冷铜管（9）。

5.根据权利要求1所述的用于岩石的高温三轴SHPB装置，其特征在于：所述冲击单元还包括包裹在岩石试样外的柔性金属片（10）。

6.根据权利要求1所述的用于岩石的高温三轴SHPB装置，其特征在于：所述液压缸为套装在入射杆上的空心液压缸。

7.一种适用于上述权利要求1至6任一所述用于岩石的高温三轴SHPB装置的装配方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、将入射杆（3）安装在支撑平台（1）上，旋转支撑平台，使入射杆与岩石试样（2）相接触的一端朝上布置；

S2、将液压缸（75）安装在第二围挡（6）上；

S3、将第二围挡（6）套装在入射杆上，并使约束部（61）上端面与入射杆上端面平齐布置；

S4、将温控箱、限位套筒（73）、挤压套筒（72）由外至内依次套装的放置于入射杆外的第二围挡上；

S5、将环形压块（71）同轴放置于挤压套筒间；

S6、驱动液压缸的活塞杆（751）穿过第二围挡与挤压套筒底面对接，并推动挤压套筒上移至其斜楔面与环形压块的圆台面相连接；

S7、将岩石试样（2）放置于入射杆上；

S8、在岩石试样与环形压块间填充微米级氮化硼粉末（74）；

S9、将第一围挡（5）套装在透射杆（4）上，将透射杆安装在岩石试样上方的支撑平台（1）上；

S10、下压透射杆，使透射杆与岩石试样同轴对接；

S11、下移第一围挡（5），使第一围挡与环形压块和限位套筒均紧密连接；

S12、通过螺纹紧固件将第一围挡和第二围挡连接成一体，即可完成岩石试样（2）、冲击单元和温压耦合单元在支撑平台上的安装。

8.一种适用于上述权利要求1至6任一所述用于岩石的高温三轴SHPB装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、启动液压缸（75），通过挤压套筒（72）和环形压块（71）压缩微米级氮化硼粉末（74），对岩石试样（2）施加围压；

S2、启动温控组件（8）对岩石试样（2）加热，至指定温度；

S3、通过支撑平台（1）上的触发装置向入射杆（3）施加应力波，监测入射杆和透射杆（4）上的应变；

S4、试验结束后，先停止温控组件（8）的加热并关闭液压缸（75），待装置冷却后拆除第一围挡（5）与第二围挡（6）间的螺纹紧固件，抽出透射杆（4），取出岩石试样（2）。