CN114184457A - 一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，属于岩石强度测量技术领域。该装置包括轴压舱、围压舱、高压手泵、长效保压伺服系统和橡胶皮套。高压手泵和长效保压伺服系统通过高压软管分别与轴压舱、围压舱和应力解除后大尺寸岩芯内空腔连接，通过液压油的流动性对岩芯进行轴压、围压和内压的柔性加载；岩芯内部受环形应力、径向应力和轴向应力作用，可进行岩样的双轴、三轴和真三轴的围压率定试验和破坏试验。本发明简单、可靠，通过内、外压的独立加载消除了不同方向压力相互间的影响，可对岩芯进行深部应力水平加载，模拟深部岩石真三轴状态表面破坏过程。同时，三向柔性加载更便于监测试件变形和破坏过程。

Description

一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置
技术领域
本发明涉及岩石强度测量技术领域，特别是指一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置。
背景技术
在地应力测量过程中，需要对解除岩芯进行原位应力状态模拟，通过围压率定试验获得岩芯的变形参数。围压率定试验过程中压力水平应接近于原岩应力水平，但常规双轴围压率定试验中轴向应力为0，弹性状态下岩芯可承受最大压力较小，与深部原位应力水平差异性显著。同时在深部应力环境下原岩处于真三轴应力状态地应力非规则岩芯真三轴高压率定测试技术尚未建立。常规岩石力学试验中，国内外真三轴试验机采用规则立方体或长方体试件，无法针对原岩解除岩芯进行直接测试，且试验机均为刚性加载或刚性与柔性配合加载。由于端部效应的影响，方形试样的刚性边界容易造成不同方向应力相互干扰，从而影响试样的破坏形态。同时，刚性加载表面无法安装应变片等测量装置，难以对试件各个部位的变形和破坏进行监测。
目前，国内外广泛使用的围压率定仪器是由澳大利亚公司ES&S生产，其理论加压值为40MPa，但该装置为双轴加载。王成虎等研发了一种新型三轴围压率定舱(2011)，该装置将岩芯完全沉浸在液压油中，通过围压对岩样施加压力，使其处于三轴应力状态。但该装置只能进行三向等压加载，无法模拟地下深部地下岩体的复杂应力状态。因此，本发明提供了一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，通过对大尺寸圆筒岩芯进行轴压、围压和内压的柔性加载，消除不同方向压力加载的干扰，使试件力学行为更接近原岩应力状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，用以模拟地下深部复杂的应力状态，从而进行三轴条件下的岩芯围压率定试验和圆筒岩石试样的真三轴试验。
该装置包括轴压舱、围压舱、高压手泵、长效保压伺服系统和橡胶皮套，围压舱两端分别设置一个轴压舱，形成轴压舱-围压舱-轴压舱结构，岩芯置于轴压舱-围压舱-轴压舱结构的内部中空中，高压手泵和长效保压伺服系统均通过高压软管分别与轴压舱、围压舱和应力解除后大尺寸岩芯内空腔连接，通过液压油的流动性对应力解除后大尺寸岩芯进行轴压、围压和内压的柔性加载；岩芯内部受环形应力、径向应力和轴向应力作用，进行岩芯的双轴(围压)、三轴(轴压和围压)和真三轴(轴压、围压和内压)的围压率定试验和破坏试验。
其中，围压舱和轴压舱中部的圆柱舱壁上方均开有排气孔，下方均开有充油孔；轴压舱中部的圆柱端部设有管路接口；轴压舱和围压舱间放置环形金属垫圈，通过高强度金属螺栓连接。排气口与压力表采用一体化设计；围压舱和轴压舱内最大油压分别为150MPa和70MPa。
岩心外部由热缩管和自密封的橡胶皮套包裹，通过橡胶皮套背部自密封空间内液压油进行围压的柔性加载；所述岩芯两侧不平整表面由环氧树脂胶包裹，通过轴压舱内液压油进行轴压的柔性加载；所述岩芯内部空腔安装充压膨胀式封隔器，通过岩芯内部封隔段内液压油进行内压的柔性加载。
高压手泵用于高压舱应力的预加载，将舱内压力施加到预定的应力水平。
长效保压伺服系统包括活塞泵、电子控制系统和压力测试模块，电子控制系统控制活塞泵和压力测试模块，压力测试模块和活塞泵实时调节围压舱和轴压舱的舱内压力，保持压力的长期稳定；电子控制系统根据压力测试模块反馈的压力值实时调控活塞泵内活塞位移，使压力稳定在设定值。
长效保压伺服系统与高压手泵通过三通阀门与轴压舱和围压舱连接，并通过三通阀门进行预加载与压力稳定阶段的转换，实现时效性加载转换。
岩芯为圆柱形，包括圆柱形实心岩样、圆筒岩样、含空心包体应变计的岩芯；所述圆筒岩样在进行真三轴破坏试验时外径与内径比值大于1.2，高度与外径之比大于3，以保证试样中部靠近内壁的局部破坏形态与完整岩样相同。一般的，圆筒岩样为外径110mm，内径40mm，高度400mm圆筒试样。
充压膨胀式封隔器包括封隔胶囊、加压管道和滑动加压器；封隔胶囊位于圆筒岩样内空腔两侧，通过充压膨胀实现对圆筒岩样内空腔的密封；加压管道管壁处设有两个进油口，分别与封隔胶囊和圆筒岩样内空腔连接；滑动加压器通过高压软管与高压手泵相连，嵌于加压管道内上下滑动，通过调节滑动加压器位置实现密封胶囊和封隔段加压的切换。
圆筒岩样内部距圆心距离为r处真三轴应力状态计算过程如下：
Figure BDA0003348091520000031
Figure BDA0003348091520000032
σz＝Pz
其中：σr为径向应力，σθ为环形应力，σz为轴向应力，Pi为装置施加的内压，Po为装置施加的外压，Pz为装置施加的轴压，Ro为岩样外径，Ri为岩样内径。
该装置施加的压力保证围压大于轴压大于内压，以保证装置密封效果，真三轴破坏试验过程中保持内压与轴压恒定，持续增加围压使岩样破坏；所述岩芯内部径向应力为最大主应力，环向应力为中间主应力，轴向应力为最小主应力。
三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置在试验过程中采用柔性加载，岩芯内、外两侧表面仅与液压油接触，可粘贴应变片和声发射监测探头，实现岩芯内、外两侧破坏进程的实时监测。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过液压油的流动性对大尺寸岩芯进行轴压、围压和内压的三向柔性加载，利用厚壁圆筒的力学特性实现岩样的真三轴围压率定试验和破坏试验。本发明简单、可靠，试验过程中岩芯内、外压力加载相互独立，消除了不同方向应力加载的相互影响，可对岩芯进行深部应力水平加载，模拟深部岩石真三轴状态表面破坏过程。此外，利用液压油进行的柔性加载可对两侧不平整的岩芯进行轴压加载，并且可在圆筒岩样内、外壁上粘贴应变片和声发射探头，便于测试和监测破坏过程。
附图说明
图1为本发明的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置结构示意图；
图2为本发明的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置的围压舱结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图；
图3为本发明的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置的轴压舱结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图；
图4为本发明的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置中舱体与岩样安装示意图；
图5为本发明的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置的液压设备与舱体连接示意图；
图6为本发明的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置的充压膨胀式封隔器示意图。
其中：1-围压舱；2-轴压舱；3-高压手泵；4-长效保压伺服系统；5-活塞泵；6-电子控制系统；7-压力测试模块；8-橡胶皮套；9-排气孔；10-充油孔；11-充压膨胀式封隔器；12-管路接口；13-岩芯；14-环形金属垫圈；15-高强度金属螺栓；16-环氧树脂胶；17-截止阀；18-封隔胶囊；19-滑动加压器；20-加压管道；21-滑动加压器出油口一；22-滑动加压器出油口二；23-加压管道入油口一；24-加压管道入油口二；25-密封胶圈；26-高压软管。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置。
如图1所示，该装置包括轴压舱2、围压舱1、高压手泵3、长效保压伺服系统4和橡胶皮套5，围压舱1两端分别设置一个轴压舱2，形成轴压舱-围压舱-轴压舱结构，岩芯13置于轴压舱-围压舱-轴压舱结构的内部中空中，高压手泵3和长效保压伺服系统4均通过高压软管26分别与轴压舱2、围压舱1和应力解除后大尺寸岩芯13内空腔连接，通过液压油的流动性对应力解除后大尺寸岩芯进行轴压、围压和内压的柔性加载；岩芯内部受环形应力、径向应力和轴向应力作用，进行岩芯的双轴、三轴和真三轴的围压率定试验和破坏试验。
围压舱1结构如图2所示，舱体内部为圆柱空腔，舱壁上设置排气孔9和充油孔10；轴压舱2结构如图3所示，其尺寸与围压舱相匹配，舱壁上也设置排气孔9和充油孔10，并在舱壁侧面预留管路接口12。
如图4所示，轴压舱2和围压舱1间放置环形金属垫圈14，并通过10个高强度金属螺栓15连接，拼接成一个完整舱体。橡胶皮套8为背双凹槽通用型自密封高强度聚氨醋橡胶皮套，其长度与围压舱内部空腔长度相同，外径与围压舱内径相差小于1mm，内径与岩芯外径相同。岩芯13由橡胶皮套8包裹放置在舱体中央，通过橡胶皮套8的自密封效果实现围压舱1密封。岩芯13内部空腔安装充压膨胀式封隔器11，两侧由环氧树脂胶16包裹，保证轴压舱2内液压油无法进入到岩芯内部。围压舱1和轴压舱2内最大油压分别为100MPa和70MPa。
如图5所示，高压手泵3和长效保压伺服系统4通过高压软管26与轴压舱2和围压舱1连接，并在管路中设置截止阀17。长效保压伺服系统4包括活塞泵5、电子控制系统6和压力测试模块7。压力测试模块7与活塞泵5相连，电子控制系统6根据压力测试模块7反馈的压力值实时调控活塞泵5内活塞位移，使压力稳定在设定值。
如图6所示，充压膨胀式封隔器包括封隔胶囊18、滑动加压器19和加压管道20。封隔胶囊18位于加压管道20两侧，通过高压软管相连。滑动加压器19为一细长管道，一侧通过高压软管26与轴压舱左侧管路接口12连接，管壁处设置滑动加压器出油口一21和滑动加压器出油口二22。加压管道20直径略大于滑动加压器19，其管壁上设置加压管道入油口一23和加压管道入油口二24，分别与封隔胶囊18和圆筒岩样内空腔相连。滑动加压器19和加压管道20之间固定有密封胶圈25，使滑动加压器19可嵌于加压管道20内上下滑动。滑动加压器19设置三个加压位置，第一加压位置如图6所示，滑动加压器出油口一21与加压管道入油口一23相连，滑动加压器出油口二22与加压管道入油口二24相连，此时可通过滑动充油器同时对封隔胶囊18和圆筒岩样内空腔加压。将滑动加压器19向外抽动，达到第二加压位置。此时滑动加压器出油口二22被密封胶圈25封堵，滑动加压器出油口一21与加压管道入油口一23相连，通过滑动充油器仅可对封隔胶囊18充油。将滑动加压器向内插入，达到第三加压位置，此时滑动加压器出油口一21被密封胶圈25封堵，滑动加压器出油口二22与加压管道入油口二24相连，通过滑动充油器仅可对圆筒岩样内空腔充油。加压管道20设置两个排气口，分别与封隔胶囊和圆筒岩样内空腔相连。
圆筒岩样同时受到内压Pi、外压Po和轴压Pz作用，其内部单元体受到径向应力σr、环形应力σθ和轴向应力σz作用，处于真三轴应力状态。所述岩体内部距圆心距离为r处应力状态可由装置施加的应力、试样外径Ro和试样内径Ri进行计算：
Figure BDA0003348091520000061
Figure BDA0003348091520000062
σz＝Pz
根据本发明提供装置，可对应力接触后的岩芯进行常规双轴围压率定试验、三轴围压率定试验、真三轴围压率定试验及真三轴破坏试验。真三轴条件下围压率定试验和真三轴破坏试验具体步骤如下：
(1)在岩芯表面粘贴应变片和声发射探头，并用热缩管和自密封橡胶皮套将岩样包裹。
(2)在岩样内部安装充油膨胀式封隔器并对其进行排气、充油。
(3)采用环氧树脂胶将岩芯两侧密封，并将密封好的试样放入围压舱中。
(4)通过高压软管将滑动加压器与高压手泵和长效伺服液压系统连接。
(5)通过高压螺栓将轴压舱与围压舱紧密连接，从一侧引出应变片和声发射导线。
(6)通过高压手泵依次对围压舱，轴压舱和岩芯内部进行压力加载，随后通过长效保压伺服系统维持压力恒定。
(7)增加围压舱压力，直至达到预定值或岩石破坏。
(8)卸载压力，结束试验。
根据本发明提供设备可进行常规双轴条件下围压率定试验时，试验过程均与上述类似，仅在第6步加压过程中改为仅加载围压(常规双轴围压率定试验)和仅加载轴压和围压(三轴围压率定试验)，在此不再赘述。
由此可见，本发明通过液压油的流动性对大尺寸岩芯进行轴压、围压和内压的三向柔性加载，利用厚壁圆筒的力学特性实现岩样的真三轴围压率定试验和破坏试验。本发明简单，可靠，试验过程中岩芯内、外压力加载相互独立，消除了不同方向应力加载的相互影响，可对岩芯进行深部应力水平加载，模拟深部岩石真三轴状态表面破坏过程。此外，利用液压油进行的柔性加载可对两侧不平整的岩芯进行轴压加载，并且可在圆筒岩样内、外壁上粘贴应变片和声发射探头，便于测试和监测破坏过程。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：包括轴压舱、围压舱、高压手泵、长效保压伺服系统和橡胶皮套，围压舱两端分别设置一个轴压舱，形成轴压舱-围压舱-轴压舱结构，岩芯置于轴压舱-围压舱-轴压舱结构的内部中空中，高压手泵和长效保压伺服系统均通过高压软管分别与轴压舱、围压舱和应力解除后大尺寸岩芯内空腔连接，通过液压油的流动性对应力解除后大尺寸岩芯进行轴压、围压和内压的柔性加载；岩芯内部受环形应力、径向应力和轴向应力作用，进行岩芯的双轴、三轴和真三轴的围压率定试验和破坏试验。
2.根据权利要求1所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述围压舱和轴压舱中部的圆柱舱壁上方均开有排气孔，下方均开有充油孔；轴压舱中部的圆柱端部设有管路接口；轴压舱和围压舱间放置环形金属垫圈，通过高强度金属螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述岩心外部由热缩管和自密封的橡胶皮套包裹，通过橡胶皮套背部自密封空间内液压油进行围压的柔性加载；所述岩芯两侧不平整表面由环氧树脂胶包裹，通过轴压舱内液压油进行轴压的柔性加载；所述岩芯内部空腔安装充压膨胀式封隔器，通过岩芯内部封隔段内液压油进行内压的柔性加载。
4.根据权利要求1所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述长效保压伺服系统包括活塞泵、电子控制系统和压力测试模块，电子控制系统控制活塞泵和压力测试模块，压力测试模块和活塞泵实时调节围压舱和轴压舱的舱内压力，保持压力的长期稳定。
5.根据权利要求1所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述长效保压伺服系统与高压手泵通过三通阀门与轴压舱和围压舱连接，并通过三通阀门进行预加载与压力稳定阶段的转换，实现时效性加载转换。
6.根据权利要求1所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述岩芯为圆柱形，包括圆柱形实心岩样、圆筒岩样、含空心包体应变计的岩芯；所述圆筒岩样在进行真三轴破坏试验时外径与内径比值大于1.2，高度与外径之比大于3，以保证试样中部靠近内壁的局部破坏形态与完整岩样相同。
7.根据权利要求3所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述充压膨胀式封隔器包括封隔胶囊、加压管道和滑动加压器；封隔胶囊位于圆筒岩样内空腔两侧，通过充压膨胀实现对圆筒岩样内空腔的密封；滑动加压器通过高压软管与高压手泵相连，嵌于加压管道内上下滑动，通过调节滑动加压器位置实现密封胶囊和封隔段加压的切换。
8.根据权利要求6所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：所述圆筒岩样内部距圆心距离为r处真三轴应力状态计算过程如下：
Figure FDA0003348091510000021
Figure FDA0003348091510000022
σz＝Pz
其中：σr为径向应力，σθ为环形应力，σz为轴向应力，Pi为装置施加的内压，Po为装置施加的外压，Pz为装置施加的轴压，Ro为岩样外径，Ri为岩样内径。
9.根据权利要求1所述的三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置，其特征在于：该装置施加的压力保证围压大于轴压大于内压，所述岩芯内部径向应力为最大主应力，环向应力为中间主应力，轴向应力为最小主应力。
CN202111353908.7A 2021-11-10 2021-11-10 一种三向柔性加载的真三轴围压率定试验装置 Active CN114184457B (zh)

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