CN114705560B - 一种岩石宏观压入测试系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种岩石宏观压入测试系统。包括：本申请实施例提供了一种岩石宏观压入测试系统。岩石宏观压入测试系统包括：宏观压入系统、二维应力加载系统、温度控制系统以及系统集成模块，宏观压入系统包括底座、第一交流电机、立柱滑轨、横梁以及压入加载系统，压入加载系统包括压头、第二交流电机、推杆、载荷传感器以及位移LVDT传感器；二维应力加载系统包括刚性回字型框架、限位板、旋钮、加载板以及第三交流电机，本系统可针对不同岩石类型和岩石力学参数测试需求，快速更换不同种类的压头，对于样品较少的情况可使用连续刚度测试模块，可以用较少的测试次数即可获得大量试验数据，满足现场对岩样快速、大量的测试需求。

Description

一种岩石宏观压入测试系统
技术领域
本申请涉及深部岩石探测技术领域，尤其涉及一种岩石宏观压入测试系统。
背景技术
深部资源高效开发和深部岩石工程安全建设的重要前提是精确获取深部岩石的力学参数。目前，深部岩石力学参数的获取方法主要通过钻井取心，将岩心制作标准圆柱试样以进行室内单轴、三轴实验。但是这种方法具有很大的局限性，一方面取心成本高、难度大，另一方面部分岩心节理裂隙发育，难以制作标准试样。上述问题造成室内力学实验的数据量少，数据离散性大，无法得到具有统计学意义上的深部岩石力学参数。
针对上述问题，国内外进行了大量基于微/纳米压痕测试获取岩屑以及小尺寸岩样力学性质的研究，但是该类方法对制样要求较高，且需要通过大量点阵式压入以获取具有统计学意义上的力学参数，难以满足现场快速、大量的测试需求。
发明内容
本申请实施例提供了一种岩石宏观压入测试系统，可针对不同岩石类型和岩石力学参数测试需求，快速更换不同种类的压头，对样品尺寸和制样精度要求较低，对于样品较少的情况可使用连续刚度测试模块，可以用较少的测试次数即可获得大量试验数据，满足现场对岩样快速、大量的测试需求。
第一方面，本申请实施例提供了一种岩石宏观压入测试系统，包括：宏观压入系统、二维应力加载系统、温度控制系统以及系统集成模块，其中：
所述系统集成模块集成有第一位置控制系统、第一伺服控制系统、交流信号发生器、信号处理系统、第二伺服控制系统、第二位置控制系统以及PID温度控制系统；
所述宏观压入系统包括底座、第一交流电机、立柱滑轨、横梁以及压入加载系统，所述压入加载系统包括压头、第二交流电机、推杆、载荷传感器、位移LVDT传感器以及连续刚度测试模块，所述第一交流电机由所述第一位置控制系统控制，以垂直移动所述立柱滑轨、所述横梁以及所述压入加载系统，控制所述压头与被测岩样之间的间距，所述第二交流电机由所述第一伺服控制系统控制，以垂直移动所述推杆，所述连续刚度测试模块用于在加载过程中施加简谐振动；
所述二维应力加载系统包括刚性回字型框架、限位板、旋钮、加载板以及第三交流电机，所述旋钮用于控制所述限位板的水平位移，所述限位板用于固定所述被测岩样，为所述加载板提供支反力以及控制所述被测岩样的水平位移，所述限位板、所述加载板设置在所述刚性回字型框架内，所述被测岩样放置于所述限位板以及所述加载板构成的空间内，所述第三交流电机由所述第二伺服控制系统控制，以推动所述加载板，对所述被测岩样施加二维应力；
所述温度控制系统包括PTC陶瓷加热片、热电偶温度传感器以及减速电机，所述PTC陶瓷加热片由所述PID温度控制系统控制，以对所述被测岩样进行加热，所述减速电机由所述第二位置控制系统控制，以垂直或水平移动所述热电偶温度传感器的位置，使得所述热电偶温度传感器紧贴于所述被测岩样表面；
所述交流信号发生器用于在所述压入加载系统进行加载的电信号上叠加一交流电信号，使得所述压入加载系统满足连续刚度法的测试需求；
所述信号处理系统用于检测交流电信号的相位，计算交流电信号的产生的位移，并通过所述载荷传感器的反馈信号得到交流电信号产生的最大载荷。
在一些实施例中，所述系统集成模块还集成有记录系统，所述记录系统用于记录测试数据。
在一些实施例中，所述横梁在所述立柱滑轨上的传动方式为同步齿轮轮带传动方式。
在一些实施例中，所述压入加载系统的加载模式包括位移控制模式以及载荷控制模式。
在一些实施例中，所述载荷传感器一方面用于记录试验过程中的载荷数据，另一方面用于在所述载荷控制模式下作为所述第一伺服控制系统的反馈。
在一些实施例中，所述载荷传感器的精度为10-3mm。
在一些实施例中，所述压头通过三瓣式弹簧夹头固定在所述推杆上。
在一些实施例中，所述压入加载系统的上下两部分外壳均可拆卸，便于所述第二交流电机、所述载荷传感器以及所述位移LVDT传感器的维修及更换。
在一些实施例中，所述被测岩样为长方体试样，边长大于20mm且小于50mm，厚度大于10mm且小于30mm。
在一些实施例中，所述第三交流电机的最大推力为1000N，所述PTC陶瓷加热片的最高加热温度为300℃。
本申请实施例提供了一种岩石宏观压入测试系统。其中，所述岩石宏观压入测试系统包括：宏观压入系统、二维应力加载系统、温度控制系统以及系统集成模块，其中：所述系统集成模块集成有第一位置控制系统、第一伺服控制系统、交流信号发生器、信号处理系统、第二伺服控制系统、第二位置控制系统以及PID温度控制系统；所述宏观压入系统包括底座、第一交流电机、立柱滑轨、横梁以及压入加载系统，所述压入加载系统包括压头、第二交流电机、推杆、载荷传感器以及位移LVDT传感器，所述第一交流电机由所述第一位置控制系统控制，以垂直移动所述立柱滑轨、所述横梁以及所述压入加载系统，控制所述压头与被测岩样之间的间距，所述第二交流电机由所述第一伺服控制系统控制，以垂直移动所述推杆；所述二维应力加载系统包括刚性回字型框架、限位板、旋钮、加载板以及第三交流电机，所述旋钮用于控制所述限位板的水平位移，所述限位板用于固定所述被测岩样，为所述加载板提供支反力以及控制所述被测岩样的水平位移，所述限位板、所述加载板设置在所述刚性回字型框架内，所述被测岩样放置于所述限位板以及所述加载板构成的空间内，所述第三交流电机由所述第二伺服控制系统控制，以推动所述加载板，对所述被测岩样施加二维应力；所述温度控制系统包括PTC陶瓷加热片、热电偶温度传感器以及减速电机，所述PTC陶瓷加热片由所述PID温度控制系统控制，以对所述被测岩样进行加热，所述减速电机由所述第二位置控制系统控制，以垂直或水平移动所述热电偶温度传感器的位置，使得所述热电偶温度传感器紧贴于所述被测岩样表面；所述交流信号发生器用于在所述压入加载系统进行加载的电信号上叠加一交流电信号，使得所述压入加载系统满足连续刚度法的测试需求；所述信号处理系统用于检测交流电信号的相位，计算交流电信号的产生的位移，并通过所述载荷传感器的反馈信号得到交流电信号产生的最大载荷。本系统可针对不同岩石类型和岩石力学参数测试需求，快速更换不同种类的压头，对样品尺寸和制样精度要求较低，对于样品较少的情况可使用连续刚度测试模块，可以用较少的测试次数即可获得大量试验数据，满足现场对岩样快速、大量的测试需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的岩石宏观压入测试系统的一个结构示意图；
图2为本申请实施例提供的压入加载系统的细节结构图示意图；
图3为本申请实施例提供的典型压入试验曲线示意图；
图4为本申请施例提供的续刚度法的计算模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
本申请实施例提供一种岩石宏观压入测试系统，岩石宏观压入测试系统包括宏观压入系统1、二维应力加载系统2、温度控制系统3以及系统集成模块4。以下分别进行详细说明。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的岩石宏观压入测试系统一个实施例结构示意图。
如图1所示，本申请实施例中，系统集成模块4集成有第一位置控制系统、第一伺服控制系统、交流信号发生器、信号处理系统、第二伺服控制系统、第二位置控制系统以及PID温度控制系统；
宏观压入系统1包括底座11、第一交流电机12、立柱滑轨13、横梁14以及压入加载系统15，请参阅图2，图2为本实施例中压入加载系统15的细节结构图，压入加载系统15包括压头151、第二交流电机152、推杆153、载荷传感器154、位移LVDT传感器155以及连续刚度测试模块156，其中，第一交流电机12由第一位置控制系统控制，以垂直移动立柱滑轨13、横梁14以及压入加载系统15，粗调压头151与被测岩样5之间的间距，使压头151尽量接近被测岩样5的上表面，第二交流电机152由第一伺服控制系统控制，以垂直移动推杆153，连续刚度测试模块156用于在加载过程中施加简谐振动。
在一些实施例中，横梁14在立柱滑轨13上的传动方式为同步齿轮轮带传动方式。被测岩样5为长方体试样，边长大于20mm且小于50mm，厚度大于10mm且小于30mm，其中，被测岩样5表面的抛光程度应至少大于1000目，以满足测试精度的需求。系统集成模块4中的交流信号发生器用于在压入加载系统15进行加载的电信号上叠加一交流电信号，使得压入加载系统15满足连续刚度法的测试需求。
在一些实施例中，压入加载系统15的加载模式包括位移控制模式以及载荷控制模式。载荷传感器154一方面用于记录试验过程中的载荷数据，另一方面用于在载荷控制模式下作为第一伺服控制系统的反馈。载荷传感器154的精度为10-3N；位移LVDT传感器155用于记录试验过程中的位移数据，精度为10-3mm。
在一些实施例中，压头151通过三瓣式弹簧夹头157固定在推杆153上，其中三瓣式弹簧夹头157通过螺帽旋紧可以紧固φ2-3mm之间的压头151，针对不同测试需求可以快速更换不同类型的压头151。压入加载系统15的上下两部分外壳均可拆卸，便于第二交流电机152、载荷传感器154以及位移LVDT传感器155的维修及更换。
被测岩样5的弹性模量基于Oliver-Pharr理论计算得出，典型压入试验曲线如图3所示，卸载过程认为是纯弹性恢复，使用幂函数的形式对卸载段曲线进行拟合，拟合形式为：
P＝a(h-hf)b (1)
式中：h为压入深度；hf为卸载后残余深度；a、b为拟合参数。
对卸载拟合曲线求导，位移取最大压入深度hmax即可得到接触刚度S；接触深度hc和折合模量Er由(3)(4)式计算得到：
S＝ab(hmax-hf)b-1 (2)
式中：ε为与压头几何形状相关的参数；β为压头校正系数；Ac为接触投影面积，可根据不同类型压头通过接触深度hc计算得到。
Er为折合模量，定义为：
式中：E1和υ1分别为压头的弹性模量和泊松比；E2和υ2分别被测材料的弹性模量和泊松比。
压入加载系统15中可配置连续刚度测试模块156，该模块可在加载过程中施加一个小的简谐振动，其原理是通过系统集成模块4中的交流信号发生器在加载第一伺服控制系统的输出信号上叠加一个交流电信号来实现；交流信号的频率在0.5-1000Hz之间，施加的交流力的大小在10-4-10N之间；系统集成模块4中包含的信号处理系统，可以检测交流信号的相位φ，计算交流信号产生的位移h(ω)，并通过处理载荷传感器154的反馈信号得到交流信号产生的最大载荷FAC。连续刚度法的计算模型如图4所示，其中压头151的质量为m，压头151与连续刚度测试模块156之间作用简化为并联的弹簧和阻尼器，弹簧的弹性系数k和阻尼系数c可在通过在标准试块上进行一组试验确定，压头151与被测岩样5之间的接触刚度可通过(6)式计算，并由式(3)-(5)计算在一个简谐振动周期内测得被测岩样5的弹性模量，以此获得整个加载过程中接触刚度/弹性模量随位移变化的曲线。
式中：ω为交流信号的频率；φ为交流信号的相位；m为压头的质量；k为压头与连续刚度测试模块156之间的等效弹性系数；c为压头151与连续刚度测试模块156之间的阻尼系数；S为压头151的被测岩样5之间的接触刚度。
二维应力加载系统2包括刚性回字型框架21、限位板22、旋钮23、加载板24以及第三交流电机25，且固定在底座11上，旋钮23用于控制限位板22的水平位移，限位板22用于固定被测岩样5，为加载板24提供支反力以及控制被测岩样5的水平位移，限位板22、加载板24设置在刚性回字型框架21内，被测岩样5放置于限位板22以及加载板24构成的空间内，第三交流电机25由第二伺服控制系统控制，以推动加载板24，对被测岩样5施加二维应力，其中，第三交流电机25的最大推力为1000N。
温度控制系统3包括PTC陶瓷加热片31、热电偶温度传感器32以及减速电机33，其中，减速电机33为小型减速电机，PTC陶瓷加热片31由PID温度控制系统控制，以对被测岩样5进行加热，最高加热温度可达300℃，，减速电机33由第二位置控制系统控制，以垂直或水平移动热电偶温度传感器32的位置，使得热电偶温度传感器32紧贴于被测岩样5表面。
可见，本方案中的岩石宏观压入测试系统为小尺寸宏观压入测试系统，该系统基于毫米级的宏观压入测试理论，可针对不同岩石类型和岩石力学参数测试需求，快速更换不同种类的压头；且对样品尺寸和制样精度要求低，对于样品较少的情况可使用连续刚度测试模块，用较少的测试次数即可获得大量试验数据；且可在被测岩样上施加水平两个方向上的应力及温度，还原地层原位的温度和应力条件。
综上所述，本方案可以用较少的测试次数即可获得大量试验数据，满足现场对岩样快速、大量的测试需求。
以上对本申请实施例所提供的一种岩石宏观压入测试系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种岩石宏观压入测试系统，其特征在于，包括：宏观压入系统、二维应力加载系统、温度控制系统以及系统集成模块，其中：
所述系统集成模块集成有第一位置控制系统、第一伺服控制系统、交流信号发生器、信号处理系统、第二伺服控制系统、第二位置控制系统以及PID温度控制系统；
所述宏观压入系统包括底座、第一交流电机、立柱滑轨、横梁以及压入加载系统，所述压入加载系统包括压头、第二交流电机、推杆、载荷传感器、位移LVDT传感器以及连续刚度测试模块，所述第一交流电机由所述第一位置控制系统控制，以垂直移动所述立柱滑轨、所述横梁以及所述压入加载系统，控制所述压头与被测岩样之间的间距，所述第二交流电机由所述第一伺服控制系统控制，以垂直移动所述推杆，所述连续刚度测试模块用于在加载过程中施加简谐振动；
所述二维应力加载系统包括刚性回字型框架、限位板、旋钮、加载板以及第三交流电机，所述旋钮用于控制所述限位板的水平位移，所述限位板用于固定所述被测岩样，为所述加载板提供支反力以及控制所述被测岩样的水平位移，所述限位板、所述加载板设置在所述刚性回字型框架内，所述被测岩样放置于所述限位板以及所述加载板构成的空间内，所述第三交流电机由所述第二伺服控制系统控制，以推动所述加载板，对所述被测岩样施加二维应力；
所述温度控制系统包括PTC陶瓷加热片、热电偶温度传感器以及减速电机，所述PTC陶瓷加热片由所述PID温度控制系统控制，以对所述被测岩样进行加热，所述减速电机由所述第二位置控制系统控制，以垂直或水平移动所述热电偶温度传感器的位置，使得所述热电偶温度传感器紧贴于所述被测岩样表面；
所述交流信号发生器用于在所述压入加载系统进行加载的电信号上叠加一交流电信号，使得所述压入加载系统满足连续刚度法的测试需求；
所述信号处理系统用于检测交流电信号的相位，计算交流电信号的产生的位移，并通过所述载荷传感器的反馈信号得到交流电信号产生的最大载荷；
所述压头通过三瓣式弹簧夹头固定在所述推杆上；
所述压入加载系统的上下两部分外壳均可拆卸，便于所述第二交流电机、所述载荷传感器以及所述位移LVDT传感器的维修及更换。
2.根据权利要求1所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述系统集成模块还集成有记录系统，所述记录系统用于记录测试数据。
3.根据权利要求1所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述横梁在所述立柱滑轨上的传动方式为同步齿轮轮带传动方式。
4.根据权利要求1所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述压入加载系统的加载模式包括位移控制模式以及载荷控制模式。
5.根据权利要求4所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述载荷传感器一方面用于记录试验过程中的载荷数据，另一方面用于在所述载荷控制模式下作为所述第一伺服控制系统的反馈。
6.根据权利要求5所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述载荷传感器的精度为10-3mm。
7.根据权利要求1所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述被测岩样为长方体试样，边长大于20mm且小于50mm，厚度大于10mm且小于30mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的岩石宏观压入测试系统，其特征在于，所述第三交流电机的最大推力为1000N，所述PTC陶瓷加热片的最高加热温度为300℃。
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