CN114878433A - 高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法，通过量化并排除由环境温度、三轴室温度、瞬态温度对测量包括岩石或其他材料试件孔隙体积变化量所引入的误差，修正了岩石或其他材料试件在变温条件下孔隙体积变化量的测量值。本发明有效、定量地排除了试件孔隙内、孔压管路内、伺服泵内去离子水的体积变化量误差量(dVw，dVind，dVc，dVa)，精确修正了岩石或其他材料试件的孔隙体积变化量。本发明在变温实验中用三轴室和外置孔压管路接口处的温度Tp来模拟外置孔压管路内的瞬态温度Tind符合实验的实际工况。用该瞬态温度Tind计算的外置孔压管路内去离子水的体积变化量dVind更有助于精确修正岩石或其他材料试件在变温条件下孔隙体积的变化量dVcrt。
Description
技术领域
本发明属于实验岩石力学和实验材料力学技术领域，具体涉及高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法。
背景技术
基于高温三轴试验机平台(图1)的岩石(其它材料)孔隙体积变化的测量是实验岩石力学和材料力学领域常用的研究手段。孔隙体积变化的测量通常由连接于试件的伺服泵实现(图1)。当岩石(其它材料)试件的孔隙用去离子水饱和后，用伺服泵将试件孔隙内、连接试件与伺服泵的(孔压)管路内的去离子水的压力控制在一个给定值。给此试件施加温度荷载会使得孔隙体积发生变化，从而使得试件孔隙内、管路内及伺服泵内去离子水的压力短暂发生变化并偏离前述给定值。因此伺服泵内置活塞会自动调整其位置，以补偿该去离子水压力的偏离量。通过记录伺服泵内置活塞位置相对其初始位置的改变量(位移)和该活塞的横截面积，能够计算施加外荷载或温度荷载所引起的试件孔隙体积的变化。
然而，在测量由温度荷载引起的岩石(其它材料)试件孔隙体积变化的实验中，试件孔隙中的去离子水和孔压管路、伺服泵中的去离子水也会受到温度影响并发生体积变化，从而补偿试件孔隙体积的变化，因此对测量结果造成很大误差。例如，给试件施加温度荷载，试件孔隙体积、试件孔隙中去离子水和孔压管路、伺服泵内去离子水的体积几乎同时发生变化，短时间内孔压管路内和伺服泵内去离子水的压力较之给定值发生偏离。此偏离量比试件孔隙体积单独变化所引起的偏离量为大。因此，伺服泵内置活塞为了补偿该压力偏离量而产生的位移也会偏大，从而对测量造成误差。
在基于高温三轴试验机平台的变温实验中，连接岩石或其他材料试件与伺服泵的孔压管路一部分置于三轴试验机的三轴室内(内置)，一部分置于空气中(外置)，如图1所示。因此，孔压管路中去离子水的体积同时受到：
(1)实验室环境温度(室温)的影响；
(2)三轴室温度的影响；
(3)由三轴室与伺服泵温度差异所引起的孔压管路瞬态温度的影响；
(4)伺服泵中去离子水的体积受到环境温度(室温)影响；在现有基于三轴试验机平台的变温条件下测量岩石或其他材料孔隙体积变化的实验中，试件孔隙内、孔压管路内、伺服泵内去离子水的体积变化量(dVw，dVind，dVc，dVa)较试件孔隙体积的变化量(dVcrt)高出数倍，因此将试件孔隙体积的变化量dVcrt淹没在伺服泵测量到的体积变化的读数(dVmea)中；
(5)试件孔隙中去离子水的体积受到三轴室温度影响。
已知文献和专利未关注或排除上述由温度引起的对岩石或其他材料试件孔隙体积变化的测量所引入的误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法，用于修正岩石或其他材料试件在变温条件下孔隙体积变化量的测量值。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法，包括以下步骤：
S1：采用包括干湿质量法的常规方法测定岩石或其它材料试件的初始孔隙体积；
S2：测量变温实验中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp和实验室环境温度Ta，记录变温实验中试件孔隙体积变化的测量值dVmea；
S3：用温度Ta计算变温实验中由实验室环境温度引起的外置孔压管路内及伺服泵内去离子水体积的变化量dVa；
S4：用温度Tc计算变温实验中由三轴室温度引起的内置孔压管路中去离子水体积的变化量dVc；
S5：建立热传导的有限元模型，用温度Tp模拟三轴室外置孔压管路中的瞬态温度Tind及其随时间的变化；计算变温实验中由瞬态温度Tind引起的外置孔压管路内去离子水体积的变化量dVind；
S6：计算变温实验中岩石或其它材料试件孔隙体积的名义变化量dVapr：
dVapr＝dVmea-dVind-dVa-dVc；
设孔隙中原有去离子水的体积变化量dVw实验室环境温度Ta平均值下的去离子水密度为ρa0，变温实验中三轴室温度下的去离子水密度为ρc；则岩石或其它材料试件孔隙体积的实际变化量dVcrt根据如下公式修正：
dVcrt＝(dVw-dVapr)ρa0/ρc。
按上述方案，所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：测量三轴试验机平台的三轴室内置孔压管路的容积Vi和三轴室外置孔压管路的容积Vo；
S22：在实验前将变温实验中三轴室的温度目标值设置在30℃至200℃之间；根据变温实验三轴室的温度上限设置去离子水的压力设定值，使试件孔隙中、伺服泵及孔压管路内的去离子水保持在液态；
S23：用热缩管包裹岩石或其它材料试件，并在水饱和条件下在高温三轴试验机平台进行变温实验，使三轴室的温度从室温升高并保持在温度目标值一段时间；在变温过程中使试件孔隙中、伺服泵及孔压管路内的去离子水压力保持在压力设定值，施加在试件上的围压大于去离子水的压力；
S24：记录变温开始前试件孔隙内、孔压管路内、伺服泵内的去离子水压力达到压力设定值时，伺服泵内去离子水的体积Vpp0；
S25：测量变温实验中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp和实验室环境温度Ta；记录变温实验中由伺服泵测定的试件孔隙体积变化的测量值dVmea。
一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法。
本发明的有益效果为：
1.本发明的高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法，通过量化并排除由环境温度、三轴室温度、瞬态温度对测量包括岩石或其他材料试件孔隙体积变化量所引入的误差，修正了岩石或其他材料试件在变温条件下孔隙体积变化量的测量值。
2.本发明有效、定量地排除了试件孔隙内、孔压管路内、伺服泵内去离子水的体积变化量误差量(dVw，dVind，dVc，dVa)，精确修正了岩石或其他材料试件的孔隙体积变化量。
3.本发明在变温实验中用三轴室和外置孔压管路接口处的温度Tp来模拟外置孔压管路内的瞬态温度Tind符合实验的实际工况。用该瞬态温度Tind计算的外置孔压管路内去离子水的体积变化量dVind更有助于精确修正岩石或其他材料试件在变温条件下孔隙体积的变化量dVcrt。
附图说明
图1是本发明实施例的高温三轴试验机平台及伺服泵示意图。
图2是本发明实施例的金属试件变温实验方法示意图。
图3是本发明实施例的金属试件变温实验中去离子水体积变化量图。
图4是本发明实施例的岩石试件变温实验方法示意图。
图5是本发明实施例的岩石试件变温实验中去离子水体积变化量及修正的试件孔隙体积变化量图。
图中：1.高温三轴试验机；2.三轴室；3.试件；4.内置孔压管路；5.外置孔压管路；6.伺服泵；7.瞬态温度影响范围；8.三轴室温度影响范围；9.室温影响范围；21.三轴室温度；22.室温；31.室温相关去离子水体积变化量dVa；32.瞬态温度相关去离子水体积变化量dVind；33.三轴室温度相关去离子水体积变化量dVc；34.各温度相关去离子水体积变化量之和(细实线)；35.去离子水体积变化量测量值dVmea(粗灰线)；41.室温；42.三轴室温度；51.修正的试件孔隙体积变化量dVcrt；52.室温相关去离子水体积变化量dVa；53.瞬态温度相关去离子水体积变化量dVind；54.三轴室温度相关去离子水体积变化量dVc；55.试件孔隙中去离子水体积变化量dVw；56.试件孔隙体积变化量测量值dVmea。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的实施例包括以下步骤：
S1：用常规方法(干湿质量法)测定岩石(其它材料)试件的初始孔隙体积。本步骤(1)所涉及常规方法(干湿质量法)不包括在本专利申请保护范围内。
S2：测量三轴试验机平台三轴室内置孔压管路的容积Vt、三轴室外置孔压管路的容积Vo。用热缩管包裹步骤(1)中的岩石(其它材料)试件并在水饱和条件下于高温三轴试验机平台进行变温实验，使三轴室内温度从室温升高到设定的目标值，并使之保持在目标值若干时间。变温实验中三轴室温度目标值可以设置在30℃至200℃之间；变温过程中，试件孔隙中、伺服泵及孔压管路内的去离子水压力保持在设定值。该去离子水压力设定值应根据变温实验三轴室温度上限在实验前设计，使得试件孔隙中、伺服泵及孔压管路内的去离子水保持在液态。此外，施加在试件上的围压应大于去离子水的压力。记录变温开始前试件孔隙内、孔压管路内、伺服泵内去离子水压力达到设定值时，伺服泵内去离子水的体积Vpp0。测量该实验中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp及实验室内环境温度Ta(室温)。记录该实验中由伺服泵测定的试件孔隙体积变化的测量值dVmea。
S3：用步骤(2)中得到的温度Ta计算实验中由实验室环境温度(室温)引起的外置孔压管路内及伺服泵内去离子水体积的变化量dVa。
S4：用步骤(2)中得到的温度Tc计算实验中由三轴室温度引起的内置孔压管路中去离子水体积的变化量dVc。
S5：建立热传导的有限元模型，用步骤(2)中得到的温度Tp模拟三轴室外置孔压管路中的瞬态温度Tind及其随时间的变化；计算实验中由该瞬态温度引起的外置孔压管路内去离子水体积的变化量dVind。
S6：计算该变温实验中岩石(其它材料)试件孔隙体积的名义变化量dVapr，dVapr＝dVmea-dVind-dVa-dVc。该孔隙体积的名义变化量仍包含孔隙中原有去离子水的体积变化量dVw的影响。试件孔隙体积实际变化量dVcrt根据公式dVcrt＝(dVw-dVapr)ρa0/ρc修正。其中，ρa0是实验室环境温度(室温)平均值下的去离子水密度；ρc是变温实验中三轴室温度下的去离子水密度。
实施例1：
(1)测量三轴试验机平台三轴室内置孔压管路的容积Vi(10.8cm3)、三轴室外置孔压管路的容积Vo(105cm3)。用热缩管包裹标准致密金属试件并将试件安装在三轴试验机平台的三轴室内。给试件施加2MPa静水压力。用去离子水饱和三轴室内置孔压管路及外置孔压管路，使去离子水压力维持在0.5MPa。测量此时伺服泵内去离子水体积Vpp0(5cm3)。随即进行变温实验，使三轴室内温度从室温(约29℃)升高到63℃，并使该温度在63℃维持指定时间(图2)。记录变温过程中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp及实验室内环境温度Ta(室温)。由于试件为致密金属试件无孔隙，记录该实验中伺服泵的体积读数dVmea。
(2)用步骤(1)中得到的温度Ta计算实验中由实验室环境温度(室温)引起的外置孔压管路内及伺服泵内去离子水体积的变化量dVa；用温度Tc计算实验中由三轴室温度引起的内置孔压管路中去离子水体积的变化量dVc。建立热传导的有限元模型，用步骤(1)中得到的温度Tp模拟三轴室外置孔压管路中的瞬态温度Tind及其随时间的发展；计算实验中由该瞬态温度引起的外置孔压管路内去离子水体积的变化量dVind。因该实验中试件为致密金属试件无孔隙，故该实验中伺服泵测定的体积变化dVmea由上述各温度相关的去离子水体积变化(dVind，dVc，dVa)引起。叠加上述各体积变化量(dVind，dVc，dVa)之和与伺服泵读数吻合(图3)，说明本专利申请保护的数据修正方法有效。
实施例2：
(1)测量三轴试验机平台三轴室内置孔压管路的容积Vi(10.8cm3)、三轴室外置孔压管路的容积Vo(105cm3)。用热缩管包裹孔隙体积约20cm3的岩石试件并将试件安装在三轴试验机平台的三轴室内。给试件施加2MPa静水压力。用去离子水饱和试件、三轴室内置孔压管路及外置孔压管路，使去离子水压力维持在0.5MPa。测量此时伺服泵内去离子水体积Vpp0(5cm3)。随即进行变温实验，使三轴室内温度从室温(约23℃)升高到110℃，并使该温度在110℃维持指定时间(图4)。记录变温过程中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp及实验室内环境温度Ta(室温)。记录该实验中伺服泵的体积读数dVmea。
(2)用步骤(1)中得到的温度Ta计算实验中由实验室环境温度(室温)引起的外置孔压管路内以及伺服泵内去离子水体积的变化量dVa；用温度Tc计算实验中由三轴室温度引起的内置孔压管路中去离子水体积的变化量dVc。建立热传导的有限元模型，用步骤(1)中得到的温度Tp模拟三轴室外置孔压管路中的瞬态温度Tind及其随时间的发展；计算实验中由该瞬态温度引起的外置孔压管路内去离子水体积的变化量dVind。计算该变温实验中岩石试件孔隙体积的名义变化量dVapr，dVapr＝dVmea-dVind-dVa-dVc。用岩石试件初始的孔隙体积计算孔隙中原有去离子水在该变温实验中体积的变化量dVw。试件孔隙体积实际变化量dVcrt根据公式dVcrt＝(dVw-dVapr)ρa0/ρ0修正(图5)。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采用包括干湿质量法的常规方法测定岩石或其它材料试件的初始孔隙体积；
S2：测量变温实验中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp和实验室环境温度Ta，记录变温实验中试件孔隙体积变化的测量值dVmea；
S3：用温度Ta计算变温实验中由实验室环境温度引起的外置孔压管路内及伺服泵内去离子水体积的变化量dVa；
S4：用温度Tc计算变温实验中由三轴室温度引起的内置孔压管路中去离子水体积的变化量dVc；
S5：建立热传导的有限元模型，用温度Tp模拟三轴室外置孔压管路中的瞬态温度Tind及其随时间的变化；计算变温实验中由瞬态温度Tind引起的外置孔压管路内去离子水体积的变化量dVind；
S6：计算变温实验中岩石或其它材料试件孔隙体积的名义变化量dVapr：
dVapr＝dVmea-dVind-dVa-dVc；
设孔隙中原有去离子水的体积变化量dVw，实验室环境温度Ta平均值下的去离子水密度为ρa0，变温实验中三轴室温度下的去离子水密度为ρc；则岩石或其它材料试件孔隙体积的实际变化量dVcrt根据如下公式修正：
dVcrt＝(dVw-dVapr)ρa0/ρc。
2.根据权利要求1所述的高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：测量三轴试验机平台的三轴室内置孔压管路的容积Vi和三轴室外置孔压管路的容积V0；
S22：在实验前将变温实验中三轴室的温度目标值设置在30℃至200℃之间；根据变温实验三轴室的温度上限设置去离子水的压力设定值，使试件孔隙中、伺服泵及孔压管路内的去离子水保持在液态；
S23：用热缩管包裹岩石或其它材料试件，并在水饱和条件下在高温三轴试验机平台进行变温实验，使三轴室的温度从室温升高并保持在温度目标值一段时间；在变温过程中使试件孔隙中、伺服泵及孔压管路内的去离子水压力保持在压力设定值，施加在试件上的围压大于去离子水的压力；
S24：记录变温开始前试件孔隙内、孔压管路内、伺服泵内的去离子水压力达到压力设定值时，伺服泵内去离子水的体积Vpp0；
S25：测量变温实验中三轴室内温度Tc、三轴室与外置孔压管路接口处的温度Tp和实验室环境温度Ta；记录变温实验中由伺服泵测定的试件孔隙体积变化的测量值dVmea。
3.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1至权利要求2中任意一项所述的高温三轴试验机岩石孔隙体积变化数据修正方法。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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