CN208239212U - 热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，括加载系统、加热系统、监测系统、渗压系统；加载系统从岩石试样的两端加载压力，加热系统从岩石试样的侧面加温，渗压系统从岩石试样的一端压气另一端收集，监测系统则通过温度监测装置、位移监测装置、声发射监测装置收集数据，能够同时考虑应力场、温度场的影响，并且能够同时监测应力、变形、温度和裂纹过程，其中裂纹演化过程采用了声发射和气体渗透性变化两种监测手段，准确度更高。本实用新型具有构造简单、造价低廉、准确度高、操作简便等突出优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及高地温环境下开挖的地下工程、地热开发、核废料处置等的热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置。
背景技术
岩石是由晶体、裂隙、微裂纹等组成的非均质天然材料。岩石在温度作用下会发生变形，由于岩石的各种组成在高温条件下的热膨胀系数各不相同，岩石作为一个连续体，组成成分之间存在约束，岩石内部各矿物颗粒不可能相应地按各自固有的热膨胀系数随温度变化而自由变形，因此变形大的受压缩，变形小受拉伸，由此在岩石中形成一种由温度引起的热应力。当岩石内部许多强度较低的颗粒、裂隙与微裂纹的存在导致局部产生应力集中，如果此处的应力达到或超过岩石的强度极限抗拉强度或抗剪强度，会导致更多的裂纹发生、发展、密集、连通，形成更大的裂缝，直至岩石整体结构破坏。由温度引起的热应力，造成岩石结构的热破裂。
大量的实践和理论研究项目表明，岩体温度和应力场耦合之间存在一定影响。由于地下工程开挖，以及高地温、高放废物的化学作用，这两个过程同时进行，必须考虑热-固耦合作用的影响：1）由于高地温、高放废物衰变放热过程而引起的岩体热学参数变化以及由此引起岩石的损伤程度的变化 2）地下工程开挖引起的应力调整，导致岩石损伤程度变化，影响岩石的热力学性质。因此，地下工程中岩石复杂的节理、裂隙系统、热固耦合等相互作用对工程的设计和环境安全评估和分析增加了更大的难度。
目前对于岩石热固耦合效应的研究，主要采用数值模拟、现场观测和室内试验，但由于天然岩石的复杂多变性，数值模拟的研究仅限于在外力载荷下对岩石进行变形、破裂和物理力学性质的研究，很难考虑温度效应，同时由于岩石材料的非均匀性、非连续性、以及几何结构的复杂性，现有的方法很难对岩石的热破裂与物理力学性质的变化规律做相对准确的描述。而现场观测受到现场条件、人力、物力和财力的限制，在较大工程中难以充分发挥其作用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，能够同时实现加载和加温，并能够准确测得应力、应变、温度和岩石的裂纹演化过程，操作过程简便、演化过程直观、测量结果准确。为此，本实用新型采用以下技术方案：
热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，其特征在于包括加载系统、加热系统、监测系统、渗压系统；
所述加载系统包括对岩石试样两端面加载压力的加压装置、橡胶皮套和两只分别套在岩石试样两端外的钢片帽；
两个钢片帽的高度根据期望产生的岩石裂缝角度确定，钢片帽的横截面形状和岩石试样的横截面形状配套；
所述橡胶皮套的口径大小能够紧紧地套在所述两只钢片帽和岩石试样外，其长度至少满足包住所述两只钢片帽的端部和两只钢片帽之间的岩石试样；
所述加热系统包括处在侧面岩石试样侧面外并处在橡胶皮套外的加热板；
所述监测系统包括温度监测装置、位移监测装置、声发射监测装置；
所述温度监测装置设置多个温度传感器，所述温度传感器沿岩石试样的环向紧贴布置在橡胶皮套外；所述声发射监测装置设置多个声发射探头，所述声发射探头分别布置在岩石试样的两端外；所述位移监测装置分别设置多个轴向位移传感器和环向位移传感器，所述轴向位移传感器布置在岩石试样的两端外，所述环向位移传感器布置在橡胶皮套外；
所述渗压系统包括压气装置和出气收集装置，压气装置的进气管路连接到岩石试样一端的钢片帽的底部并与钢片帽内部接通，所述压气装置设置压力表和流量计；所述出气收集装置包括集气瓶，出气收集装置的集气管路连接到岩石试样另一端的钢片帽的底部并与钢片帽内部接通，出气收集装置设置流量计和测压计。
在采用上述技术方案的基础上，本实用新型还可采用或组合采用以下进一步的技术方案：
所述加载装置包括加压活塞和加压隔板，所述加压活塞连接加压隔板，所述加压隔板的面积不小于岩石试样端部的面积。
声发射探头设置在紧贴钢片帽底部的加压垫板中。
所述加热板包括钢垫板及布置在钢垫板外侧的电加热板，利用电加热板产生热量传递到岩石试样，以评价温度对岩石损伤演化过程的影响。
所述钢垫板设有若干块并组合包围岩石试样。
本实用新型提供了一种热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，能够同时考虑应力场、温度场的影响，并且能够同时监测应力、变形、温度和裂纹过程，其中裂纹演化过程采用了声发射和气体渗透性变化两种监测手段，准确度更高。本实用新型具有构造简单、造价低廉、准确度高、操作简便等突出优点。
附图说明
图1为本实用新型的示意图。
具体实施方式
参照附图。本实用新型提供的热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置主要由加载系统、加热系统、监测系统、渗压系统组成。
所述加载系统包括对岩石试样100两端面加载压力的加压装置、橡胶皮套14和两只分别套在岩石试样两端外的钢片帽15；
所述加载装置可采用加压活塞11和加压隔板12，所述活塞一般用液压驱动，所述加压活塞11连接加压隔板12，所述加压隔板的面积不小于岩石试样端部的面积。加压隔板12在加压活塞11的作用下向岩石样品端面施加均匀的压力。在样品的两端都布置有加压活塞11和加压隔板12。
两个钢片帽15的高度总和小于岩石试样100的高度，钢片帽15的高度根据期望产生的岩石裂缝101角度确定，一般裂缝角度介于30°~60°之间，目的是确保气体通过产生的期望裂缝，避免从两侧溢出，同时也能够实现对裂缝产状的人工控制。钢片帽15的横截面形状和岩石试样200的横截面形状配套而使得岩石试样200刚好能放入钢片帽15并在对岩石试样200两端加载压力时，岩石试样200对应钢片帽15端部151的位置产生应力集中而诱发在两者之间产生岩石裂缝；
钢片帽15根据岩石试样的形状可以是矩形箱形或圆柱桶形等，钢片制成的钢片帽15不仅能够在加载压力时使岩石试样产生应力集中，而且，也能使得在其外部布置的传感器能够准确地检测岩石试样的变化情况。
橡胶皮套14用于紧包住岩石样品200，并与两个钢片帽15形成密闭试样腔室。橡胶皮套14同时也阻断了渗压测试时，气体从岩石试样外部短路的可能。
所述加热系统包括处在侧面岩石试样侧面外并处在橡胶皮套外的加热板，所述加热板包括钢垫板13及布置在钢垫板外侧的电加热板21，利用电加热21板产生热量经钢垫板13传递到岩石试样100，以评价温度对岩石损伤演化过程的影响。钢垫板13处在岩石试样的外侧，能保证岩石试样100在加载过程中的稳定和受力均匀。所述钢垫板设有若干块并组合包围岩石试样。
监测系统包括温度监测装置、位移监测装置、声发射监测装置。
所述温度监测装置设置多个温度传感器31，所述温度传感器31沿岩石试样100的环向紧贴布置在橡胶皮套14外，监测岩石试样100在加温、加压过程中的温度变化情况。所述声发射监测装置设置多个声发射探头32，所述声发射探头32分别布置在岩石试样的两端外，监测轴向加压过程中岩石内部裂纹的扩展情况。所述位移监测装置分别设置多个轴向位移传感器33和环向位移传感器34，轴向位移传感器33测量岩石试样100在轴向加压过程中的轴向应变，环向位移传感器34测量岩石试样100在轴向加压过程中的环向应变。
声发射探头32、轴向位移传感器33设置在岩石试样100上下两端外的加压垫板12中，在加压压板12加载轴向压力于岩石试样100时，加压压板12紧贴钢片帽15并进而紧贴岩石试样100，声发射探头32、轴向位移传感器33能够进行准确监测。所述温度传感器31和环向位移传感器34通过绳索、胶带等方式连接在紧包在岩石试样100外的橡胶皮套14外。
所述渗压系统包括压气装置和出气收集装置，压气装置的气源采用高压气瓶41，压气装置的的进气管路44一端连接高压气瓶41另一端连接到岩石试样100一端的钢片帽15的底部并并与钢片帽内部接通，所述压气装置设置压力表42和流量计43测量压气压力和流量；所述出气收集装置包括集气瓶47，出气收集装置的集气管路48，一端连接集气瓶47另一端连接到岩石试样100另一端的钢片帽15的底部并与钢片帽内部接通，测量流出气体的压力和流量，。
在试验过程中，利用压气装置从测试装置底部注入惰性气体比如氮气，并且保持稳压，记录流入气体压力和流量，压力数值保持在0.1~0.5MPa。
对于实验结果，可以利用记录的施加应力、渗透性气体压力及流量变化、温度变化、声发射事件定量分析岩石在不同温度、不同应力条件下的损伤演化过程。
以上所述仅为实用新型的具体实施案例，本实用新型的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的保护范围之中。
Claims (4)
1.热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，其特征在于包括加载系统、加热系统、监测系统、渗压系统；
所述加载系统包括对岩石试样两端面加载压力的加压装置、橡胶皮套和两只分别套在岩石试样两端外的钢片帽；
两个钢片帽的高度根据期望产生的岩石裂缝角度确定，钢片帽的横截面形状和岩石试样的横截面形状配套；
所述橡胶皮套的口径大小能够紧紧地套在所述两只钢片帽和岩石试样外，其长度至少满足包住所述两只钢片帽的端部和两只钢片帽之间的岩石试样；
所述加热系统包括处在侧面岩石试样侧面外并处在橡胶皮套外的加热板；
所述监测系统包括温度监测装置、位移监测装置、声发射监测装置；
所述温度监测装置设置多个温度传感器，所述温度传感器沿岩石试样的环向紧贴布置在橡胶皮套外；所述声发射监测装置设置多个声发射探头，所述声发射探头分别布置在岩石试样的两端外；所述位移监测装置分别设置多个轴向位移传感器和环向位移传感器，所述轴向位移传感器布置在岩石试样的两端外，所述环向位移传感器布置在橡胶皮套外；
所述渗压系统包括压气装置和出气收集装置，压气装置的进气管路连接到岩石试样一端的钢片帽的底部并与钢片帽内部接通，所述压气装置设置压力表和流量计；所述出气收集装置包括集气瓶，出气收集装置的集气管路连接到岩石试样另一端的钢片帽的底部并与钢片帽内部接通，出气收集装置设置流量计和测压计。
2.如权利要求1所述的热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，其特征在于声发射探头设置在紧贴钢片帽底部的加压垫板中。
3.如权利要求1所述的热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，其特征在于所述加热板包括钢垫板及布置在钢垫板外侧的电加热板，利用电加热板产生热量传递到岩石试样，以评价温度对岩石损伤演化过程的影响。
4.如权利要求3所述的热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置，其特征在于所述钢垫板设有若干块并组合包围岩石试样。
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| CN108548726B (zh) * | 2018-05-21 | 2024-05-10 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 热固耦合条件下岩石裂纹扩展测试装置 |
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