本發(fā)明屬于巖石力學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體的，涉及一種簡(jiǎn)易的巖石三軸壓縮試驗(yàn)儀器。
背景技術(shù)：
：巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是油氣田工程、隧道工程、水利水電工程以及采礦工程等領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一，巖石三軸試驗(yàn)是研究巖石物理力學(xué)性質(zhì)的重要手段，不僅可以得到彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等基本力學(xué)參數(shù)，還可利用全應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行能量分析和可壓性分析等。三軸試驗(yàn)機(jī)在近200年的發(fā)展過程中主要有兩大進(jìn)步，一是剛性試驗(yàn)機(jī)的誕生，二是反饋伺服控制的實(shí)現(xiàn)。從1935年Speath在對(duì)鑄鐵做壓力試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)由于試驗(yàn)機(jī)的剛度小于鑄鐵的剛度而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生偏差，直到1970年Wawersick和Fairharst利用剛性試驗(yàn)機(jī)獲得了巖石完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，到上世紀(jì)80年代初，剛性試驗(yàn)機(jī)的加載控制實(shí)現(xiàn)了電液伺服控制，即試驗(yàn)過程中應(yīng)力、應(yīng)變等可以通過反饋電信號(hào)來自動(dòng)控制。我國(guó)最早的巖石三軸試驗(yàn)機(jī)為上世紀(jì)50年代生產(chǎn)的長(zhǎng)江-500型巖石三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，其設(shè)備裝置及測(cè)量記錄技術(shù)等與國(guó)外相比都較為落后。到上世紀(jì)80年代隨著我國(guó)工程規(guī)模和科研技術(shù)的發(fā)展需要，開始從國(guó)外進(jìn)口先進(jìn)的巖石三軸試驗(yàn)設(shè)備，主要有美國(guó)的MTS公司、日本的谷騰株式會(huì)社以及德國(guó)的申克公司等。近些年來，我們國(guó)家的巖石三軸試驗(yàn)設(shè)備走上了一條國(guó)外進(jìn)口和自我研制相結(jié)合的道路，總體發(fā)展趨勢(shì)是功能越來越多，控制精度越來越高。郝慶澤和程遠(yuǎn)方在文《巖石三軸全伺服壓力試驗(yàn)機(jī)》(郝慶澤,程遠(yuǎn)方.巖石三軸全伺服壓力試驗(yàn)機(jī)[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī),2000,40(1、2):63-65.)中介紹了將一臺(tái)1000KN四柱式壓力試驗(yàn)機(jī)升級(jí)改造，改造后的試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行軸向壓力控制、軸向位移控制、軸向變形控制，并且這三種控制方式可以平滑切換，其改造費(fèi)用與同水平的進(jìn)口試驗(yàn)機(jī)的價(jià)格相比有較大優(yōu)勢(shì)，但也達(dá)到了70萬元人民幣。李廣平和王玉玲等在文《巖石三軸強(qiáng)度試驗(yàn)》(李廣平,王玉玲,蔡玉貞.巖石三軸強(qiáng)度試驗(yàn)[J].巖礦測(cè)試,2005,24(1):75-78.)中介紹了利用現(xiàn)有的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，通過自制三軸壓力室和配備液壓泵組成巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，但其圍壓上限僅為50MPa，且其三軸壓力室的結(jié)構(gòu)構(gòu)造限制了進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)的條件。趙陽(yáng)升和萬志軍等在文《20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)的研制》(趙陽(yáng)升,萬志軍等.20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)的研制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1):1-8.)中介紹了研制的試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)加載系統(tǒng)、高溫三軸壓力室及溫控系統(tǒng)、輔機(jī)裝料系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)4個(gè)部分組成，該試驗(yàn)機(jī)功能較多，考慮了高溫高壓等實(shí)際地下因素，但其設(shè)備體積龐大，成本較高，試驗(yàn)操作時(shí)間較長(zhǎng)。目前，巖石三軸壓縮試驗(yàn)的位移測(cè)量技術(shù)主要包括應(yīng)變片測(cè)量、位移傳感器測(cè)量和數(shù)字圖像測(cè)量等。應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，操作技術(shù)要求較高，受高溫高壓因素影響較大；位移傳感器測(cè)量技術(shù)，精度較高，但對(duì)設(shè)備構(gòu)造安裝要求也較高，尤其徑向位移的測(cè)量難度更大；數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變形過程的非接觸直接測(cè)量，但受三軸壓力室側(cè)壁材料屬性的限制，此項(xiàng)技術(shù)只適用于泥質(zhì)巖這類強(qiáng)度較弱的巖石。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)中的一些問題，本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)易的巖石三軸壓縮試驗(yàn)儀器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案為：一種簡(jiǎn)易的巖石三軸壓縮試驗(yàn)儀器，包括三軸壓力室、三軸壓力加載裝置、加載控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述的三軸壓力室包括壓力室支架、液壓筒體、上下頂桿、活塞部件、膠套，其中上頂桿通過固定板與軸向位移傳感器相連；所述的三軸壓力加載裝置包括柜機(jī)操作面板、壓力傳感器、徑向位移傳感器、施加軸壓的活塞泵和施加圍壓的柱塞泵，試驗(yàn)中采用電液伺服控制，可精確實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)力加載、恒應(yīng)力速率加載、恒位移加載、恒位移速率加載；所述的加載控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并顯示多條試驗(yàn)曲線，計(jì)算機(jī)控制可部分替代加載裝置操作面板的按鈕功能；將聲發(fā)射探頭吸附于下頂桿上，可同時(shí)進(jìn)行巖石三軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)。所述的液壓筒體包括軸壓倉(cāng)和圍壓倉(cāng)，其中軸壓倉(cāng)利用所述的活塞部件通過上頂桿將軸向壓力施加到巖芯上，圍壓倉(cāng)中巖芯通過所述的膠套與加壓液體隔離。所述的徑向位移傳感器為磁致伸縮液位計(jì)，量程為200mm，測(cè)量精度為0.01mm，通過測(cè)量與圍壓倉(cāng)相連筒體的液位變化，可求得圍壓倉(cāng)中液體體積的變化量，利用圍壓倉(cāng)液體體積的變化量可計(jì)算得到試驗(yàn)巖芯的徑向變形量。所述的聲發(fā)射探頭可通過磁力吸附于所述的下頂桿上，下頂桿為質(zhì)地均勻的無損鋼質(zhì)材料，巖石三軸壓縮破壞過程中的聲發(fā)射信號(hào)可通過下頂桿被聲發(fā)射探頭采集。本發(fā)明具有如下有益效果：(1)為巖石三軸壓縮試驗(yàn)中的徑向變形測(cè)量提供了一種新方法，利用間接法測(cè)量降低了設(shè)備構(gòu)造的復(fù)雜程度，提高了測(cè)量精度；(2)巖石聲發(fā)射信號(hào)可通過三軸壓力室的下頂桿直接傳遞到聲發(fā)射探頭上，實(shí)現(xiàn)了三軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)的同步進(jìn)行，且探頭安裝簡(jiǎn)單，試驗(yàn)操作便捷；(3)該發(fā)明提供的巖石三軸壓縮儀體積較小，搬運(yùn)方便，且成本低廉，試驗(yàn)過程操作簡(jiǎn)單，大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，適用于通過大量的重復(fù)性的巖石三軸試驗(yàn)來探尋科學(xué)規(guī)律。附圖說明圖1為本發(fā)明的巖石三軸壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的三組巖芯應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例利用莫爾圓求內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的聲發(fā)射試驗(yàn)到達(dá)時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖；其中，1-上頂桿，2-下頂桿，3-軸壓倉(cāng)，4-活塞部件，5-圍壓倉(cāng)，6-膠套，7-壓力室支架，8-活塞泵，9-柱塞泵。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的儀器的試驗(yàn)過程作進(jìn)一步說明：(1)用取芯機(jī)從青海油田提供的全直徑大巖芯上鉆取直徑為25mm的巖芯柱，將巖芯柱在切割機(jī)上切割成長(zhǎng)度為50mm的小巖芯，然后將小巖芯的兩端面在磨平機(jī)上磨平，磨平后的兩端面平行度公差不大于0.1mm，至此，小巖芯加工完畢；(2)在PC端打開巖石壓縮試驗(yàn)軟件，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置，進(jìn)行位移傳感器和壓力傳感器的清零和校正設(shè)置；點(diǎn)擊參數(shù)錄入，將試驗(yàn)巖芯的井號(hào)、井深、巖性、圍壓、試驗(yàn)溫度、巖芯尺寸等數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)；(3)打開閥門F8，關(guān)閉閥門F7，在柜機(jī)操作面板按充液鍵使活塞泵8充滿液，然后打開閥門F7，關(guān)閉閥門F8；打開閥門F10，關(guān)閉閥門F9，在柜機(jī)操作面板按充液鍵使柱塞泵9充滿液，然后打開閥門F9，關(guān)閉閥門F10；關(guān)閉閥門F5，打開閥門F1、F4，關(guān)閉閥門F2、F3，用活塞泵8使軸壓倉(cāng)3的活塞部件4運(yùn)動(dòng)至頂部；旋下下頂桿2，確保上頂桿1旋到底，然后將試驗(yàn)巖芯裝入壓力室內(nèi)，旋上下頂桿2，使上下頂桿的兩端與巖芯端面接觸，然后將聲發(fā)射探頭吸附于下頂桿上；(4)試驗(yàn)開始前，確保閥門F1、F4、F5、F8、F10關(guān)閉，閥門F2、F3、F6、F7、F9打開；在PC端進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁(yè)面，圍壓的加載由柱塞泵9實(shí)現(xiàn)，可選擇恒壓和恒流模式，試驗(yàn)時(shí)輸入數(shù)值按回車鍵啟動(dòng)；軸壓的加載由活塞泵8實(shí)現(xiàn)，可選擇恒位移和恒壓力模式，此處選擇恒位移模式，加載速率設(shè)定為0.2mm/min，按啟動(dòng)鍵先將巖芯端面壓力施加至0.1MPa，使巖芯端面與上下頂桿緊密接觸，圍壓選擇恒壓模式，輸入20MPa并按回車鍵啟動(dòng)，將軸壓和圍壓同時(shí)施加至20MPa，維持10min，使巖芯受力情況盡量接近真實(shí)地應(yīng)力狀態(tài)，然后輸入采集周期，此處選1s，點(diǎn)擊啟動(dòng)鍵開始施加軸壓，同時(shí)啟動(dòng)聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行巖石三軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)；(5)施加荷載直至巖芯發(fā)生破壞，在數(shù)據(jù)采集頁(yè)面點(diǎn)擊停止鍵，并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)停止聲發(fā)射試驗(yàn)并保存數(shù)據(jù)，然后在柜機(jī)操作面板設(shè)定壓力值0.1MPa，按運(yùn)行鍵，先由活塞泵8將軸向壓力卸載；同樣操作流程，再由柱塞泵9將圍壓卸載至0.1MPa，此處壓力卸載順序?yàn)橄刃遁S壓、再卸圍壓，目的是為了避免損壞膠套；然后打開閥門F8、F10，使整套加壓系統(tǒng)與外界相通，確保后續(xù)操作的安全；之后旋下下頂桿2和上頂桿1，將試驗(yàn)后的巖芯取出，巖芯取出后用毛刷將筒壁內(nèi)的巖芯碎屑清理干凈，避免影響下次試驗(yàn)；(6)重復(fù)步驟(1)-(5)，此處共進(jìn)行三組巖芯三軸壓縮試驗(yàn)，為避免加載方式及速率的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，后兩組的軸壓加載同樣選擇恒位移模式，加載速率為0.2mm/min，圍壓加載同樣選擇恒壓模式，圍壓加載值分別為30MPa和40MPa。如圖2所示，通過對(duì)巖芯三軸壓縮試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)據(jù)處理，可得出三組試驗(yàn)巖芯的峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表1；如圖3所示，利用三組巖芯不同圍壓下的峰值強(qiáng)度可得出內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；1號(hào)巖芯的三軸壓縮條件下聲發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖如圖4所示。表1巖芯編號(hào)圍壓/MPa峰值強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比120187.8521.060.34230239.5925.680.36340311.8132.510.32以上結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3