一種巖石裸三軸壓縮試驗裝置及試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用機(jī)械應(yīng)力測試固體材料的強(qiáng)度特性技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種巖石 裸三軸壓縮試驗裝置及試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖石三軸壓縮試驗，是獲取巖石力學(xué)參數(shù)的重要試驗。為了給巖石環(huán)向方向上施 加圍壓，一般使用航空液壓油加壓，并且在圓柱形試樣表面上穿一層衣服，即加一套熱縮管 (膜）或者橡皮套，防止液壓油和巖心試樣直接接觸。例如，申請公布號為CN 103344496 A 的中國發(fā)明專利公開了一種巖石三軸壓縮-水（氣）耦合裝置及試驗方法，參見附圖1，該 裝置包括軸壓伺服系統(tǒng)、圍壓伺服系統(tǒng)、水（氣）壓伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)，可開展靜水壓縮、三軸壓縮全過程及加卸載循環(huán)下的應(yīng)力一滲流耦合試驗。從該附圖1， 可以看出，巖心試樣18的環(huán)向被橡皮套17包裹。這樣液壓油的壓力會直接傳遞到緊緊包 裹在巖心上面的橡皮套17上，然后橡皮套17再傳遞給巖心試樣18,這樣的好處是高壓液壓 油不會滲進(jìn)巖心試樣18壓縮過程中出現(xiàn)的裂縫之中，而導(dǎo)致巖心試樣的突然崩塌。
[0003] 然而，在許多工程中，巖石的表面是與高壓液體或氣體直接接觸的。比如，水庫之 中，垂直幾十米甚至上百米的水壓直接跟庫區(qū)巖石相接觸；再者，鹽穴儲氣庫之中，高壓天 然氣與鹽穴圍巖直接接觸；再如，鹽穴儲油庫中，高壓原油與鹽穴圍壓直接相互作用。因此， 采用該巖石三軸壓縮試驗裝置無法精確地模擬出巖心試樣18近場圍壓的力學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種巖石裸三軸壓縮試驗裝置及試驗方法，其能夠使得赤 裸的巖心試樣直接接觸工程流體；在試驗過程中，能夠避免工程流體與液壓油混合，從而精 準(zhǔn)地模擬巖心試樣近場圍壓力學(xué)特性，為工程穩(wěn)定性評價提供更加精準(zhǔn)的服務(wù)；還能夠避 免工程流體與液壓油混合，也能避免崩塌散亂的試樣進(jìn)入液壓油之中，從而更加適于實用。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明主要提供如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明提供的巖石裸三軸壓縮試驗裝置，應(yīng)用時，其整體置于三軸室內(nèi)，所述巖石 裸三軸壓縮試驗裝置包括容器、氣袋、連通管、活塞，
[0007] 所述容器內(nèi)設(shè)有容腔，赤裸的巖心試樣容置于所述容腔內(nèi)，
[0008] 所述容器的蓋板上設(shè)有第一通孔，所述活塞穿設(shè)于所述第一通孔中，所述活塞與 所述容器的蓋板之間密封配合在一起，
[0009] 所述氣袋通過所述連通管與所述容腔連通，
[0010] 所述氣袋的容積至少為所述連通管容積的500倍。
[0011] 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。
[0012] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括下壓頭，所述下壓頭的一端固定 連接于所述巖心試樣本體底部，所述下壓頭的另一端開設(shè)有盲孔，所述容器的底盤上設(shè)有 定位銷，所述盲孔的規(guī)格與所述定位銷的規(guī)格相對應(yīng)，所述巖心試樣本體通過所述盲孔與 所述定位銷的配合容置于所述容器中。
[0013] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括上壓頭，所述上壓頭的一端固定 連接于所述巖心試樣本體頂部，所述上壓頭的另一端用作壓力承載面。
[0014] 作為優(yōu)選，所述容器的蓋板、底盤、側(cè)壁分體，所述側(cè)壁呈圓筒狀，所述蓋板、底盤 與所述側(cè)壁之間密封配合。
[0015] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括上環(huán)形吸盤、下環(huán)形吸盤，所述蓋 板通過所述上環(huán)形吸盤與所述側(cè)壁頂部之間密封配合，所述底盤通過所述下環(huán)形吸盤與所 述側(cè)壁底部之間密封配合。
[0016] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括第一密封件，所述容器的側(cè)壁底 部開設(shè)有第二通孔，所述第一密封件可拆卸地連接于所述第二通孔。
[0017] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括第二密封件、第三密封件，所述蓋 板上設(shè)有第三通孔、第四通孔，所述第三通孔用于工程流體的注入，所述第四通孔用于連接 所述連通管，
[0018] 所述第二密封件可拆卸地連接于所述第三通孔，
[0019] 所述第三密封件可拆卸地連接于所述第四通孔，所述第三密封件中心開設(shè)有第五 通孔，所述連通管通過外壁與所述第五通孔密封配合。
[0020] 作為優(yōu)選，所述側(cè)壁由透明材質(zhì)制成。
[0021] 作為優(yōu)選，所述連通管最外端伸出到所述容器的蓋板的最外緣之外。
[0022] 作為優(yōu)選，所述活塞與所述巖心試樣的頂部完全接觸時，所述活塞頂部與蓋板之 間的距離最少為l〇cm。
[0023] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括橡皮筋，所述氣袋通過所述橡皮 筋與所述連通管之間密封連接在一起。
[0024] 作為優(yōu)選，所述蓋板和底盤由不銹鋼材質(zhì)制成。
[0025] 作為優(yōu)選，所述側(cè)壁由有機(jī)樹脂玻璃制成。
[0026] 作為優(yōu)選，所述上環(huán)形吸盤和下環(huán)形吸盤分別由橡膠材質(zhì)制成。
[0027] 作為優(yōu)選，所述第一密封件、第二密封件、第三密封件由橡膠材質(zhì)制成。
[0028] 作為優(yōu)選，所述巖石裸三軸壓縮試驗裝置還包括0型圈，所述0型圈連接于所述活 塞和所述蓋板之間。
[0029] 本發(fā)明提供的巖石裸三軸壓縮試驗方法，基于本發(fā)明提供的巖石裸三軸壓縮試驗 裝置而實現(xiàn)，所述巖石裸三軸壓縮試驗方法包括以下步驟：
[0030] 將巖心試樣放置于所述容器中，
[0031] 壓活塞，使得所述活塞與巖心試樣的頂部完全接觸，
[0032] 向所述容器中注滿工程流體，
[0033] 將充滿氣體的氣袋連接至所述連通管，
[0034] 將經(jīng)過上述組裝的裝置整體置于三軸室內(nèi)，
[0035] 向所述三軸室內(nèi)充入液壓油，
[0036] 按照現(xiàn)有的巖石三軸壓縮試驗方法繼續(xù)開展試驗，隨著所述三軸室內(nèi)的液壓壓力 逐漸增加，所述氣袋內(nèi)的氣體在氣袋內(nèi)被逐漸壓縮，使所述氣袋的體積縮小，
[0037] 向所述活塞施加壓力，隨著所述活塞承受的壓力逐漸增加，所述活塞相對于所述 容器的蓋板向下移動，擠占所述容器內(nèi)的工程流體，與被擠占體積相當(dāng)容積的工程流體通 過所述連通管轉(zhuǎn)移至所述氣袋；
[0038] 實驗結(jié)束后，釋放所述三軸室內(nèi)的液壓油，所述氣袋重新膨脹；
[0039] 打開所述三軸室，釋放所述容器內(nèi)的工程流體。
[0040] 本發(fā)明提供的巖石裸三軸壓縮試驗裝置及試驗方法在應(yīng)用時，其整體置于三軸室 內(nèi)，其包括容器、氣袋、連通管、活塞，容器內(nèi)設(shè)有容腔，赤裸的巖心試樣容置于容腔內(nèi)，容器 的蓋板上設(shè)有第一通孔，活塞穿設(shè)于第一通孔中，活塞與容器的蓋板之間密封配合在一起， 氣袋通過連通管與容腔連通，氣袋的容積至少為連通管容積的500倍。向三軸室充入液壓 油后加壓時，根據(jù)氣體可壓縮、液體不可壓縮的性質(zhì)，氣袋內(nèi)的氣體被壓縮，體積減小，根據(jù) 克拉伯龍方程PV = nRT，在n、R、T恒定的情況下，V減小則P增大，從而通過氣袋內(nèi)的氣體 對容器中的工程流體施加作用力，由于工程流體直接接觸赤裸的巖心試樣，因此，相當(dāng)于該 作用力直接作用在赤裸的巖心試樣上，因此，能夠精準(zhǔn)地模擬巖心試樣近場圍壓力學(xué)特性， 為工程穩(wěn)定性評價提供更加精準(zhǔn)的服務(wù)。此外，由于工程流體容置于容器的容腔內(nèi)，而液壓 油容置于三軸室內(nèi)，容器的容腔和三軸室之間密封隔離，因此，在試驗過程中，能夠避免工 程流體與液壓油混合。此外，由于氣袋的容積至少為連通管容積的500倍，即使液壓油提供 50MPa的壓力，氣袋內(nèi)的氣體依然不會被壓入連通管，進(jìn)而進(jìn)入該容器的容腔，影響本發(fā)明 提供的巖石裸三軸壓縮試驗裝置的結(jié)果精準(zhǔn)性。
【附圖說明】
[0041] 通過閱讀下文優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明 的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：
[0042] 圖1為申請公布號為CN 103344496 A的中國發(fā)明專利公開的一種巖石三軸壓 縮-水（氣）耦合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明實施例提供的巖石裸三軸壓縮試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖（其中，氣袋 內(nèi)未充入氣體，或者，氣袋被三軸室內(nèi)的液壓油壓縮成為癟了的氣袋）；
[0044] 圖3為本發(fā)明實施例提供的巖石裸三軸壓縮試驗裝置中應(yīng)用的巖心在加載上壓 頭和下壓頭之后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖4為本發(fā)明實施例提供的巖石裸三軸壓縮試驗裝置中應(yīng)用的容器的側(cè)壁的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0046] 圖5為圖4中M