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一種測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法
【專利摘要】一種測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)，解決現(xiàn)有方法在高低溫條件下無法測(cè)量巖石徑向變形的問題。本發(fā)明是將巖石試樣密封后裝入三軸壓力室內(nèi)，試樣四周與壓力室之間形成封閉空間，并充入傳壓介質(zhì)，向巖石試樣施加徑向載荷。壓力室側(cè)面的底中上部分別開小孔與封閉空間相通，傳壓介質(zhì)由底部小孔壓入并充滿壓力室，測(cè)量巖石在載荷下徑向變形引起傳壓介質(zhì)體積變化，計(jì)算巖石試樣的徑向變形量，進(jìn)而可計(jì)箅得到巖石試樣的徑向應(yīng)變。本發(fā)明采用物理方法進(jìn)行高低溫巖石試樣徑向變形測(cè)量，具有測(cè)量方法精度高、直觀、適應(yīng)性強(qiáng)，所用裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)，尤其涉及一種高低溫三軸應(yīng)力條件下，測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]巖石的基本力學(xué)特性是實(shí)施重大巖石工程的基礎(chǔ)，巖石的基本力學(xué)特性參數(shù)包括彈性模量和泊松比，泊松比的定義為試樣徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比。目前，根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)制定的巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法，在常溫條件下軸向應(yīng)變通過測(cè)量軸向應(yīng)力作用下巖石試樣軸向變形量來確定軸向應(yīng)變。而徑向應(yīng)變通過束縛在試樣軸向中間位置處的環(huán)形變形環(huán)測(cè)量巖石試樣的徑向變形計(jì)算得到。這種方法已廣泛應(yīng)用于常溫試驗(yàn)條件。但高溫(如400°C )或低溫(如_140°C )條件下，由于環(huán)形變形環(huán)不具有耐熱耐冷性而導(dǎo)致徑向變形測(cè)量失效。因此，高低溫條件下的巖石徑向變形測(cè)量仍是巖石力學(xué)基本特性研究中的技術(shù)難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，解決現(xiàn)有方法在高低溫條件下測(cè)量元件失效，致使無法測(cè)量巖石試樣徑向變形的技術(shù)問題。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，其測(cè)量步驟為:
[0006](I)米用密封材料將巖石試樣密封后安裝在三軸壓力室內(nèi)，同時(shí)施加初始軸向載荷;
[0007](2)打開可控放氣孔和I號(hào)控制閥、II號(hào)控制閥、III號(hào)控制閥、IV號(hào)控制閥；
[0008](3)將傳壓介質(zhì)通過輸送裝置經(jīng)下部進(jìn)液孔進(jìn)入三軸壓力室內(nèi)，當(dāng)三軸壓力室內(nèi)的傳壓介質(zhì)的液面超過中部進(jìn)液孔時(shí)，進(jìn)入透明耐壓毛細(xì)管內(nèi)，當(dāng)充滿整個(gè)耐壓毛細(xì)管時(shí)，關(guān)閉II號(hào)控制閥；
[0009](4)繼續(xù)使傳壓介質(zhì)進(jìn)入壓力室內(nèi)，當(dāng)傳壓介質(zhì)從三軸壓力室上部的可控放氣孔溢出時(shí)，停止輸送裝置，此時(shí)，關(guān)閉可控放氣孔；
[0010](5)將高壓氣體經(jīng)高壓氣泵壓入高壓氣體穩(wěn)壓容器內(nèi)，同時(shí)打開II號(hào)控制閥，待透明耐壓毛細(xì)管內(nèi)的傳壓介質(zhì)與氣體的界面移動(dòng)至II號(hào)控制閥附近時(shí)，關(guān)閉II號(hào)控制閥，同時(shí)停止高壓氣泵；
[0011](6)按照試驗(yàn)方案，將軸向載荷和三軸壓力室內(nèi)的傳壓介質(zhì)的壓力交替加至設(shè)定值Po;
[0012](7)啟動(dòng)高壓氣泵，將高壓氣體壓入高壓氣體穩(wěn)壓容器內(nèi)，直至高壓氣體穩(wěn)壓容器內(nèi)的氣體壓力達(dá)到Ptl時(shí)，停止高壓氣泵，此時(shí)，II號(hào)控制閥兩邊的透明耐壓毛細(xì)管內(nèi)的介質(zhì)壓力均為P。；
[0013](8)打開II號(hào)控制閥，氣液界面自動(dòng)移動(dòng)并逐漸穩(wěn)定；
[0014](9)待氣液界面穩(wěn)定后，記下此時(shí)的位置Lci,然后按照試驗(yàn)方案，保持圍壓不變，逐步施加軸向載荷，此時(shí)，巖石試樣徑向變形，將擠壓傳壓介質(zhì)致使透明耐壓毛細(xì)管內(nèi)的氣液界面移動(dòng)至新的位置L1;
[0015](10)根據(jù)透明耐壓毛細(xì)管內(nèi)截面S，按公式:V = S.(L1-L0)計(jì)算巖石試樣徑向變形產(chǎn)生的傳壓介質(zhì)體積的變化量V，然后由巖石試樣初始直徑Cltl、初始高度tv高度變化量Δ h (即試樣軸向變形量)，即可按公式:
[0016]J1 = U; +Y / [—(I, -Ah)]計(jì)算巖石試樣徑向直徑Cl1，再根據(jù)公式:
V4
[0017]Si =— 計(jì)算巖石試樣2的徑向應(yīng)變?chǔ)?2。
[0018]進(jìn)一步，對(duì)于高溫條件下巖石徑向變形的測(cè)量，應(yīng)在步驟(8)后，啟動(dòng)三軸壓力室外部的加熱保溫器對(duì)巖石試樣進(jìn)行加溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)保溫，溫度設(shè)定值最高為400°C;對(duì)于低溫條件下巖石徑向變形的測(cè)量，應(yīng)在步驟(8)后，啟動(dòng)三軸壓力室外部的降溫保溫器對(duì)巖石試樣進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)保溫，溫度設(shè)定值最低為_140°C。
[0019]進(jìn)一步，所述巖石試樣的密封材料為橡膠套，或熱縮塑料，或紫銅套。
[0020]進(jìn)一步，所述傳壓介質(zhì)，在常溫時(shí)采用水或油，在高溫時(shí)采用高溫合成導(dǎo)熱油，在低溫時(shí)采用液氮。
[0021]進(jìn)一步，所述輸送裝置為高壓泵，或高壓液氮罐。
[0022]本發(fā)明所采用的裝置，包括:放置巖石試樣的三軸壓力室，所述巖石試樣置于所述三軸壓力室的中下位后，通過上部可產(chǎn)生軸向載荷的柱塞和密封，使巖石試樣四周與壓力室內(nèi)腔之間形成封閉的空間；所述三軸壓力室的下部開有與傳壓介質(zhì)相通的下部進(jìn)液孔，所述三軸壓力室的中部開有與透明耐壓毛細(xì)管相通的中部進(jìn)液孔，所述透明耐壓毛細(xì)管與高壓氣體穩(wěn)壓容器上部相通，所述高壓氣體穩(wěn)壓容器與高壓氣體相通，所述三軸壓力室的側(cè)面上部設(shè)有可控放氣孔。
[0023]所述傳壓介質(zhì)通過輸送裝置經(jīng)所述下部進(jìn)液孔進(jìn)入所述三軸壓力室內(nèi)；所述輸送裝置是高壓泵或高壓液氮罐；所述三軸壓力室與所述透明耐壓毛細(xì)管之間設(shè)有I號(hào)控制閥；所述透明耐壓毛細(xì)管長(zhǎng)度的中部設(shè)有II號(hào)控制閥和III號(hào)控制閥；所述透明耐壓毛細(xì)管與所述高壓氣體穩(wěn)壓容器之間設(shè)有IV號(hào)控制閥；所述高壓氣體穩(wěn)壓容器與高壓氣體之間設(shè)有高壓氣泵；對(duì)于高溫條件下巖石徑向變形的測(cè)量，所述三軸壓力室外部可設(shè)置加熱保溫器；對(duì)于低溫條件下巖石徑向變形的測(cè)量，所述三軸壓力室外部可設(shè)置降溫保溫器。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于將巖石試樣密封后裝入三軸壓力室內(nèi)，試樣四周與壓力室之間的空間通過密封形成封閉的空間，在該封閉空間內(nèi)充入傳壓液體，該液體作為傳壓介質(zhì)向巖石試樣施加徑(側(cè))向載荷。在壓力室外側(cè)頂部、中部和下部分別開三個(gè)小孔與上述封閉空間相通，將傳壓液體通過下部進(jìn)液孔注入并達(dá)到設(shè)定壓力。耐高壓透明毛細(xì)管連接壓力室外側(cè)中部進(jìn)液孔并與高壓氣體穩(wěn)壓容器相通，通過測(cè)量透明毛細(xì)管內(nèi)氣液界面的變化，可獲得三軸應(yīng)力條件下不同溫度狀態(tài)(常溫、高溫、低溫)巖石試樣徑向變形。巖石試樣徑向變形引起的傳壓液體體積變化由透明耐壓毛細(xì)管內(nèi)氣液界面的移動(dòng)距離與透明耐壓毛細(xì)管的內(nèi)截面相乘得到，由此計(jì)算巖石試樣直徑的變化量，進(jìn)而可計(jì)箅得到巖石試樣的徑向應(yīng)變。
[0025]本發(fā)明采用物理方法進(jìn)行高低溫巖石試樣徑向變形測(cè)量，具有測(cè)量方法精度高、直觀、適應(yīng)性強(qiáng)，所用裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為常溫三軸應(yīng)力下，測(cè)量巖石試樣徑向變形方法采用的裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2為高溫三軸應(yīng)力下，測(cè)量巖石試樣徑向變形方法采用的裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖3為低溫三軸應(yīng)力下，測(cè)量巖石試樣徑向變形方法采用的裝置結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的典型實(shí)施例，將結(jié)合附圖在以下的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實(shí)施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上是當(dāng)作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0030]實(shí)施例1
[0031]如圖1所示，一種常溫三軸應(yīng)力下，巖石試樣徑向變形的測(cè)量方法，其測(cè)量步驟為:
[0032](I)采用密封材料I將試樣2密封后安裝在壓力室3內(nèi)，同時(shí)施加初始軸向載荷
4；
[0033](2)打開壓力室側(cè)面上部的放氣孔5和與中部孔6相連的控制閥7及透明耐壓毛細(xì)管8中部的控制閥9和10及高壓氣體穩(wěn)壓容器11上的控制閥12 ；
[0034](3)將傳壓介質(zhì)13通過高壓試壓泵14經(jīng)壓力室3下部的進(jìn)液孔15壓入壓力室3內(nèi)。當(dāng)壓力室3內(nèi)的傳壓介質(zhì)13的液面超過中部孔6時(shí)進(jìn)入透明耐壓毛細(xì)管8內(nèi)，當(dāng)充滿整個(gè)耐壓毛細(xì)管8時(shí)，關(guān)閉控制閥9。
[0035](4)繼續(xù)將傳壓介質(zhì)13壓入壓力室3內(nèi)，當(dāng)傳壓介質(zhì)13從壓力室3上部的放氣孔5溢出時(shí)停止高壓試壓泵14，此時(shí)，關(guān)閉放氣孔5。
[0036](5)將高壓氣體16經(jīng)高壓氣泵17壓入高壓氣體穩(wěn)壓容器11內(nèi)，同時(shí)打開控制閥9，待與高壓氣體穩(wěn)壓容器11相連的透明耐壓毛細(xì)管8內(nèi)的傳壓介質(zhì)13與氣體的界面移動(dòng)至控制閥9附近時(shí)，關(guān)閉控制閥9，同時(shí)停止高壓氣泵17。
[0037](6)按照試驗(yàn)方案，將軸壓4和壓力室3內(nèi)的傳壓介質(zhì)13的壓力交替加至設(shè)定值Po。
[0038](7)啟動(dòng)高壓氣泵17，將高壓氣體16壓入高壓氣體穩(wěn)壓容器11內(nèi)，直至高壓氣體穩(wěn)壓容器11內(nèi)的氣體壓力達(dá)到Ptl時(shí)停止高壓氣泵，此時(shí)，控制閥9兩邊的透明耐壓毛細(xì)管8內(nèi)的介質(zhì)壓力均為P。。
[0039](8)打開控制閥9，氣液界面自動(dòng)移動(dòng)并逐漸穩(wěn)定。
[0040](9)待氣液界面穩(wěn)定后，記下此時(shí)的位置U。然后按照試驗(yàn)方案，保持圍壓不變，逐步施加軸向載荷4，此時(shí)，巖石試樣2徑向變形，將擠壓傳壓介質(zhì)13致使透明耐壓毛細(xì)管8內(nèi)的氣液界面移動(dòng)至新的位置U。
[0041](10)根據(jù)透明耐壓毛細(xì)管8內(nèi)截面S，按公式:V = S.(L1-L0)計(jì)算巖石試樣2徑向變形產(chǎn)生的傳壓介質(zhì)體積的變化量V，然后由巖石試樣2初始直徑Cltl、初始高度Iitl、高度變化量Ah(即試樣軸向變形量)，即可按公式:
[0042]

【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法,其特征在于:測(cè)量巖石試樣徑向變形方法的具體步驟為: ①米用密封材料(I)將巖石試樣(2)密封后安裝在三軸壓力室(3)內(nèi)，同時(shí)施加初始軸向載荷⑷； ②打開可控放氣孔(5)和I號(hào)控制閥(7)、II號(hào)控制閥(9)、111號(hào)控制閥(10)、IV號(hào)控制閥(12)； ③將傳壓介質(zhì)(13)通過輸送裝置(14)經(jīng)下部進(jìn)液孔(15)進(jìn)入三軸壓力室(3)內(nèi)，當(dāng)三軸壓力室(3)內(nèi)的傳壓介質(zhì)(13)的液面超過中部進(jìn)液孔(6)時(shí)，進(jìn)入透明耐壓毛細(xì)管(8)內(nèi)，當(dāng)充滿整個(gè)耐壓毛細(xì)管(8)時(shí)，關(guān)閉II號(hào)控制閥(9)； ④繼續(xù)使傳壓介質(zhì)(13)進(jìn)入壓力室(3)內(nèi)，當(dāng)傳壓介質(zhì)(13)從三軸壓力室(3)上部的可控放氣孔(5)溢出時(shí)，停止輸送裝置(14)，此時(shí)，關(guān)閉可控放氣孔(5)； ⑤將高壓氣體(16)經(jīng)高壓氣泵(17)壓入高壓氣體穩(wěn)壓容器(11)內(nèi)，同時(shí)打開II號(hào)控制閥(9)，待透明耐壓毛細(xì)管(8)內(nèi)的傳壓介質(zhì)(13)與氣體的界面移動(dòng)至II號(hào)控制閥(9)附近時(shí)，關(guān)閉II號(hào)控制閥(9)，同時(shí)停止高壓氣泵(17)； ⑥按照試驗(yàn)方案，將軸向載荷(4)和三軸壓力室(3)內(nèi)的傳壓介質(zhì)(13)的壓力交替加至設(shè)定值Ptl ； ⑦啟動(dòng)高壓氣泵(17)，將高壓氣體(16)壓入高壓氣體穩(wěn)壓容器(11)內(nèi)，直至高壓氣體穩(wěn)壓容器(11)內(nèi)的氣體壓力達(dá)到Ptl時(shí)，停止高壓氣泵(17)，此時(shí)，II號(hào)控制閥(9)兩邊的透明耐壓毛細(xì)管(8)內(nèi)的介質(zhì)壓力均為P。； ⑧打開II號(hào)控制閥(9)，氣液界面自動(dòng)移動(dòng)并逐漸穩(wěn)定； ⑨待氣液界面穩(wěn)定后，記下此時(shí)的位置U，然后按照試驗(yàn)方案，保持圍壓不變，逐步施加軸向載荷(4)，此時(shí)，巖石試樣(2)徑向變形，將擠壓傳壓介質(zhì)(13)致使透明耐壓毛細(xì)管(8)內(nèi)的氣液界面移動(dòng)至新的位置L1; ⑩根據(jù)透明耐壓毛細(xì)管(8)內(nèi)截面S，按公式:V= S.(L1-L0)計(jì)算巖石試樣(2)徑向變形產(chǎn)生的傳壓介質(zhì)體積的變化量V，然后由巖石試樣(2)初始直徑Cltl、初始高度Iitl、高度變化量Ah(即試樣軸向變形量)，即可按公式:
計(jì)算巖石試樣徑向直徑(I1,再根據(jù)公式:
eI =~,一"計(jì)算巖石試樣(2)的徑向應(yīng)變?chǔ)?2。
2.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，其特征在于:，對(duì)于高溫條件下巖石徑向變形的測(cè)量，應(yīng)在步驟⑧后，啟動(dòng)三軸壓力室⑶外部的加熱保溫器(18)對(duì)巖石試樣(2)進(jìn)行加溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)保溫，溫度設(shè)定值最高為400°C ;對(duì)于低溫條件下巖石徑向變形的測(cè)量，應(yīng)在步驟⑧后，啟動(dòng)三軸壓力室(3)外部的降溫保溫器(19)對(duì)巖石試樣(2)進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)保溫，溫度設(shè)定值最低為_140°C。
3.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，其特征在于:，所述巖石試樣(2)的密封材料(I)為橡膠套，或熱縮塑料，或紫銅套。
4.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，其特征在于:所述傳壓介質(zhì)(13)，在常溫時(shí)采用水或油，在高溫時(shí)采用高溫合成導(dǎo)熱油，在低溫時(shí)采用液氮。
5.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量巖石試樣徑向變形的方法，其特征在于:所述輸送裝置(14)為高壓泵，或高壓液氮罐。
【文檔編號(hào)】G01B13/24GK104197868SQ201410392037
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】馮子軍, 趙陽升, 楊棟 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)