CN105510144B - 一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪 - Google Patents

一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种并联型岩石温度‑渗流‑应力耦合三轴流变仪，包括加载框架，加载框架内设有若干三轴压力室，各三轴压力室的压头分别与轴压伺服控制***连接，各个三轴压力室通过油管与围压伺服控制***连接；各三轴压力室内的试样通过水管与孔压伺服控制***连接；各个三轴压力室的外壁上设有电加热部，电加热部与温度控制***连接；轴压伺服控制***、围压伺服控制***、孔压伺服控制***、和温度控制***均和数据采集与控制***通过电路连接，数据采集与控制***实时控制试样的应力场、渗流场和温度场，以测量试样在不同的温度‑渗流‑应力耦合条件下的流变变形。本发明可以同时进行多组不同温度‑渗流‑应力耦合条件下的流变试验。

Description

一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪
技术领域
本发明涉及一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，属于地下工程、岩土工程试验仪器技术领域。本设备可以同时进行多组不同温度-渗流-应力耦合条件下的流变试验，适用于温度-渗流-应力耦合条件下岩土介质长期力学特性的研究。
背景技术
在石油及液化天然气的地下储存、地热资源开发、深部资源开采、高放废料的地质处置等工程建设中，都存在着多场、多相的耦合问题，多物理场之间的复杂耦合作用对工程岩体的长期稳定具有非常重要的影响，一直受到国内外研究者的重视和关注。其中，温度场、渗流场与应力场之间耦合问题在复杂条件下岩体工程施工设计、安全评价、稳定性分析与预测评估等方面都具有十分重要的意义。
岩土工程流变问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提出，是当今科技攻关和工程实践的难点和热点，在过去的几十年里，国内外的广大科研工作者对岩土工程的流变问题进行了大量的研究工作。此外，由于地热梯度以及高放核废料地下储存过程中的衰变放热，使得岩土体长期处于温度-渗流-应力耦合作用的影响下。在温度-渗流-应力耦合条件下表现出来的特性中，非线性流变特性和软岩大变形表现得尤为突出，且工程流变发生的持续时间长。到目前为止，岩土体温度-渗流-应力耦合长期流变特性的研究成果十分有限，尚未掌握其变形破坏规律。因此，迫切需要深入了解岩土体在温度-渗流-应力耦合作用下的流变特性。
岩土介质的温度-渗流-应力耦合流变问题，在近几年成为国内岩土力学研究领域的热点和难点，需要进行大量的流变试验来掌握其流变规律。但是，由于流变非线性特性和软岩大变形特征，导致流变试验的周期长，试验时间成本高，对仪器的控制精度和耐久性要求高，传统的流变试验装置已经很难满足长期流变试验的要求。
申请号为2007100535232的中国专利公开了一种岩石双联动三轴流变仪，包括压力传感器、位移传感器、轴向出力油缸活塞，轴向伺服加载***，可以实现相同轴压、不同围压的三轴流变试验，有效提高试验效率。其缺点是只能提供应力加载，并且两个压力室是上下串联设置的，共用一套轴压***，容易引起较大的摩擦力，并且两组三轴流变试验必须设置相同的轴压。申请号为2009100782332的专利公开了“一种五联动岩石单轴流变仪”，其解决的问题为“每次试验仅能对单个试件进行加载等”，采用的技术手段包括“伺服加载***包括五套并联的加载体，每套加载体由上承压板、下承压板、精密丝杠、升降机、伺服电机、手动调节阀和试件装卡球座构成”，该并联型装置能够在保证提高试验效率的基础上改善串联型试验装置的缺点，但是依然没有突破传统流变仪单纯应力加载的局限。申请号为201410734403的专利公开了“CT实时扫描的三轴应力、渗流、化学耦合流变试验***”，采用的技术手段为“发明试验***的三轴压力室尺寸较小，解决了目前三轴压力室尺寸大的问题；并且采用三台闭环伺服计量泵分别精确控制围压、轴压和渗透压”，其缺点是该发明只能实现应力-渗流-化学耦合流变问题，并不能采用温度-渗流-应力耦合的加载形式，试验结果无法反映不同温度-渗流-应力耦合条件下的岩土介质的流变性能。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，可以实现多组不同轴压和温度、相同围压和孔压的三轴温度-渗流-应力耦合条件下的流变试验，该仪器通用性好，结构简单，可靠性高，并且可以有效加快试验速度，缩短试验周期，节省试验成本。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，包括加载框架，所述加载框架内设有两个或多个三轴压力室，各个所述三轴压力室的压头分别与轴压伺服控制***连接，各个所述三轴压力室之间并联，并通过油管与围压伺服控制***连接；各个所述三轴压力室内的试样通过水管与孔压伺服控制***连接；各个所述三轴压力室的外壁上设有电加热部，所述电加热装置与温度控制***连接；所述轴压伺服控制***、围压伺服控制***、孔压伺服控制***、和温度控制***均和数据采集与控制***通过电路连接，所述数据采集与控制***实时控制试样的应力场、渗流场和温度场，以测量试样在不同的温度-渗流-应力耦合条件下的流变变形。
所述加载框架的底座上设有两个或多个三轴压力室，所述三轴压力室构成用于容纳试样的空间，所述三轴压力室设有用以对所述试样施加轴压的压头，所述压头通过传力部件与所述加载框架的顶部连接。
各个所述三轴压力室使用相互独立的轴压伺服控制***和相互独立的温度控制***，共用一个围压伺服控制***和一个孔压伺服控制***。
各个所述三轴压力室使用相互独立的轴压伺服控制***和相互独立的温度控制***，共用一个围压伺服控制***和一个孔压伺服控制***，不仅可以节约试验装置购置成本，还能有效克服轴压摩擦力，也使得当其中一个试样进入加速蠕变阶段时，确保另外一个三轴压力室的试样还能继续开展试验，有效缩短试验周期，节约时间成本。
进一步的，所述三轴压力室设有轴向压力传感器、围压压力传感器、孔压压力传感器、位移传感器中的一种或几种。
进一步的，各所述传感器均和所述数据采集与控制***通过电路连接。
进一步的，所述位移传感器为LVDT径向变形传感器，与所述试样紧密相连。
进一步的，所述压力室压头上设有用以测量所述试样轴向位移的千分表，所述千分表和所述数据采集与控制***通过电路连接。
进一步的，所述电加热部为电加热圈，所述电加热圈缠绕在所述三轴压力室的外表面。
进一步的，所述电加热圈通过温度控制器与所述数据采集与控制***连接。
进一步的，所述流变仪还设有温度传感器，所述温度传感器和所述数据采集与控制***通过电路连接。
进一步的，所述温度传感器设于三轴压力室内和/或电加热圈内。
通过对相同围压、孔压下的若干试样开展流变试验，若干试样的轴压和温度可以相同也可以不同，试验过程中分别记录轴向应力-时间曲线，围压-时间曲线，孔压-时间曲线，温度-时间曲线，轴向位移-时间曲线，径向位移-时间曲线，并实时记录环境温度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、适用于测量岩土介质在不同温度-渗流-应力耦合条件下的流变特性，实验***可以实现同时进行多组不同温度-渗流-应力耦合状态的流变试验。
2、试验过程中可以实时控制试样的试验温度场、渗流场和应力场。
3、***通用性好、可靠性高、精度高，且可缩短试验周期，节省试验成本。
附图说明
图1为一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪结构示意图。
其中:1——加载框架；2——轴向压力传感器；3——压力室压头；4——三轴压力室；5——LVDT径向变形传感器；6——试样；7——底座；8——上孔压压力传感器；9——滚珠丝杠驱动轮；10——千分表；11——控制与数据采集***；12——电加热圈；13——温度传感器；14——温度控制器；15a——围压伺服加载***；15b——孔压伺服加载***；15c——轴压伺服加载***；16a——围压伺服电机；16b——孔压伺服电机；16c——轴压伺服电机；17——围压压力传感器；18——下孔压压力传感器；。
具体实施方式
根据图1，本测试仪器包括：专用三轴压力室4、轴压伺服控制***(由轴向压力传感器2，滚珠丝杠驱动轮9，控制与数据采集***11，轴压伺服加载***15c，轴压伺服电机16c组成)、围压伺服控制***(由控制与数据采集***11，围压伺服加载***15a，围压伺服电机16a，围压压力传感器17组成)、孔压伺服控制***(由上孔压压力传感器8，控制与数据采集***11，孔压伺服加载***15b，孔压伺服电机16b，下孔压压力传感器18组成)、温度控制***(由控制与数据采集***11，电加热圈12，温度传感器13，温度控制器14组成)、控制与数据采集***11等部分构成，该仪器连接关系为：
加载框架1与轴向压力传感器2通过圆形接口相连，其作用是施加和测量轴向荷载；
两个三轴压力室4与加载框架的底座7相连，其作用是密封试样及给试样施加轴向荷载；
三轴压力室4与试样6相连，其作用是提供试样安装的空间，并确保轴压、围压、孔压和温度的施加；
三轴压力室4与轴向压力传感器2通过压力室压头3相连，轴向压力传感器2与轴压伺服加载***15c通过电缆相接，伺服电机16c与轴压伺服加载***15c通过电缆连接，其作用是提供稳定的轴压。
此外，轴向压力传感器2也可以设在三轴压力室内的压头处。
三轴压力室4与围压压力传感器17通过油管相接，围压压力传感器17与围压伺服加载***15a通过油管相接，围压伺服电机16a与围压伺服加载***15a通过电缆连接，其作用是提供稳定的围压；
三轴压力室内的试样6与上孔压压力传感器8和下孔压压力传感器18通过水管相接，上孔压压力传感器8和下孔压压力传感器18与孔压伺服加载***15b通过水管相接，孔压伺服电机16b与孔压伺服加载***15b通过电缆连接，其作用是提供稳定的孔压；
电加热部为电加热圈12。电加热圈12缠绕在三轴压力室中部的外表面，两个温度传感器13分别置于电加热圈内(一个)和三轴压力室内(一个)，电加热圈12、温度传感器13与温度控制器14通过电缆连接，其作用是提供试验所需的温度。
其他常规的电加热部件，如电加热管、电加热板等，也在本申请的保护范围之内。
轴压伺服控制***和控制与数据采集***11通过电缆相连，其作用是实时记录和控制试验过程中的轴向应力；
围压伺服控制***和控制与数据采集***11通过电缆相连，其作用是实时记录和控制试验过程中的围压；
孔压伺服控制***和控制与数据采集***11通过电缆相连，其作用是实时记录和控制试验过程中的孔压；
温度控制***和控制与数据采集***11通过电缆相连，其作用是实时记录和控制试验过程中的温度；
千分表10与压力室压头3相连，其作用是测量蠕变过程中的轴向蠕变位移；
千分表10与控制与数据采集***11通过电缆相连，其作用是实时记录蠕变过程中试样的轴向位移；
LVDT径向变形传感器5与试样6紧密相连，其作用是测量试样的径向变形；
LVDT径向变形传感器5与控制与数据采集***11通过电缆相连，其作用是实时记录蠕变过程中试样的径向位移；
试样6与三轴压力室4、LVDT径向变形传感器5相连，是试验被测量的主体。
三轴压力室：大小根据试样尺寸要求进行设计，国内试验机厂可产生；
控制器：德国EDC220系列
计算机：Dell
LVDT径向变形传感器：MTS RS系列
轴向压力传感器：HBM Load Cell Z6
加载框架：国内试验机厂可产生
轴向伺服加载***：国内试验机厂可产生
围压、孔压伺服加载***：国内试验机厂可产生
轴向伺服电机：MSMD082P1系列
围压伺服电机：MSMD082P1系列
孔压伺服电机：MSMD082P1系列
以上主要部件都可从市场采购或者加工。
根据图1所示，将试验样本放入三轴压力室4内，通过控制与数据采集***11对试样6施加一定的轴压、围压、孔压、温度，应用千分表10、LVDT径向变形传感器5、轴向压力传感器2、围压压力传感器17和孔压压力传感器8、18，采集试验过程中的应变及应力等相关信息。
以上技术方案实现了并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪对岩土介质在不同的温度-渗流-应力耦合条件下的流变变形的测试，测量成本低且试验精度高，具有广泛的工程应用前景。
本实施例中列举了三轴压力室为两个的情况，当三轴压力室大于两个时，流变仪的组成原理与此实施例相同，都在本申请的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，包括加载框架，所述加载框架内设有两个或多个三轴压力室，所述三轴压力室设有用以对试样施加轴压的压头，压头通过传力部件与所述加载框架的顶部连接；各个所述三轴压力室的压头分别与轴压伺服控制***连接，各个所述三轴压力室之间并联，并通过油管与围压伺服控制***连接；各个所述三轴压力室内的试样通过水管与孔压伺服控制***连接；各个所述三轴压力室的外壁上设有电加热部，所述电加热部与温度控制***连接；所述轴压伺服控制***、围压伺服控制***、孔压伺服控制***、温度控制***均和数据采集与控制***通过电路连接，所述数据采集与控制***实时控制试样的应力场、渗流场和温度场，以测量试样在不同的温度-渗流-应力耦合条件下的流变变形；
各个所述三轴压力室使用相互独立的轴压伺服控制***和相互独立的温度控制***，共用一个围压伺服控制***和一个孔压伺服控制***；
所述电加热部为电加热圈，所述电加热圈缠绕在所述三轴压力室的外表面；
所述电加热圈通过温度控制器与所述数据采集与控制***连接；
所述流变仪还设有温度传感器，所述温度传感器和所述数据采集与控制***通过电路连接；所述温度传感器设于三轴压力室内和/或电加热圈内；
通过对相同围压、孔压下的若干试样开展流变试验，若干试样的轴压和温度可以相同也可以不同，试验过程中分别记录轴向应力-时间曲线，围压-时间曲线，孔压-时间曲线，温度-时间曲线，轴向位移-时间曲线，径向位移-时间曲线，并实时记录环境温度；
所述三轴压力室设有轴向压力传感器、围压压力传感器、孔压压力传感器、位移传感器中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，其特征在于：各所述传感器均和所述数据采集与控制***通过电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，其特征在于：所述位移传感器为LVDT径向变形传感器，与所述试样紧密相连。
4.根据权利要求1-3之一的所述一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，其特征在于：所述压力室压头上设有用以测量所述试样轴向位移的千分表，所述千分表与所述数据采集与控制***通过电路连接。
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