CN112051158A - 一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置及方法，涉及岩石力学实验领域；装置主要包括支撑缸体、轴向加载杆、气体增压缸体、增压活动缸体和手动换向阀；本发明装置采用手动换向阀切换气体流动方向，配合轴向加载杆、气体加压腔和气体增压腔实现气体加卸载，利用轴向加载杆两端截面积的比值，实现压力放大并恒载；本发明装置采用气体增压加卸载，加载速度缓慢可控、稳定，装置不受极端情况限制；整套装置简单，易于拆卸，操作方便，对岩石试样的尺寸要求和限制较少，尤其适宜于各种小于标准尺寸的岩石试样，可在岩石蠕变实验中长期使用。

Description

一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩石力学与岩石实验技术领域，尤其涉及一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置及方法。

背景技术

蠕变是岩石的一种流变特性，在边坡、煤柱、隧道等工程中表现显著。实验室内大多进行岩石试样的单轴或三轴压缩蠕变试验来研究其蠕变变形特性。目前已有的蠕变试验机大多数是电动作控制液压加载或者重力杠杆式加载。重力杠杆式加载的试验机，大多是采用杠杆原理和一定的放大比，实现对试样的恒定加载，且大多是采用手动加载，加载速率不易控制，过大的加载速率容易导致试样过早地蠕变断裂失稳，而过小的加载速率则容易导致岩石试样所测长期强度偏大，影响岩石试样的蠕变力学参数的准确性。且一般地，该类试验机对环境敏感，人员走动等其他活动对其恒载的影响较为明显。电动伺服控制的岩石蠕变试验机大多是电动作控制，液压加载，但是液压压力极易受到周围环境的影响而出现应力波动，不易维持长期应力恒定。在极端环境下，例如断电等情况下，不可继续加载进行实验。该类设备一般较大，不可拆卸，操作复杂。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置及方法。该装置采用气动式气体加卸载，利用气体增压***实现压力放大并恒载，适用于岩石长期蠕变实验。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，包括用于承载岩石试样的试样加载部、缸体支撑部、气体增压部，所述缸体支撑部内设置有气体加压腔和第一活塞，所述第一活塞连接有轴向加载杆，所述轴向加载杆的端部伸至试样加载部内用于对岩石试样加压，所述气体增压部内设置有增压腔体，所述增压腔体内设置有第二活塞，所述增压腔体通过第三管路连接有供气装置，增压腔体与气体加压腔相连通，在第二活塞的推动下对气体加压腔提供压缩动力；所述第一活塞的一侧通过第一管路与第一活塞的另一侧相连通，所述第一管路上设置有换向阀，所述增压腔体通过第二管路与第一管路相连接，所述第二管路与换向阀相并联；所述第二管路与第三管路分别位于第二活塞的两侧。

优选的方案，所述的气体加压腔连接有气压检测装置。

优选的方案，所述缸体支撑部设置在试样加载部的下方，所述气体增压部设置在缸体支撑部的下方。

更优的，所述试样加载部包括上板、立柱、下板和球形座，所述上板、立柱和下板围成用于放置岩石试样的空间，所述球形座固定在上板的下部，所述岩石试样置于球形座上并与上板直接接触。

进一步优化的，所述岩石试样和球形座外包裹有保温装置。

优选的，所述第一管路上设置有与换向阀串联的阀门。

优选的，所述供气装置包括高压气瓶和气体减压阀，所述第三管路的一端通过截止阀与高压气瓶相连接，另一端通过气体减压阀与高压气瓶相连。

优选的，所述增压腔体外部包裹有保温层。

一种利用蠕变试验装置的岩石蠕变试验方法，包括以下步骤：

a）岩石试样预紧：将增压腔体内、设置轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的气体排入远离轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的空间内；计算出岩石试样所受的预紧力；

b）气体加载：向增压腔体注入高压气体，使第二活塞移动以使增压腔体内的气体流向气体加压腔，直至岩石试样所受压力达到目标压力时停止气体加载；

c）进行蠕变实验，分级压力加载时，继续重复步骤b的操作；

d）蠕变实验结束时，对岩石试样所受的应力进行卸载，将远离轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的气体排入增压腔体、以及设置轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的空间内。

优选的，岩石试样预紧之前对增压腔体和岩石试样进行预热。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

1）本发明装置采用气体增压加载，实现压力放大及恒载。加载速度缓慢可控，稳定。整套装置不受极端情况限制，抗干扰能力强，可在岩石蠕变实验中长期使用。

2）本发明装置对岩石试样的尺寸要求和限制较少，尤其适宜于各种小于标准尺寸的岩石试样进行岩石蠕变试验。

3）本发明专利装置简单，易于拆卸，操作方便。

附图说明

图1为本发明气动式加载的岩石蠕变试验装置的结构示意图。

图中：1-上板，2-岩石试样，3-低密度保温材料及温度控制装置，4-球形座，5-立柱，6-T型轴向加载杆，7-下板，8-支撑缸体，9-气体加压腔，10-高精度气体压力表，11-增压缸体，12-气体增压腔，13-增压活动缸体，14-保温层及温度控制装置，15-手动换向阀，16-阀门，17-高压气瓶，18-单向阀，19-减压阀，T1、T2、T3、T4-通路，G1、G2、G3、G4、G5-管路。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，该装置包括试样加载区域、缸体支撑区域、气体增压区域三部分。

其中，试样加载区域位于整个装置的上部，包括上板1、立柱5、下板7、岩石试样2、球形座4、低密度保温材料及温度控制装置3、T型轴向加载杆6。上板1、下板7和立柱5之间的空间用于岩石试样2放置加载。T型轴向加载杆6穿过下板7的中心。岩石试样2置于球形座4上，与上板1直接接触。岩石试样2与球形座4外侧包裹低密度保温材料及温度控制装置3，置于T型轴向加载杆6的正中位置，并与温度、位移、压力监测传感器相连接。

缸体支撑区域位于装置中部，包括：支撑缸体8、气体加压腔9。所述支撑缸体8直接置于下板7的下方。所述的T型轴向加载杆6的下部穿过支撑缸体8，并与支撑缸体8的内部形成了一个气体加压腔9。T型轴向加载杆6可利用两端截面积的比值，实现压力放大。所述支撑缸体8的上部由通路T1、管路G1与手动换向阀15相连。

气体增压区域位于整个装置的下部，包括：增压缸体11、气体增压腔12、增压活动缸体13、保温层及温度控制装置14、高精度气体压力表10、手动换向阀15、阀门16、高压气瓶17、单向阀18、减压阀19、通路若干和管路若干。支撑缸体8的下方为增压缸体11。所述增压缸体11上方的通路T2、T3与气体加压腔9相通，通路T2通过管路G6与高精度气体压力表10相通，通路T3通过管路G3与手动换向阀15相通。增压缸体11内部有一T型增压活动缸体13，可在轴向方向上下运动，为气体加压腔9中气体提供压缩动力。T型增压活动缸体13将加压缸体内部分割形成两个气体增压腔12，腔内含有高压气体。一侧的气体增压腔12通过管路G2与管路G1连接；增压缸体11的下板通过通路T4与管路G5相连。管路G5的一端通过截止阀18和高压气瓶17相连，另一端通过气体减压阀19和高压气瓶17相连。所述的加压缸体11的外侧包裹有保温层及温度控制装置14并与温度控制、调节装置相连。

利用气动式加卸载的岩石蠕变试验装置进行岩石蠕变实验时，具体的操作方法为：

首先，试验装置连接好以后，将加工处理好的岩石试样2置于球形座4上。打开低密度保温材料及温度控制装置3和保温层及温度控制装置14的温度开关，设定目标温度值，并维持稳定一段时间。待气体压力稳定以后，把手动换向阀15的开关调整到P-B-A-T模式，打开阀门16，通过阀门16和管路G3向通路T3、T2和气体加压腔9中泵入一定量的空气，同时排出通路T1、管路G2内的气体，释放气体增压腔12内的部分气体。此时气体的流向为：

气体一路从左侧的气体增压腔12，经过管路G2、手动换向阀15、阀门16、通路T3，至气体加压腔9；另一路从通路T1，经过管路G1、手动换向阀15、阀门16、通路T3，至气体加压腔9。

如此，气体加压腔9内气体推动T型轴向加载杆6沿轴向向上移动，对岩石试样2施加预紧力，使得岩石试样2的上表面与上板1，球形座4的底部与T型轴向加载杆6的上端接触预紧。岩石试样2所受的预紧力可通过T型轴向加载杆6的两端的截面积比值和高精度气体压力表的读数加以换算。岩石试样2预紧以后，关闭阀门16，并稳定一段时间。

其次，打开高压气瓶17的气体减压阀19，保持单向阀18关闭，通过管路G5向通路T4通入气体，对活动的气体增压缸体13施加压力，推动活动的T型气体增压缸体13沿着轴向方向向上移动，压缩气体增压腔12内的气体，促进气体增压腔12内的气体向气体加压腔9内流动。

进一步地，气体加载过程中，需合理控制气体减压阀19的压力和注气速率。加载过程中注意观察高精度气体压力表10读数，并结合T型轴向加载杆两端截面积的比值计算放大后的压力值。进行换算后，得到岩石试样2的目标压力时停止注气加载。

进一步地，实验过程中通过温度控制模块使得整个***装置的温度维持稳定，保证注气速率适宜，不会引起压力波动过大。

关闭减压阀19和阀门16。记录稳定后的气体压力，进行蠕变试验。分级压力加载时，继续重复上一步骤。

最后，蠕变实验结束时，需对岩石试样2所受的应力进行卸载。此时要先打开高压气瓶17的单向阀18，使通道T4内的气体部分向高压气瓶17流入。同时打开手动换向阀15，切换到P-A-B-T模式。打开阀门16，使得气体加压腔9内的气体经过管路流向气体增压腔12。此时的气体流向为：

气体一路从气体加压腔9，经过通路T3、阀门16、手动换向阀15、管路G1，至通路T1；另一路从气体加压腔9，经过通路T3、阀门16、手动换向阀15、管路G2，至左侧的气体增压腔12。

上一气体流向支路使得气体作用于T型轴向加载杆6，T型轴向加载杆下移，减小岩石试样2所受的应力，同时进一步压缩气体加压腔9内的气体，促进其体流出。下一气体流向支路的作用是流向气体增压腔12，增大气体增压腔12内的压力，作用于活动增压缸体13向下移动，排出通道T4内的气体，使其向高压气瓶17流动。在此过程中，时刻注意观察高精度气体压力表10的读数，当示数较小接近预紧力时，关闭单向阀18，持续进行岩石试样2的压力卸载。当岩石试样2与底部球形座4松动时，关闭阀门16，取下球形座4和岩石试样2。实验结束。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，尤其是采用不同的气体加载途径，替代了手动换向阀，通过改变气体流向实现气体加卸载等，都应属于本发明权利要求的保护范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，包括用于承载岩石试样的试样加载部、缸体支撑部、气体增压部，所述缸体支撑部内设置有气体加压腔和第一活塞，所述第一活塞连接有轴向加载杆，所述轴向加载杆的端部伸至试样加载部内用于对岩石试样加压，所述气体增压部内设置有增压腔体，所述增压腔体内设置有第二活塞，所述增压腔体通过第三管路连接有供气装置，增压腔体与气体加压腔相连通，在第二活塞的推动下对气体加压腔提供压缩动力；所述第一活塞的一侧通过第一管路与第一活塞的另一侧相连通，所述第一管路上设置有换向阀，所述增压腔体通过第二管路与第一管路相连接，所述第二管路与换向阀相并联；所述第二管路与第三管路分别位于第二活塞的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述的气体加压腔连接有气压检测装置。

3.根据权利要求1所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述缸体支撑部设置在试样加载部的下方，所述气体增压部设置在缸体支撑部的下方。

4.根据权利要求3所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述试样加载部包括上板、立柱、下板和球形座，所述上板、立柱和下板围成用于放置岩石试样的空间，所述球形座固定在上板的下部，所述岩石试样置于球形座上并与上板直接接触。

5.根据权利要求4所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述岩石试样和球形座外包裹有保温装置。

6.根据权利要求1所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述第一管路上设置有与换向阀串联的阀门。

7.根据权利要求1所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述供气装置包括高压气瓶和气体减压阀，所述第三管路的一端通过截止阀与高压气瓶相连接，另一端通过气体减压阀与高压气瓶相连。

8.根据权利要求1所述的一种气动式加卸载的岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述增压腔体外部包裹有保温层。

9.一种利用如权利要求1-8任意一项所述的气动式加卸载的岩石蠕变试验装置的岩石蠕变试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）岩石试样预紧：将增压腔体内、设置轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的气体排入远离轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的空间内；计算出岩石试样所受的预紧力；

b）气体加载：向增压腔体注入高压气体，使第二活塞移动以使增压腔体内的气体流向气体加压腔，直至岩石试样所受压力达到目标压力时停止气体加载；

c）进行蠕变实验，分级压力加载时，继续重复步骤b的操作；

d）蠕变实验结束时，对岩石试样所受的应力进行卸载，将远离轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的气体排入增压腔体、以及设置轴向加载杆的第一活塞一侧与气体加压腔之间的空间内。

10.根据权利要求9所述的岩石蠕变试验方法，其特征在于，岩石试样预紧之前对增压腔体和岩石试样进行预热。

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