CN113567322B - 一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置及方法，涉及岩土力学工程技术领域，包括孔隙压力控制机构、径向边界条件控制机构、轴向加载控制机构，以及配套的监测模块，反力底座、轴压压头、承压筒和驱动步进电机，构成轴向加载控制机构，将透水石放置在承压筒内的橡胶液压囊内，试样设置在透水石之间，轴压压头位于橡胶液压囊的上方，通过改变橡胶液压囊的体积以及透水石内水压值，测试孔隙压力下的力学特性的变化，配合CT仪器，可实时监测孔隙介质的孔隙特征变化情况，为孔隙介质受孔隙压力下物理力学性能参数的确定提供试验手段，可以获得非透明的多孔隙岩土介质在原位加载条件下，受孔隙水压变化而发生的响应规律。
Description
技术领域
本发明属于岩土力学工程技术领域，具体涉及一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置及方法。
背景技术
孔隙水压力的变化会引起岩石的变形，其力学参数随之改变，而岩石的力学参数变化反过来会引起渗流场等也发生改变。同时，地层原位的岩石还会受到相应的地应力作用。一般情况下，对于非透明的岩土介质，无法做到有载条件下监测孔隙特征的变化规律，而在试验后卸载条件下的监测，又改变了试样原有的破坏状态。因此，我们提出一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置及方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置，包括CT工作平台，所述CT工作台上设有反力底座，所述反力底座上设有承压筒，所述承压筒上方设有上法兰，以及设在承压筒内部的透水石，试样放置在透水石在之间，所述承压筒内还设有对试样施加径向压力的可调压力包机构，所述可调压力包机构套装再透水石外侧，以及对透水石施加轴向压力的轴压压头，所述轴压压头顶端链接有驱动机构驱动轴压压头沿轴向运动；
还包括孔隙压力控制机构和监测模块，所述孔隙压力控制机构被配置用以通过注水调节试样之间的的孔隙，所述监测模块用以采集轴压压头的位移和轴向压力。
作为本发明进一步的方案，所述驱动机构包括步进电机和行星减速器，所述轴压压头通过行星减速器和传动轴与步进电机的输出轴固定连接。
作为本发明进一步的方案，所述可调压力包机构包括橡胶液压囊，所橡胶液压囊呈圆筒状，所橡胶液压囊轴向端面通过高压软管与径向压力控制器连通，
作为本发明进一步的方案，所述监测模块包括用于测量轴压压头轴向位移的LVDT位移传感器和荷重的荷载传感器。
作为本发明进一步的方案，所述承压筒是玻璃纤维增强PEEK工程塑料制成的构件，对X射线的透射率较高。
作为本发明进一步的方案，所述反力底座上设有对承压筒的内孔进行径向定位的凸台，所述凸台径向圆周阵列设有不少于三组凸轮，所述凸轮与凸台转动连接，所述凸轮底端设有调节组件。
作为本发明进一步的方案，所述调节组件包括第一齿轮()和第二齿轮，所述第二齿轮与凸轮固定连接，所述第一齿轮和第二齿轮啮合连接，所述第一齿轮与固定连接板螺纹连接。
作为本发明进一步的方案，所述橡胶液压囊径向设有活动套管，所述活动套管外圆周面呈锥台状，活动套管从中间切分为两个部分，所述承压筒内壁开设有容纳活动套管锥面滑槽，活动套管沿锥面滑槽轴向滑动。
作为本发明进一步的方案，考虑到PEEK的力学特征，所述上法兰和反力底座分别采用细牙螺纹与所述承压筒的上端和下端密封连接，透水石、试验试样和轴压压头均包裹在橡胶液压囊内，轴压压头与上法兰采用侧面密封。
一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验方法，包括如下步骤：
步骤1.试验装置上部压头驱动机构及孔隙水压力控制机构组装完成就绪，在试验过程中，整体待用，配合开放CT扫描仪器调试完成；
步骤2.将反力底座安装在CT扫描仪器载物台上，然后在反力底座上依次叠放透水石，试样放置在透水石之间，试验试样，透水石和轴压压头均包裹在压力包内，并将它们外侧包裹热缩管；
步骤3.安放橡胶液压囊，并通过反力底座连通径向压力控制器。然后，套上承压筒，并安放上法兰，之后通过细纹螺栓连接；
步骤4.通过高压软管分别连接径向压力控制器和孔隙水压控制器与反力底座上相应接口，其后以0.05MPa/s的加载速度控制径向压力控制器和孔隙水压控制器，直至轴压和围压加载到试验设计值；
步骤5.步进电机通过传动杆与行星减速器驱动轴压压头加载至试验试样上端面，轴压压头的位移和荷载由LVDT位移计和荷重传感器测得，并设置相应的数据保存频率以实时保存加载数据；
步骤6.试验过程中，根据试验方案设计，某时刻可暂停并维持装置的当前加载状态，进行实时CT扫描，实时监测孔隙介质的变化情况
有益效果：配合开放式或大空间CT仪器，可实时不卸载条件下监测孔隙介质的孔隙特征变化情况，为孔隙介质受孔隙压力下物理力学性能参数的确定提供试验手段。
附图说明
图1为本发明的整体结构的剖视图；
图2为本发明反力底座的结构示意图；
图3为本发明反力底座的***示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1～图3所示，一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置，包括CT工作平台14，所述CT工作台14上设有反力底座1，所述反力底座1上设有承压筒2，所述承压筒2上方设有上法兰4，以及设在承压筒2内部的透水石5，试样100放置在透水石5之间，所述承压筒2内还设有对试样100施加径向压力的可调压力包机构，所述可调压力包机构套装再透水石5外侧，以及对透水石5施加轴向压力的轴压压头6，所述轴压压头6顶端链接有驱动机构驱动轴压压头6沿轴向运动；
还包括孔隙压力控制机构和监测模块，所述孔隙压力控制机构被配置用以通过注水调节试样100的孔隙，所述监测模块用以采集轴压压头6的位移和轴向压力，孔隙压力控制机构包括孔隙水压力控制器12，通过高压软管3连通至透水石的内部。
具体地，如图1所示，驱动机构包括步进电机8和行星减速器7，所述轴压压头6通过行星减速器7和传动轴与步进电机8的输出轴固定连接。
在一些实施例中，可调压力包机构包括橡胶液压囊3，所橡胶液压囊3呈圆筒状，所橡胶液压囊3轴向端面通过高压软管13与径向压力控制器11连通，即通过径向压力控制器11对橡胶液压囊(3)进行增压，从而对试样100进行径向压力地控制，为了实时监控径向试样100的径向压力值，在橡胶液压囊3地外圆周侧设有环形压力传感器。
优选地，所述承压筒2是玻璃纤维增强PEEK工程塑料制成的构件，对X射线的透射率较高，便于CT设备的监控。在一些实施例中还可以选用PE I或PMMA，可根据试验试样的设计压力，选择合适的材料，以满足强度和硬度要求。
具体地，考虑到PEEK的力学特征，所述上法兰4和反力底座1分别采用细牙螺纹与所述承压筒2的上端和下端密封连接，透水石5、试验试样和轴压压头6均包裹在橡胶液压囊3内，轴压压头6与上法兰4采用侧面密封。
优选地，监测模块包括用于测量轴压压头6轴向位移的LVDT位移传感器10和荷重的荷载传感器9。
在一些实施例中，如图2所示，所述反力底座1上设有对承压筒2的内孔进行径向定位的凸台102，所述凸台102径向圆周阵列设有不少于三组凸轮16，凸台102轴向开设有容纳凸轮16的圆孔103，所述凸轮16与凸台102转动连接，所述凸轮16底端设有调节组件，即安装时将承压筒2套装在凸台102上，通过转动凸轮16抵住承压筒2的内壁，从而对承压筒2进行同轴限位，适合不同孔径内壁的承压筒2的限位装夹，提高了承压筒2固定的稳定性。
优选地，如图3所示，所述调节组件包括第一齿轮(18)和第二齿轮19，所述第二齿轮19与凸轮16固定连接，所述第一齿轮18和第二齿轮19啮合连接，所述第一齿轮18与固定连接板17螺纹连接，即通过转动第一齿轮18带动第二齿轮19转动，进一步驱动凸轮16同步转动，进而对承压筒2内壁进行限位固定，第一齿轮18与固定连接板17通过螺纹连接，第一齿轮18底面开设有十字槽181，便于调节第一齿轮18的转动，且稳定性好。
在一些实施例中，如图1所示，在所述橡胶液压囊3径向设有活动套管15，所述活动套管15外圆周面呈锥台状，活动套管15从中间切分为两个部分，所述承压筒2内壁开设有容纳活动套管15锥面滑槽，活动套管15沿锥面滑槽轴向滑动，活动套管15上方设有限位套管20，安装时，上法兰4通过限位套管20对活动套管15进行下压，是的活动套管15组合在一起，当实验结束后，将上法兰4拆除，进一步将活动套管15向上顶出，即活动套管15内壁扩大，便于透水石5的取出，操作更加方便，且便于对承压筒2的内壁进行清理。
一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验方法，包括如下步骤：
步骤1.试验装置上部压头驱动机构及孔隙水压力控制机构组装完成就绪，在试验过程中，整体待用，配合开放CT扫描仪器调试完成；
步骤2.将反力底座1安装在CT扫描仪器载物台上，然后在反力底座上依次叠放透水石5，试验试样，透水石5和轴压压头6，并将它们外侧包裹热缩管；
步骤3.安放橡胶液压囊3，并通过反力底座1连通径向压力控制器11。然后，套上承压筒2，并安放上法兰4，之后通过细纹螺栓连接；
步骤4.通过高压软管13分别连接径向压力控制器11和孔隙水压控制器12与反力底座1上相应接口，其后以0.05MPa/s的加载速度控制径向压力控制器11和孔隙水压控制器12，直至轴压和围压加载到试验设计值；
步骤5.步进电机8通过传动杆与行星减速器7驱动轴压压头6加载至试验试样上端面，轴压压头5的位移和荷载由LVDT位移计10和荷重传感器9测得，并设置相应的数据保存频率以实时保存加载数据；
步骤6.试验过程中，根据试验方案设计，某时刻可暂停并维持装置的当前加载状态，进行实时CT扫描，实时监测孔隙介质的变化情况
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系为为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置，包括CT工作平台(14)，其特征在于，所述CT工作平台(14)上设有反力底座(1)，所述反力底座(1)上设有承压筒(2)，所述承压筒(2)上方设有上法兰(4)，以及设在承压筒(2)内部的透水石(5)，试样(100)设置在透水石(5)之间，所述承压筒(2)内还设有对试样(100)施加径向压力的可调压力包机构，所述可调压力包机构套装在透水石(5)外侧，以及对透水石(5)施加轴向压力的轴压压头(6)，所述轴压压头(6)顶端链接有驱
动机构驱动轴压压头(6)沿轴向运动；
还包括孔隙压力控制机构和监测模块，所述孔隙压力控制机构被配置用以通过注水调节试样(100)的孔隙，所述监测模块用以采集轴压压头(6)的位移和轴向压力；
所述驱动机构包括步进电机(8)和行星减速器(7)，所述轴压压头(6)通过行星减速器(7)和传动轴与步进电机(8)的输出轴固定连接；
所述可调压力包机构包括橡胶液压囊(3)，所述橡胶液压囊(3)呈圆筒状，所述橡胶液压囊(3)轴向端面通过高压软管(13)与径向压力控制器(11)连通；
所述监测模块包括用于测量轴压压头(6)轴向位移的LVDT位移传感器(10)和荷重的荷载传感器(9)；
所述承压筒(2)是玻璃纤维增强PEEK工程塑料制成的构件，对X射线的透射率较高；
所述反力底座(1)上设有对承压筒(2)的内孔进行径向定位的凸台(102)，所述凸台(102)径向圆周阵列设有不少于三组凸轮(16)，所述凸轮(16)与凸台(102)转动连接，所述凸轮(16)底端设有调
节组件；
所述调节组件包括第一齿轮(18)和第二齿轮(19)，所述第二齿轮(19)与凸轮(16)固定连接，所述第一齿轮(18)和第二齿轮(19)啮合连接，所述第一齿轮(18)与固定连接板(17)螺纹连接；
所述橡胶液压囊(3)径向设有活动套管(15)，所述活动套管(15)外圆周面呈锥台状，活动套管(15)从中间切分为两个部分，所述承压筒(2)内壁开设有容纳活动套管(15)锥面滑槽，活动套管(15)
沿锥面滑槽轴向滑动；
考虑到PEEK的力学特征，所述上法兰(4)和反力底座(1)分别采用细牙螺纹与所述承压筒(2)的上端和下端密封连接，透水石(5)、试样（100）和轴压压头(6)均包裹在橡胶液压囊(3)内，轴压压头(6)与上法兰(4)采用侧面密封；
一种研究孔隙介质水压对其力学特性的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤1.试验装置上部压头驱动机构及孔隙压力控制机构组装完成就绪，在试验过程中，整体待用，配合开放CT扫描仪器调试完成；
步骤2.将反力底座(1)安装在CT扫描仪器载物台上，然后在反力底座上依次叠放透水石(5)，试样(100)放置在透水石(5)中间，试样(100)，透水石(5)和轴压压头(6)均包裹在压力包内，
并将它们外侧包裹热缩管；
步骤3.安放橡胶液压囊(3)，并通过反力底座(1)连通径向压力控制器(11)，然后，套上承压筒(2)，并安放上法兰(4)，之后上法兰(4)和反力底座(1)分别采用细牙螺纹与所述承压筒(2)的上端和下端密封连接；
步骤4.通过高压软管(13)分别连接径向压力控制器(11)和孔隙水压控制器(12)与反力底座(1)上相应接口，其后以0.05MPa/s的加载速度控制径向压力控制器(11)和孔隙水压控制器(12)，直
至轴压和围压加载到试验设计值；
步骤5.步进电机(8)通过传动杆与行星减速器(7)驱动轴压压头(6)加载至试样（100）上端面，轴压压头(6)的位移和荷载由LVDT位移传感器(10)和荷重传感器(9)测得，并设置相应的数据保存频率以实时保存加载数据；
步骤6.试验过程中，根据试验方案设计，某时刻可暂停并维持装置的当前加载状态，进行实时CT扫描，实时监测孔隙介质的变化情况。
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