一种高围压岩石力学性质试验装置及测试方法

摘要

一种高围压岩石力学性质试验装置及测试方法，该装置包括液压推力机构、岩石围压施加机构、岩石力学性质测试系统。该装置同时实现对岩样表面施加压力及位移边界条件，围压由液压缸输出的机械推力提供，轴向推力经过钢制围压施加体转换为岩样径向围压力，铝质V型夹持块经过钢质围压施加体的挤压，能将围压均匀的作用于岩石表面。相对于常规液压力施加围压方式，这种围压加载方式更符合孔底岩石原位环境，且适用于不同尺寸的圆柱体试样。该试验装置可用于围压条件下的钻进试验、岩石破碎试验、岩石力学性能测试等，且具有结构简单，操作便捷，实时数据获取的优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及围压状态岩石动态力学性质试验领域，具体涉及到一种 高围压岩石力学性质试验装置及测试方法。

背景技术

对岩石试样施加围压的方法主要有两种，第一种是对岩石表面施加压力 边界条件，即给岩石表面一定压力，但不限制岩石变形；第二种是对岩石表 面施加位移边界条件，即限制岩石的表面变形，从而使岩石获得被动围压。 压力边界条件一般是将岩石样品放置在密闭的压力室内，利用流体压力对试 样进行各向同性围压加载(如申请公布号CN106546488 A的发明专利《一种 围压作用下岩石拉伸试验装置及其试验方法》)，这种方式的缺陷是无法真 实模拟孔底岩石所受的刚性侧向约束。位移边界条件通常是将金属套筒套在 圆柱试样表面上，限制试样在轴向应力下产生的径向变形，从而获取被动围 压(如文献《Impact Compression Test and Numerical Simulation Analysis of Concreteafter Thermal Treatment in Complex Stress State》)，但是岩石围压选 取范围受到较大限制且需要保证岩石与套管之间没有间隙，对试样和套管的 加工精度要求过高，难以保证无间隙。真三轴岩石试验装置虽然可以同时对 岩石施加压力及位移边界条件(如申请公布号CN110441171A的发明专利《双 轴四向动静组合电磁加载霍普金森平板冲击加载装置》)，但是试样形状必 须为正方体，实现多轴同步动态加载的同时增加了设备整体成本。因此设计 一种能够较好的模拟孔底岩石所受地应力状态，且具备围压加载方便、适用 于圆柱体试样、成本较低等特点的岩石力学性能测试装置十分必要。

发明内容

本发明的目的是设计一种可以较好地模拟孔底岩石所受二维应力状态的 岩石围压加载装置，且该装置具备操作简便，适用于圆柱体岩石试样，能够 应用于钻进、碎岩、岩石力学性能测试等室内试验。

一种高围压岩石力学性能试验装置，包括液压推力机构、岩石围压施加 机构、岩石力学性质测试系统。

所述液压推力机构由液压泵、溢流阀、换向阀、液压缸、底座、销轴、 推力座组成，液压缸通过销轴固定在底座上，推力座与液压缸通过螺栓连接， 液压泵输出的液压力经过液压缸转换为机械推力作用于推力座，溢流阀保证 了液压泵输出液压力的稳定，换向阀控制了液压缸输出推力的方向。

所述岩石围压施加机构由围压施加体、V型夹持块组成。围压施加体与 推力座之间通过左右两侧平面接触；V型夹持块的材料为铝，其内表面为圆 柱面，可夹持筒直径的圆柱形岩样(根据岩样直径大小，可更换V型夹持块 的尺寸)。围压施加体将推力座传递的推力转换为周向围压力作用于V型夹 持块，V型夹持块经过延展变形将围压力均匀地作用于岩样表面。

所述岩石力学性能测试系统由应变传输线、声发射数据线、声发射传感 器、电阻式应变传感器、计算机组成。声发射传感器通过围压施加体与V型 夹持块上的孔槽安装在V型夹持块上，使得声发射传感器探头与岩样表面贴 紧，电阻式应变传感器粘贴在岩样表面不同深度处，通过应变传输线与声发 射数据线将岩样力学性质数据记录到计算机内。

本发明装置测试方法包括以下步骤：

(一)将电阻应变传感器粘贴在岩样两侧，操作液压缸活塞杆收缩带动 两侧推力座左右分开，将两块围压施加体安装在两推力座之间，V型夹持块 及其包裹的岩样同时安装到围压施加体之间，连通电阻应变传感器与计算机。 可根据岩样直径选配不同尺寸的V型夹持块。

(二)调整声发射传感器的安装深度，使得声发射传感器探头与岩样表 面贴紧，连通声发射传感器与计算机。

(三)操作液压缸活塞杆伸出，压力通过推力座、围压施加体、V型夹 持块夹持岩样，通过溢流阀调节液压泵的输出压力，对岩样施加不同等级围 压，进行不同荷载条件下岩石力学性能测试试验，记录与分析围压岩石在加 载过程中的内部损伤及表面变形发展数据。

本发明的岩样围压施加工作原理：

一、岩样表面围压由液压缸输出的机械推力提供，轴向推力通过围压施 加体转换为岩样周向围压力。

二、铝制V型夹持块具有延展性好、弹性模量低等特点，经过钢制围压 施加体的挤压，V型夹持块沿着岩样表面作延展变形，可以将围压均匀的作 用于岩石表面。

三、经过数值模拟与试验测算，液压泵输出液压力出P

本发明有益效果：

1、装置较为便捷地实现了对圆柱形岩石试样测表面围压的均匀加载，并 且较好地模拟了孔底岩石所受地应力状态，同时实现了围压条件下对岩石内 部损伤信息和表面变形信息的监测。

2、围压施加机构尺寸可以根据圆柱体试样尺寸做出相应改变，能够对不 同尺寸圆柱体岩样实现围压均匀加载。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是围压施加机构及岩石力学性质测试系统结构示意图。

图中：1-液压泵，2-溢流阀，3-换向阀，4-液压缸，5-底座，6-销轴，7- 推力座，8-围压施加体，9-V型夹持块，10-岩样，11-应变传输线，12-声发射 数据线，13-计算机，14-声发射传感器，15-电阻式应变传感器。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，一种高围压岩石力学性能试验装置，包括液压 推力机构、岩石围压施加机构、岩石力学性质测试系统；

所述液压推力机构由液压泵1、溢流阀2、换向阀3、液压缸4、底座5、 销轴6、推力座7组成。液压缸4通过销轴6固定在底座5上，推力座7与液 压缸4通过螺栓连接，液压泵1输出的液压力经过液压缸4转换为机械推力 作用于推力座7，溢流阀2保证了液压泵1输出液压力的稳定，换向阀3控制 了液压缸4输出推力的方向。

所述岩石围压施加机构由围压施加体8、V型夹持块9组成。围压施加体 8与推力座7之间通过左右两侧平面接触连接；V型夹持块9的材料为铝，其 内表面为圆柱面，可夹持同直径的圆柱体岩样10(根据岩样10直径大小，可 更换V型夹持块9的尺寸)。围压施加体8将推力座7推力转换为周向围压 力作用于V型夹持块9，V型夹持块9经过延展变形将围压力均匀地作用于 岩样10表面。

所述岩石力学性能测试系统由应变传输线11、声发射数据线12、声发射 传感器14、电阻式应变传感器15、计算机13组成。声发射传感器通过围压 施加体8与V型夹持块9上的孔槽安装在V型夹持块9上，使得声发射传感 器14探头与岩样10表面贴紧，电阻式应变传感器15粘贴在岩样10表面不 同深度处，通过应变传输线11与声发射数据线12将岩样10力学性质数据记 录到计算机内。

本发明装置测试方法包括以下步骤：

一、将电阻应变传感器15粘贴在岩样10两侧，操作液压缸4活塞杆收 缩带动两侧推力座7左右分开，将两块围压施加体8安装在两推力座7之间， V型夹持块9及其包裹的岩样10同时安装到围压施加体8之间，连通电阻应 变传感器15与计算机13。可根据岩样10直径选配不同尺寸的V型夹持块9。

二、调整声发射传感器14的安装深度，使得声发射传感器14探头与岩 样10表面贴紧，连通声发射传感器14与计算机13。

三、操作液压缸4活塞杆伸出，压力通过推力座7、围压施加体8、V型 夹持块9夹持岩样10，通过溢流阀2调节液压泵1的输出压力，对岩样10施 加不同等级围压，进行不同荷载条件下岩石力学性能测试试验，记录与分析 围压岩石在加载过程中的内部损伤及表面变形发展数据。

本发明的岩样围压施加工作原理：

1、岩样10表面围压由液压缸4输出的机械推力提供，轴向推力通过围 压施加体8转换为岩样10的径向围压力。

2、推力座7与围压施加体8之间左右两侧的传力机构，及围压施加体8 内侧V型结构，确保了围压施加体8产生比较均匀的径向围压力。

3、铝质V型夹持块9与钢质围压施加体8及岩样10相比，具有延展性 好、弹性模量低等特点，经过钢质围压施加体8的挤压，V型夹持块9沿着 岩样10表面作延展变形，可以将围压均匀的作用于岩样10表面。

4、经过数值模拟与试验测算，液压泵1输出液压力出P1与岩样10表面 压力P2之间的大小约为P2＝0.7P1。