一種測量損傷巖石裂紋特徵的方法及壓力室的製作方法

2023-10-11 03:56:54

專利名稱：一種測量損傷巖石裂紋特徵的方法及壓力室的製作方法
技術領域：
本發明涉及巖石力學與工程中巖體穩定性的問題，具體是一種測量巖石在受力過程中損傷裂紋特徵的方法及壓力室。
背景技術：
巖石作為一種脆性材料，其破壞過程實際上是內部裂紋產生、擴展、合併直至貫通的過程。巖石內部微裂紋的產生、擴展是影響巖石宏觀變形破壞的主要因素。巖石裂紋擴展過程的測量研究對巖石裂紋模型研究以及巖石本構關係的建立，巖石變形破壞機制與巖石工程穩定性評價都有重要意義。自20世紀60年代起，人們已開始研究巖石裂紋擴展過程，隨後光學顯微觀測法在巖石裂紋研究中得到應用。迄今，一些近代物理和試驗力學方法也被廣泛應用於巖石細觀試驗測量中，如X射線衍射、巖石CT、實時全息幹涉法以及藉助掃描電鏡的數字圖像處理技術等。但是，由於巖石組成、結構與受荷環境的複雜性以及試驗方法的暫時局限性，目前關於巖石裂紋擴展過程的直觀認識還遠不夠。為此，探索更有效的試驗觀測方法、實現巖石裂紋擴展過程的連續動態追蹤依然是巖石力學與工程界關注的問題之一。

發明內容
為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下
本發明的測量損傷巖石裂紋特徵的壓力室，包括壓力室底座和壓力室外罩，該壓力室還包括一個壓力容腔，待測試的試樣置於壓力容腔內，試樣頂部依次設有上透水導電壓板和上隔水墊片，上隔水墊片頂部設有加壓帽，加壓帽與試驗機的壓杆連接，壓杆與壓力室外罩頂部滑動配合；試樣底部依次設有下透水導電壓板和下隔水墊片，試樣外圍套設有橡皮膜；上透水導電壓板和下透水導電壓板上分別設有外接導線；上遊水管的端頭與上透水導電壓板接觸，與上遊水管相連通設有出水壓力傳感器，下遊水管的端頭與下透水導電壓板相接處，與下遊水管相連通設有進水壓力傳感器，壓力室底座上設有圍壓進水口，圍壓進水口外接測壓裝置。本發明中壓力室外罩與底座之間密封固定。本發明的壓力室可以安裝在普通壓力試驗機上使用。本發明的測量損傷巖石裂紋特徵的方法，包括下述步驟
(1)巖石試樣的製備通過鑽切磨製取50mmXIOOmm圓柱狀的試樣，然後按照巖石力學試驗規範飽水；
(2)巖石試樣的安裝把事先制好的試樣上下分別安裝上上、下透水導電壓板和上、下隔水墊片後，外加橡皮套，然後安裝在壓力室內，下部和壓力室底座平接，上部通過加壓帽和壓杆相連；把導線和外部連接，上、下遊水管分別和進、出水壓力傳感器連接；最後把壓力室外罩和底座緊密連接；
(3)施加圍壓反壓根據壓力室密封的要求，施加圍壓到2-3MPa，使橡皮膜和試樣切合緊密，接著施加反壓力IMPa;
(4)分級施加軸壓根據巖石試樣強度，梯次施加軸壓，測試每次軸壓下巖石的應力應變關係，以及每次加壓後的巖石交流阻抗譜；
(5)損傷裂紋特徵分析通過交流阻抗譜Nyquist曲線上阻抗弧的特徵參數來分析巖石損傷微裂紋的變化規律。

該方法可以通過調整軸壓和圍壓的大小、巖石試樣和地層層理的角度來模擬不同巖石工程中巖石受力的工況。上述方法中試驗的製備、施壓試驗及結果分析的具體步驟均採用現有技術中的工藝方法。本發明的方法把巖石試樣放置在特製的壓力室內，通過軸向施壓，圍壓保護的方式，可以模擬巖石受荷裂紋擴展，並通過上下相連的電極測試裂紋擴展過程中的電化學特徵，從而測試其裂紋擴展的特徵。和已有技術相比，其效果是積極和明顯的。通過本發明可以對巖石進行分級軸壓， 在圍壓的保護下，可以安全地模擬巖石工程的不同實際工況，並且通過連接的電化學工作站實時測量巖石裂紋的擴展過程，對於研究巖石裂紋擴展規律和巖石工程的穩定性分析有
重要意義。


圖1是本發明中的壓力室的結構示意圖。圖2為本發明實施例中所得的Nyquist曲線。
具體實施例方式本發明的測量損傷巖石裂紋特徵的壓力室如圖1所示，包括壓力室底座11和壓力室外罩17，該壓力室還包括一個壓力容腔，待測試的試樣5置於壓力容腔內，試樣頂部依次設有上透水導電壓板4和上隔水墊片3，上隔水墊片3頂部設有加壓帽2，加壓帽2與試驗機的壓杆1連接，壓杆1與壓力室外罩17頂部滑動配合；試樣底部依次設有下透水導電壓板7和下隔水墊片8，試樣外圍套設有橡皮膜6 ；上透水導電壓板和下透水導電壓板上分別設有外接導線14 ；外接導線14與電源連接。上遊水管16的端頭與上透水導電壓板4接觸，與上遊水管相連通設有出水壓力傳感器13，下遊水管15的端頭與下透水導電壓板7相接觸，與下遊水管相連通設有進水壓力傳感器12，壓力室底座上11設有圍壓進水口 10，圍壓進水口外接測壓裝置。本發明的測量損傷巖石裂紋特徵的方法，包括下述步驟
(1)巖石試樣的製備通過鑽切磨製取50mmXIOOmm圓柱狀的試樣，然後按照巖石力學試驗規範飽水；
(2)巖石試樣的安裝把事先制好的試樣上下分別安裝上上、下透水導電壓板和上、下隔水墊片後，外加橡皮套，然後安裝在壓力室內，下部和壓力室底座平接，上部通過加壓帽和壓杆相連；把導線和外部連接，上、下遊水管分別和進、出水壓力傳感器連接；最後把壓力室外罩和底座緊密連接；
(3)施加圍壓反壓根據壓力室密封的要求，施加圍壓到2-3MPa，使橡皮膜和試樣切合緊密，接著施加反壓力IMPa;(4)分級施加軸壓根據巖石試樣強度，梯次施加軸壓，測試每次軸壓下巖石的應力應變關係，以及每次加壓後的巖石交流阻抗譜；
(5)損 傷裂紋特徵分析通過交流阻抗譜Nyquist曲線上阻抗弧的特徵參數來分析巖石損傷微裂紋的變化規律。 下面結合具體案例對本發明的方法作進一步的說明取某工程的中砂巖，通過鑽切磨製成50mmX50mm的圓柱狀試樣，安裝在圖1的壓力室中，按照上述試驗方式(2)的規定安裝和連接好水管和電線線路，尤其注意的是壓力室外罩和底部的密封要好，把接好的壓力室放在巖石壓力試驗機的測壓部位。一切裝置準備就緒後，首先通過壓力試驗機施加小量的壓力使得巖石試樣和壓力試驗機的壓杆緊密接觸，避免試驗過程的衝擊荷載。接著施加通過外接水泵從圍巖進水口施加圍壓到指定的荷載2MPa，觀察巖石試樣和橡皮膜的密切程度。滿足要求後，通過外接水泵施加反壓IMPa，觀察記錄反壓出水口傳感器，有壓力值以後就可以分級施加軸壓。根據所取試樣的單軸強度值為47MPa，把軸壓分為5MPa，20MPa， 40MPa三級荷載施加，每一級荷載結束後，通過電線連接的電化學工作站測試其交流阻抗譜，可以得出如圖2所示的Nyquist曲線，依據阻抗弧的特徵參數來分析巖石損傷微裂紋的變化規律。
權利要求
1.一種測量損傷巖石裂紋特徵的壓力室，包括壓力室底座(11)和壓力室外罩(17)，其特徵在於該壓力室還包括一個壓力容腔，待測試的試樣(5)置於壓力容腔內，試樣頂部依次設有上透水導電壓板(4)和上隔水墊片(3)，上隔水墊片(3)頂部設有加壓帽(2)，加壓帽 (2)與試驗機的壓杆(1)連接，壓杆(1)與壓力室外罩頂部滑動配合；試樣底部依次設有下透水導電壓板(7)和下隔水墊片(8)，試樣外圍套設有橡皮膜(6);上透水導電壓板(4)和下透水導電壓板(7)上分別設有外接導線(14)；上遊水管(16)的端頭與上透水導電壓板(3) 接觸，與上遊水管相連通設有出水壓力傳感器(13)，下遊水管(15)的端頭與下透水導電壓板(7)相接處，與下遊水管相連通設有進水壓力傳感器(12)，壓力室底座上設有圍壓進水口(10)，圍壓進水口外接測壓裝置。
2.根據權利要求1所述的測量損傷巖石裂紋特徵的壓力室，其特徵在於壓力室外罩與底座之間密封固定。
3.一種測量損傷巖石裂紋特徵的方法，其特徵在於包括下述步驟(1)巖石試樣的製備通過鑽切磨製取50mmXIOOmm圓柱狀的試樣，然後按照巖石力學試驗規範飽水；(2)巖石試樣的安裝把事先制好的試樣上下分別安裝上上、下透水導電壓板和上、下隔水墊片後，外加橡皮套，然後安裝在壓力室內，下部和壓力室底座平接，上部通過加壓帽和壓杆相連；把導線和外部連接，上、下遊水管分別和進、出水壓力傳感器連接；最後把壓力室外罩和底座緊密連接；(3)施加圍壓反壓根據壓力室密封的要求，施加圍壓到2-3MPa，使橡皮膜和試樣切合緊密，接著施加反壓力IMPa;(4)分級施加軸壓根據巖石試樣強度，梯次施加軸壓，測試每次軸壓下巖石的應力應變關係，以及每次加壓後的巖石交流阻抗譜；(5)損傷裂紋特徵分析通過交流阻抗譜Nyquist曲線上阻抗弧的特徵參數來分析巖石損傷微裂紋的變化規律。
全文摘要
一種測量損傷巖石裂紋特徵的方法及壓力室，方法包括(1)巖石試樣的製備；(2)巖石試樣的安裝把事先制好的試樣上下分別安裝上上、下透水導電壓板和上、下隔水墊片後，外加橡皮套，然後安裝在壓力室內，下部和壓力室底座平接，上部通過加壓帽和壓杆相連；把導線和外部連接，上、下遊水管分別和進、出水壓力傳感器連接；最後把壓力室外罩和底座緊密連接；(3)施加圍壓反壓根據壓力室密封的要求，施加圍壓到2-3MPa，使橡皮膜和試樣切合緊密，接著施加反壓力1MPa；(4)分級施加軸壓根據巖石試樣強度，梯次施加軸壓，測試每次軸壓下巖石的應力應變關係，以及每次加壓後的巖石交流阻抗譜；(5)損傷裂紋特徵分析通過交流阻抗譜Nyquist曲線上阻抗弧的特徵參數來分析巖石損傷微裂紋的變化規律。該方法裝置簡單，思路明晰，操作方便。
文檔編號G01N3/12GK102384874SQ201110243790
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月24日 優先權日2011年8月24日
發明者王紅芳, 胡江春 申請人:中原工學院