[发明专利]基于电容成像的岩石三轴试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石三轴试验装置，具体是一种能实时观察岩石三轴试验过程的具有数字成像的三轴试验装置。

背景技术

岩石力学

岩石是多孔孔隙介质，是由固体岩石骨架和流动的孔隙流体组成的二相体，其力学性质极大地依赖于岩石内部存在的裂隙以及裂隙内的流体。岩石受力变形破坏的过程中，内部裂隙的力学表现随应力状态和加载方式的不同而不同。或在较低的压应力下，原生裂隙被压密闭合；或在低拉应力作用下，原生裂隙由于尖端应力集中而扩展裂开；或在低剪应力作用下，原生裂隙撕开或滑开。无论何种应力状态和加载方式，当作用的荷载超过一定水平，岩石内部将会有新的裂隙萌生，并且各种裂隙进一步扩展、成核、相接，然后贯通形成明显的裂隙，最后岩石整体破坏。因此，若能清楚地知道岩石内部裂隙的力学状态、几何尺寸和分布规律，就能更好地把握岩石的宏观力学性质。

再者，岩石的力学性质与裂隙中的流体有很大的关系。这主要表现为两方面：其一，流体压力的存在可以为岩石分担一部分荷载，影响到裂隙的变形，进而影响到岩石的应力状态；另一方面，岩石受力之后，裂隙变形，又使得流体在岩石中运移的通道变窄，进而影响到流体的渗流。但当荷载达到一定值时，岩石内部将出现新的裂隙，发生体积扩容现象，裂隙增多，裂隙变宽甚至相汇贯通。裂隙的存在将加大流体的输运通道，使流体更容易透过岩石。可见，作为二相体的岩石，作用于其上的应力与渗流是相互影响的。这就是岩石的应力渗流耦合问题。正是由于岩石中裂隙的存在和裂隙流体的运动，才使得地下水、石油和天然气等资源富集。也正是由于岩石的多孔特性，使得这些资源的开发利用成为可能。研究和开采这些资源，均涉及到岩石应力渗流耦合的力学问题。

开展岩石应力渗流耦合研究的理想实验设备是全自动岩石三轴流变渗流试验机。该试验机可以同时对试验岩样施加长期应力和渗流作用，以研究两者的耦合效应。但要采用三轴试验仪研究岩石受力过程中的裂隙扩展仍然有很大的难度。目前，国内能开展这一研究的试验设备是与CT机配套的专用岩石三轴试验机。应用此试验机可以得到在不同荷载作用下，岩石中微孔洞被压密和微裂隙萌生、分叉、发展、断裂、贯通破坏等各个阶段清晰的CT图像。但应用CT扫描技术存在两个不足：（1）需对三轴试验机的围压室做改造，以适应CT扫描仪。这种改造通常比较费时费力，甚至需要重新制作三轴室。（2）CT扫描仪的价格极昂贵，与三轴试验机相当。因此，有必要开发一种小巧实用，造价低廉的设备来实现岩石三轴试验实时成像的功能。

电容成像技术

电容成像技术以其廉价、高速、非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展。该技术在石油、化工、冶金、能源等领域的两相流测量中极具潜在应用价值。电容成像的基本原理是在观测物体周围安置电极传感器阵列，通过测量不同电极组合之间的电容值，应用一定的算法重建观测物体内部的介电常数分布情况，并将不同介电常数的物质进行识别区分，再在计算机上实现可视化。

另外，在一待测物体的周边安置电极传感器阵列，当被测物体内部出现裂缝，原先属于实物的区域就变成了裂缝，介电常数也就发生了变化。这种介电常数的变化将引起电极传感器阵列上不同电极间电容的变化。通过检测阵列电极电容变化，反演出被测物内部介质介电常数分布，进而构造出其中各相介质的分布图像。

发明思路

为此，我们基于电容成像技术的基本原理，结合岩石力学及岩石的应力渗流耦合问题，提出一个能与岩石三轴流变渗流试验机配合使用的电容成像系统。发明的装置只需在现有的岩石三轴试验机上做简单改造，然后将部分系统硬件内置于三轴室内，即可对三轴试验中的岩石成像。该系统主要有两方面的应用：（1）研究在单纯的三轴加载情况下，岩石内部裂隙的损伤演化规律。（2）研究在应力渗流耦合作用下，岩石内部裂隙是如何变形扩展形成更宽的流体通道，以及流体在岩石裂隙中流动时对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。

发明内容

本发明的目的是为了在现有的岩石三轴流变渗流试验机上增加一个电容成像系统，以便应用此系统实时观察单纯应力作用以及应力渗流耦合作用下，岩石裂隙的损伤扩展以及流体的运动情况。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于：在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。

所述的阵列电极由8个电极组成，以相同的角度间隔分布在双层橡胶环内。