[发明专利]一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法

说明书

本发明涉及一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法。本发明解决现有装置存在的无法直接测量试样蠕变体积变形的技术问题。本发明采用的方案是：一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其包括三轴试验釜、轴向位移传感器、磁致式液位计、围压控制端口、气体加载系统、液体加载系统、数据采集处理系统和五个控制阀。其测量方法为：1)先将各部件连接好；2)给三轴试验釜的围压腔进行气、液加载步骤，使围压腔加载至试样目标围压；3)施加轴压，进行目标温度和压力下的蠕变试验；4)在数据采集处理系统里录入试样的初始数据，设置数据记录间隔，进行自动数据记录；5)依据记录数据，通过公式计算岩石试样的高温蠕变体积变形及体积应变。

技术领域

本发明涉及一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法，它属于岩石实验装置及方法技术领域。

背景技术

在边坡、采矿等岩土项目中，岩石材料极易产生时间相关的蠕变变形。实验室尺度岩石试样的蠕变力学测试结果可为现场变形数据的预测提供有效参考。室内岩石材料蠕变实验中，大多是通过岩石试验机的位移传感器测量试样的轴向应变和径向应变，鲜少直接涉及试样体积变形的测量，大多是通过岩石力学体积应变公式来间接计算体积变形，或采用试样轴向或径向应变的加速变形临界点来预测试样体积变化乃至失稳。但是上述方法并不完全准确。一方面，试样自加载起，经历长期蠕变，其轴向不断压缩，径向不断膨胀，二者综合作用影响试样的体积变形由压缩向膨胀转化，仅从试样的轴向或径向应变的加速变形临界点来判断、预测试样的临界失稳是不科学的。另一方面，常规的径向应变测量大多是在试样表面布置测点或在试样表面测量圆周变形并加以计算，但是岩石是非均质的，其变形具有明显的非均匀性，在单个具体测点或试样圆周表面测量、计算得到的径向变形并不具有代表性，可能比真实结果偏大或偏小。最后，现有的环形位移测量传感器大多是直接与试样表面接触，高温环境下精度降低，影响测量结果的准确度；而极端地质条件下，高温岩石蠕变体积变形测量和预测仍是岩石力学基本特性研究中的技术难题。

目前，已有部分专利通过间接方法，测量试样变形时引起传压介质的体积变化量，再结合试样初始直径、高度等参数，按照公式计算岩石试样径向应变，但是该方法均是在假设试样沿轴向方向上各截面处径向变形线性且均匀的条件下，通过平均计算得到的，该方法得到的结果通常难以代表岩石试样整体的径向变形及体积变形。例如中国专利CN104197868B中根据透明毛细管截面积和传压介质体积变形量，按照公式计算岩石试样径向变形，但是该装置存在以下缺陷：1)受环境温度影响，毛细管中的流体会发生体积变化，在假设毛细管直径不变的条件下，毛细管内流体体积的变化反映为流体长度的变化。温度波动容易给测量结果带来误差。2)当围压变化较大时，毛细管内发生同样大小的压力变化，使得毛细管直径改变，尽管可以通过标定的方法加以校正，但在长期高压力作用下，毛细管直径会发生塑性变形，影响测量结果的准确性。

中国专利CN 106525598B中通过磁致伸缩液位计监测与围压仓相连的筒体液位变化计算岩心的径向变形量。该装置缺陷在于：1)明确了磁致伸缩液位计的液位量程200mm，测量精度0.01mm，却并未给出液位计的内部净截面积参数，更未给出测量的体积精度和体积量程参数。其测量核心是通过筒体内液位体积变化计算径向变形，液位体积变化量的测量是该装置发挥作用和保证测量结果准确性的一项重要参数。不当的液位计内环形液面截面积参数将对体积变形的测量及其准确度带来极大的影响。2)采用磁致伸缩液位计测量液面体积变化时，需保证液位计内液面上方自由空间的气体压力和试样围压压力接近或相同，否则影响液位计内液面的自由移动。该专利中并未给出径向位移传感器和三轴压缩仪器的具体连接方式，更未给出自由空间气体压力的控制与加载方式。当与试样围压相连的磁致伸缩液位计内液体体积发生变化时，由于自由空间气体的可压缩性，气体压力和试样液体围压会在界面处产生压力差，势必影响气液界面的自由移动。因此，该装置无法实现岩石试样径向变形及体积变形的准确、长期测量。

发明内容

本发明的目的是解决现有岩石应变测量装置存在的仅可测量试样的轴向、径向变形，而无法长期准确、直接测量试样蠕变体积变形的技术问题，提供一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及方法。