一种新型岩石常规三轴压缩试验装置及试验方法

摘要

本发明新型岩石常规三轴压缩试验装置，底座上由上至下依次同轴设置第一压头、岩石试样和第二压头，岩石试样通过密封组件分别与第一压头和第二压头进行密封连接，岩石试样包括轴向受压区、环向约束区和有效力作用区，有效力作用区位于岩石试样中部，轴向受压区对称分布于有效力作用区两端，环向约束区绕轴向受压区环绕一周并与有效力作用区侧面曲面相切，第一压头和第二压头分别与有效力作用区两端的轴向受压区面面相接。本发明提供的新型岩石常规三轴压缩试验装置及试验方法，采用哑铃状岩石试样，有效消除端部效应对试验结果的影响且密封效果好，岩石试样的中部为柱体，便于安装轴向引伸计和环向引伸计，测量准确度高，实用性强，应用前景广阔。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，具体涉及一种用于消除岩石端部效应的新型岩石常规三轴压缩试验装置及试验方法。

背景技术

端部效应普遍存在于室内岩石常规三轴压缩试验中，现有技术中普遍采用圆柱形岩石进行常规三轴压缩试验，轴向受压时，由于装置的金属压头和试样的弹性模量相差很大，压头和试样端部的变形量不同产生摩擦，摩擦系数与接触条件有关，致使试样端部应力分布不均，进而影响试样整体抗压强度、弹性模量等参数的测量，得到的抗压强度值比实际值大，无法直接应用于实际工程和科研中。

现有技术中主要采用两种方法减小端部效应对试验结果的影响：1、减小压头与试样的接触面摩擦系数，如在接触面涂抹润滑剂、放置光滑垫片等方法；2、增大试样的高径比，减小端部效应对试样中部应力分布的影响。前述两种方法在一定程度上可以减小端部摩擦效应的影响，但无法完全消除，且第一种方法定量分析端部摩擦系数对结果影响的程度和稳定性具有较大难度，第二种方法对减弱端部效应影响的效果不理想。截至目前，在岩石力学试验过程中如何有效消除端部效应一直是岩石力学领域有待解决的技术难题。

发明内容

为解决现有技术中存在的岩石力学试验端部效应难消除的问题，本发明提供一种新型岩石常规三轴压缩试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型岩石常规三轴压缩试验装置，包括底座，底座上由上至下依次同轴设置第一压头、岩石试样和第二压头，岩石试样通过密封组件分别与第一压头和第二压头进行密封连接，岩石试样包括轴向受压区、环向约束区和有效力作用区，有效力作用区位于岩石试样中部，两个轴向受压区对称分布于有效力作用区的两端，每个环向约束区均绕一个轴向受压区外侧壁环绕一周并与有效力作用区侧面曲面相切，第一压头包括由上至下依次设置的上压头和第一轴向压头，第二压头包括由下至上依次设置的下压头和第二轴向压头，第一轴向压头和第二轴向压头分别与有效力作用区两端的轴向受压区面面相接。

进一步的，所述上压头、第一轴向压头、下压头和第二轴向压头的中心轴线均与岩石试样的中心轴线重合。

进一步的，所述岩石试样呈哑铃状结构且竖直放置于底座上，岩石试样的上端面与下端面平行，岩石试样的两端分别为轴向受压区，每个轴向受压区的外侧壁均环绕一个环向约束区，所述轴向受压区和有效力作用区均呈圆柱体结构且直径相同，所述环向约束区呈圆环状柱体结构，环向约束区内径与轴向受压区直径相同，环向约束区通过圆弧倒角曲面与有效力作用区侧面相切。

进一步的，所述第一轴向压头和第二轴向压头均呈圆柱体结构且直径均与有效力作用区的直径相同，所述上压头和下压头均呈圆柱体结构且直径相同，与环向约束区相适配。

进一步的，所述密封组件包括乳胶套、橡胶套、喉箍和橡胶垫，所述橡胶套设置于岩石试样与第一压头和第二压头的相接触处并通过喉箍进行紧固密封，所述橡胶垫分别套接于第一轴向压头和第二轴向压头外侧壁并分别环绕一周进行密封。

进一步的，所述乳胶套和橡胶套的内径均与上压头和下压头的直径相同，橡胶套和喉箍的宽度大于第一轴向压头和第二轴向压头的高度，喉箍的宽度小于橡胶套的宽度，所述橡胶垫呈圆环状柱体结构，其内径与第一轴向压头和第二轴向压头的直径相同，其外径与上压头和下压头的直径相同。

进一步的，包括以下步骤：

步骤一、将岩石试样套入乳胶套内，在岩石试样的中部乳胶套预留足够长度，确保在抽出二者夹杂的空气后乳胶套与岩石试样外侧壁相贴合，橡胶垫分别套接于第一轴向压头和第二轴向压头上并分别环向一周进行密封，随后将岩石试样的下端面放置于第二压头上，乳胶套的下端口套入第二压头，橡胶套套接于岩石试样与第二压头的交接处，橡胶套的内壁与岩石试样和下压头相接，在橡胶套的外侧壁上安装并旋紧喉箍；

步骤二、在岩石试样上有效力作用区的适当位置安装用于位移测量的轴向引伸计和环向引伸计；

步骤三、将第一压头放置于岩石试样的上端面，乳胶套的上端口套入第一压头，随后通过小型真空泵配合细嘴吸管抽出乳胶套与岩石试样之间的夹层空气使岩石试样与乳胶套的侧壁紧密贴合，岩石试样的上下端面分别与第一压头和第二压头相贴合，有效力作用区两端的轴向受压区分别与第一轴向压头和第二轴向压头相贴合，将橡胶套套接于岩石试样与第一压头的交接处，橡胶套的内壁与岩石试样和上压头相接，在橡胶套的外侧壁上安装并旋紧喉箍，完成装样；

步骤四、对轴向引伸计和环向引伸计进行参数设定，对步骤三得到的岩石试样施加围压至设定值后维持围压恒定，按照一定速率加载轴压至岩石试样被破坏，完成岩石常规三轴压缩试验。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开了一种新型岩石常规三轴压缩试验装置，包括底座，底座上由上至下依次同轴设置第一压头、岩石试样和第三压头，岩石试样分别通过密封组件与第一压头和第三压头进行密封连接，岩石试样包括轴向受压区、环向约束区和有效力作用区，有效力作用区位于岩石试样中部，轴向受压区对称分布于有效力作用区两端，环向约束区绕轴向受压区外侧壁环绕一周并与有效力作用区侧面曲面相切，第一压头包括由上至下依次设置的上压头和第一轴向压头，第二压头包括由下至上依次设置的下压头和第二轴向压头，第一轴向压头和第二轴向压头分别与有效力作用区两端的轴向受压区面面相接。本发明提供的新型岩石常规三轴压缩试验装置及试验方法，采用哑铃状岩石试样并通过密封组件密封连接第一压头和第二压头，有效地消除了端部效应对试验结果的影响且密封效果良好，岩石试样的中部为柱体，便于安装轴向引伸计和环向引伸计，乳胶套厚度小，提高了轴向、环向引伸计的测量准确度，实用性强，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的岩石试样的立体结构图；

图3为本发明的岩石试样的区域划分图；

图4为本发明的岩石试样与第一压头及第二压头的接触示意图；

图5是本发明的岩石试样与第一压头及第二压头的接触剖视图；

其中，1-岩石试样；1a-轴向受压区；1b-环向约束区；1c-有效力作用区；2-第一压头；2a-上压头；2b-第一轴向压头；3-第二压头；3a-下压头；3b-第二轴向压头；4-底座；5-乳胶套；6-橡胶套；7-喉箍；8-橡胶垫。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-5所示，一种新型岩石常规三轴压缩试验装置，包括岩石试样1、第一压头2、第二压头3、底座4和密封组件，密封组件包括乳胶套5、橡胶套6、喉箍7和橡胶垫8，底座4上由上至下依次设置第一压头2、岩石试样1和第二压头3，岩石试样1分别通过密封组件与第一压头2和第三压头3进行密封连接，使岩石试样1与液压油隔离，具有良好的密封性，第一压头2、岩石试样1和第二压头3的中心轴线在同一直线上，岩石试样1呈哑铃状结构且竖直放置于底座4上，岩石试样1的上端面和下端面均与水平面平行，岩石试样1包括轴向受压区1a、环向约束区1b和有效力作用区1c，轴向受压区1a和有效力作用区1c均呈圆柱体结构且直径相同，有效力作用区1c为岩石常规三轴压缩试验测量的主体，位于岩石试样1中部，岩石试样1的两端为轴向受压区1a，两个轴向受压区1a对称分布于有效力作用区1c的两端，每个轴向受压区1a上均环绕一个环向约束区1b，环向约束区1b呈圆环状柱体结构，环向约束区1b绕轴向受压区1a外侧壁环绕一周，环向约束区1b的内径与轴向受压区1a直径相同，环向约束区1b起到端部径向位移约束的作用，环向约束区1b通过圆弧倒角曲面与有效力作用区1c侧面相切，避免应力集中，有效力作用区1c的长度与直径的比值满足标准圆柱形岩石试样长径比的要求，如图3所示。

如图4和5所示，第一压头2和第二压头3分别放置于岩石试样1的两端，第一压头2包括由上至下依次设置的上压头2a和第一轴向压头2b，第二压头3包括由下至上依次设置的下压头3a和第二轴向压头3b，上压头2a、第一轴向压头2b、下压头3a和第二轴向压头3b的中心轴线均与岩石试样1的中心轴线重合，第一轴向压头2b和第二轴向压头3b分别与有效力作用区1c两端的轴向受压区1a面面相接，第一轴向压头2b和第二轴向压头3b均呈圆柱体结构且直径与轴向受压区1a和有效力作用区1c的直径相同，上压头2a和下压头3a均呈圆柱体结构且直径均与环向约束区1b的外径相同。

乳胶套5具有很好的延展性和弹性，乳胶套5的内径与上压头2a和下压头3a的直径相同，乳胶套5与上压头2a和下压头3a的外侧壁具有良好的贴合性，在受围压作用时与岩石试样1外侧壁相贴合，无破损，乳胶套5的两个端口可进行密封，提高密封性，岩石试样1与第一压头2及第二压头3的交接处分别套接橡胶套6进行固定连接，喉箍7安装于橡胶套6外侧壁上，用于固定橡胶套6、第一压头2、第二压头3、岩石试样1，确保四者的中心轴线重合，同时用于密封端口，具有良好的密封性。

如图5所示，橡胶垫8呈圆环状柱体结构，橡胶垫8的内径与轴向受压区1a、第一轴向压头2b和第二轴向压头3b的直径相同，橡胶垫8的外径与上压头2a和下压头3a的直径相同，橡胶垫8的厚度与第一轴向压头2b和第二轴向压头3b的高度相同，橡胶垫8分别套接于第一轴向压头2b和第二轴向压头3b上并分别环向一周，橡胶垫8与第一轴向压头2b和第二轴向压头3b的外侧壁相接，其弹性模量远小于第一轴向压头2b、第二轴向压头3b和岩石试样1的弹性模量，起到填充和软接触的作用。

一种新型岩石常规三轴压缩试验方法，包括如下步骤：

步骤一、将岩石试样1套入乳胶套5内，在岩石试样1的中部乳胶套5预留足够长度，确保在抽出二者夹杂的空气后乳胶套5能与岩石试样1外侧壁相贴合，第一轴向压头2b和第二轴向压头3b上分别套接一个橡胶垫8，橡胶垫8分别将第一轴向压头2b和第二轴向压头3b环向一周进行密封，岩石试样1的下端面放置于第二压头3上，乳胶套5的下端口套入第二压头3，橡胶套6套接于岩石试样1与第二压头3的交接处，橡胶套6的内壁与岩石试样1和下压头3a相接，在橡胶套6外侧壁上安装并通过螺纹或螺栓旋紧喉箍7进行密封；

步骤二、在有效力作用区1c的适当位置分别安装用于位移测量的轴向引伸计和环向引伸计；

步骤三、将第一压头2放置于岩石试样1的上端面，乳胶套5的上端口套入第一压头2，随后通过小型真空泵配合细嘴吸管抽出乳胶套5与岩石试样1之间的夹层空气使岩石试样1与乳胶套5的侧壁紧密贴合，使得岩石试样1与第一压头2和第二压头3相贴合，有效力作用区1c两端的轴向受压区1a分别与第一轴向压头2b和第二轴向压头3b相贴合，将橡胶套6套接于岩石试样1与第一压头2的交接处，橡胶套6的内壁与岩石试样1和上压头2a相接，橡胶套6的外侧壁上安装并通过螺纹或螺栓旋紧喉箍7，完成装样；

步骤四、根据实际需求分别对轴向引伸计和环向引伸计进行参数设定，对步骤三得到的岩石试样1施加围压至设定值后维持围压恒定，按照一定速率加载轴压直至岩石试样1被破坏，完成岩石常规三轴压缩试验并进行后续结果分析，用于岩石常规三轴力学试验中岩石压缩变形的强度、应变等参数测量，第一压头2和第二压头3与轴向受压区1a直接接触，加压过程产生的端部效应在轴向受压区1a和环向约束区1b的共同作用下不会影响有效力作用区1c的应力分布，在有效力作用区1c测得的岩石常规三轴压缩试验结果消除了端部效应的影响，提高测量准确性。

实施例1

如图1-5所示，一种新型岩石常规三轴压缩试验装置，包括岩石试样1、第一压头2、第二压头3、底座4和密封组件，密封组件包括乳胶套5、橡胶套6、喉箍7和橡胶垫8，底座4上由上至下依次设置第一压头2、岩石试样1和第二压头3，岩石试样1通过密封组件分别与第一压头2和第三压头3进行密封连接，使岩石试样1与液压油隔离，具有良好的密封性，第一压头2、岩石试样1和第二压头3的中心轴线在同一直线上，岩石试样1呈哑铃状结构且竖直放置于底座4上，岩石试样1的上端面和下端面均与水平面平行，岩石试样1包括轴向受压区1a、环向约束区1b和有效力作用区1c，轴向受压区1a和有效力作用区1c均呈圆柱体结构且直径相同，有效力作用区1c为岩石常规三轴压缩试验测量的主体，位于岩石试样1中部，岩石试样1的两端为轴向受压区1a，两个轴向受压区1a对称分布于有效力作用区1c的两端，每个轴向受压区1a上均环绕一个环向约束区1b，环向约束区1b呈圆环状柱体结构且绕轴向受压区1a外侧壁环绕一周，环向约束区1b的内径与轴向受压区1a直径相同，环向约束区1b起到端部径向位移约束的作用，环向约束区1b通过圆弧倒角曲面与有效力作用区1c侧面相切，避免应力集中，有效力作用区1c的长度与直径的比值满足标准圆柱形岩石试样长径比的要求，如图3所示。

如图4和5所示，第一压头2和第二压头3对称放置于岩石试样1的两端，第一压头2和第二压头3的形状和尺寸相同，第一压头2包括由上至下依次设置的上压头2a和第一轴向压头2b，第二压头3包括由下至上依次设置的下压头3a和第二轴向压头3b，上压头2a、第一轴向压头2b、下压头3a和第二轴向压头3b的中心轴线均与岩石试样1的中心轴线重合，第一轴向压头2b和第二轴向压头3b分别与有效力作用区1c两端的轴向受压区1a面面相接，第一轴向压头2b和第二轴向压头3b均呈圆柱体结构且直径与轴向受压区1a和有效力作用区1c的直径相同，上压头2a和下压头3a均呈圆柱体结构且直径均与环向约束区1b的外径相同。

岩石试样1的高度为110 mm，环向约束区1b的外径为50 mm，有效力作用区1c的直径和长度分别为37 mm、74 mm，轴向受压区1a的直径、环向约束区1b的内径、第一轴向压头2b的直径和第二轴向压头3b的直径均为37 mm，上压头2a和下压头3a的直径均为50 mm。

乳胶套5具有很好的延展性和弹性，厚度为0.35 mm，乳胶套5的内径与上压头2a和下压头3a的直径相同，乳胶套5与上压头2a和下压头3a的外侧壁具有良好的贴合性，在受围压作用时乳胶套5与岩石试样1的外侧壁相贴合且无破损，乳胶套5的两个端口可进行密封，提高密封性，橡胶套6的内径为50 mm，宽度为20 mm，岩石试样1与第一压头2及第二压头3的交接处分别套接橡胶套6进行固定连接，喉箍7宽15 mm，喉箍7安装于橡胶套6外侧壁上，用于固定橡胶套6、第一压头2、第二压头3、岩石试样1，确保四者的中心轴线重合，同时用于密封端口，具有良好的密封性。

如图5所示，橡胶垫8呈圆环状柱体结构，橡胶垫8的内径为37mm，与轴向受压区1a、第一轴向压头2b和第二轴向压头3b的直径相同，橡胶垫8的外径为50mm，与上压头2a和下压头3a的直径相同，橡胶垫8的厚度为3mm，与第一轴向压头2b和第二轴向压头3b的高度相同，橡胶垫8分别套接于第一轴向压头2b和第二轴向压头3b上并分别环向一周，橡胶垫8与第一轴向压头2b和第二轴向压头3b的外侧壁相接，其弹性模量远小于第一轴向压头2b、第二轴向压头3b和岩石试样1的弹性模量，起到填充和软接触的作用。

一种新型岩石常规三轴压缩试验方法，包括如下步骤：

步骤一、将岩石试样1套入乳胶套5内，在岩石试样1的中部乳胶套5预留足够长度，确保在抽出二者夹杂的空气后乳胶套5能与岩石试样1外侧壁相贴合，第一轴向压头2b和第二轴向压头3b上分别套接一个橡胶垫8，橡胶垫8分别将第一轴向压头2b和第二轴向压头3b环向一周进行密封，岩石试样1的下端面放置于第二压头3上，乳胶套5的下端口套入第二压头3，将橡胶套6套接于岩石试样1与第二压头3的交接处，橡胶套6的内壁与岩石试样1和下压头3a相接，在橡胶套6的外侧壁上安装并旋紧喉箍7进行密封；

步骤二、在岩石试样1上有效力作用区1c的中部安装用于位移测量的轴向引伸计和环向引伸计；

步骤三、将第一压头2放置于岩石试样1的上端面，乳胶套5的上端口套入第一压头2，随后通过小型真空泵配合细嘴吸管抽出乳胶套5与岩石试样1之间的夹层空气使乳胶套5与岩石试样1的侧壁紧密贴合，使得岩石试样1的上端面和下端面分别与第一压头2和第二压头3相贴合，有效力作用区1c两端的轴向受压区1a分别与第一轴向压头2b和第二轴向压头3b相贴合，将橡胶套6套接于岩石试样1与第一压头2的交接处，橡胶套6的内壁与岩石试样1和上压头2a相接，在橡胶套6外侧壁上安装并旋紧喉箍7，完成装样；

步骤四、根据实际需求分别对轴向引伸计和环向引伸计进行参数设定，对步骤三得到的岩石试样1施加围压至设定值后维持围压恒定，按照一定速率加载轴压直至岩石试样1被破坏，完成岩石常规三轴压缩试验并进行后续结果分析，用于岩石常规三轴力学试验中岩石压缩变形的强度、应变等参数测量，第一压头2和第二压头3与轴向受压区1a直接接触，加压过程产生的端部效应在轴向受压区1a和环向约束区1b的共同作用下不会影响有效力作用区1c的应力分布，在有效力作用区1c测得的岩石常规三轴压缩试验结果消除了端部效应的影响，提高测量准确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。