脆性软岩周向均压加载装置、软岩取样装置及取样方法

摘要

一种脆性软岩周向均压加载装置，所述加载装置包括底板、纵向隔板、横向隔板、弹性加载软囊、加载动力；其特征在于：所述纵向隔板、横向隔板均为2块且相互垂直连接围合构成一四边形腔体，所述四边形腔体安装在底板上；在每一块纵向隔板、横向隔板上均安装有一弹性加载软囊，每一个弹性加载软囊均通过管道与加载动力连接。本发明通过液压对不规则试块施加围压，通过弹性加载软囊及其表面的柔性垫层，消除因试块表面不平整和表面缺陷带来的困扰，实现不规则试块表面的均匀加压，这样不仅能够实现岩石试块在不引起试块局部应力集中的情况下试样的完全固定，而且能够约束试块在试样钻取时内部裂隙的发展，提高脆性软岩试块的强度，进而提高标准试样的钻取率。具有操作简单、适应性强且标准试样钻取率高的特点。

说明书

技术领域

本发明公开了一种脆性软岩周向均压加载装置、软岩取样装置及取样方法；特别涉及一种脆性不规则软岩的周向均压加载装置、脆性不规则软岩的取样装置及取样方法，属于岩石力学实验领域

技术背景

软岩广泛存在于自然界，其力学性质的研究对我国水利工程、矿业工程、道路桥梁工程等基础建设及资源开采领域的健康快速发展具有重要的意义。实验室研究软岩的力学性质需要标准的试样(一般为φ50mm×100mm)为载体。圆柱体试样由于能够消除试验机加载时试样的形态效应而被广泛的应用于岩石力学实验中。当前加工软岩的标准试样通常采取钻取的方式，将在工程现场研究区域取得的不规则岩石试块运输至实验室，将岩石试块放置在钻机的钻头(内径φ50mm)下，用铁板或三角铁结合螺栓对岩石试块进行固定并钻取至试块贯穿，然后取出岩心，并对岩心进行截取并打磨。对于硬岩这种钻取方式能取得很好的效果，但是对于软岩尤其是脆性软岩，由于其质软、强脆性和易碎等特点，在固定试块时不能施加较大的预紧力，且在加工的过程中在钻取部位由于较强的应力集中，极易导致试块的开裂、破坏，很难获得理想的圆柱体试样，严重影响了脆性软岩力学性质的研究。此外，由于不规则软岩试块表面往往不平整以及存在众多的缺陷，传统的固定方法很容易造成在试样钻取的过程中试样的固定不牢固，进而导致钻取试样的破断，即使钻出合适长度的试样，试样内部也受到了频繁的拉伸和压缩，导致试样力学性质的变化，对实验的结果产生较大影响，制约了软岩工程领域的发展。

至今未见针对脆性不规则软岩的可靠取样装置及方法，而这已经成为本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种脆性软岩周向均压加载装置、软岩取样装置及取样方法。

本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，所述加载装置包括底板(7)、纵向隔板(5)、横向隔板(4)、弹性加载软囊(13)、加载动力(9)；所述纵向隔板(5)、横向隔板(4)均为2块且相互垂直连接围合构成一四边形腔体，所述四边形腔体安装在底板(7)上；在每一块纵向隔板(5)、横向隔板(4)上均安装有一弹性加载软囊(13)，每一个弹性加载软囊(13)均通过管道与加载动力(9)连接。

本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，所述底板(7)上设有垂直交叉的定位滑槽(8)，所述定位滑槽(8)横截面为倒“T”字形，定位滑槽(8)中卡装有第一螺栓(11)、第二螺栓(6)，纵向隔板(5)的底部与第一螺栓连接，横向隔板(4)的底部与第二螺栓(6)连接，实现纵向隔板(5)、横向隔板(4)在底板(7)上的定位。本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，纵向隔板(5)、横向隔板(4)上均设有纵横交叉的纵向滑槽(2)和横向滑槽(3)，所述纵向滑槽(2)和横向滑槽(3)横截面为倒“T”字形，纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中分别卡装有第三螺栓(12)、第四螺栓(10)，卡装在纵向滑槽(2)中的第三螺栓(12)与横向隔板(4)连接，卡装在横向滑槽(3)中的第四螺栓(10)与纵向隔板(5)连接，实现纵向隔板(5)、横向隔板(4)之间的定位；

纵向隔板(5)、横向隔板(4)分别通过第三螺栓(12)、第四螺栓(10)沿纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)滑动或通过第一螺栓(9)、第二螺栓(6)沿定位滑槽(8)滑动，以调节四边形腔体内腔容积。

本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，纵向隔板(5)、横向隔板(4)上分别设置有至少4根纵向滑槽(2)，纵向隔板(5)、横向隔板(4)上分别设置有至少2根横向滑槽(3)。

本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，在每一块纵向隔板(5)、横向隔板(4)上均安装有一个弹性加载软囊(13)；所述弹性加载软囊(13)通过其上设置的“T”形定位柱卡装在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中与纵向隔板(5)、横向隔板(4)相互定位；并且可以通过调整“T”形定位柱在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中的位置调整弹性加载软囊(13)的位置，以适应不同体积、形状的待加载脆性软岩试块，实现对脆性软岩试块周向均压加载。

本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，加载动力(9)为液压装置，具体是指液压油泵。

本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，纵向隔板(5)、横向隔板(4)上分别设有通孔，与加载动力(9)连接的管道穿过通孔与弹性加载软囊(13)密封连接。

一种脆性软岩周向均压加载取样装置，所述取样装置包括脆性软岩周向均压加载装置，钻机(1)，所述脆性软岩周向均压加载装置置于钻机(1)工作台上。

一种脆性软岩周向均压加载取样方法，包括下述步骤：

第一步：将脆性软岩周向均压加载装置置于钻机(1)工作台上，根据脆性软岩试块尺寸大小，调整纵向隔板(5)、横向隔板(4)的相对位置以及“T”形定位柱在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中的位置，使设置在纵向隔板(5)、横向隔板(4)上的四个弹性加载软囊(13)围合成可供容置脆性软岩试块的容室；

第二步：将脆性软岩试块置于容室中，启动加载动力(9)对四个弹性加载软囊(13)同时加载，实现对脆性软岩试块的有效夹持；

第三步：加载完成，启动钻机(1)对脆性软岩试块钻取试样。

本发明一种脆性软岩周向均压加载取样方法，加载动力(9)对四个弹性加载软囊(13)同时加载时，加载载荷按以下原则确定：

对脆性软岩试块加载至少3分钟后卸载，卸载后脆性软岩试块三维尺寸中的最大弹性变形量≤2mm时的加载载荷；或

采用点荷载测试法测量脆性软岩试块强度，控制加载载荷小于等于脆性软岩试块强度的30％。

本发明一种脆性软岩周向均压加载取样方法，加载时，在脆性软岩试块与弹性加载软囊(13)之间放置柔性垫，所述柔性垫选自天然橡胶、海绵等中的一种。

原理和优势

本发明针对脆性不规则软岩试块特点提供的一种脆性不规则软岩加工标准试样的均压加载装置，该装置通过液压对不规则试块施加围压，通过弹性加载软囊(13)及其表面的柔性垫层，消除因试块表面不平整和表面缺陷带来的困扰，实现不规则试块表面的周向均匀加压，这样不仅能够实现岩石试块的完全固定，不会引起试块局部应力集中，而且周向均匀加压，使得试样在钻取时处于三向受力状态，同时也能够抑制裂隙的扩展，提高脆性软岩试块的整体强度，减少试块在试样钻取时内部裂隙的发展趋势，从而提高标准试样的钻取率。需要强调的是周向压力不超过试块强度的30％，使得试块处于弹性范围内，不对钻取的试样的力学性质产生影响；通过调节正向隔板和侧向隔板实现加工各种尺寸大小的试块；通过调节弹性加载软囊(13)上的“T”形定位柱在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中滑动与禁锢，实现弹性加载软囊(13)的高度与宽度的调节，进而实现适应不同高度的脆性软岩试块。具有操作简单、适应性强且标准试样钻取率高的特点。

本发明通过液压对不规则试块施加围压，通过可缩式液压袋及其表面的柔性垫层，消除因试块表面不平整和表面缺陷带来的困扰，实现不规则试块表面的均匀加压，这样不仅能够实现岩石试块在不引起试块局部应力集中的情况下试样的完全固定，而且能够约束试块在试样钻取时内部裂隙的发展，提高脆性软岩试块的强度，进而提高标准试样的钻取率。需要强调的是周向压力不超过试块强度的30％，使得试块处于弹性范围内，不对钻取的试样的力学性质产生影响；通过调节正向隔板和侧向隔板实现加工各种尺寸大小的试块；通过调节可缩式液压袋上的可旋转螺栓沿正向隔板和侧向隔板内部的横槽或竖槽滑动与禁锢，实现可缩式液压袋的高度与宽度的调节，进而实现适应不同高度的脆性软岩试块。具有操作简单、适应性强且标准试样钻取率高的特点。不仅适用于脆性不规则软岩，对其他岩石仍然适用，可作为实验室岩心钻取的常备装置。

附图说明

附图1本发明脆性软岩周向均压加载装置结构示意图。

附图2为附图1中弹性加载软囊结构示意图。

附图3为附图1中纵向隔板、横向隔板主视图。

附图4为附图3的俯视图。

附图5为本发明脆性软岩周向均压加载取样装置结构示意图。

图中：1---钻机，4---横向隔板,5---纵向隔板，7---底板，13---弹性加载软囊。

具体实施方式

实施例1

参加附图1、2、3、4，一种脆性软岩周向均压加载装置，所述加载装置包括底板(7)、纵向隔板(5)、横向隔板(4)、弹性加载软囊(13)、加载动力(9)；所述纵向隔板(5)、横向隔板(4)均为2块且相互垂直连接围合构成一四边形腔体，所述四边形腔体安装在底板(7)上；在每一块纵向隔板(5)、横向隔板(4)上均安装有一弹性加载软囊(13)，每一个弹性加载软囊(13)均通过管道与加载动力(9)连接；

所述底板(7)上设有垂直交叉的定位滑槽(8)，所述定位滑槽(8)横截面为倒“T”字形，定位滑槽(8)中卡装有第一螺栓(11)、第二螺栓(6)，纵向隔板(5)的底部与第一螺栓连接，横向隔板(4)的底部与第二螺栓(6)连接，实现纵向隔板(5)、横向隔板(4)在底板(7)上的定位。本发明一种脆性软岩周向均压加载装置，纵向隔板(5)、横向隔板(4)上均设有纵横交叉的纵向滑槽(2)和横向滑槽(3)，所述纵向滑槽(2)和横向滑槽(3)横截面为倒“T”字形，纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中分别卡装有第三螺栓(12)、第四螺栓(10)，卡装在纵向滑槽(2)中的第三螺栓(12)与横向隔板(4)连接，卡装在横向滑槽(3)中的第四螺栓(10)与纵向隔板(5)连接，实现纵向隔板(5)、横向隔板(4)之间的定位；

纵向隔板(5)、横向隔板(4)分别通过第三螺栓(12)、第四螺栓(10)沿纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)滑动或通过第一螺栓(11)、第二螺栓(6)沿定位滑槽(8)滑动，以调节四边形腔体内腔容积；

纵向隔板(5)、横向隔板(4)上分别设置有4根纵向滑槽(2)，纵向隔板(5)、横向隔板(4)上分别设置有2根横向滑槽(3)；

在每一块纵向隔板(5)、横向隔板(4)上均安装有一个弹性加载软囊(13)；所述弹性加载软囊(13)通过其上设置的“T”形定位柱(14)卡装在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中与纵向隔板(5)、横向隔板(4)相互定位；并且可以通过调整“T”形定位柱在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中的位置调整弹性加载软囊(13)的位置，以适应不同体积、形状的待加载脆性软岩，实现对脆性软岩周向均压加载；

纵向隔板(5)、横向隔板(4)上分别设有通孔，与加载动力(9)连接的管道穿过通孔与弹性加载软囊(13)密封连接；

本实施例中，加载动力(9)为液压油泵。

实施例2

参加附图5，一种脆性软岩周向均压加载取样装置，所述取样装置包括实施例1的脆性软岩周向均压加载装置，钻机(1)，所述脆性软岩周向均压加载装置置于钻机(1)工作台上。

实施例3

参见附图1、2、3、4、5，一种脆性软岩周向均压加载取样方法，脆性软岩试块为软煤；试块为不规则形状尺寸约为50×35×30cm；采用点荷载测试法测量得到试块强度为13Mp，本实施例中，控制加载载荷为3Mp。

取样包括下述步骤：

第一步：将脆性软岩周向均压加载装置置于钻机(1)工作台上，根据脆性软岩尺寸大小，调整纵向隔板(5)、横向隔板(4)的相对位置以及“T”形定位柱在纵向滑槽(2)、横向滑槽(3)中的位置，使设置在纵向隔板(5)、横向隔板(4)上的四个弹性加载软囊(13)围合成可供容置脆性软岩的容室；

第二步：将脆性软岩试块置于容室中，在脆性软岩试块与弹性加载软囊(13)之间放置柔性橡胶垫，启动液压油泵对四个弹性加载软囊(13)同时加载，加载载荷为3Mp，实现对脆性软岩试块的有效夹持；

第三步：加载完成，启动钻机(1)对脆性软岩钻取试样，一次成功，钻取的圆柱试样长度为220mm，试样表面无新生裂纹,试样周向变形为1.8mm，且试样表面沿纵向均为光滑直线，满足实验要求。

实施例4

一种脆性软岩周向均压加载取样方法，脆性软岩试块为砂质泥岩；试块尺寸约60×40×25cm；对5个脆性软岩试块施加不同载荷，加载5分钟后卸载，卸载后，选择脆性软岩试块三维尺寸中的最大弹性变形量≤2mm时的加载载荷4Mp作为本实施例的加载载荷。

本实施例与实施例3的具体操作相同，同样一次性得到合格试样；钻取的圆柱试样长度为190mm，试样表面无新生裂纹,试样周向变形为2.1mm，且试样表面沿纵向均为光滑直线，满足实验要求。

对比例

发明人对煤样进行取样时，由于煤样呈脆性且质软，采用钻机直接钻取试样，钻头接近试块不久，试块中就出现整体穿越钻头的显著裂隙，甚至整体破断，基本得不到合格的试样，发明人进行了三天的钻取工作，仅钻取了一个高度不到30mm的圆柱体。

通过比较实施例3、4余对比例可知：本发明不仅能够在保持试块完整性与固定的基础上提高软岩试块的强度，而且可以抑制裂隙的扩展，提高圆柱体试样的钻取长度进而提高标准试样钻取率。