调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置与试验方法

摘要

本发明公开了一种调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，包括放置在反力架上，用于放置试件的试验舱，所述试验舱为由上座压板、下座压板、左座侧压板、右座侧压板围合而成的密封箱体结构；用于拉起或放下试验舱进行拆卸安装试件的试件变换系统；用于给试件施加轴力的轴压系统；用于实现试件不同围压与轴压比的活塞换压系统；用于将液压油注入到试验舱和活塞换压系统中的注油系统。本发明的活塞换压系统能够控制试件围压与轴压的比例，弥补了现有机器设备不能精确调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置的技术空白，改进后的设备性能更加优越，更加简便易行，操作方法也较为便捷。

说明书

技术领域

本发明涉及工程地质技术领域，特别涉及一种调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置与试验方法。

背景技术

由于实际岩石的作用形式往往不是只有轴压作用，在水利水电工程、采矿工程、铁路和公路建设工程、土木工程、石油工程、海洋勘探与开发工程等各种工程中经常遇到围压和轴压同时作用的形式，岩石试件的围压和轴压规律始终是岩石力学工作者研究的前沿与热门课题。现有技术是通过计算机等一系列电子设备，通过网络编程软件施加并监测岩石试件围压与轴压值，而往往忽略了调控岩石试件围压与轴压的比例关系。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠的调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，并提供一种操作简单的调控岩石试件围压与轴压比例的试验方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，包括放置在反力架上，用于放置试件的试验舱，所述试验舱为由上座压板、下座压板、左座侧压板、右座侧压板围合而成的密封箱体结构；用于拉起或放下试验舱进行拆卸安装试件的试件变换系统；用于给试件施加轴力的轴压系统；用于实现试件不同围压与轴压比的活塞换压系统；用于将液压油注入到试验舱和活塞换压系统中的注油系统。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述注油系统包括第一油管阀门、第一排气孔、第一油箱、第二油管阀门、空气泵、第四油管阀门，所述第一油箱底部通过第一输油管连通试验舱，第一输油管上依次设有第二油管阀门、空气泵、第四油管阀门，试验舱顶部通过第二输油管与第一油箱顶部连通，第二输油管上设有第一油管阀门，第一油箱顶部设有第一排气孔。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述试件变换系统包括第一动力装置、拉轴器、伸缩轴、上座、上座垫头、前压头、后压头，所述拉轴器固定安装在反力架顶部，第一动力装置与拉轴器相连，所述伸缩轴底端固定安装在上座压板上，伸缩轴顶端与拉轴器相连，所述上座固定安装在上座压板上，上座底部设有上座垫头，上座垫头底部设有前压头，所述后压头放置在下座压板上且位于前压头正下方，前压头与后压头之间留有用于放置试件的空间。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述轴压系统包括液压千斤顶、第一活塞、第二液压油缸、第二动力装置、第二压力表，所述第二动力装置通过管道与液压千斤顶连接，管道上设有第二压力表，液压千斤顶与第二液压油缸内下端的第一活塞连接，第二液压油缸上端穿过反力架底部、下座压板后与后压头相接触。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述活塞换压系统包括第一压力表、第二活塞、第三活塞、第一液压油缸、第一螺旋阀门、第二螺旋阀门、第三油管阀门、第二排气孔、第三排气孔，所述第二液压油缸侧壁上的接口通过第三输油管与第一液压油缸一端连接，第一液压油缸与第三输油管连接的一端开有第二排气孔和第三排气孔，第一液压油缸与第三输油管连接的一端采用可拆卸结构，通过第一螺旋阀门、第二螺旋阀门将第一液压油缸和第三输油管固定连接；，第三输油管内远离第二液压油缸一侧设有第二活塞，第二活塞与第一液压油缸内的第三活塞固定连接，第四输油管一端与第三输油管连通，第四输油管另一端与试验舱连通，第四输油管上设有第三油管阀门和第五油管阀门，第一液压油缸另一端通过第五输油管与第四输油管上的接口连通，且第五输油管与第四输油管的接口位置位于第三油管阀门和第五油管阀门之间，第五输油管上设有第一压力表；所述第二活塞与第三活塞面积不同，通过调换不同面积的第二活塞和第三活塞实现对试件不同的围压与轴压比。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述第三输油管与第二液压油缸侧壁上的接口连接处采用可拆卸连接并通过第一垫块螺母和第二垫块螺母固定，第三输油管与第四输油管连接处采用可拆卸连接并通过第三垫块螺母和第四垫块螺母固定，第四输油管与第五输油管连接处采用可拆卸连接并通过第五垫块螺母和第六垫块螺母固定。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述第二输油管中部通过第七垫块螺母与反力架左侧固定相连，第二输油管穿过左侧反力架且靠近第七垫块螺母位置处依次设有第一螺口、第一双通开关和第二螺口；所述第五输油管中部通过第八垫块螺母与反力架右侧固定相连，第五输油管通过右侧反力架且靠近第八垫块螺母位置处依次设有第三螺口、第二双通开关和第四螺口；在试验之前，第二螺口与第二输油管保持断离状态，第三螺口与第五输油管保持断离状态；装机时，要将第二螺口与第三螺口拧紧，使第二螺口与第二输油管保持闭合状态，第三螺口与第五输油管保持闭合状态；在注油时，要打开第一双通开关和第二双通开关。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，所述第一输油管、第二输油管、第三输油管、第四输油管、第五输油管均采用透明软管。

一种调控岩石试件围压与轴压比例的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试件的安装：进行试验前所有阀门处于关闭状态，第二螺口与第二输油管保持断离状态，第三螺口与第五输油管保持断离状态，打开第一动力装置，拉轴器作用，伸缩轴向上拉伸，试验舱向上移动，将岩石试件放置在后压头上，然后关闭第一动力装置，通过拉轴器作用，让试验舱放下，完成试件安装；

步骤二、装机：首先选好第二活塞和第三活塞的规格，拧开第一垫块螺母、第二垫块螺母、第五垫块螺母和第六垫块螺母，将活塞换压装置放入第二液压油缸侧壁上的接口与第四输油管上的接口中；放置完毕后，拧紧第一垫块螺母、第二垫块螺母、第五垫块螺母和第六垫块螺母，将第二螺口与第三螺口拧紧，使第二螺口与第二输油管保持闭合状态，第三螺口与第五输油管保持闭合状态；

步骤三、注油：打开空气泵，打开第一油管阀门、第二油管阀门、第三油管阀门、第四油管阀门和第五油管阀门，打开第一双通开关和第二双通开关，第一油箱中的液压油注入实验舱中，直到将试验舱注满油；待观测到液压油从试验舱上部流入第一油箱，表明试验舱为注满状态，并且第二油箱中也注满了液压油；之后，关闭第一油管阀门、第二油管阀门、第三油管阀门和第四油管阀门，关闭空气泵；

步骤四、预加载：打开第一油管阀门和第五油管阀门，打开第二动力装置控制液压千斤顶向第二液压油缸进行轴向加载，通过第二压力表确定加载数值，首先施加轴压P

步骤五、加载：打开第一油管阀门和第五油管阀门，打开第二动力装置控制液压千斤顶向第二液压油缸进行轴向加载，通过第二压力表确定加载数值；施加到设定值，关闭第二动力装置，停止加载；液压千斤顶在对第二液压油缸施加轴力的同时，也对活塞换压装置施加一个侧向压力，由于活塞换压装置的第二活塞的面积S

步骤六、读数并测定岩石围压P

步骤七、回油：试验结束后，关闭第一油管阀门和第五油管阀门，过剩液压油因为重力作用通过第一输油管汇集到第一油箱中，试验结束。

上述调控岩石试件围压与轴压比例的试验方法，所述步骤二中，若要调换不同型号不同面积的活塞实现对岩石试件不同的围压与轴压比，先拧开第一垫块螺母、第二垫块螺母、第三垫块螺母、第四垫块螺母、第五垫块螺母和第六垫块螺母，打开第一螺旋阀门和第二螺旋阀门，通过调换不同规格的第二活塞和第三活塞，实现对岩石试件围压与轴压比的控制改变；

所述步骤六中，可采用另一种方法测定岩石围压P

本发明的有益效果在于：本发明的活塞换压系统能够控制试件围压与轴压的比例，弥补了现有机器设备不能精确调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置的技术空白，改进后的设备性能更加优越，更加简便易行，操作方法也较为便捷。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图。

图2为图1中活塞换压系统的结构示意图。

图3为图1中第二液压油缸侧壁上的接口的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-图3所示，一种调控岩石试件围压与轴压比例的试验装置，包括放置在反力架24上，用于放置试件30的试验舱，所述试验舱为由上座压板32、下座压板13、左座侧压板15、右座侧压板19围合而成的密封箱体结构；用于拉起或放下试验舱进行拆卸安装试件30的试件变换系统；用于给试件30施加轴力的轴压系统；用于实现试件30不同围压与轴压比的活塞换压系统；用于将液压油注入到试验舱和活塞换压系统中的注油系统。

所述注油系统包括第一油管阀门14、第一排气孔20、第一油箱21、第二油管阀门22、空气泵23、第四油管阀门37，所述第一油箱21底部通过第一输油管29连通试验舱，第一输油管29上依次设有第二油管阀门22、空气泵23、第四油管阀门37，试验舱顶部通过第二输油管50与第一油箱21顶部连通，第二输油管上设有第一油管阀门14，第一油箱21顶部设有第一排气孔20。

所述试件变换系统包括第一动力装置9、拉轴器10、伸缩轴12、上座17、上座垫头18、前压头25、后压头26，所述拉轴器10固定安装在反力架24顶部，第一动力装置9与拉轴器10相连，所述伸缩轴12底端固定安装在上座压板32上，伸缩轴12顶端与拉轴器10相连，所述上座17固定安装在上座压板32上，上座17底部设有上座垫头18，上座垫头18底部设有前压头25，所述后压头26放置在下座压板13上且位于前压头25正下方，前压头25与后压头26之间留有用于放置试件30的空间。

所述轴压系统包括液压千斤顶1、第一活塞2、第二液压油缸11、第二动力装置16、第二压力表27，所述第二动力装置16通过管道与液压千斤顶1连接，管道上设有第二压力表27，液压千斤顶1与第二液压油缸11内下端的第一活塞2连接，第二液压油缸11上端穿过反力架24底部、下座压板13后与后压头26相接触。轴压系统通过是液压千斤顶1对第二液压油缸11施力，第二液压油缸11施压给后压头26，从而给试件30施加轴力，同时作用于活塞换压系统变换围压，第二压力表27用来测定轴压值F1。

所述活塞换压系统包括第一压力表3、第二活塞4、第三活塞5、第一液压油缸6、第一螺旋阀门7、第二螺旋阀门8、第三油管阀门28、第二排气孔40、第三排气孔41、第五油管阀门38，所述第二液压油缸11侧壁上的接口通过第三输油管51与第一液压油缸6一端连接，第一液压油缸6与第三输油管51连接的一端开有第二排气孔40和第三排气孔41，活塞换压系统通过第二排气孔40和第三排气孔41与外界大气相连，第二排气孔40和第三排气孔41设置在最左侧，因而不会产生液压油的泄露；第一液压油缸6与第三输油管51连接的一端采用可拆卸结构，通过第一螺旋阀门7、第二螺旋阀门8将第一液压油缸6和第三输油管51固定连接；第三输油管51远离第二液压油缸11一侧设有第二活塞4，第二活塞4与第一液压油缸6内的第三活塞5固定连接，第四输油管52一端与第三输油管51连通，第四输油管52另一端与试验舱连通，第四输油管52上设有第三油管阀门28和第五油管阀门38，第一液压油缸6另一端通过第五输油管53与第四输油管52上的接口连通，且第五输油管53与第四输油管52的接口位置位于第三油管阀门28和第五油管阀门38之间，第五输油管53上设有第一压力表3，第一压力表3主要是来校正围压值；所述第二活塞4与第三活塞5面积不同，通过调换不同面积的第二活塞4和第三活塞5实现对试件30不同的围压与轴压比。

所述第三输油管51与第二液压油缸11侧壁上的接口连接处采用可拆卸连接并通过第一垫块螺母31和第二垫块螺母33固定，第三输油管51与第四输油管52连接处采用可拆卸连接并通过第三垫块螺母34和第四垫块螺母35固定，第四输油管51与第五输油管53连接处采用可拆卸连接并通过第五垫块螺母36和第六垫块螺母39固定。

所述第二输油管50中部通过第七垫块螺母44与反力架24左侧固定相连，第二输油管50穿过左侧反力架24且靠近第七垫块螺母44位置处依次设有第一螺口42、第一双通开关43和第二螺口45；所述第五输油管53中部通过第八垫块螺母46与反力架24右侧固定相连，第五输油管53通过右侧反力架24且靠近第八垫块螺母46位置处依次设有第三螺口47、第二双通开关48和第四螺口49。在试验之前，第二螺口45与第二输油管50保持断离状态，第三螺口47与第五输油管53保持断离状态。装机时，要将第二螺口45与第三螺口47拧紧，使第二螺口45与第二输油管50保持闭合状态，第三螺口47与第五输油管53保持闭合状态。在注油时，要打开第一双通开关43和第二双通开关48。

所述第一输油管29、第二输油管50、第三输油管51、第四输油管52、第五输油管53均采用透明软管。

一种调控岩石试件围压与轴压比例的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试件的安装：进行试验前所有阀门处于关闭状态，第二螺口45与第二输油管50保持断离状态，第三螺口47与第五输油管53保持断离状态，打开第一动力装置9，拉轴器10作用，伸缩轴12向上拉伸，试验舱向上移动，将岩石试件30放置在后压头26上，然后关闭第一动力装置9，通过拉轴器10作用，让试验舱放下，完成试件30安装。

步骤二、装机：首先选好第二活塞4和第三活塞5的规格，拧开第一垫块螺母31、第二垫块螺母33、第五垫块螺母36和第六垫块螺母39，将活塞换压装置放入第二液压油缸11侧壁上的接口与第四输油管上的接口中；放置完毕后，拧紧第一垫块螺母31、第二垫块螺母33、第五垫块螺母36和第六垫块螺母39，将第二螺口45与第三螺口47拧紧，使第二螺口45与第二输油管50保持闭合状态，第三螺口47与第五输油管53保持闭合状态。

若要调换不同型号不同面积的活塞实现对岩石试件30不同的围压与轴压比，先拧开第一垫块螺母31、第二垫块螺母33、第三垫块螺母34、第四垫块螺母35、第五垫块螺母36和第六垫块螺母39，打开第一螺旋阀门7和第二螺旋阀门8，通过调换不同规格的第二活塞4和第三活塞5，实现对岩石试件30围压与轴压比的控制改变。

步骤三、注油：打开空气泵23，打开第一油管阀门14、第二油管阀门22、第三油管阀门28、第四油管阀门37和第五油管阀门38，打开第一双通开关43和第二双通开关48，第一油箱21中的液压油注入实验舱中，直到将试验舱注满油；待观测到液压油从试验舱上部流入第一油箱21，表明试验舱为注满状态，并且第二油箱中也注满了液压油；之后，关闭第一油管阀门14、第二油管阀门22、第三油管阀门28和第四油管阀门37，关闭空气泵23。

步骤四、预加载：打开第一油管阀门14和第五油管阀门38，打开第二动力装置16控制液压千斤顶1向第二液压油缸11进行轴向加载，通过第二压力表27确定加载数值，首先施加轴压P1为1MP，然后观测第一压力表3的值，计算围压P3的数值；按照活塞换压装置的第二活塞4的面积S2与第三活塞5的面积S3的比例关系，直接通过第二压力表27按照力的平衡公式直接计算围压P3的数值，再次施加轴压P1为2MP、3MP，重复上面的操作；若三次计算的围压P3的数值结果在误差允许范围，保持基本一致，说明仪器调试基本准确；预加载结束后，关闭第一油管阀门14和第五油管阀门38。

参考公式:

F

步骤五、加载：打开第一油管阀门14和第五油管阀门38，打开第二动力装置16控制液压千斤顶1向第二液压油缸11进行轴向加载，通过第二压力表27确定加载数值；施加到设定值，关闭第二动力装置16，停止加载；液压千斤顶1在对第二液压油缸11施加轴力的同时，也对活塞换压装置施加一个侧向压力，由于活塞换压装置的第二活塞4的面积S

步骤六、读数并测定岩石围压P

可采用另一种方法测定岩石围压P

步骤七、回油：试验结束后，关闭第一油管阀门14和第五油管阀门38，过剩液压油因为重力作用通过第一输油管29汇集到第一油箱21中，试验结束。

实施例1

试验方法包括如下步骤：

1、试件的安装：选取要测的岩石材料，经过工厂特殊加工，制成长为100mm,直径为50mm的圆柱体。在试验开始前，所有阀门都处于关闭状态。第二螺口45与第二输油管50保持断离状态，第三螺口47与第五输油管53保持断离状态。打开第一动力装置9，在拉轴器10作用下，伸缩轴12向上拉伸，试验舱缓缓向上移动，将岩石试件30放置在后压头26上，之后要关闭第一动力装置9，通过拉轴器10作用，让试验舱徐徐放下，直至试验舱紧贴下座压板13，试件30安装完成。

2、装机：活塞换压装置选第二活塞4的直径为20mm，第三活塞5的直径为40mm，第二活塞4与第三活塞5的面积比为1:4。拧开第一垫块螺母31、第二垫块螺母33、第五垫块螺母36和第六垫块螺母39，将换好活塞的一整套活塞换压装置放入第二液压油缸11侧壁上的接口与第四输油管上的接口中。放置完毕后，拧紧第一垫块螺母31、第二垫块螺母33、第五垫块螺母36和第六垫块螺母39，装机完成。将第二螺口45与第三螺口47拧紧，使第二螺口45与第二输油管50保持闭合状态，第三螺口47与第五输油管53保持闭合状态。

3、注油：打开空气泵23，打开第一双通开关43和第二双通开关48，打开第一油管阀门14、第二油管阀门22、第三油管阀门28、第四油管阀门37和第五油管阀门38，要保证试验舱注满油。由于各输油管是透明可见的，可以观测到液压油的流动，观测到液压油从试验舱上部流入第一油箱21，表明试验舱为注满液压油的状态。之后，关闭第一油管阀门14、第二油管阀门22、第三油管阀门28和第四油管阀门37，关闭空气泵23，注油完成。

4、预加载：打开第一油管阀门14和第五油管阀门38，打开第二动力装置16控制液压千斤顶1向第二液压油缸11缓慢进行轴向加载，通过第二压力表27确定加载数值，首先施加轴压P

5、加载：打开第一油管阀门14和第五油管阀门38，打开第二动力装置16控制液压千斤顶1向第二液压油缸11缓慢进行轴向加载，通过第二压力表27确定加载数值。液压千斤顶1在对第二液压油缸11施加轴力的同时，也对活塞换压装置施加一个侧向压力。本次试验要求施加轴压P

6、读数并测定岩石围压P

7、回油：试验结束后，关闭第一油管阀门14和第五油管阀门38，过剩液压油因为重力作用通过第一输油管29汇集到第一油箱21中，试验结束。

实施例2

本实施例采用与实施例1基本相同的实施方式，不同之处在于：在步骤2中的活塞换压装置选第二活塞4的直径为20mm，第三活塞5的直径为30mm，第二活塞4与第三活塞5的面积比为4:9。最后测出围岩石压P

实施例3

本实施例采用与实施例1基本相同的实施方式，不同之处在于：在步骤2中的活塞换压装置选第二活塞4的直径为20mm，第三活塞5的直径为50mm，第二活塞4与第三活塞5的面积比为4:25。最后测出围岩石压P