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三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法

阅读：479发布：2020-05-13

专利汇可以提供三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法。该测试方法包括：提供试样以及测试装置；将试样放置在第一加载板和第二加载板之间；调整围压腔室内的液压油对试样产生的水平应力，以及轴向加载机构对试样施加的轴向应力，直至水平应力和轴向应力平衡；调整围压腔室的内部温度和目标温度一致，并使试样表面以及其内部温度均匀；通过轴向加载机构对第一加载板继续加载轴向压力，待轴向压力有明显跌落，试样破坏，立即停止加载，试验结束，获取轴向加载机构的最大轴向压力；根据公式计算得到岩石试样在三维应力状态下的间接拉伸强度。本发明可获取试样的变形破坏过程，使测试结果更加准确，对实际岩石工程设计具有重要意义。，下面是三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
提供试样(14)以及测试装置，其中，所述测试装置包括围压腔室(1)、轴向加载机构、第一加载板(16)以及第二加载板(17)，所述围压腔室(1)内可填充有液压油，所述轴向加载机构安装在所述围压腔室(1)的顶部，所述轴向加载机构的伸缩端可操作性地在所述围压腔室(1)内伸缩，所述第一加载板(16)设置在所述轴向加载机构的伸缩端的正下方，所述第二加载板(17)固定设置在所述围压腔室(1)的底部上侧，所述第二加载板(17)和所述第一加载板(16)相对设置，所述第一加载板(16)和所述第二加载板(17)相对的一侧设置有凹槽；
将所述试样(14)放置在所述第一加载板(16)和所述第二加载板(17)之间；
调整围压腔室(1)内的液压油对所述试样(14)产生的水平应力，以及所述轴向加载机构对所述试样施加的轴向应力，直至所述水平应力和所述轴向压力平衡；
调整围压腔室(1)的内部温度和目标温度一致，并使所述试样表面以及其内部温度均匀；
通过所述轴向加载机构对所述第一加载板(16)继续加载轴向压力，所述第一加载板(16)将轴向压力以荷载的形式传递到所述试样(14)上，并在所述试样(14)内部转化为所述试样(14)的间接拉伸应力；
待所述轴向压力有明显跌落，所述试样破坏，立即停止加载，试验结束，获取所述轴向加载机构的最大轴向压力；
根据公式计算得到岩石试样在三维应力状态下的间接拉伸强度，所述公式为：
式中，σt为间接拉伸强度，Pmax为获取所述轴向加载机构的最大轴向压力，D为试样直径，t为试样高度。
2.根据权利要求1所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述围压腔室(1)包括围压筒(3)、底座(2)以及轴压筒(8)，其中，所述围压筒(3)安装在所述底座(2)的顶部上，所述轴压筒(8)安装在所述围压筒(3)的顶部上，所述围压筒(3)、所述底座(2)以及所述轴压筒(8)围成所述围压腔室(1)，所述底座上设置有围压加载管路(5)，所述围压加载管路(5)的外端开设在所述底座的外周面上，所述围压加载管路(5)的内端和所述围压腔室(1)相通，所述轴压筒(8)上设置有排气管路(6)，所述排气管路(6)的外端设置在所述轴压筒(8)的外周面上，所述排气管路的内端和所述围压腔室(1)相通。
3.根据权利要求2所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述轴压筒(8)的顶部上设置盖板(7)，所述轴压筒(8)内活动设置有活塞(9)，所述活塞(9)为所述轴向加载机构，所述活塞(9)的两端分别活动穿过所述盖板(7)以及所述轴压筒(8)的底部，所述盖板(7)、所述轴压筒(8)以及所述活塞(9)围成第一轴压腔(13)，所述轴压筒(8)、所述轴压筒(8)的底部以及所述活塞(9)围成第二轴压腔(24)，所述盖板(7)上设置有轴压加载管路(10)，所述轴压加载管路(10)的外端设置在所述盖板(7)的外周面上，所述轴压加载管路(10)的内端和所述第一轴压腔(13)相通，所述轴压筒(8)上设置有轴压排气管路(11)，所述轴压排气管路(11)的外端设置在所述轴压筒(8)的外周面上，所述轴压排气管路(11)的内端和所述第二轴压腔(24)相通，所述活塞(9)内设置有输送管路，所述输送管路的两端分别和所述围压腔室(1)以及所述第一轴压腔(13)相通。
4.根据权利要求2所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述试样(14)为圆盘试样，所述试样(14)的中心轴为水平方向。
5.根据权利要求4所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述试样(14)的轴向两端均粘贴耐高温应变片，所述试样(14)的表面以及所述高温应变片的外部均涂抹有密封胶(15)。
6.根据权利要求4所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述凹槽为弧形凹槽，所述弧形凹槽的中心轴和所述试样的中心轴平行设置，所述试样可与所述第一加载板和所述第二加载板线接触。
7.根据权利要求1所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述第一加载板(16)和所述第二加载板(17)相对的一侧之间间隔设置有多个导向杆(18)，多个所述导向杆的一端固定设置在所述第二加载板(17)上，多个所述导向杆的另一端可活动插入到所述第一加载板(16)相对所述第二加载板(17)的一侧。
8.根据权利要求5所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述围压腔室(1)内设置有数据线插口(19)，所述数据线插口(19)和所述试样(14)的轴向两端的耐高温应变片连接，所述数据线插口(19)设置在所述底座(2)上，所述底座(2)内设置有数据线通道，所述底座(2)的外侧面设置有数据线传输口(20)，所述数据线插口(19)和所述数据线传输口(20)分别设置在所述数据线通道的两端，所述数据线通道内设置有连接所述数据线插口(19)和所述数据线传输口(20)的数据线。
9.根据权利要求2所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述围压筒(3)的外周面上包裹有设置有加热元件(21)，所述围压腔室(1)内设置有热电偶(23)，所述热电偶(23)固定设置在所述底座上。
10.根据权利要求9所述的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，其特征在于，所述测试装置的外部包裹有保温罩(22)。

说明书全文

三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法。

背景技术

[0002] 岩石材料的间接拉伸强度是油气开采、水利水电等工程中的重要参数，相较于抗压强度，岩石材料的间接拉伸强度较低且极易在张拉作用下发生破坏。岩石材料的间接拉伸强度一般通过巴西劈裂试验进行测试，该方法测试步骤简单、应用广泛，测试结果对于实际工程具有一定的参考性，传统的巴西劈裂试验是在二维应力状态下进行的。

[0003] 然而，随着煤炭、油气资源储层逐渐向深部发展，处于深部地层的岩石均受到三维地层应力作用，三维应力状态下的间接拉伸强度对于实际的岩石工程设计更具有重要意义，而现有技术中缺少在三维应力状态下测试岩石间接拉伸强度的方法。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，以获取三维应力状态下的间接拉伸强度值。

[0005] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

[0006] 一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，所述测试方法包括：

[0007] 提供试样以及测试装置，其中，所述测试装置包括围压腔室、轴向加载机构、第一加载板以及第二加载板，所述围压腔室内可填充有液压油，所述轴向加载机构安装在所述围压腔室的顶部，所述轴向加载机构的伸缩端可操作性地在所述围压腔室内伸缩，所述第一加载板设置在所述轴向加载机构的伸缩端的正下方，所述第二加载板固定设置在所述围压腔室的底部上侧，所述第二加载板和所述第一加载板相对设置，所述第一加载板和所述第二加载板相对的一侧设置有凹槽；

[0008] 将所述试样放置在所述第一加载板和所述第二加载板之间；

[0009] 调整围压腔室内的液压油对所述试样产生的水平应力，以及所述轴向加载机构对所述试样施加的轴向应力，直至所述水平应力和所述轴向应力平衡；

[0010] 调整围压腔室的内部温度和目标温度一致，并使所述试样表面以及其内部温度均匀；

[0011] 通过所述轴向加载机构对所述第一加载板继续加载轴向压力，所述第一加载板将轴向压力以荷载的形式传递到所述试样上，并在所述试样内部转化为所述试样的间接拉伸应力；

[0012] 待所述轴向压力有明显跌落，所述试样破坏，立即停止加载，试验结束，获取所述轴向加载机构的最大轴向压力；

[0013] 根据公式计算得到岩石试样在三维应力状态下的间接拉伸强度，所述公式为：式中，σt为间接拉伸强度，Pmax为获取所述轴向加载机构的最大轴向压力，D为试样直径，t为试样高度。

[0014] 进一步地，所述围压腔室包括围压筒、底座以及轴压筒，其中，所述围压筒安装在所述底座的顶部上，所述轴压筒安装在所述围压筒的顶部上，所述围压筒、所述底座以及所述轴压筒围成所述围压腔室，所述底座上设置有围压加载管路，所述围压加载管路的外端开设在所述底座的外周面上，所述围压加载管路的内端和所述围压腔室相通，所述轴压筒上设置有排气管路，所述排气管路的外端设置在所述轴压筒的外周面上，所述排气管路的内端和所述围压腔室相通。

[0015] 进一步地，所述轴压筒的顶部上设置盖板，所述轴压筒内活动设置有活塞，所述活塞为所述轴向加载机构，所述活塞的两端分别活动穿过所述盖板以及所述轴压筒的底部，所述盖板、所述轴压筒以及所述活塞围成第一轴压腔，所述轴压筒、所述轴压筒的底部以及所述活塞围成第二轴压腔，所述盖板上设置有轴压加载管路，所述轴压加载管路的外端设置在所述盖板的外周面上，所述轴压加载管路的内端和所述第一轴压腔相通，所述轴压筒上设置有轴压排气管路，所述轴压排气管路的外端设置在所述轴压筒的外周面上，所述轴压排气管路的内端和所述第二轴压腔相通，所述活塞内设置有输送管路，所述输送管路的两端分别和所述围压腔室以及所述第一轴压腔相通。

[0016] 进一步地，所述试样为圆盘试样，所述试样的中心轴为水平方向。

[0017] 进一步地，所述试样的轴向两端均粘贴耐高温应变片，所述试样的表面以及所述高温应变片的外部均涂抹有密封胶。

[0018] 更进一步地，所述凹槽为弧形凹槽，所述弧形凹槽的中心轴和所述试样的中心轴平行设置，所述试样可与所述第一加载板和所述第二加载板线接触。

[0019] 进一步地，所述第一加载板和所述第二加载板相对的一侧之间间隔设置有多个导向杆，多个所述导向杆的一端固定设置在所述第二加载板上，多个所述导向杆的另一端可活动插入到所述第一加载板相对所述第二加载板的一侧。

[0020] 进一步地，所述围压腔室内设置有数据线插口，所述数据线插口和所述试样的轴向两端的耐高温应变片连接，所述数据线插口设置在所述底座上，所述底座内设置有数据线通道，所述底座的外侧面设置有数据线传输口，所述数据线插口和所述数据线传输口分别设置在所述数据线通道的两端，所述数据线通道内设置有连接所述数据线插口和所述数据线传输口的数据线。

[0021] 进一步地，所述围压筒的外周面上包裹有设置有加热元件，所述围压腔室内设置有热电偶，所述热电偶固定设置在所述底座上。

[0022] 更进一步地，所述测试装置的外部包裹有保温罩。

[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] 本发明所提供的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，由于是将试样在具有围压和轴压的测试装置进行岩石间接拉伸强度测试的，可以按照实际地层环境进行温度-应力耦合条件下的间接拉伸强度测量，测试步骤简单，可以获取试样的变形破坏过程，使测试结果更加准确，对实际岩石工程设计具有重要意义。附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0026] 图1为本发明实施例的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试装置的结构示意图；

[0027] 图2为本发明实施例的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法的流程示意图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 首先，本发明实施例提供了一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试装置。

[0030] 图1为本发明实施例的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试装置的结构示意图，结合图1，该测试装置包括围压腔室1、轴向加载机构、第一加载板16以及第二加载板17，其中，围压腔室1内可填充有液压油，轴向加载机构安装在围压腔室1的顶部，轴向加载机构的伸缩端可操作性地在围压腔室1内伸缩，第一加载板16设置在轴向加载机构的伸缩端的正下方，第二加载板17固定设置在围压腔室1的底部上侧，第二加载板17和第一加载板
16相对设置，第一加载板16和第二加载板17相对的一侧设置有凹槽，试样14即可放置在第二加载板17和第一加载板16之间的凹槽中，即第一加载板16放置在试样14的上侧，通过向围压腔室1内填充液压油，以模拟围压，通过轴向加载机构向试样14施加轴向压力，以进行岩石间接拉伸强度测试，并通过调整围压腔室的内部温度，即可以在该测试装置中按照实际地层环境进行温度-应力耦合条件下的间接拉伸强度测量。

[0031] 结合图1，本发明实施例的围压腔室1包括围压筒3、底座2以及轴压筒8，其中，围压筒3安装在底座2的顶部上，轴压筒8安装在围压筒3的顶部上，围压筒3、底座2以及轴压筒8围成围压腔室1，底座上设置有围压加载管路5，围压加载管路5的外端开设在底座的外周面上，围压加载管路5的内端和围压腔室1相通，轴压筒8上设置有排气管路6，排气管路6的外端设置在轴压筒8的外周面上，排气管路6的内端和围压腔室1相通，这样可以通过排气管路6和围压加载管路5的相互配合，以在围压腔室1内注入合适压力的液压油。

[0032] 进一步地，结合图1，本发明实施例中，底座2的顶部设置有第一凸起，该第一凸起在底座2上形成阶梯，围压筒3的下端套装在该第一凸起上，围压筒3的下端和第一凸起之间设置有多道密封圈，以保证二者之间的密封性；而轴压筒8的底部设置有和第一凸起对应的第二凸起，围压筒3的上端套装在该第二凸起上，围压筒3的上端和第二凸起之间也设置有多道密封圈，以保证二者之间的密封性；且，围压筒3的两端分别顶靠在底座2和轴压筒8上，轴压筒8和底座2之间通过多个间隔的连接螺杆4连接，围压筒3设置在多个连接螺杆4之间，以实现围压筒3、底座2以及轴压筒8的装配。

[0033] 结合图1，本发明实施例中，轴压筒8的顶部上设置盖板7，轴压筒8内活动设置有活塞9，活塞9即为上述轴向加载机构，活塞9的两端分别活动穿过盖板7以及轴压筒8的底部，盖板7、轴压筒8以及活塞9围成第一轴压腔13，轴压筒8、轴压筒8的底部以及活塞9围成第二轴压腔24，盖板7上设置有轴压加载管路10，轴压加载管路10的外端设置在盖板7的外周面上，轴压加载管路10的内端和第一轴压腔13相通，轴压筒8上设置有轴压排气管路11，轴压排气管路11的外端设置在轴压筒8的外周面上，轴压排气管路11的内端和第二轴压腔24相通，且，活塞9内设置有输送管路，输送管路的两端分别和围压腔室1以及第一轴压腔13相通，通过向轴压加载管路10、轴压排气管路11以及输送管路的相互配合，可以控制活塞9的轴向移动，以向岩石施加轴向压力，以进行岩石间接拉伸强度测试。

[0034] 进一步地，结合图1，本发明实施例中，盖板7可以通过多个间隔设置的固定螺栓12，实现盖板7和轴压筒8的连接，而盖板7的底部也具有一个第三凸起，轴压筒8的上端套装在该第三凸起上，轴压筒8的上端和第三凸起之间也设置有多道密封圈，以保证二者的密封性；另外，活塞和轴压筒8之间，同样也设置有多道密封圈，以保证二者之间的密封性。

[0035] 结合图1，本发明实施例中，第二加载板17和第一加载板16上的凹槽为弧形凹槽，而试样14为圆盘试样，试样14放在测试装置中时，试样14的中心轴为水平方向，弧形凹槽的中心轴和试样14的中心轴平行设置，试样14可与第一加载板16和第二加载板17线接触，这样，当第一加载板16向试样施加轴压力时，轴向应力以线荷载的形式传递给试样14，并将轴向压应力转化为试样内部的拉应力，使试样由于间接受拉而破坏。。

[0036] 进一步地，结合图1，本发明实施例中，第一加载板16和第二加载板17相对的一侧之间间隔设置有多个导向杆18，多个导向杆的一端固定设置在第二加载板17上，多个导向杆的另一端可活动插入到第一加载板16相对第二加载板17的一侧，这样可以对第一加载板16的移动进行导向，以保证第一加载板16运行的稳定性。

[0037] 结合图1，本发明实施例中，试样14的轴向两端均粘贴耐高温应变片，用于获取试样的变形破坏过程，而试样14的表面以及高温应变片的外部均涂抹有密封胶15，以避免试样直接与液压油接触。

[0038] 进一步地，结合图1，本发明实施例中，围压腔室1内设置有数据线插口19，数据线插口19和试样14的轴向两端的耐高温应变片连接，数据线插口19设置在底座2上，用于采集高温应变片的变形信息，底座2内设置有数据线通道，底座2的外侧面设置有数据线传输口20，数据线插口19和数据线传输口20分别设置在数据线通道的两端，数据线通道内设置有连接数据线插口19和数据线传输口20的数据线，以将试样变形信息传输至外部控制系统。

[0039] 结合图1，本发明实施例中，围压筒3的外周面上包裹有设置有加热元件21，用于对围压腔室1加热，围压腔室1内设置有热电偶23，热电偶23固定设置在底座2上，用于实时监测围压腔室1内部温度。另外，测试装置的外部包裹有保温罩22，用于使装置在测试过程中保持恒温，减少散热。

[0040] 基于上述三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试装置，本发明实施例还提供了一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法。

[0041] 图2为本发明实施例的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法的流程示意图，结合图2，该测试方法包括：

[0042] S1：提供试样14以及上述测试装置，具体地，该试样14为直径50mm、高度25mm的圆盘型试样；

[0043] S2：将试样14放置在第一加载板16和第二加载板17之间；

[0044] S3：调整围压腔室1内的液压油对试样14产生的水平应力，以及轴向加载机构对试样施加的轴向应力，直至水平应力和轴向应力平衡，具体地：

[0045] 打开围压腔室1上部的排气管路6，通过围压加载管路5向围压室内部充油，待排气管路6有液压油溢出，应及时关闭排气管路6；围压加载管路5继续加压，给试样施加水平应力，围压腔室1内的液压油可以通过活塞9底部的输送管路进入到第一轴压腔13内，使轴压缸8内部的活塞9缓慢向下移动并产生轴向应力，直至与围压腔室1内部压力达到平衡，此时试样处于三维应力状态，并通过和围压加载管路5连接的伺服泵保持压力恒定。

[0046] S4：调整围压腔室1的内部温度和目标温度一致，并使试样表面以及其内部温度均匀，具体包括：

[0047] 按照实际地层温度环境通过加热元件21给试样加温，通过围压腔室1内部的热电偶23实时监测温度，待温度达到目标值需保持一段时间，使试样表面及其内部温度均匀。

[0048] S5：通过轴向加载机构对第一加载板16继续加载轴向压力，第一加载板16将轴向压力以线荷载的形式传递到试样14上，并在试样14内部转化为试样14的间接拉伸应力；

[0049] S6：待轴向压力有明显跌落，试样破坏，立即停止加载，试验结束，获取轴向加载机构的最大轴向压力；

[0050] S7：根据公式计算得到岩石试样在三维应力状态下的间接拉伸强度，公式为：式中，σt为间接拉伸强度，Pmax为获取轴向加载机构的最大轴向压力，D为试样直径，t为试样高度。

[0051] 综上所述，本发明所提供的一种三维应力状态下岩石间接拉伸强度测试方法，由于是将试样在具有围压和轴压的测试装置进行岩石间接拉伸强度测试的，可以按照实际地层环境进行温度-应力耦合条件下的间接拉伸强度测量，测试步骤简单，可以获取试样的变形破坏过程，使测试结果更加准确，对实际岩石工程设计具有重要意义。

[0052] 以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

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