岩石变形试验装置和岩石围压获取方法

技术领域

本发明涉及围压试验装置领域，具体涉及一种岩石变形试验装置和岩石围压获取方法。

背景技术

围压是指岩石的周围岩石对它施加的压力。围压是用于了解破碎岩石变形特性的重要指标，以进一步分析覆岩的沉降量或地表沉陷量，并为覆岩注浆减沉和采空区充填工程提供试验依据。

相关技术中，围压率定装置设有环绕岩芯的压力油腔，通过压力油腔对岩芯施加围压，通过岩芯内的应变计获取岩芯的变形量。但是，相关技术中的围压率定装置由于设有压力油腔。导致结构较为复杂，同时，相关技术中的围压率定装置仅适用于整体的岩芯，无法适用于破碎岩石。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种岩石变形试验装置，该岩石变形试验装置无需设置压力油腔就能够获取岩石的变形状况，结构简单，且能够适用于破碎岩石。

发明的实施例还提出一种岩石围压获取方法。

本发明实施例的岩石变形试验装置包括：

刚性件，所述刚性件具有沿第一方向延伸的第一内腔；

弹性件，所述弹性件具有沿所述第一方向延伸的第二内腔，所述第二内腔用于容纳岩石，所述弹性件设在所述第一内腔中，且所述弹性件与所述刚性件相抵；

施压件，所述施压件设在所述弹性件在所述第一方向的一侧，所述施压件用于对所述岩石施压；

止抵件，所述止抵件设在所述弹性件在所述第一方向的另一侧，以用于止抵所述岩石；

测量件，所述测量件设在所述弹性件上，以用于获取所述弹性件的变形量。

本发明实施例的岩石变形试验装置无需设置压力油腔就能够获取岩石的变形状况，结构简单且能够适用于破碎岩石。同时，岩石在岩石变形试验装置内受压时的状态更接近岩石在岩体环境中的状态，因此岩石变形试验装置获取的结果更接近岩石在岩体环境中的实际情况。

在一些实施例中，所述止抵件与所述刚性件相连，所述止抵件与所述弹性件在所述第一方向上的端面相抵。

在一些实施例中，所述测量件嵌设在所述弹性件内，所述刚性件具有沿第二方向贯穿所述刚性件的通孔，所述通孔用于所述弹性件和/或连接所述弹性件的线路通过。

在一些实施例中，所述测量件设在所述弹性件连接所述止抵件的一端，所述通孔设在所述刚性件连接所述止抵件的一端。

在一些实施例中，所述测量件为应变片，所述测量件为多个，多个所述测量件环绕所述第一方向间隔排布。

在一些实施例中，所述岩石变形试验装置还包括箍圈，所述箍圈设在所述第二内腔内，所述箍圈具有沿所述第一方向延伸的第三内腔，所述第三内腔用于容纳岩石，所述箍圈可绕所述第一方向伸缩移动。

在一些实施例中，所述箍圈与所述弹性件相抵，所述箍圈具有沿所述第一方向贯穿所述箍圈的开口。

在一些实施例中，所述箍圈具有在第一方向上相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面抵接所述止抵件，所述第二端面位于所述弹性件远离所述止抵件的一侧，所述施压件可伸入所述第三内腔。

本发明实施例的岩石围压获取方法包括：

将岩石放置在岩石变形试验装置内，所述岩石变形试验装置为上述任一项实施例所述的岩石变形试验装置；

所述施压件对所述岩石施压，所述测量件获取所述弹性件的内径变形量；

根据以下公式(1)计算获取所述岩石受到的围压σ

其中，ρ

A和C分别为常数，且A和C根据以下公式(2)计算获取：

其中，u

u

E为所述弹性件的材料弹性模量，

μ为所述弹性件的泊松比，

ρ

本发明实施例的岩石围压获取方法利用本发明实施例的岩石变形试验装置实施，操作简单且能够适用于破碎岩石。同时，由于岩石在岩石变形试验装置内受压时的状态更接近岩石在岩体环境中的状态，因此获取的围压更接近岩石在岩体环境中的实际情况。

在一些实施例中，所述岩石为破碎岩石，在将破碎岩石放置在岩石变形试验装置内之后，先使用振动台振动所述岩石变形试验装置，然后驱动所述施压件对所述岩石施压。

附图说明

图1是本发明实施例的岩石变形试验装置的部分结构示意图；

图2是图1中岩石变形试验装置的正剖视图；

图3是本发明实施例中施压件的正视图。

附图标记：

1.刚性件；11.通孔；2.弹性件；3.施压件；4.止抵件；5.箍圈；51.开口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图3描述根据发明实施例的岩石变形试验装置和岩石围压获取方法。

如图1-图3所示，本发明实施例的岩石变形试验装置包括刚性件1、弹性件2、施压件3、止抵件4和测量件。

刚性件1具有沿第一方向(如图1所示的上下方向)延伸的第一内腔。弹性件2具有沿第一方向延伸的第二内腔，第二内腔用于容纳岩石，弹性件2设在第一内腔中，且弹性件2与刚性件1相抵。施压件3设在弹性件2在第一方向的一侧，施压件3用于对岩石施压。止抵件4设在弹性件2在第一方向的另一侧，以用于止抵岩石。测量件设在弹性件2上，以用于获取弹性件2的变形量。

具体的，如图1-图3所示，刚性件1为沿上下方向延伸的圆形套筒，刚性件1具有沿上下方向贯穿刚性件1的第一内腔，刚性件1优选为钢材质。弹性件2为沿上下方向延伸的圆形套筒，弹性件2具有沿上下方向贯穿弹性件2的第二内腔，第二内腔用于容纳岩石，弹性件2设在第一内腔内，且弹性件2的外周面与刚性件1的内周面相抵，弹性件2优选为橡胶材质。

施压件3设在弹性件2的上侧，且施压件3的至少部分可相对于弹性件2沿上下方向移动，并能够进出第二内腔，以用于对岩石施加向下的压力。优选的，施压件3为设在压力机上的压头，压头底部的直径小于第二内腔的直径，以使压头底部能够进出第二内腔以施压。止抵件4设在弹性件2的下侧，以用于止抵在岩石的下端。

当施压件3对岩石施加向下的压力时，岩石在止抵件4的止抵下无法向下移动，只能够沿正交于上下方向的方向变形移动，换言之，是沿水平方向变形移动，从而对弹性件2的内周面施加压力，使弹性件2受压变形。测量件设在弹性件2上，以用于获取弹性件2的变形量，从而对岩石的变形情况进行分析，以获取岩石的变形特性。

本发明实施例的岩石变形试验装置无需设置压力油腔就能够获取岩石的变形状况，结构简单，并且岩石变形试验装置能够适用于破碎岩石，以对破碎岩石在三向压力状态下的蠕变变形进行模拟分析。同时，岩石在岩石变形试验装置内受压时的状态更接近岩石在岩体环境中的状态，因此岩石变形试验装置获取的结果更接近岩石在岩体环境中的实际情况。

在一些实施例中，止抵件4与刚性件1相连，止抵件4与弹性件2在第一方向上的端面相抵。

如图1和图2所述，止抵件4为底座，刚性件1设在止抵件4上，且优选与止抵件4为一体结构，止抵件4的顶面为平面，弹性件2的下端面与止抵件4的顶面相抵，以使止抵件4同时对岩石和弹性件2起到限位作用，避免弹性件2在岩石的压力作用下窜动而影响测量件获取的数据。

可以理解的是，止抵件不限于为底座，在另一些实施例中，止抵件为独立部件，且止抵件相对于刚性件位置固定，止抵件的上端伸入第二内腔内，以止抵岩石。

可以理解的是，止抵件的顶面不限于为平面，在另一些实施例中，止抵件的顶面具有凸出部，凸出部的直径与弹性件未受压时的内径相同，且凸出部伸入第二内腔中，以止抵岩石。

在一些实施例中，测量件嵌设在弹性件2内，刚性件1具有沿第二方向贯穿刚性件1的通孔11，通孔11用于弹性件2和/或连接弹性件2的线路通过。

如图2所示，刚性件1具有沿水平方向贯穿刚性件1筒壁的通孔11，弹性件2能够通过通孔11进入第一内腔，并嵌设在弹性件2内，以获取弹性件2的变形量，同时连接弹性件2的线路位于通孔11内，以传输弹性件2获取的数据。

在一些实施例中，测量件设在弹性件2连接止抵件4的一端，通孔11设在刚性件1连接止抵件4的一端。

如图2所示，止抵件4位于刚性件1的底部，且弹性件2的底部抵接止抵件4，测量件嵌设在弹性件2的底部，通孔11设在刚性件1的底部，以使测量件能够获取更精准的变形量。

可以理解的是，测量件不限于设在弹性件的底部，在另一些实施例中，测量件也可以设在弹性件的中部。

在一些实施例中，测量件为应变片，测量件为多个，多个测量件环绕第一方向间隔排布。

具体的，测量件为应变片，测量件为多个，多个测量件环绕上下方向间隔排布，换言之，多个测量件沿弹性件的周向间隔排布，以获取弹性件在周向上不同位置的变形量，通过多个测量件获取数据的平均值作为弹性件的变形量，提升数据的精度。

在一些实施例中，本发明实施例的岩石变形试验装置还包括箍圈5，箍圈5设在第二内腔内，箍圈5具有沿第一方向延伸的第三内腔，第三内腔用于容纳岩石，箍圈5可绕第一方向伸缩移动。

如图1和图2所示，箍圈5为沿上下方向延伸的筒体，且箍圈5可绕上下方向伸缩移动，箍圈5具有沿上下方向延伸的第三内腔，第三内腔用于容纳岩石。箍圈5设在第二内腔内，换言之，弹性件2环绕在箍圈5的外周。

施压件3的底部能够相对于箍圈5沿上下方向移动，以能够进入第三内腔中对岩石施加向下的压力，岩石在止抵件4的止抵作用下沿水平方向变形移动，从而对箍圈5施压，箍圈5受压绕上下方向伸展，并对弹性件2的内壁面施压，以使弹性件2受压变形。优选的，箍圈5为金属材质，更优选为铁材质。

在地下开采岩土工程中，采空区堆积的破碎岩石对上覆岩层的作用直接影响岩层移动和地表沉陷，而采空区堆叠的破碎岩石是处在三向应力状态下的，且其中的环向约束是变化的。而本发明实施例的岩石变形试验装置在使用过程中，箍圈对破碎岩石提供环向约束，由于箍圈能够绕上下方向伸缩移动，因此，箍圈对破碎岩石提供的环向约束是可变的，更接近破碎岩石的实际受压状态，因此本发明实施例的岩石变形试验装置能够获取更精准的试验结果。

在一些实施例中，箍圈5与弹性件2相抵，箍圈5具有沿第一方向贯穿箍圈5的开口51。

如图1和图2所示，箍圈5的外周面与弹性件2的内周面始终相抵，换言之，箍圈5在受压和非受压状态下均抵接弹性件2的内周面。

箍圈5具有沿上下方向贯穿箍圈5的开口51，优选的，箍圈5为板件绕上下方向形成的筒体，且箍圈5绕上下方向环绕小于一周，箍圈5在周向上的一端与另一端之间形成开口51，在箍圈5受到岩石的压力时，开口51增大，以使箍圈5绕上下方向伸展，并对弹性件2施加压力。

可以理解的是，箍圈不限于始终与弹性件的内壁面抵接，在一些实施例中，箍圈在非受压状态时，箍圈的外周面与弹性件的内周面之间具有间隙，箍圈在受压状态时，箍圈的外周面与弹性件的内周面相抵。

可以理解的是，箍圈的结构不限于如图1所示的结构，在另一些实施例中，箍圈绕上下方向环绕大于一周，箍圈的部分重叠排布。

在一些实施例中，箍圈5具有在第一方向上相对设置的第一端面和第二端面，第一端面抵接止抵件4，第二端面位于弹性件2远离止抵件4的一侧，施压件3可伸入第三内腔。

如图2所示，箍圈5的下端面为第一端面，箍圈5的上端面为第二端面，箍圈5的下端面与止抵件4抵接，以通过止抵件4限定箍圈5的位置，箍圈5的上端面高于弹性件2的上端面，以使施压件3施加的压力能够全部施加在岩石上，优选的，岩石的上端面低于箍圈5的上端面。

如图1-图3所示，本发明实施例的岩石围压获取方法包括将岩石放置在岩石变形试验装置内，岩石变形试验装置为本发明实施例的岩石变形试验装置。

具体的，岩石变形试验装置沿上下方向设置，且止抵件4位于底部，将岩石由上至下放置在第三内腔中。

施压件3对岩石施压，测量件获取弹性件2的内径变形量。

具体的，驱动施压件3使施压件3的下端向下移动并进入第三内腔中，以对第三内腔中的岩石施压，岩石受压沿水平方向变形移动，箍圈5受到岩石的压力而变形，且开口51增大，以使箍圈5绕上下方向伸展，并对弹性件2施加压力，测量件获取弹性件2的内径变形量。

优选的，压头底部的直径与箍圈未受压时的内径相同。

根据以下公式(1)计算获取岩石受到的围压σ

其中，ρ

A和C分别为常数，且A和C根据以下公式(2)计算获取：

其中，u

u

E为弹性件2的材料弹性模量，

μ为弹性件2的泊松比，

ρ

具体的，由于弹性件2的外周面与刚性件1的内周面相抵，因此，弹性件2在变形时仅有内径发生变化，而弹性件2的外径保持不变，换言之，弹性件2的外径变形量uρ(

将弹性件2的内径变形量u

获取A和C的数值之后，将A、C和弹性件2的内径ρ

在一些实施例中，岩石为破碎岩石，在将破碎岩石放置在岩石变形试验装置内之后，先使用振动台振动岩石变形试验装置，然后驱动施压件3对岩石施压。

具体的，岩石优选为破碎岩石，岩石变形试验装置沿上下方向设置在振动台上，且止抵件4位于振动台的台面上，首先将破碎岩石由上至下放置在第三内腔中，然后开启振动台，通过振动台使岩石变形试验装置振动，以使第三内腔中的破碎岩石均匀且紧密，再驱动施压件3，使施压件3的下端向下移动并进入第三内腔中，以对第三内腔中的破碎岩石施压，同时通过测量件获取弹性件2的内径变形量。

在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。