本发明专利技术公开了一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于：在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。本发明专利技术还可以研究岩石的应力渗流相互耦合作用，观察岩石内部裂隙的变形扩展，以及流体对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种岩石三轴试验装置，具体是一种能实时观察岩石三轴试验过程的具有数字成像的三轴试验装置。
技术介绍
岩石力学 岩石是多孔孔隙介质，是由固体岩石骨架和流动的孔隙流体组成的二相体，其力学性质极大地依赖于岩石内部存在的裂隙以及裂隙内的流体。岩石受力变形破坏的过程中，内部裂隙的力学表现随应力状态和加载方式的不同而不同。或在较低的压应力下，原生裂隙被压密闭合；或在低拉应力作用下，原生裂隙由于尖端应力集中而扩展裂开；或在低剪应力作用下，原生裂隙撕开或滑开。无论何种应力状态和加载方式，当作用的荷载超过一定水 平，岩石内部将会有新的裂隙萌生，并且各种裂隙进一步扩展、成核、相接，然后贯通形成明显的裂隙，最后岩石整体破坏。因此，若能清楚地知道岩石内部裂隙的力学状态、几何尺寸和分布规律,就能更好地把握岩石的宏观力学性质。再者，岩石的力学性质与裂隙中的流体有很大的关系。这主要表现为两方面其一，流体压力的存在可以为岩石分担一部分荷载，影响到裂隙的变形，进而影响到岩石的应力状态；另一方面，岩石受力之后，裂隙变形，又使得流体在岩石中运移的通道变窄，进而影响到流体的渗流。但当荷载达到一定值时，岩石内部将出现新的裂隙，发生体积扩容现象，裂隙增多，裂隙变宽甚至相汇贯通。裂隙的存在将加大流体的输运通道，使流体更容易透过岩石。可见，作为二相体的岩石，作用于其上的应力与渗流是相互影响的。这就是岩石的应力渗流耦合问题。正是由于岩石中裂隙的存在和裂隙流体的运动，才使得地下水、石油和天然气等资源富集。也正是由于岩石的多孔特性，使得这些资源的开发利用成为可能。研究和开采这些资源，均涉及到岩石应力渗流耦合的力学问题。开展岩石应力渗流耦合研究的理想实验设备是全自动岩石三轴流变渗流试验机。该试验机可以同时对试验岩样施加长期应力和渗流作用，以研究两者的耦合效应。但要采用三轴试验仪研究岩石受力过程中的裂隙扩展仍然有很大的难度。目前，国内能开展这一研究的试验设备是与CT机配套的专用岩石三轴试验机。应用此试验机可以得到在不同荷载作用下，岩石中微孔洞被压密和微裂隙萌生、分叉、发展、断裂、贯通破坏等各个阶段清晰的CT图像。但应用CT扫描技术存在两个不足(I)需对三轴试验机的围压室做改造，以适应CT扫描仪。这种改造通常比较费时费力，甚至需要重新制作三轴室。(2)CT扫描仪的价格极昂贵，与三轴试验机相当。因此，有必要开发一种小巧实用，造价低廉的设备来实现岩石三轴试验实时成像的功能。电容成像技术 电容成像技术以其廉价、高速、非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展。该技术在石油、化工、冶金、能源等领域的两相流测量中极具潜在应用价值。电容成像的基本原理是在观测物体周围安置电极传感器阵列，通过测量不同电极组合之间的电容值，应用一定的算法重建观测物体内部的介电常数分布情况，并将不同介电常数的物质进行识别区分，再在计算机上实现可视化。另外，在一待测物体的周边安置电极传感器阵列，当被测物体内部出现裂缝，原先属于实物的区域就变成了裂缝，介电常数也就发生了变化。这种介电常数的变化将引起电极传感器阵列上不同电极间电容的变化。通过检测阵列电极电容变化，反演出被测物内部介质介电常数分布，进而构造出其中各相介质的分布图像。 专利技术思路 为此，我们基于电容成像技术的基本原理，结合岩石力学及岩石的应力渗流耦合问题，提出一个能与岩石三轴流变渗流试验机配合使用的电容成像系统。专利技术的装置只需在现有的岩石三轴试验机上做简单改造，然后将部分系统硬件内置于三轴室内，即可对三轴试验中的岩石成像。该系统主要有两方面的应用(1)研究在单纯的三轴加载情况下，岩石内部裂隙的损伤演化规律。(2)研究在应力渗流耦合作用下，岩石内部裂隙是如何变形扩展形成更宽的流体通道，以及流体在岩石裂隙中流动时对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了在现有的岩石三轴流变渗流试验机上增加一个电容成像系统，以便应用此系统实时观察单纯应力作用以及应力渗流耦合作用下，岩石裂隙的损伤扩展以及流体的运动情况。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是 一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。所述的阵列电极由8个电极组成，以相同的角度间隔分布在双层橡胶环内。本专利技术对现有的岩石三轴流变试验机进行改造，添加一个电容成像模块，以观察岩石在力作用下，裂隙的断裂、贯通和最终破坏的力学过程。该模块还可以实现对应力渗流过程的实时成像。研究应力渗流的相互耦合作用，观察岩石内部裂隙的变形扩展，以及流体对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。与现有CT扫描技术相比，本专利技术具有设备轻便，造价低廉的优点。附图说明图I是本专利技术的系统构成示意 图2是本专利技术在岩石三轴室内的主要部件构成 附图中 I、试件；2、裂缝；3、橡胶套；4、阵列电极；5、双层橡胶环；6、电缆；7、连接器公头；8、连接器母头；9、数据采集系统；10、测量数据电缆；11、控制信号电缆；12、计算机；13、岩石试件图像；14、裂缝图像；15、三轴室。具体实施例方式下面结合附图与进一步说明本专利技术的实施方式。如图I所示，本专利技术基于电容成像的岩土三轴试验装置，在在岩石三轴流变试验机的基础上，增加电容成像系统构成，其中岩石三轴流变试验机包括三轴室15和设置在三轴室15内的试件I以及作用在试件I上的三轴加载装置，其中三轴加载装置包括围压和轴压。本专利技术的新增设的电容成像系统包括电极传感系统、数据采集系统和成像系统三部分。其中，电极传感系统由一系列经过优化设计的阵列电极4组成，任意两个极板均可组成一个两端子电容；数据采集系统9由信号发生器和测量及数据采集仪组成，其功能是为电极提供电量，并测量电极两端的电容变化值，然后再将采集到的电容变化值转化为数字信号；成像系统的核心是一安装控制及成像软件的计算机12。具有控制数据采集系统工作，并将采集仪获得的数据用于计算机成像。所述电极传感系统，是由高灵敏度的环形电极陈列组成。电容阵列共有8个电极组成，以相同的角度间隔分布在一条很薄的双层弹性高强橡胶环的两层间。橡胶环的外层具有屏蔽作用，橡胶环内层紧箍住岩样。双层弹性高强橡胶环起到稳固阵列电极的作用，以确保阵列电极能够紧密地贴近岩样的圆柱面。与包裹圆柱体岩石试件的橡胶套相比，高强橡胶环的内径略微小于橡胶套外径。这样当岩石试件包裹上橡胶套之后，可以将含有电 极阵列的薄橡胶环紧紧地箍在橡胶套外。所述电极均与一根电缆相连。8个电极共有8根电缆,收成一束,在另一端与电缆接线连接器相连。连接器的构造类似于串口接头，内有与电缆对应的针(公头)，连接器可采用圆形插拔自锁式或螺纹连接式； 所述数据采集系统由信号发生器和测量及数据采集仪组成。信号发生器提供正弦激励信号和参比方波信号。电容的测量过程采用带反馈补偿本体电容的交流电容检测电路实现。最后将测量的电压等信号采集起来； 所述成像系统主要由一台与数据采集系统相连的计算机组成。这台计算机就是原岩石三轴渗流流变试验机配套的控制计算机。只需在这台计算机上添加相应的控制和成像软件即可控制数据本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于：在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王如宾，徐卫亚，张久长，孟庆祥，王伟，张强，顾锦键，王环玲，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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