[發明專利]一種低溫巖石蠕變試驗裝置及系統

在審

• 申請號: 202011480719.1
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112945750A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 姜諳男;張峰瑞;姜相松;董慶波;羅國成;宋永亮
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/06
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 楊威;張海燕

1.一種低溫巖石蠕變試驗裝置，其特征在于，包括：低溫凍融試驗箱、底板、彈性元件、施壓元件、頂板、應力檢測元件、應變檢測元件、電阻率檢測元件、聲波檢測元件以及檢測數據自動采集器；其中，所述低溫凍融試驗箱能夠調節箱體內的溫度，為待測巖石提供低溫測試環境；所述底板置于所述低溫凍融試驗箱箱體內的測試臺上，待測巖石置于所述底板與頂板之間；所述應力檢測元件固定在所述頂板上并通過彈性元件與所述底板相接觸；所述應變檢測元件、電阻率檢測元件、聲波檢測元件置于所述待測巖石表面，所述應變檢測元件、電阻率檢測元件、聲波檢測元件與所述檢測數據自動采集器相連接。

2.根據權利要求1所述的低溫巖石蠕變試驗裝置，其特征在于，所述彈性元件為壓縮彈簧，所述施壓元件包括壓力桿，所述應力檢測元件包括測力螺母。

3.一種低溫巖石蠕變試驗系統，其特征在于，包括：權利要求1-2任意一項所述的低溫巖石蠕變試驗裝置以及低溫損傷蠕變分析裝置，所述低溫損傷蠕變分析裝置能夠基于低溫巖石蠕變試驗裝置所采集到的試驗參數獲取待測巖石對應的低溫損傷蠕變分析結果。

4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述低溫損傷蠕變分析裝置內置低溫損傷蠕變分析模型，所述低溫損傷蠕變分析模型的創建過程包括：

(S1)建立低溫環境下巖石蠕變參數的方程：建立包含蠕變參數中的低溫和含水率之間函數關系的蠕變參數函數，即E＝E(ω,T)、η＝η(ω,T)，式中ω為含水率、T為溫度；

同時假設巖石為各向同性損傷，蠕變參數的變化規律相同，則蠕變參數方程表示為：

A(ω,T)＝A₀-A₀·H(ω,T) (1)

式中：A₀為蠕變參數初始值，H(ω,T)為蠕變參數隨含水率和溫度的變化方程；

同時建立低溫環境下巖石蠕變參數的方程H(ω,T)，對應的公式為：

(S2)在低溫巖石方程中引入非線性損傷黏性元件：

根據低溫環境下不同含水率軟巖的三軸蠕變試驗結果，建立開關函數F(σ,ω,T)的表達式：

F(σ,ω,T)＝σ₁-σ₃-6.7T+1.2exp×(2.1+0.54ω+186.2ω²-1397.1ω³) (3)

給定判定條件即當F(σ,ω,T)＞0，開關為開啟狀態，非線性黏性損傷元件起到作用；當F(σ,ω,T)≤0時，開關為關閉狀態，非線性黏性損傷元件不起作用，σ₁為第一主應力，σ₃為第三主應力；

同時根據牛頓黏性定律，非線性損傷黏性元件應變率為

式中：σ為加載應力；η_F(ω,T,D)為黏性系數；

考慮低溫、含水率以及應力對黏性系數的影響，黏性系數的表達式：

η_F(ω,T,D)＝η_F(ω,T)(1-D) (5)

式中：η_F(ω,T)為溫度T下含水率ω軟巖的黏性系數；D為損傷變量，0≤D1；

考慮采用波速、電阻率來描低溫對蠕變參數的損傷劣化D的影響，即

式中：α為擬合系數，t為時間，γ為電阻率，V_P為波速

因此非線性損傷黏性元件的黏性系數為

保持應力不變，非線性損傷黏性元件的本構關系模型為：

(S3)低溫巖石損傷蠕變本構模型：考慮溫度和含水率對蠕變參數的影響，確立巖石蠕變參數變化方程，并引入非線性黏性損傷元件，以建立低溫巖石損傷蠕變本構模型即低溫損傷蠕變分析模型；

低溫損傷蠕變分析模型描述如下：

(1)當σ＜σ_s時，

式中：S_ij為偏應力張量；G₁、η₁分別為開爾文體的剪切模量和黏滯系數；G₂、η₂分別為麥克斯韋體的剪切模量和黏滯系；

(2)當σ≥σ_s時，模型的三維本構關系為

式中：分別為開爾文體、麥克斯韋體、非線性損傷黏性原件和塑性體的應變率。

開爾文體：

式中：為開爾文體的偏應變張量，

麥克斯韋體：

非線性黏性損傷元件：

Mohr-Coulomb塑性體：

式中，為球應變速率，λ為塑性因子，g為勢函數，δ_ij為克羅內克符號。