[發(fā)明專利]一種帶聲波測試的高溫巖石蠕變試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110203818.3
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN113008671B
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜諳男;蔣浩鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/06;G01N29/07
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 杜廣虎;張海燕

1.一種帶聲波測試的高溫巖石蠕變試驗(yàn)方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟1、將巖塊預(yù)制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱型巖石試件，并將所述巖石試件置于壓力恒溫室的腔體內(nèi)并進(jìn)行固定，在所述巖石試件的外壁上固定應(yīng)變傳感器和溫度傳感器；

步驟2、啟動(dòng)超聲測試系統(tǒng)，利用超聲測試系統(tǒng)的超聲波探頭Ⅰ和超聲波探頭Ⅱ獲取聲波在所述巖石試件中的初始傳播時(shí)間t₀；

步驟3、利用加熱系統(tǒng)將壓力恒溫室腔體內(nèi)的巖石試件加熱到預(yù)設(shè)溫度，并保持設(shè)定時(shí)間確保恒溫室系統(tǒng)內(nèi)部中的溫度和巖石試件的溫度保持一致，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，加熱系統(tǒng)保持預(yù)設(shè)溫度不變繼續(xù)工作，以確保巖石試樣溫度在試驗(yàn)過程中持續(xù)滿足要求；

步驟4、密封壓力恒溫室，并利用對軸壓加載系統(tǒng)中的千斤頂系統(tǒng)進(jìn)行加載，千斤頂系統(tǒng)施加恒定的力傳遞至傳力柱Ⅱ，通過傳力柱Ⅱ?qū)λ鰩r石試樣施加設(shè)定恒定力，直至軸壓加載到試驗(yàn)設(shè)計(jì)軸壓值并保持恒定；

步驟5、按照蠕變實(shí)驗(yàn)過程使軸壓加載系統(tǒng)加載至某一特定壓力時(shí)保持一段時(shí)間后逐級加載，通過應(yīng)變傳感器監(jiān)測巖石試件應(yīng)變變化、溫度傳感器監(jiān)測壓力恒溫室腔內(nèi)實(shí)時(shí)溫度、位移傳感器監(jiān)測軸向加載的位移數(shù)據(jù)以及通過超聲測試系統(tǒng)的超聲波探頭Ⅰ和超聲波探頭Ⅱ測量超聲波在巖石試件中的傳播時(shí)間；

步驟6、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集巖石蠕變實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)變值ε、加載時(shí)間t、溫度T及應(yīng)力σ，進(jìn)而繪制出不同溫度作用下巖石蠕變實(shí)驗(yàn)過程的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，超聲測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄巖石蠕變過程中聲波的傳播時(shí)間t₁，根據(jù)傳播時(shí)間t₁計(jì)算出巖石蠕變過程中的縱波波速，根據(jù)總應(yīng)變值ε、加載時(shí)間t、溫度T、總應(yīng)力σ以及巖石蠕變過程中的縱波波速構(gòu)建高溫-聲波耦合損傷下的巖石蠕變模型，獲取高溫巖石蠕變試驗(yàn)過程中聲波波速的變化情況，進(jìn)而分析溫度對巖石蠕變過程中波速的影響機(jī)制；

所述構(gòu)建高溫-聲波耦合損傷下的巖石蠕變模型包括以下步驟：

步驟60、通過公式(1)計(jì)算高溫巖石蠕變時(shí)的超聲波波速V_p：

V_p＝L/(T₀-T₁) (1)

其中：L為超聲波探頭Ⅰ和超聲波探頭Ⅱ之間的距離；T₀為高溫巖石蠕變試驗(yàn)過程中超聲波在超聲波探頭Ⅰ和超聲波探頭Ⅱ之間的傳播時(shí)間；T₁為聲波在傳力柱中行走的時(shí)間；

步驟61、根據(jù)所述超聲波波速V_p通過公式(2)計(jì)算高溫巖石蠕變過程中的高溫-聲波耦合損傷D：

D＝D_V+D_T-D_V×D_T (2)

其中：D_V為巖石蠕變過程中的波速損傷，求解方式如下：D_V＝1-V_p/V₀，V₀為常溫下高溫巖石蠕變過程的波速；D_T為巖石蠕變過程中的高溫?fù)p傷，求解方式如下：D_T＝1-E_p/E₀，E₀為常溫下巖石的彈性模量，E_p代表某一溫度作用下巖石的彈性模量；

步驟62、根據(jù)總應(yīng)力σ和高溫-聲波耦合損傷D建立高溫-聲波耦合時(shí)彈性元件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

其中：ε₀為高溫-聲波耦合時(shí)巖石試件的彈性應(yīng)變；E₁為巖石試件的彈性模量；

步驟63、根據(jù)總應(yīng)力σ和高溫-聲波耦合損傷D建立高溫-聲波耦合時(shí)黏彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

其中，ε_H為彈性應(yīng)變；ε_K為黏性應(yīng)變；σ_H為彈性應(yīng)力；σ_K為黏性應(yīng)力；E₂為黏彈性模量；

結(jié)合初始條件t＝0，對式(4)進(jìn)行求解，得到：

其中：ε₁為高溫-聲波耦合時(shí)巖石試件的黏彈性應(yīng)變；η₁為黏性剪切系數(shù)；

步驟64、根據(jù)總應(yīng)力σ和高溫-聲波耦合損傷D構(gòu)建高溫-聲波耦合時(shí)塑性元件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

其中：ε₂為高溫-聲波耦合時(shí)巖石試件的塑性應(yīng)變；σ_s為巖石試件的屈服應(yīng)力；η₂為黏塑性系數(shù)；

步驟65、根據(jù)高溫-聲波耦合損傷D、總應(yīng)變值ε、總應(yīng)力σ以及高溫-聲波耦合時(shí)巖石試件的彈性應(yīng)變?chǔ)?Sub>0、黏彈性應(yīng)變?chǔ)?Sub>1和塑性應(yīng)變?chǔ)?Sub>2構(gòu)建高溫-聲波耦合損傷下的巖石蠕變模型：

其中：ε(t)為ε的時(shí)間序列，總應(yīng)變?chǔ)排c高溫-聲波耦合時(shí)巖石試件的彈性應(yīng)變?chǔ)?、黏彈性應(yīng)變?chǔ)?和塑性應(yīng)變?chǔ)?具有如下關(guān)系：

ε＝ε0+ε₁+ε₂ (8)

步驟66、通過采用Boltzmann疊加原理，將分級加載下的蠕變曲線轉(zhuǎn)化為同一級荷載加載條件下的蠕變曲線，并基于試驗(yàn)結(jié)果，利用1stOpt數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件對模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，得到理論模型中η₁、η₂參數(shù)，繼而將參數(shù)代入至蠕變模型中，能夠得到理論模型的擬合曲線與試驗(yàn)曲線對比，驗(yàn)證理論模型的合理性。