专利名称：一种岩石力学特性测定装置及测定方法
技术领域：
本发明涉及 一种测定装置及测定方法，具体地说是涉及一种通过记录的不同时刻的试验力(荷载)和压痕深度(位移)之间的关系，推求一系列岩石试样材料的力学特性的方法。
背景技术：
在现代岩土工程中，岩石的力学性质是一类非常重要的技术参数。例如在石油开采领域，常常会遇到岩层可钻性和如何根据岩层的力学性质选择钻头这两类问题。当前，使用较多的方法是现场测量岩石的物理特性(如声波速度、孔隙率等)。通过参照建立的不同岩石物理特性和力学特性关系的数据库，确定所研究岩体的力学特性。然而，这些现场试验和研究操作复杂，实验周期长，经济消耗大。因此，迫切需要研究一种新的快速有效的确定岩石力学特性的方法。在这种背景下，发展了一种新的岩石力学特性测定方法，发明了一种采用压痕测试技术的新的岩石力学特性测试系统。该方法基于平底压头的压痕理论，通过对压痕过程中产生的应力场进行理论和数值分析，分析荷载位移曲线、材料的力学特性、试验压头的几何形状、尺寸，进而计算得到岩石的基本力学特性。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的操作复杂，实验周期长，经济消耗大等问题，提供了一种通过录的不同时刻的试验力(荷载)和压痕深度(位移)之间的关系，推求一系列岩石试样材料的力学特性的方法。本方法可适用于不同大小、不同种类的岩块。本发明采用如下技术方案本发明提供的岩石力学特性测定装置，包括机架，直流电机，位移测量器，刚性平底压头，试样固定台；所述的机架分为两层，机架的上层布置直流电机，电机一端连接刚性平底压头，刚性平底压头的四周布置位移测量器，试样固定台固定在机架下层架的底座上。本发明所述的岩石力学特性测定装置，所述的刚性平底压头由碳化钨材料制成。本发明所述的岩石力学特性测定装置的测定方法，测定方法如下1)、根据测试岩石试样的样本，选择合适的刚性平底压头安装在直流电机上；2)、校准上述步骤1中的刚性平底压头的系统刚度；3)、将测试的岩石试样研磨光滑、平整；4)、将上述步骤4中的加工后的岩石试样放置在试样固定台上，启动试样固定台， 位移测量器开始记录相应荷载作用下的刚性平底压头的位移数据；5)、根据布步骤4中的量测结果，绘制出荷载-位移的关系曲线，分析曲线的形态， 得到岩样的力学特性参数。有益效果该测定方法可适用于不同大小的岩块，如岩屑等。测定的岩石种类有很多，如砂岩、石灰岩、粘土岩等。岩石基本力学特性的测定的结果和其它常规测试手段进行比较，可以评估该方法的可靠性和有效性。另外，相对于传统的实验室力学试验，如单压试验、单拉试验、三轴压缩试验等，该方法有着试验过程短，操作简单方便、对试样要求低、经济等优点O


图1是本发明的结构示意图；图2是本发明实施例1的压痕试验荷载位移曲线图；图3是本发明实施例2的压痕试验荷载位移曲线图；图中1是机架，2是直流电机，3是位移测量器，4是刚性平底压头，5是试样固定台，6是岩样。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明如图1所示一种岩石力学特性测定装置，包括机架1，直流电机2，位移测量器3， 刚性平底压头4，试样固定台5。所述的机架1分为两层，机架1的上层布置直流电机2，电机2 —端连接刚性平底压头4，刚性平底压头4的四周布置位移测量器3，试样固定台5固定在机架1下层架的底座上。所述的刚性平底压头4由碳化钨材料制成。本发明测定方法如下1)、根据测试岩石试样的样本，选择合适的刚性平底压头4安装在直流电机(2) 上；2)、校准上述步骤1中的刚性平底压头2的系统刚度；3)、将测试的岩石试样研磨光滑、平整；4)、将上述步骤4中的加工后的岩石试样放置在试样固定台5上，启动试样固定台 5，位移测量器3开始记录相应荷载作用下的刚性平底压头4的位移数据；5)、根据布步骤4中的量测结果，绘制出荷载-位移的关系曲线，分析曲线的形态， 得到岩样的力学特性参数一个简单的用荷载力F和平底压头压深h (也就是压头位移)来表示刚度K的关系表达式K=dF Idh = I^AhiEr =IaEr =DEr ⑴式中A是接触面面积(对于平底压头，试验过程中A保持不变，为压头的截面积)， a是压头的半径，D为压头的直径，即A= Jia2= π D2/4，考虑到压头本身的力学性质，定义一个接触模量艮，表示为I/ Er = {\-v2)l E + {\-vl)l Ei ⑵式中Ei, Vi分别为压头的杨氏弹性模量 和泊松比，E和ν是材料的杨氏弹性模量和泊松比。在分析数据时，考虑到机器和压头本身的变形，在实验前需要校准。校准测试试验可以被模拟为分别代表仪器和接触体的两个串联在一起的弹簧。这样，总体的柔度(Ct)是仪器的柔度(Cs)和接触体柔度(Cm)的总和Ct = Cs+Cm(3)采用刚度符号，可表示为1/Kd = 1/K+1/Km(4)式中Kd为总体刚度，可由卸载曲线初期阶段线性段的斜率确定；Km是仪器的刚度； K是接触体的刚度，通过公式(1)计算。则式(4)又可写成
权利要求
1.一种岩石力学特性测定装置，其特征在于包括机架(1)，直流电机(2)，位移测量器 (3)，刚性平底压头(4)，试样固定台(5)；所述的机架(1)分为两层，机架(1)的上层布置直流电机(2)，电机(2) —端连接刚性平底压头(4)，刚性平底压头(4)的四周布置位移测量器(3)，试样固定台(5)固定在机架(1)下层架的底座上。
2.根据权利要求1所述的岩石力学特性测定装置，其特征在于所述的刚性平底压头(4)由碳化钨材料制成。
3.利用权利要求1所述的岩石力学特性测定装置的测定方法，其特征在于测定方法如下1)、根据测试岩石试样的样本，选择合适的刚性平底压头(4)安装在直流电机(2)上；2)、校准上述步骤1中的刚性平底压头(2)的系统刚度；3)、将测试的岩石试样研磨光滑、平整；4)、将上述步骤4中的加工后的岩石试样放置在试样固定台(5)上，启动试样固定台(5)，位移测量器(3)开始记录相应荷载作用下的刚性平底压头(4)的位移数据；5)、根据布步骤4中的量测结果，绘制出荷载-位移的关系曲线，分析曲线的形态，得到岩样的力学特性参数。
全文摘要
本发明涉及一种测定装置及测定方法，具体地说是涉及一种通过记录的不同时刻的试验力(荷载)和压痕深度(位移)之间的关系，推求一系列岩石试样材料的力学特性的方法。装置包括机架，直流电机，位移测量器，刚性平底压头，试样固定台；所述的机架分为两层，机架的上层布置直流电机，电机一端连接刚性平底压头，刚性平底压头的四周布置位移测量器，试样固定台固定在机架下层架的底座上。岩石基本力学特性的测定的结果和其它常规测试手段进行比较，可以评估该方法的可靠性和有效性。另外，相对于传统的实验室力学试验，如单压试验、单拉试验、三轴压缩试验等，该方法有着试验过程短，操作简单方便、对试样要求低、经济等优点。
文档编号G01N3/08GK102221501SQ20111010188
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者刘桃根, 孟庆祥, 徐卫亚, 王伟, 谢守益 申请人:河海大学