一种围压试验装置

本发明涉及岩土勘探装备，特别是涉及一种围压试验装置，可以用于立方体岩石试验件的围压试验。

背景技术：

1、在岩石的力学试验中，需要对岩石试验件提供围压，模拟岩石在地下的压力环境，岩石的力学性能随着围压的变化有着显著的改变。目前，相关技术中采用的围压试验装备通常采用钛合金等金属材料制成，采用钛合金作为材料，成本高且重量大。此外，传统围压试验设备中用于施设围压的压力垫与垫块之间的连接仅仅依靠摩擦力，导致压力垫的变形较大，影响了围压试验的可靠性，并且使得压力垫的设计厚度增加。

2、因此，有必要开发一种新型的围压试验装置，以减轻重量、降低成本、减少变形并提高围压试验的可靠性。

3、需要说明的是，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

4、本发明旨在提供一种用于岩石的围压试验装置，以解决现有围压试验装备材料成本高、重量大、变形显著的问题。

5、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：为了减小压力垫的重量和变形，本发明首先考虑采用比刚度更大的材料来作为压力垫的材料，比如碳纤维材料就是很好的选择。其次，本发明对围压设备寻求结构上的改进，来进一步减小结构的重量和变形。考虑到压力垫为薄壁结构，压力对于薄壁结构的作用包含两种：力的作用和力矩的作用。在申请人的前期研究中发现，力矩的作用对薄壁结构的变形影响非常大，本发明通过改变压力垫的结构设计及其与垫块之间的连接方式来改变结构变形的转动中心，从而减小压力产生的力矩，会对减小薄壁结构的变形产生非常好的效果。

6、为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

7、一种围压试验装置，应用于立方体岩石块的围压试验，其包括：外壳体和多个围压单元，所述外壳体的内部形成容纳空间，所述多个围压单元布置于所述容纳空间内；每个所述的围压单元均包括压力垫、内垫块、外垫块、内囊和连接件；其中，所述压力垫布置于所述内垫块和所述外垫块之间，所述压力垫嵌入所述内垫块和所述外垫块安装，所述压力垫与所述外垫块之间固定连接，所述压力垫与所述内垫块之间非固定连接；所述连接件用于外垫块与外壳体之间的连接，多个所述内垫块合围于所述立方体岩石块的外围；所述压力垫为层合结构，包括外层金属薄壁结构和内层碳纤维复合材料层合结构；所述压力垫与所述内垫块、所述外垫块的表面之间形成密闭的腔体，所述内囊布置于所述腔体内，所述内囊为中空的弹性件，所述内囊充入流体后伸展，紧贴所述压力垫、所述内垫块和所述外垫块的表面，压力通过所述内垫块传递到所述岩石块，形成对所述立方体岩石块的围压。

8、在上述的一种围压试验装置中，所述压力垫包括：与所述内囊配合的第一曲面部、分别布置于所述第一曲面部两侧的第一翻边部和第二翻边部，所述第一翻边部和第二翻边部分别嵌入安装于所述内垫块和所述外垫块的内部。通过将压力垫嵌入内、外垫块安装的结构设计，可以有效减少压力垫承压后的结构变形。

9、在上述的一种围压试验装置中，所述压力垫的加工工艺为：将所述金属薄壁结构作为所述内层碳纤维复合材料层合结构固化的模具，将碳纤维复合材料预浸料剪裁后铺放在所述外层金属薄壁结构的内表面，用真空袋压实，放入热压罐固化，所述碳纤维复合材料层合结构不需要与所述金属薄壁结构进行脱模操作，固化后成为一个整体。

10、在上述的一种围压试验装置中，所述第一翻边部上设置有腰型的第一螺钉孔，通过所述第一螺钉孔使所述内垫块可以相对所述压力垫滑移。内囊充入流体伸展后，内垫块可以朝向岩石块动作，实现围压。

11、在上述的一种围压试验装置中，所述内垫块为正方形块状件，所述内垫块的一侧表面与所述岩石块触接、另一侧表面具有与所述第一翻边部配合的第一凹槽结构，所述第一凹槽结构的两侧分别布置有第一外侧螺钉孔与第一内侧螺钉孔，螺钉依次穿过所述第一外侧螺钉孔、第一螺钉孔与所述第一内侧螺钉孔连接，所述第一内侧螺钉孔内设置孔螺纹结构，以实现所述内垫块与所述压力垫之间的连接。通过布置在内垫块上的凹槽结构+螺钉，实现内垫块的嵌入式安装。

12、在上述的一种围压试验装置中，所述外垫块与所述连接件之间通过第一榫卯连接结构实现滑动连接，所述连接件与所述外壳体之间通过第二榫卯连接结构实现滑动连接。通过所述第一榫卯连接结构使所述外垫块可相对所述连接件滑动；通过所述第二榫卯连接结构使所述连接件可相对所述外壳体滑动。通过榫卯连接结构实现外垫块与连接件之间、连接件与外壳体之间的可拆卸连接，可以使围压试验装置的连接结构更简单、配件少，同时安装更加方便。

13、在上述的一种围压试验装置中，所述内囊由橡胶制成，所述内囊的形状根据所述压力垫、所述内垫块、外垫块之间形成的密闭腔体的表面形状随形设计；所述内囊的入口处设置单向阀，所述单向阀穿过所述压力垫连接外部流体源，单向阀用于注入流体，通过改变内囊的弹性形变量来调整围压的大小。

14、在上述的一种围压试验装置中，所述外壳体为圆柱壳体结构，所述连接件与所述外垫块接触的表面为平面，所述连接件与所述外壳体接触的表面为圆柱曲面。

技术实现思路

技术特征：

1.一种围压试验装置，应用于立方体岩石块的围压试验，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的围压试验装置，其特征在于，所述压力垫包括：与所述内囊配合的第一曲面部、分别布置于所述第一曲面部两侧的第一翻边部和第二翻边部，所述第一翻边部和第二翻边部分别嵌入安装于所述内垫块和所述外垫块的内部。

3.根据权利要求1所述的围压试验装置，其特征在于，所述压力垫的加工工艺为：将所述金属薄壁结构作为所述内层碳纤维复合材料层合结构固化的模具，将碳纤维复合材料预浸料剪裁后铺放在所述外层金属薄壁结构的内表面，用真空袋压实，放入热压罐固化，固化后成为一个整体。

4.根据权利要求2所述的围压试验装置，其特征在于，所述第一翻边部上设置有腰型的第一螺钉孔，通过所述第一螺钉孔使所述内垫块可以相对所述压力垫滑移。

5.根据权利要求4所述的围压试验装置，其特征在于，所述内垫块为正方形块状件，所述内垫块的一侧表面与所述岩石块触接、另一侧表面具有与所述第一翻边部配合的第一凹槽结构，所述第一凹槽结构的两侧分别布置有第一外侧螺钉孔与第一内侧螺钉孔，螺钉依次穿过所述第一外侧螺钉孔、所述第一螺钉孔与所述第一内侧螺钉孔连接，所述第一内侧螺钉孔内设置孔螺纹。

6.根据权利要求1所述的围压试验装置，其特征在于，所述外垫块与所述连接件之间通过第一榫卯连接结构实现滑动连接，所述连接件与所述外壳体之间通过第二榫卯连接结构实现滑动连接。

7.根据权利要求2所述的围压试验装置，其特征在于，所述内囊由橡胶制成，所述内囊的形状根据所述压力垫内表面、所述内垫块、外垫块之间形成的密闭腔体的表面形状随形设计；所述内囊的入口处设置单向阀，所述单向阀穿过所述压力垫连接外部流体源。

8.根据权利要求1所述的围压试验装置，其特征在于，所述外壳体为圆柱状壳体结构；所述连接件与所述外垫块配合的表面为平面，所述连接件与所述外壳体配合的表面为圆柱曲面。

技术总结
本发明涉及一种围压试验装置，用于立方体岩石块的围压试验，包括：外壳体和多个围压单元，每个围压单元均包括：压力垫、内垫块、外垫块、内囊和连接件；其中，所述压力垫嵌入所述内垫块和所述外垫块安装，所述内垫块与压力垫之间非固定连接，所述外垫块与压力垫之间固定连接，所述连接件用于外垫块与外壳体之间的连接，多个所述内垫块合围于所述岩石块；所述压力垫为层合结构；所述压力垫与所述内垫块、所述外垫块形成密闭腔体，所述内囊布置于所述腔体内，所述内囊充入流体伸展后，紧贴所述腔体内表面，压力通过所述内垫块传递到所述岩石块，形成对所述岩石块的围压。本发明通过结构优化以及压力垫的材料改进来减小围压试验装置的变形和重量。

技术研发人员：李成虎,韩观林,张武翔,丁希仑
受保护的技术使用者：北京航空航天大学宁波创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2025/1/28