[发明专利]一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置及方法

摘要

本发明公开了一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置及方法。该装置主要包括金属底座、液压千斤顶、压力槽、透明钢化玻璃反力板、两个连接杆、数码相机、钢片、环形透水石和两个独立伺服系统等部件。现有测量混凝土、金属等材料的断裂韧度的装置由于无法对试样施加围压，而不能用于测试软黏土的断裂参数。这是因为软黏土的断裂韧度是由围压决定的，而混凝土、金属等材料的断裂参数与围压无关。该发明可为预测在海底不同深度处(即不同围压条件下)用水力劈裂法开采石油、天然气所需的临界启裂条件提供了直接的力学参数(即软黏土海床的断裂韧度)。

主权项

1.一种软黏土断裂韧度的测量方法，该方法基于任意围压作用下软黏土断裂韧度测量装置实现，所述任意围压作用下软黏土断裂韧度测量装置包括金属底座(1)、液压千斤顶(2)、压力槽(3)、透明钢化玻璃反力板(4)、两个连接杆(5)、外压管(6)、内压管(7)、数码相机(8)、钢片(9)、孔压计(10)、孔压管(11)、环形透水石(12)和两个独立伺服系统；其中透明钢化玻璃反力板(4)通过连接杆(5)固定安装在底座(1)上；液压千斤顶(2)安装在底座(1)中心上；压力槽(3)安装在液压千斤顶(2)上，且位于透明钢化玻璃反力板(4)下方，其顶部与透明钢化玻璃反力板(4)间设有防水密封圈；所述压力槽(3)底面上设置有两个注水孔和一与压力槽(3)同轴的环形凹槽，其中一注水孔位于底面中心位置，环形凹槽位于两个注水孔之间，中心处的注水孔连接内压管(7)，另一个注水孔连接外压管(6)；两个独立伺服系统分别与外压管(6)、内压管(7)相连；环形透水石(12)放置在所述凹槽中；环形透水石(12)底部通过孔压管(11)与孔压计(10)连接；数码相机(8)安装在透明钢化玻璃反力板(4)上方；所述钢片(9)用于对待测软黏土进行初始裂缝的设置，钢片(9)的宽度d满足d＝(R‐r)/10，所述R为环形透水石(12)外径，r为环形透水石(12)内径：其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)利用液压千斤顶(2)将压力槽(3)降下，在环形透水石(12)上放置好待测试的圆筒状土样，圆筒状土样上端与压力槽(3)上端平齐，并在圆筒状土样上通过竖向插入钢片(9)预设径向非贯通的初始裂缝；利用液压千斤顶(2)将压力槽(3)抬升直至与透明钢化玻璃反力板(4)接触；(2)调节数码相机(8)的水平位置，使之位于初始裂缝的上方；(3)用两套独立伺服水压控制系统分别通过外压管(6)、内压管(7)向圆筒状土样内、外注内注满水，并保证圆筒状土样内外压相等(P内＝P外)，对土样进行一维固结；(4)通过孔压计(11)的读数判断固结进度，当孔压值达到稳定时，即固结完成；固结完成后，逐渐增加圆筒状土样内部的压力，并保持其外部压力不变，并通过独立伺服系统实时采集水压；并通过数码相机(8)实时采集圆筒状土样的裂纹状态；(5)记录裂纹刚开始扩展时土环试样内外的临界压差，并由下列公式计算土体断裂韧度：其中:KIC为土体断裂韧度，σθ为土体环向应力，a为裂纹长度，ΔP为裂纹失稳扩展时土环试样内外的临界压差。