水下巖石絕熱應力變化的溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)與方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種水下巖石絕熱應力變化的溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)和方法，屬于巖 石熱-彈性參數(shù)測試技術領域。
【背景技術】
[0002] 地球內部及淺層的各種運動（如地慢對流、板塊運動、火山噴發(fā)、地震等），通常會 引起應力巧化。而糧據固體物質的熱彈性理論：
[0003]
W
[0004] 可知應力變化必定會導致地球內部溫度變化。
[0005] 式（1川日是為熱力學溫度，（PCp)是固體物質的體積比熱容，a是線膨脹系數(shù)，A O是 體應力變化量）。不同類型的巖石，其應力變化的溫度響應并不一致。因此，系統(tǒng)地測試各種 常見巖石的絕熱應力-響應系數(shù)，運不僅有助于深入了解地球內部溫度變化機制、同時也可 為構造活動帶的應力、溫度監(jiān)測及防震減災工作提供可靠的理論依據。
[0006] 現(xiàn)有的巖石絕熱應力變化的溫度響應測試方法，是將溫度傳感器貼在巖石樣品表 面，并與空氣直接接觸，處于開放系統(tǒng)，而且受應力加載臺的限制，無法實現(xiàn)瞬間加、卸載。 因此，無法真正實現(xiàn)絕熱狀態(tài)下的應力加、卸載，導致其測試結果很大程度上受到巖石樣品 與空氣熱交換的嚴重影響。
[0007] 而深海海水的壓力非常巨大，是一個天然的"高壓累"；同時1~3個小時的時間尺 度內，深海海水的溫度波動非常小，是一個非常良好的恒溫環(huán)境。

【發(fā)明內容】

[000引為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種水下巖石絕熱應力變化 的溫度響應系數(shù)（adiabatic stress derivative of temperature)測試系統(tǒng)，其通過瞬間 打開第二耐壓罐的排泄閥，對巖石樣品進行快速加、卸載。在快速加載(或卸載）后的10~ 20s，外界溫度變化還未影響到巖石樣品中屯、，從而實現(xiàn)了絕熱增壓(或減壓），通過實時監(jiān) 測耐壓罐圍壓(Confining pressure)和巖石樣品中屯、溫度變化，即可獲得巖石絕熱應力變 化的溫度響應系數(shù)（A T/A 0)，即絕熱過程中的單位應力變化所引起的溫度變化量。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：
[0010] -種水下巖石絕熱應力變化的溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)，其包括=個放置在海水中 的耐壓罐，其中，第一耐壓罐中安裝有數(shù)據采集單元，第二耐壓罐的第一空腔內安裝有巖石 樣品，第=耐壓罐中設置有一第二空腔，所述第一空腔和第二空腔內分別充滿有海水和空 氣，所述巖石樣品的中屯、W及外表面分別安裝第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，所述第 一空腔的海水中安裝有第=溫度傳感器和壓力傳感器，所述第一溫度傳感器、第二溫度傳 感器、第=溫度傳感器和壓力傳感器的輸出端均與數(shù)據采集單元的輸入端相連接;所述第 二耐壓罐上安裝有與第一空腔相連通的第一排泄閥，所述第二耐壓罐和第=耐壓罐之間還 安裝有連通第一空腔和第二空腔的第二排泄閥。
[0011] 所述巖石樣品的外表面設置有用于對巖石樣品進行封裝的橡膠套。
[0012] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種水下巖石絕熱應力變化的溫度響應系數(shù)測試方 法，其通過瞬間打開第二耐壓罐的排泄閥，對巖石樣品進行快速加、卸載。在快速加載(或卸 載)后的10~20s，外界溫度變化還未影響到巖石樣品中屯、，從而實現(xiàn)了絕熱增壓(或減壓）， 通過實時監(jiān)測耐壓罐圍壓和巖石樣品中屯、溫度變化，即可獲得巖石絕熱應力變化的溫度響 應系數(shù)，即絕熱過程中的單位應力變化所引起的溫度變化量。
[0013] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：
[0014] -種水下巖石絕熱應力變化的溫度響應系數(shù)測試方法，其包括W下步驟：
[0015] 步驟1、將第一溫度傳感器和第二溫度傳感器分別安置在制備好的圓柱狀巖石樣 品的中屯、和表面，并用橡膠套將巖石樣品進行水密封裝，形成巖石樣品組件；
[0016] 步驟2、將上述封裝好的巖石樣品組件、第=溫度傳感器W及壓力傳感器，放入第 二耐壓罐充滿海水的第一空腔中；
[0017] 步驟3、通過水密電纜將第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第=溫度傳感器和壓 力傳感器電性連接到第一耐壓罐中的數(shù)據采集單元上，同時在第二耐壓罐上設置第一排泄 閥和第二排泄閥，所述第一排泄閥與第一空腔相連通，所述第二排泄閥的兩端分別與第一 空腔和第=耐壓罐的第二空腔相連通，依此形成整套溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng);開啟數(shù)據采 集單元的溫度和壓力采集模塊，開始溫度和圍壓監(jiān)測；
[0018] 步驟4、快速加載:利用水下機器人，將整套溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)攜帶至海水預 定深度，待整套溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)溫度達到平衡后，此時平衡后第一溫度傳感器采集 的溫度記為第一溫度，壓力傳感器采集的圍壓記為第一圍壓，再利用水下機器人的機械手 或水下電機快速打開第一排泄閥，使得第二耐壓罐內的圍壓瞬間升高至海水壓力，此時壓 力傳感器采集的圍壓記為第二圍壓，第一溫度傳感器采集的溫度記為第二溫度；
[0019] 步驟5、快速卸載:待整套溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)的溫度再次達到平衡后，此時平 衡后第一溫度傳感器采集的溫度記為第=溫度，利用機械手先關閉第一排泄閥，再快速打 開第二排泄閥，使得第二耐壓罐內的圍壓瞬間降低，此時壓力傳感器采集的圍壓記為第= 圍壓，第一溫度傳感器采集的記為第四溫度；
[0020] 步驟6、根據步驟4獲取的第一溫度和第二溫度、第一圍壓和第二圍壓，即可獲得快 速加載時的溫度差A Tl和圍壓差A 01，依此計算水下巖石因快速加載而導致絕熱應力變化 的溫度響應系數(shù)A Tl/A Oi;根據步驟4和步驟5獲取的第=溫度和第四溫度、第二圍壓和第 =圍壓，即可獲得快速卸載時的溫度差A T2和圍壓差A 02,依此計算水下巖石因快速卸載而 導致絕熱應力變化的溫度響應系數(shù)A Ts/ A 02。
[0021] =個溫度傳感器采集的溫度均達到穩(wěn)定時，則整套溫度響應系數(shù)測試系統(tǒng)溫度達 到平衡。
[0022] 所述第二溫度、第四溫度、第二圍壓、第=圍壓采集的時間為相應的排泄閥打開后 的10~20s內。
[0023] 溫度差A Tl等于第二溫度減去第一溫度，圍壓差A Oi等于第二圍壓減去第一圍壓； 溫度差A T2等于第四溫度減去第=溫度，圍壓差A 02等于第=圍壓減去第二圍壓。
[0024] 本發(fā)明專利所提供的測試方法與系統(tǒng)，是在圓柱狀巖石樣品中屯、及表面分別安置 一個溫度傳感器，然后用橡膠套封裝后在放在充滿海水的耐壓罐中，利用水下機器人 化nderwater Vehicle)將測試系統(tǒng)攜帶至深海預定深度，通過水下機器人快速打開排泄閥 來實現(xiàn)巖石樣品的瞬間加載(或卸載）。其主要優(yōu)勢如下：
[0025] 1)深海海水的壓力非常巨大，是一個天然的"高壓累"，因此本測試系統(tǒng)中無需加 載臺或者加壓累；
[0026] 2)1~3個小時的時間尺度內，深海海水的溫度波動非常小，因此是一個非常良好 的恒溫環(huán)境，且在快速打開排泄閥后的10~20s內，耐壓罐內海水的溫度變化，還沒有影響 到巖石樣品中屯、，從而真正實現(xiàn)了巖石樣品的絕熱增壓(或減壓）。通過實時監(jiān)測并記錄耐 壓罐圍壓(Confining pressure)和巖石樣品溫度變化，即可獲得巖石絕熱應力變化的溫度 響應系數(shù)（AT/A曰）。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明水下巖石絕熱應力變化的溫度響應測試系統(tǒng)的結構示意圖；
[0028] 圖2為龍口山斷裂帶砂巖快速加載過程中的溫度響應曲線；
[0029] 圖3是龍口山斷裂帶砂巖快速卸載過程中的溫度響應曲線。
[0030] 其中，1、第一耐壓罐；11、數(shù)據采集單元;2、第二耐壓罐;21、第一排泄閥；22、第二 排泄閥；23、水密電纜;3、第=耐壓罐;31、空腔;4、巖石樣品；5、橡膠套;61、溫度傳感器;61、 第二溫度傳感器;63、第=溫度傳感器;7、壓力傳感器;8、水下機器人;9、海水;10、海底。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的內容做進一步詳細說明。
[00創(chuàng)實施例
[0033] 請參照圖1所示，本發(fā)明是一種水下巖石絕熱應力變化的溫度響應測試系統(tǒng)，主要 包括:包括=個耐壓罐，分別是第一耐壓罐1、第二耐壓罐2和第=耐壓罐3。第一耐壓罐1內 置數(shù)據采集單元11;第二耐壓罐2內置圓柱狀巖石樣品組件(圓柱狀巖石樣品組件包括圓柱 狀巖石樣品4W及其中屯、及外表面分別安置第一溫度傳感器61和第二溫度傳感器62,然后 用橡膠套5封裝后在放在設置有第一空腔(初始狀態(tài)充滿海水)的第二耐壓罐2中），同時在 第二耐壓罐2的第一空腔(巖石樣品4外部）中還安置了第=溫度傳感器63和壓力傳感器7， 用于監(jiān)測第二耐壓罐2內溫度和圍壓；第=耐壓罐3內置有第二空腔31(初始狀態(tài)充滿空 氣）。第一耐壓罐1和第二耐壓罐2之間，由水密電纜23將=個溫