用於測試巖石熱力學參數的三軸試驗裝置的製作方法

2023-06-30 08:44:42

本實用新型涉及巖土工程領域，具體的說是一種用於測試巖石熱力學參數的三軸試驗裝置。

背景技術：

在放射性核廢料處置、地熱能源開採以及地下油氣儲存等工程中，巖石的熱力學參數(包括導熱係數、比熱容、導溫係數)對於巖體工程的多場耦合研究有著重要的意義，日益受到人們的重視。

巖石加載過程中的應力狀態以及內部損傷對巖石熱力學參數有著重要的影響，開展巖石的熱力學試驗，並研究巖石應力狀態及損傷對熱力學參數的影響，對於充分認識巖體工程的熱固耦合機理有著重要的意義，並且能夠為放射性核廢料處置等巖體工程提供更好的理論支持。

現有的三軸試驗裝置不能同時進行巖石熱學參數測試和巖石的力學試驗(常規三軸試驗)，因此有必要進行改進。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了克服背景技術的不足之處，而提供一種用於測試巖石熱力學參數的三軸試驗裝置。

為了實現上述目的，本實用新型的技術方案為：用於測試巖石熱力學參數的三軸試驗裝置，包括從上至下依次設置並同軸布置的頂蓋、上座和底座，所述上座頂部和頂蓋圍成油腔，所述油腔內設置有延軸向移動的活塞，所述活塞兩端延軸向分別伸出頂蓋和上座；所述上座底部和底座圍成用於放置巖石試樣的測試空間，所述測試空間上部設置有與外界連通的排氣通道，測試空間下部設置有輸油通道；有巖石試樣設置在活塞下端和底座頂部之間，巖石試樣底部和底座頂部之間設置有扁槽，其特徵在於：所述巖石試樣下端設置有兩個間隔布置的安裝孔，每個安裝孔內均設有探測針，所述扁槽內設置有探測板，所述兩個探測針下端均與探測板上端固定連接，探測板下端與底座頂部固定連接。

在上述技術方案中，所述上座頂部設置有一圈向上方延伸的擋圈，所述頂蓋固定設置在所述擋圈頂部，所述上座、擋圈與所述頂蓋圍成的空間即為油腔。

在上述技術方案中，所述活塞呈十字型，它包括呈豎直布置的豎向杆和呈水平布置的橫向杆，所述豎向杆兩端分別伸出所述頂蓋和上座，所述橫向杆的兩端與所述擋圈內壁滑動連接；所述擋圈上設置有兩個延徑向設置且呈相互平行布置的上油通道和下油通道，所述上油通道和下油通道分別位於所述橫向杆豎向兩側。

在上述技術方案中，所述上座和底座之間設有多個連接杆，所述多個連接杆呈圓周狀均布設置，且每個連接杆上端均與上座連接，每個連接杆下端均與底座連接。

在上述技術方案中，所述上座底部設置有向下延伸的凸起，所述底座頂部設置有兩層臺階，所述兩層臺階分別為從下至上設置的第一臺階和第二臺階，所述凸起與所述第一臺階的側壁之間通過套筒連接，所述上座、套筒和底座圍成的區域即為測試空間。

在上述技術方案中，所述排氣通道從所述凸起底部向上延伸並經90°折彎後延伸至上座外壁側；所述輸油通道從所述第一臺階頂部向下延伸並經90°折彎延伸至底座外側壁。

在上述技術方案中，所述巖石試樣包裹在橡膠套內，所述橡膠套底部固定套裝在所述第二臺階的側壁。

本實用新型解決了巖石熱學參數測試與巖石的力學試驗(常規三軸試驗)不能同時進行的難題，可在對巖石試樣進行力學試驗的同時進行熱學參數的測試，且結構合理，易於製造，操作簡單，測量系統精確，自動化程度高。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為本實用新型中的扁槽斷面示意圖。

圖中1-活塞,1.1-豎向杆，1.2-橫向杆，2-頂蓋,3-上座,3.1-擋圈，3.2-凸起，4-排氣通道，5-套筒,6-連接杆，7-底座，7.1-第一臺階，7.2-第二臺階，8-排線通道，9-輸油通道，10-下油通道，11-上油通道，12a-探測針，12b-探測板，13-扁槽，14-橡膠套，15-油腔，16-測試空間，17-巖石試樣，18-安裝孔。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本實用新型的實施情況，但它們並不構成對本實用新型的限定，僅作舉例而已。同時通過說明使本實用新型的優點更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：用於測試巖石熱力學參數的三軸試驗裝置，包括從上至下依次設置並同軸布置的頂蓋2、上座3和底座7，所述上座3頂部和頂蓋2圍成油腔15，所述油腔15內設置有延軸向移動的活塞1，所述活塞1兩端延軸向分別伸出頂蓋2和上座3；所述上座3底部和底座7圍成用於放置巖石試樣17的測試空間16，所述測試空間16上部設置有與外界連通的排氣通道4，測試空間16下部設置有輸油通道9；有巖石試樣17設置在活塞1下端和底座7頂部之間，巖石試樣17底部和底座7頂部之間設置有扁槽13，其特徵在於：所述巖石試樣17下端設置有兩個間隔布置的安裝孔18，每個安裝孔18內均設有探測針12a，所述扁槽13內設置有探測板12b，所述兩個探測針12a下端均與探測板12b上端固定連接，探測板12b下端與底座7頂部固定連接。

優選的，所述上座3頂部設置有一圈向上方延伸的擋圈3.1，所述頂蓋2固定設置在所述擋圈3.1頂部，所述上座3、擋圈3.1與所述頂蓋2圍成的空間即為油腔15。

優選的，所述活塞1呈十字型，它包括呈豎直布置的豎向杆1.1和呈水平布置的橫向杆1.2，所述豎向杆1.1兩端分別伸出所述頂蓋2和上座3，所述橫向杆1.2的兩端與所述擋圈3.1內壁滑動連接；所述擋圈3.1上設置有兩個延徑向設置且呈相互平行布置的上油通道11和下油通道10，所述上油通道11和下油通道10分別位於所述橫向杆1.2豎向兩側。

優選的，所述上座3和底座7之間設有多個連接杆6，所述多個連接杆6呈圓周狀均布設置，且每個連接杆6上端均與上座3連接，每個連接杆6下端均與底座7連接。

優選的，所述上座3底部設置有向下延伸的凸起3.2，所述底座7頂部設置有兩層臺階，所述兩層臺階分別為從下至上設置的第一臺階7.1和第二臺階7.2，所述凸起3.2與所述第一臺階7.1的側壁之間通過套筒5連接，所述上座3、套筒5和底座7圍成的區域即為測試空間16。

優選的，所述排氣通道4從所述凸起3.2底部向上延伸並經90°折彎後延伸至上座3外壁側；所述輸油通道9從所述第一臺階7.1頂部向下延伸並經90°折彎延伸至底座7外側壁。

優選的，所述巖石試樣17包裹在橡膠套14內，所述橡膠套14底部固定套裝在所述第二臺階7.2的側壁。

實際工作時，本實用新型包含如下工藝步驟：

步驟1：製備巖石試樣17，並分別在巖石試樣17底部設置沿軸向向上延伸的測試孔18，巖石試樣17側面貼應變片，將熱探針12置於巖石試樣17的測試孔18中，熱探針12的數據線從扁槽13內引出，與應變片數據線一起通過排線通道8與數據控制及採集系統相連，在巖石試樣17進行橡膠套14的包裹；

步驟2：將套筒5放置於底座7上，上座3放置於套筒5上，放置活塞1在油腔15中，頂蓋2套入活塞1並放置於上座3上方，頂蓋2通過螺栓與上座3頂部的擋圈3.1連接，連接杆6穿過上座3和底座7的螺紋孔並將上座3和底座7連接；

步驟3：輸油通道9、下油通道10和上油通道11分別對應連接液壓伺服泵，試驗開始前關閉排氣通道4、輸油通道9、下油通道10和上油通道11；

步驟4：當需加載圍壓時，打開排氣通道4、輸油通道9，通過液壓伺服泵向輸油通道9輸送液壓油，排氣通道4有液壓油流出時關閉排氣通道4，繼續加載圍壓至設定值，試驗結束需要卸圍壓時，打開排氣通道4、輸油通道9；

步驟5：當加載軸向力時，通過液壓伺服泵向上油通道11輸送液壓油至設定值，試驗結束時卸載液壓伺服泵的油壓；

步驟6：當需要測定巖石熱學參數時，停止加載，保持一定的應力狀態，通過熱探針12測試巖石試樣的熱學參數。可以測試的熱學參數包括巖石的導熱係數、比熱和導溫係數，使用的探針為雙探針，其測試原理為：首先將探針加熱一定時間th，然後在加熱以及降溫的過程中測量探針以及兩探針間距之間的溫度，通過非線性的最小二乘擬合，所測得的數據符合下面的公式(1)和(2)：

其中，T0和q為分別為測量開始時的溫度和熱量輸入，Ei為指數積分，b0，b1，b2為待擬合的參數。然後可以從公式(3)和(4)求得導熱係數和導溫係數：

巖石的比熱容可從式(5)求出：

試驗測試的比熱容為巖石的體積比熱。

步驟7：試驗結束時，依次取下連接杆6、頂蓋2，通過液壓伺服泵向下油通道10輸液壓油並提升活塞1，取下活塞1並卸載液壓伺服泵的油壓，依次取下上座3、套筒5、取得巖石試樣，並拿出熱探針12。

參考圖1，本實施例的常規三軸試驗條件下熱學參數的測試儀器，包括從上至下依次並同軸設置的頂蓋2、上座3和底座7，上座3頂部設置有一圈向上方延伸的擋圈3.1，頂蓋2通過螺栓固定設置在擋圈3.1頂部，上座3、擋圈3.1與頂蓋2圍成的空間即為油腔15。在油腔15內設置有沿軸向移動的活塞1，活塞1呈十字型，它包括垂直設置的豎向杆1.1和橫向杆1.2，豎向杆1.1的兩端分別伸出頂蓋2和上座3，橫向杆1.2將油腔15分為上下兩部分，橫向杆1.2的兩端與擋圈3.1內壁滑動連接；擋圈3.1上沿徑向設置有兩個平行布置的上油通道11和下油通道10，上油通道11和下油通道10分別位於橫向杆1.2豎向兩側，並分別與液壓伺服泵連接，液壓伺服泵通過上油通道11向油腔上部中注油並加載軸向力，液壓伺服泵通過下油通道10向油腔下部輸送液壓油以便於試驗結束時活塞1提升。

本實施例的上座3底部和底座7之間通過多個呈圓周均勻分布的連接杆固定連接。上座3底部設置有向下延伸的凸起3.2，底座7頂部設置有兩層臺階，臺階包括從下至上設置的第一臺階7.1和第二臺階7.2，凸起3.2與第一臺階7.1同直徑設置，其側壁之間通過套筒5連接，上座3、套筒5與底座7圍成的區域即為放置巖石試樣17的測試空間16。在測試空間16上部設置有與外界相通並用於排氣的排氣通道4，排氣通道4從凸起3.1底部向上延伸並經90°折彎後延伸至上座3外側壁；測試空間下部設置有輸油通道9，輸油通道9從第一臺階頂部向下延伸並經90°折彎延伸至底座7外側壁，輸油通道9也與液壓伺服泵連接，液壓伺服泵通過輸油通道9向套筒5內部輸送液壓油並向巖石試樣17加載圍壓。

本實施例的巖石試樣17設置在活塞1下端與底座7頂部之間，巖石試樣17底部設置有沿軸向向上延伸的安裝孔18，安裝孔18內設置有熱探針12，熱探針12尾端固定設置在第二臺階7.2頂部設置扁槽13(參考圖2)中，熱探針12尾端連接有數據線，數據線穿過排線通道8與外界的數據控制及採集系統連接，排線通道8作為數據線的引入通道，從第一臺階頂部向下延伸並經90°折彎延伸至底座7外側壁。

本實施例的巖石試樣包裹橡膠套14內，橡膠套14底部固定套裝在第二臺階7.2側壁，以防止液壓油進入巖石試樣的安裝孔18中。

本實施例的底座7與套筒5、上座3與套筒5、上座3與頂蓋2、上座3與活塞1、頂蓋2與活塞1接觸面分別設有密封圈，用於保證該裝置內部油腔的密封性及加載的可靠性。

其它未說明的部分均屬於現有技術。