可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗裝置及方法與流程
2023-10-17 01:54:54
本發明涉及巖土工程技術領域，更具體地說它是可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗裝置。本發明還涉及可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗方法。
背景技術：
膨脹係數是巖石、土、混凝土等巖土材料的一項重要的熱學參數；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，巖土材料的膨脹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；巖土材料加載過程中的應力與溫度應力相互影響，開展巖土材料的熱力學試驗，並研究巖土材料溫度應力對巖土材料應力狀態以及強度的影響，對於充分認識巖土材料熱力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土工程提供更好的支持；然而，現有技術中巖土材料的膨脹係數測試與巖土材料的力學試驗是通過不同裝置進行的，並不能研究巖土材料加載過程溫度應力對巖土材料應力狀態的影響。
技術實現要素：
本發明的第一目的是提供可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗裝置，能完成巖土材料的膨脹係數測試和巖土材料的力學試驗，結構合理，易於製造，操作簡單，測量系統精確，自動化程度高。
本發明的第二目的是提供可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗方法。
為了實現上述本發明的第一目的，本發明的技術方案為：可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗裝置，包括上座、底座，其特徵在於：還包括擋圈；所述上座設置於所述底座上方，所述上座上部設置有一 圈向上延伸的所述擋圈，有頂蓋通過螺栓固定連接於所述擋圈上端；所述上座、所述擋圈與所述頂蓋圍成油腔，所述油腔內設置有沿軸向移動的活塞；所述活塞呈十字型，所述活塞包括垂直設置的豎向杆和水平設置的橫向杆，所述豎向杆的上端向上伸出所述頂蓋、且下端向下伸出所述上座進入測試空間，所述油腔通過所述橫向杆分隔為上下兩部分，所述橫向杆的左右兩端與所述擋圈內壁呈滑動連接；所述擋圈側壁沿徑向設置有平行設置的上輸油通道和下輸油通道，所述上輸油通道、所述下輸油通道分別位於所述橫向杆上下兩側，所述上輸油通道、所述下輸油通道分別與液壓伺服泵連接；
所述上座和所述底座通過連接杆固定連接；所述上座下端設置有向下延伸的凸起，所述底座上端設置為二層臺階，所述臺階包括從下至上設置的第一臺階、第二臺階，所述凸起與所述第一臺階的直徑相同，所述凸起、所述第一臺階的側壁通過套筒連接；所述套筒一側面上設置有恆溫電熱板；所述套筒另一側面上設置有隔熱層；有溫度控制器設置於所述連接杆外側,所述溫度控制器尾部的導線依次穿過所述連接杆、所述隔熱層、所述套筒連接於所述恆溫電熱板上；
所述上座、所述套筒與所述底座圍成所述測試空間；所述測試空間上端設置有與外界相通的排氣通道，所述排氣通道從凸起下端向上延伸並經90°折彎後延伸至所述上座外側壁；
所述測試空間下端設置有輸油通道，所述輸油通道從所述第一臺階上端向下延伸並經90°折彎延伸至所述底座外側壁、且所述輸油通道與液壓伺服泵連接；
有巖土材料試樣位於所述測試空間內、且所述巖土材料試樣設置於所述活塞下端與所述底座上端之間；所述第二臺階上端設置有凹槽，所述溫度傳感器設置於所述凹槽中，所述溫度傳感器下端通過穿過排線通道的數據線與外界的數據控制及採集系統連接，所述排線通道從所述第一臺階上端向下延伸並經90°折彎延伸至所述底座外側壁。
在上述技術方案中，底座與套筒的接觸面設置有密封圈；上座與 套筒的接觸面設置有密封圈；上座與頂蓋的接觸面設置有密封圈；上座與活塞的接觸面設置有密封圈；頂蓋與活塞的接觸面設置有密封圈。保證設備的密封性。
在上述技術方案中，連接杆有多根、且呈圓周均勻分布於上座和底座之間；有橡膠套包裹於巖土材料試樣外側，所述橡膠套底部固定套裝於第二臺階側壁上；擋圈的高度小於或等於11cm；凸起的尺寸為1～10cm。
為了實現上述本發明的第二目的，本發明的技術方案為：可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗方法，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟1：製備巖土材料試樣；
步驟2：在巖土材料試樣上裝環向應變計和軸向LVDT位移傳感器，將溫度傳感器放置於第二臺階的凹槽內，將溫度傳感器的數據線與應變計和位移傳感器的數據線一起通過排線通道與數據控制及採集系統相連；
步驟3：用橡膠套包裹巖土材料試樣；
步驟4：將套筒放置於底座上端，將上座放置於套筒上端，將活塞放置在油腔中，將活塞套入頂蓋中，並將頂蓋放置於上座上方，頂蓋通過螺栓與上座頂部的擋圈連接，連接杆穿過上座和底座的螺紋孔並連接上座和底座；
步驟5：輸油通道、下輸油通道和上輸油通道分別對應連接液壓伺服泵，試驗開始前關閉排氣通道、輸油通道、下輸油通道和上輸油通道；
步驟6：加載圍壓時，打開排氣通道、輸油通道，通過液壓伺服泵向輸油通道輸送液壓油，排氣通道有液壓油流出時關閉排氣通道，繼續加載圍壓至設定值，試驗結束卸載圍壓時，打開排氣通道、輸油通道；
步驟7：加載軸向力時，通過液壓伺服泵向上輸油通道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8：測定膨脹係數時，停止加載，卸載液壓伺服泵的油壓， 並打開排氣通道，通過恆溫電熱板加熱測試空間中液壓油的溫度，測試巖土材料試樣的軸向變形和環向變形，並計算膨脹係數；
軸向膨脹係數的公式如下：
式中：Δt為溫度變化，單位為℃；
l為試樣的高度，單位為mm；
Δl為試樣在溫度變化Δt時試樣軸向變形量，單位為mm；
橫向膨脹係數的公式如下：
式中：Δt為溫度變化，單位為℃；
D為試樣的直徑，單位為mm；
ΔL為試樣在溫度變化Δt時試樣環向變形量，單位為mm；
步驟9：試驗結束時，依次取下連接杆、頂蓋，通過液壓伺服泵向下輸油通道輸液壓油並提升活塞，取下活塞並卸載液壓伺服泵的油壓，依次取下上座、套筒，取出巖土材料試樣。
在上述技術方案中，底座與套筒的接觸面設置有密封圈；上座與套筒的接觸面設置有密封圈；上座與頂蓋的接觸面設置有密封圈；上座與活塞的接觸面設置有密封圈；頂蓋與活塞的接觸面設置有密封圈。保證設備的密封性。
本發明具有如下優點：
(1)能完成巖土材料的膨脹係數測試和巖土材料的力學試驗(在加載時，能測試巖土的力學與溫度應力的耦合作用，在不加載時可測試巖土的膨脹係數)；能充分有效地利用試驗設備，保證一種設備能完成幾項測試；克服了現有技術巖土材料的膨脹係數測試與巖土材料的力學試驗需通過不同裝置實現，不能研究巖土材料加載過程溫度應 力對巖土材料應力狀態的影響的缺點；
(2)本發明升溫過程穩定、均勻；
(3)底座與套筒的接觸面設置有密封圈；上座與套筒的接觸面設置有密封圈；上座與頂蓋的接觸面設置有密封圈；上座與活塞的接觸面設置有密封圈；頂蓋與活塞的接觸面設置有密封圈，保證設備的密封性；
(4)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為本發明的結構示意圖。
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,7.2.1-凹槽,8-排線通道,9-輸油通道,10-下輸油通道,11-上輸油通道,12-隔熱層,13-恆溫電熱板,14-橡膠套,15-油腔,16-測試空間,17-巖土材料試樣,18-溫度控制器,19-溫度傳感器。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明的實施情況，但它們並不構成對本發明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明使本發明的優點更加清楚和容易理解。
參閱附圖可知：可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗裝置，包括上座3、底座7，其特徵在於：還包括擋圈3.1；所述上座3設置於所述底座7上方，所述上座3上部設置有一圈向上延伸的所述擋圈3.1，有頂蓋2通過螺栓固定連接於所述擋圈3.1上端；所述上座3、所述擋圈3.1與所述頂蓋2圍成油腔15，所述油腔15內設置有沿軸向移動的活塞1；所述活塞1呈十字型，所述活塞1包括垂直設置的豎向杆1.1和水平設置的橫向杆1.2，所述豎向杆1.1的上端向上伸出所述頂蓋2、且下端向下伸出所述上座3進入測試空間16，所述油 腔15通過所述橫向杆1.2分隔為上下兩部分，所述橫向杆1.2的左右兩端與所述擋圈3.1內壁呈滑動連接；所述擋圈3.1側壁沿徑向設置有平行設置的上輸油通道11和下輸油通道10，所述上輸油通道11、所述下輸油通道10分別位於所述橫向杆1.2上下兩側，所述上輸油通道11、所述下輸油通道10分別與液壓伺服泵連接；
所述上座3和所述底座7通過連接杆6固定連接；所述上座3下端設置有向下延伸的凸起3.2，所述底座7上端設置為二層臺階，所述臺階包括從下至上設置的第一臺階7.1、第二臺階7.2，所述凸起3.2與所述第一臺階7.1的直徑相同，所述凸起3.2、所述第一臺階7.1的側壁通過套筒5連接；所述套筒5一側面上設置有恆溫電熱板13；所述套筒5另一側面上設置有隔熱層12；有溫度控制器18設置於所述連接杆6外側,所述溫度控制器18尾部的導線依次穿過所述連接杆6、所述隔熱層12、所述套筒5連接於所述恆溫電熱板13上；
所述上座3、所述套筒5與所述底座7圍成所述測試空間16；所述測試空間16上端設置有與外界相通的排氣通道4，所述排氣通道4從凸起3.1下端向上延伸並經90°折彎後延伸至所述上座3外側壁；
所述測試空間16下端設置有輸油通道9，所述輸油通道9從所述第一臺階7.1上端向下延伸並經90°折彎延伸至所述底座7外側壁、且所述輸油通道9與液壓伺服泵連接；
有巖土材料試樣17位於所述測試空間16內、且所述巖土材料試樣17設置於所述活塞1下端與所述底座7上端之間；所述第二臺階7.2上端設置有凹槽7.2.1，所述溫度傳感器19設置於所述凹槽7.2.1中，所述溫度傳感器19下端通過穿過排線通道8的數據線與外界的數據控制及採集系統連接，所述排線通道8從所述第一臺階7.1上端向下延伸並經90°折彎延伸至所述底座7外側壁(如圖1所示)。
底座7與套筒5的接觸面設置有密封圈；上座3與套筒5的接觸面設置有密封圈；上座3與頂蓋2的接觸面設置有密封圈；上座3與活塞1的接觸面設置有密封圈；頂蓋2與活塞1的接觸面設置有密封圈。
連接杆6有多根、且呈圓周均勻分布於上座3和底座7之間；有橡膠套14包裹於巖土材料試樣17外側，所述橡膠套14底部固定套裝於第二臺階7.2側壁上；擋圈3.1的高度小於或等於11cm；凸起3.2的尺寸為1～10cm。
參閱附圖可知：可測試巖土材料膨脹係數的三軸試驗方法，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟1：製備巖土材料試樣17；
步驟2：在巖土材料試樣17上裝環向應變計和軸向LVDT位移傳感器，將溫度傳感器19放置於第二臺階7.2的凹槽7.2.1內，將溫度傳感器19的數據線與應變計和位移傳感器的數據線一起通過排線通道8與數據控制及採集系統相連；
步驟3：用橡膠套14包裹巖土材料試樣17；
步驟4：將套筒5放置於底座7上端，將上座3放置於套筒5上端，將活塞1放置在油腔15中，將活塞1套入頂蓋2中，並將頂蓋2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的螺紋孔並連接上座3和底座7；
步驟5：輸油通道9、下輸油通道10和上輸油通道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、下輸油通道10和上輸油通道11；
步驟6：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，試驗結束卸載圍壓時，打開排氣通道4、輸油通道9；
步驟7：加載軸向力時，通過液壓伺服泵向上輸油通道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8：測定膨脹係數時，停止加載，卸載液壓伺服泵的油壓，並打開排氣通道4，通過恆溫電熱板13加熱測試空間16中液壓油的溫度，測試巖土材料試樣17的軸向變形和環向變形，並計算膨脹係數；
軸向膨脹係數的公式如下：
式中：Δt為溫度變化，單位為℃；
l為試樣的高度，單位為mm；
Δl為試樣在溫度變化Δt時試樣軸向變形量，單位為mm；
橫向膨脹係數的公式如下：
式中：Δt為溫度變化，單位為℃；
D為試樣的直徑，單位為mm；
ΔL為試樣在溫度變化Δt時試樣環向變形量，單位為mm；
步驟9：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輸油通道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，取出巖土材料試樣17。
底座7與套筒5的接觸面設置有密封圈；上座3與套筒5的接觸面設置有密封圈；上座3與頂蓋2的接觸面設置有密封圈；上座3與活塞1的接觸面設置有密封圈；頂蓋2與活塞1的接觸面設置有密封圈。
其它未說明的部分均屬於現有技術。