CN106525898B - 一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置 - Google Patents

一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统；所述σ1方向加载系统包括垂直加载活塞、上压头；所述σ2方向加载系统包括泵动加载部分、手动加载部分；所述σ3方向加载系统包括输油管道；所述垂直加载活塞设置于所述上压头正上方，在岩石试样上端设置有所述上压头、下端设置有底座、左右两端分别设置有水平压头；所述输油管道与液压伺服泵连接。克服了现有岩石力学试验与导热系数的测试分开进行、岩石导热系数的常规三轴试验装置不能准确反应岩石在真实受荷状态下的导热系数的缺点；具有结构合理，操作容易，精准度高的优点。

Description

一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置
技术领域
本发明涉及深部岩体工程技术测试领域，更具体地说它是一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置。
背景技术
导热系数是岩石的重要热力学参数；在地下核废料处置、地热、天然气、页岩气储存等工程中，经常需要对岩石的导热系数进行测试，人们日益认识到岩石的导热系数对岩体工程多场耦合问题研究的重要性；实际工程中岩石处于复杂的地质环境，受到各种外来荷载作用，其应力状态及内部损伤对岩石的导热性有着重要的影响。
目前，对岩石导热系数的研究处在一般水平(岩石力学试验与导热系数的测试分开进行、岩石导热系数的常规三轴试验装置)，并不能准确反应岩石在真实受荷状态下的导热系数；随着我国地下工程技术的高速发展，对岩体工程的规范要求也越来越严格；因此，现急需一套结构合理，操作容易，精准度高的测试岩石导热系数的真三轴试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置,结构合理，操作容易，精准度高，能准确地反映岩石在实际工程中的真实受力情况。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统；所述σ1方向加载系统包括垂直加载活塞、上压头；所述σ2方向加载系统包括泵动加载部分、手动加载部分；所述σ3方向加载系统包括输油管道；所述垂直加载活塞设置于所述上压头正上方，在岩石试样上端设置有所述上压头、下端设置有底座、左右两端分别设置有所述水平压头；
所述泵动加载部分右连接于左轴杆左端，所述左轴杆穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头侧方；所述手动加载部分左连接于右轴杆右端，所述右轴杆穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头侧方；
所述垂直加载活塞位于上座内，所述垂直加载活塞上部横向两端与所述上座内壁滑动连接、且下部轴向向下伸出上座底端出口；在围压室上、下两端分别通过螺杆连接所述上座、所述底座，所述底座设置有端口；
所述岩石试样外部包裹有橡胶套，所述橡胶套下端、上端分别套装在第一台阶顶部、所述上压头下方；所述橡胶套上下两端分别设置有箍紧环；
所述输油管道设置于测试空间下部、且从第二台阶顶部向下延伸并经90°折弯至所述第二台阶外侧壁，所述输油管道与液压伺服泵连接。
在上述技术方案中，所述水平压头侧面与所述岩石试样的侧面尺寸相同。以便使岩石试样侧面受力均匀。
在上述技术方案中，岩石试样为正方形底面的矩形体。以便更加精准地描述岩体在实际工程环境中的受荷状态。
在上述技术方案中，上压头的底面为正方形、且与岩石试样的底面尺寸相同。减少因接触面不同引起的应力面积换算。
在上述技术方案中，底座从上至下设置为第一台阶、第二台阶、第三台阶；围压室内部形成为测试空间，围压室侧壁上方设置有由内向外与外界相通的排气通道。以便使围压室与底座更好衔接。
在上述技术方案中，岩石试样底部设置有沿轴向向上延伸的安装孔，所述安装孔内设置有热探针，所述热探针下端固定设置于第一台阶顶部的扁槽中；所述热探针尾端连有数据线，所述数据线穿过排线通道与外界数据控制及采集系统连接，所述排线通道从第二台阶顶部向下延伸并经90°折弯至第二台阶外侧壁。因此可在进行真三轴试验的同时测试岩石试样的导热系数。
在上述技术方案中，垂直加载活塞与所述上座底端出口的接触面设置有密封圈，左轴杆与所述围压室侧壁、右轴杆与围压室侧壁的接触面分别设置有密封圈，围压室下端与底座的接触面设置有密封圈。以保证整个装置的密封性。
在上述技术方案中，上压头、岩石试样与第一台阶为同径设置。使箍紧环将橡胶套装套紧密。
本发明具有如下优点：
(1)可以完成岩石在三相不同受力状态下导热系数的测试，能准确地反映岩石在实际工程中的真实受力情况；
(2)结构简单，操作容易，测量精度高；
(3)经济合理，安全耐用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中的扁槽断面示意图。
图3为本发明图1局部放大图。
图中1-上座,11-上座底端出口,2-垂直加载活塞,3-底座,31-第一台阶,32-第二台阶,33-第三台阶,4-测试空间,5-泵动加载部分,6-手动加载部分,7-左轴杆,8-右轴杆,9-排气通道,10-排线通道,12-上压头,13-水平压头,14-橡胶套,15-岩石试样,16-热探针,17-安装孔,18-扁槽,19-输油管道,20-箍紧环。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统；所述σ1方向加载系统包括垂直加载活塞2、上压头12；所述σ2方向加载系统包括泵动加载部分5、手动加载部分6；所述σ3方向加载系统包括输油管道19；所述垂直加载活塞2设置于所述上压头12正上方，在岩石试样15上端设置有所述上压头12、下端设置有底座3、左右两端分别设置有水平压头13；
所述泵动加载部分5右连接于左轴杆7左端，所述左轴杆7穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头13侧方；所述手动加载部分6左连接于右轴杆8右端，所述右轴杆8穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头13侧方；
所述垂直加载活塞2位于上座1内，所述垂直加载活塞2上部横向两端与所述上座1内壁滑动连接、且下部轴向向下伸出上座底端出口11；在围压室上、下两端分别通过螺杆连接所述上座1、所述底座3，所述底座3设置有端口；
所述岩石试样15外部包裹有橡胶套14，所述橡胶套14下端、上端分别套装在第一台阶31顶部、所述上压头12下方；所述橡胶套14上下两端分别设置有箍紧环20(如图3所示)；
所述输油管道19设置于测试空间4下部、且从第二台阶32顶部向下延伸并经90°折弯至所述第二台阶32外侧壁，所述输油管道19与液压伺服泵连接。
所述水平压头13侧面与所述岩石试样15的侧面尺寸相同。
岩石试样15为正方形底面的矩形体。
上压头12的底面为正方形、且与岩石试样15的底面尺寸相同。
底座3从上至下设置为第一台阶31、第二台阶32、第三台阶33；围压室内部形成为测试空间4，围压室侧壁上方设置有由内向外与外界相通的排气通道9。
岩石试样15底部设置有沿轴向向上延伸的安装孔17，所述安装孔17内设置有热探针16，所述热探针16下端固定设置于第一台阶31顶部的扁槽18中；所述热探针16尾端连有数据线，所述数据线穿过排线通道10与外界数据控制及采集系统连接，所述排线通道10从第二台阶32顶部向下延伸并经90°折弯至第二台阶32外侧壁(如图1、图2所示)。
垂直加载活塞2与上座底端出口11的接触面设置有密封圈，左轴杆7与围压室侧壁、右轴杆8与围压室侧壁的接触面分别设置有密封圈，围压室下端与底座3的接触面设置有密封圈。
上压头12、岩石试样15与第一台阶31为同径设置。
本发明所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置的工作过程如下：制备岩石试样15，岩石试样15为正方形底面的矩形体，上压头12正方形底面，与岩石试样15底面尺寸相同；分别在岩石试样15底部设置沿轴向向上延伸的安装孔17，岩石试样15侧面贴应变片，将热探针16置于岩石试样15的中心孔17中，热探针16的数据线从扁槽18内引出，与侧面应变片数据线一起通过排线通道10与数据控制及采集系统相连；用橡胶套14套上岩石试样15及上压头12下端和第一台阶31，并用箍紧环20卡紧；将垂直加载活塞2放在上座1内，将上座1连同围压室放置于底座3上，并用螺杆连接；左轴杆7、右轴杆8分别与σ2方向加载系统连接并穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头13侧方；输油管道19与液压伺服泵连接，试验开始前关闭排气通道、输油通道11；当加载水平力σ2时，先通过旋转手轮推动手动加载部分6，使右轴杆8左进与水平压头13贴近；然后再操作泵动加载部分5，使左进杆7右进与水平压头13贴近，对岩石试样施加水平力σ2至设定值；当加载水平力σ3时，打开排气通道9和输油管道19，通过液压伺服泵向输油管道19输送液压油，直至液压油流出排气通道9时，关闭排气通道9，加载水平力σ3至设定值；当加载轴向力σ1时，通过轴向加载系统对垂直加载活塞2施加使之作用在上压头12至设定值；当需要测定岩石试样导热系数时，停止加载，保持一定的应力状态，通过热探针16测试岩石试样导热系数；试验结束时，依次卸掉三相应力σ1、σ2、σ3。移开σ2方向加载系统，取出上座1与围压室，拆除岩石试样15，拿出热探针16。
为了能够更加清楚地说明本发明所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置与岩石导热系数的常规三轴试验装置、岩石力学试验与导热系数的分开测试装置的区别，工作人员将这三种装置进行了比较：
从上表可知，本发明所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置与岩石导热系数的常规三轴试验装置、岩石力学试验与导热系数的分开测试装置相比，测量精度高、速度快，能快速准确地反映岩石真实受荷状态。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (8)

1.一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统；所述σ1方向加载系统包括垂直加载活塞(2)、上压头(12)；所述σ2方向加载系统包括泵动加载部分(5)、手动加载部分(6)；所述σ3方向加载系统包括输油管道(19)；所述垂直加载活塞(2)设置于所述上压头(12)正上方，在岩石试样(15)上端设置有所述上压头(12)、下端设置有底座(3)、左右两端分别设置有水平压头(13)；
所述泵动加载部分(5)右连接于左轴杆(7)左端，所述左轴杆(7)穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头(13)侧方；所述手动加载部分(6)左连接于右轴杆(8)右端，所述右轴杆(8)穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头(13)侧方；
所述垂直加载活塞(2)位于上座(1)内，所述垂直加载活塞(2)上部横向两端与所述上座(1)内壁滑动连接、且下部轴向向下伸出上座底端出口(11)；围压室上、下两端分别通过螺杆连接所述上座(1)、所述底座(3)，所述底座(3)设置有端口；
所述岩石试样(15)外部包裹有橡胶套(14)，所述橡胶套(14)下端、上端分别套装在第一台阶(31)顶部、所述上压头(12)下方；所述橡胶套(14)上下两端分别设置有箍紧环(20)；
所述输油管道(19)设置于测试空间(4)下部、且从第二台阶(32)顶部向下延伸并经90°折弯至所述第二台阶(32)外侧壁，所述输油管道(19)与液压伺服泵连接；
所述的可测试岩石导热系数的真三轴试验装置的工作过程如下：
制备岩石试样(15)，岩石试样(15)为正方形底面的矩形体，上压头(12)正方形底面，与岩石试样(15)底面尺寸相同；分别在岩石试样(15)底部设置沿轴向向上延伸的安装孔(17)，岩石试样(15)侧面贴应变片，将热探针(16)置于岩石试样(15)的中心孔(17)中，热探针(16)的数据线从扁槽(18)内引出，与侧面应变片数据线一起通过排线通道(10)与数据控制及采集系统相连；用橡胶套(14)套上岩石试样(15)及上压头(12)下端和第一台阶(31)，并用箍紧环(20)卡紧；将垂直加载活塞(2)放在上座(1)内，将上座(1)连同围压室放置于底座(3)上，并用螺杆连接；左轴杆(7)、右轴杆(8)分别与σ2方向加载系统连接并穿过围压室侧壁、且位于所述水平压头(13)侧方；输油管道(19)与液压伺服泵连接，试验开始前关闭排气通道、输油通道(11)；当加载水平力σ2时，先通过旋转手轮推动手动加载部分(6)，使右轴杆(8)左进与水平压头(13)贴近；然后再操作泵动加载部分(5)，使左进杆(7)右进与水平压头(13)贴近，对岩石试样施加水平力σ2至设定值；当加载水平力σ3时，打开排气通道(9)和输油管道(19)，通过液压伺服泵向输油管道(19)输送液压油，直至液压油流出排气通道(9)时，关闭排气通道(9)，加载水平力σ3至设定值；当加载轴向力σ1时，通过轴向加载系统对垂直加载活塞(2)施加使之作用在上压头(12)至设定值；当需要测定岩石试样导热系数时，停止加载，保持一定的应力状态，通过热探针(16)测试岩石试样导热系数；试验结束时，依次卸掉三相应力σ1、σ2、σ3；移开σ2方向加载系统，取出上座(1)与围压室，拆除岩石试样(15)，拿出热探针(16)。
2.根据权利要求1所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：所述水平压头(13)侧面与所述岩石试样(15)的侧面尺寸相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：岩石试样(15)为正方形底面的矩形体。
4.根据权利要求3所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：上压头(12)的底面为正方形、且与岩石试样(15)的底面尺寸相同。
5.根据权利要求4所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：底座(3)从上至下设置为第一台阶(31)、第二台阶(32)、第三台阶(33)；围压室内部形成为测试空间(4)，围压室侧壁上方设置有由内向外与外界相通的排气通道(9)。
6.根据权利要求5所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：岩石试样(15)底部设置有沿轴向向上延伸的安装孔(17)，所述安装孔(17)内设置有热探针(16)，所述热探针(16)下端固定设置于第一台阶(31)顶部的扁槽(18)中；所述热探针(16)尾端连有数据线，所述数据线穿过排线通道(10)与外界数据控制及采集系统连接，所述排线通道(10)从第二台阶(32)顶部向下延伸并经90°折弯至第二台阶(32)外侧壁。
7.根据权利要求6所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：垂直加载活塞(2)与上座底端出口(11)的接触面设置有密封圈，左轴杆(7)与所述围压室侧壁、右轴杆(8)与围压室侧壁的接触面分别设置有所密封圈，围压室下端与底座(3)的接触面设置有密封圈。
8.根据权利要求7所述的一种可测试岩石导热系数的真三轴试验装置，其特征在于：上压头(12)、岩石试样(15)与第一台阶(31)为同径设置。
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