CN106770431A - 可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置。它包括上座、底座，挡圈；所述上座设置于所述底座上方，所述上座上部设置有一圈向上延伸的所述挡圈，有顶盖通过螺栓固定连接于所述挡圈上端；所述上座、所述挡圈与所述顶盖围成油腔，所述油腔内设置有沿轴向移动的活塞；所述活塞呈十字型，所述活塞包括垂直设置的竖向杆和水平设置的横向杆，所述竖向杆的上端向上伸出所述顶盖、且下端向下伸出所述上座进入测试空间，所述油腔通过所述横向杆分隔为上下两部分；所述挡圈侧壁沿径向设置有平行设置的上输油通道和下输油通道。具有操作简单，测量系统精确，自动化程度高的优点。本发明还公开了可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，更具体地说它是可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置。本发明还涉及可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法。
背景技术
膨胀系数是岩石、土、混凝土等岩土材料的一项重要的热学参数；在放射性核废料处置、地热能源开采以及地下油气储存等工程中，岩土材料的膨胀系数对于岩体工程的多场耦合研究有着重要的意义，日益受到人们的重视；岩土材料加载过程中的应力与温度应力相互影响，开展岩土材料的热力学试验，并研究岩土材料温度应力对岩土材料应力状态以及强度的影响，对于充分认识岩土材料热力耦合机理有着重要的意义，并且能够为放射性核废料处置等岩土工程提供更好的支持；然而，现有技术中岩土材料的膨胀系数测试与岩土材料的力学试验是通过不同装置进行的，并不能研究岩土材料加载过程温度应力对岩土材料应力状态的影响。
发明内容
本发明的第一目的是提供可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置，能完成岩土材料的膨胀系数测试和岩土材料的力学试验，结构合理，易于制造，操作简单，测量系统精确，自动化程度高。
本发明的第二目的是提供可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置，包括上座、底座，其特征在于：还包括挡圈；所述上座设置于所述底座上方，所述上座上部设置有一 圈向上延伸的所述挡圈，有顶盖通过螺栓固定连接于所述挡圈上端；所述上座、所述挡圈与所述顶盖围成油腔，所述油腔内设置有沿轴向移动的活塞；所述活塞呈十字型，所述活塞包括垂直设置的竖向杆和水平设置的横向杆，所述竖向杆的上端向上伸出所述顶盖、且下端向下伸出所述上座进入测试空间，所述油腔通过所述横向杆分隔为上下两部分，所述横向杆的左右两端与所述挡圈内壁呈滑动连接；所述挡圈侧壁沿径向设置有平行设置的上输油通道和下输油通道，所述上输油通道、所述下输油通道分别位于所述横向杆上下两侧，所述上输油通道、所述下输油通道分别与液压伺服泵连接；
所述上座和所述底座通过连接杆固定连接；所述上座下端设置有向下延伸的凸起，所述底座上端设置为二层台阶，所述台阶包括从下至上设置的第一台阶、第二台阶，所述凸起与所述第一台阶的直径相同，所述凸起、所述第一台阶的侧壁通过套筒连接；所述套筒一侧面上设置有恒温电热板；所述套筒另一侧面上设置有隔热层；有温度控制器设置于所述连接杆外侧,所述温度控制器尾部的导线依次穿过所述连接杆、所述隔热层、所述套筒连接于所述恒温电热板上；
所述上座、所述套筒与所述底座围成所述测试空间；所述测试空间上端设置有与外界相通的排气通道，所述排气通道从凸起下端向上延伸并经90°折弯后延伸至所述上座外侧壁；
所述测试空间下端设置有输油通道，所述输油通道从所述第一台阶上端向下延伸并经90°折弯延伸至所述底座外侧壁、且所述输油通道与液压伺服泵连接；
有岩土材料试样位于所述测试空间内、且所述岩土材料试样设置于所述活塞下端与所述底座上端之间；所述第二台阶上端设置有凹槽，所述温度传感器设置于所述凹槽中，所述温度传感器下端通过穿过排线通道的数据线与外界的数据控制及采集系统连接，所述排线通道从所述第一台阶上端向下延伸并经90°折弯延伸至所述底座外侧壁。
在上述技术方案中，底座与套筒的接触面设置有密封圈；上座与 套筒的接触面设置有密封圈；上座与顶盖的接触面设置有密封圈；上座与活塞的接触面设置有密封圈；顶盖与活塞的接触面设置有密封圈。保证设备的密封性。
在上述技术方案中，连接杆有多根、且呈圆周均匀分布于上座和底座之间；有橡胶套包裹于岩土材料试样外侧，所述橡胶套底部固定套装于第二台阶侧壁上；挡圈的高度小于或等于11cm；凸起的尺寸为1～10cm。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制备岩土材料试样；
步骤2：在岩土材料试样上装环向应变计和轴向LVDT位移传感器，将温度传感器放置于第二台阶的凹槽内，将温度传感器的数据线与应变计和位移传感器的数据线一起通过排线通道与数据控制及采集系统相连；
步骤3：用橡胶套包裹岩土材料试样；
步骤4：将套筒放置于底座上端，将上座放置于套筒上端，将活塞放置在油腔中，将活塞套入顶盖中，并将顶盖放置于上座上方，顶盖通过螺栓与上座顶部的挡圈连接，连接杆穿过上座和底座的螺纹孔并连接上座和底座；
步骤5：输油通道、下输油通道和上输油通道分别对应连接液压伺服泵，试验开始前关闭排气通道、输油通道、下输油通道和上输油通道；
步骤6：加载围压时，打开排气通道、输油通道，通过液压伺服泵向输油通道输送液压油，排气通道有液压油流出时关闭排气通道，继续加载围压至设定值，试验结束卸载围压时，打开排气通道、输油通道；
步骤7：加载轴向力时，通过液压伺服泵向上输油通道输送液压油至设定值，试验结束时卸载液压伺服泵的油压；
步骤8：测定膨胀系数时，停止加载，卸载液压伺服泵的油压， 并打开排气通道，通过恒温电热板加热测试空间中液压油的温度，测试岩土材料试样的轴向变形和环向变形，并计算膨胀系数；
轴向膨胀系数的公式如下：
式中：Δt为温度变化，单位为℃；
l为试样的高度，单位为mm；
Δl为试样在温度变化Δt时试样轴向变形量，单位为mm；
横向膨胀系数的公式如下：
式中：Δt为温度变化，单位为℃；
D为试样的直径，单位为mm；
ΔL为试样在温度变化Δt时试样环向变形量，单位为mm；
步骤9：试验结束时，依次取下连接杆、顶盖，通过液压伺服泵向下输油通道输液压油并提升活塞，取下活塞并卸载液压伺服泵的油压，依次取下上座、套筒，取出岩土材料试样。
在上述技术方案中，底座与套筒的接触面设置有密封圈；上座与套筒的接触面设置有密封圈；上座与顶盖的接触面设置有密封圈；上座与活塞的接触面设置有密封圈；顶盖与活塞的接触面设置有密封圈。保证设备的密封性。
本发明具有如下优点：
(1)能完成岩土材料的膨胀系数测试和岩土材料的力学试验(在加载时，能测试岩土的力学与温度应力的耦合作用，在不加载时可测试岩土的膨胀系数)；能充分有效地利用试验设备，保证一种设备能完成几项测试；克服了现有技术岩土材料的膨胀系数测试与岩土材料的力学试验需通过不同装置实现，不能研究岩土材料加载过程温度应 力对岩土材料应力状态的影响的缺点；
(2)本发明升温过程稳定、均匀；
(3)底座与套筒的接触面设置有密封圈；上座与套筒的接触面设置有密封圈；上座与顶盖的接触面设置有密封圈；上座与活塞的接触面设置有密封圈；顶盖与活塞的接触面设置有密封圈，保证设备的密封性；
(4)结构合理，易于制造，操作简单，测量系统精确，自动化程度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中1-活塞,1.1-竖向杆,1.2-横向杆,2-顶盖,3-上座,3.1-挡圈,3.2-凸起,4-排气通道,5-套筒,6-连接杆,7-底座,7.1-第一台阶,7.2-第二台阶,7.2.1-凹槽,8-排线通道,9-输油通道,10-下输油通道,11-上输油通道,12-隔热层,13-恒温电热板,14-橡胶套,15-油腔,16-测试空间,17-岩土材料试样,18-温度控制器,19-温度传感器。
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：可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置，包括上座3、底座7，其特征在于：还包括挡圈3.1；所述上座3设置于所述底座7上方，所述上座3上部设置有一圈向上延伸的所述挡圈3.1，有顶盖2通过螺栓固定连接于所述挡圈3.1上端；所述上座3、所述挡圈3.1与所述顶盖2围成油腔15，所述油腔15内设置有沿轴向移动的活塞1；所述活塞1呈十字型，所述活塞1包括垂直设置的竖向杆1.1和水平设置的横向杆1.2，所述竖向杆1.1的上端向上伸出所述顶盖2、且下端向下伸出所述上座3进入测试空间16，所述油 腔15通过所述横向杆1.2分隔为上下两部分，所述横向杆1.2的左右两端与所述挡圈3.1内壁呈滑动连接；所述挡圈3.1侧壁沿径向设置有平行设置的上输油通道11和下输油通道10，所述上输油通道11、所述下输油通道10分别位于所述横向杆1.2上下两侧，所述上输油通道11、所述下输油通道10分别与液压伺服泵连接；
所述上座3和所述底座7通过连接杆6固定连接；所述上座3下端设置有向下延伸的凸起3.2，所述底座7上端设置为二层台阶，所述台阶包括从下至上设置的第一台阶7.1、第二台阶7.2，所述凸起3.2与所述第一台阶7.1的直径相同，所述凸起3.2、所述第一台阶7.1的侧壁通过套筒5连接；所述套筒5一侧面上设置有恒温电热板13；所述套筒5另一侧面上设置有隔热层12；有温度控制器18设置于所述连接杆6外侧,所述温度控制器18尾部的导线依次穿过所述连接杆6、所述隔热层12、所述套筒5连接于所述恒温电热板13上；
所述上座3、所述套筒5与所述底座7围成所述测试空间16；所述测试空间16上端设置有与外界相通的排气通道4，所述排气通道4从凸起3.1下端向上延伸并经90°折弯后延伸至所述上座3外侧壁；
所述测试空间16下端设置有输油通道9，所述输油通道9从所述第一台阶7.1上端向下延伸并经90°折弯延伸至所述底座7外侧壁、且所述输油通道9与液压伺服泵连接；
有岩土材料试样17位于所述测试空间16内、且所述岩土材料试样17设置于所述活塞1下端与所述底座7上端之间；所述第二台阶7.2上端设置有凹槽7.2.1，所述温度传感器19设置于所述凹槽7.2.1中，所述温度传感器19下端通过穿过排线通道8的数据线与外界的数据控制及采集系统连接，所述排线通道8从所述第一台阶7.1上端向下延伸并经90°折弯延伸至所述底座7外侧壁(如图1所示)。
底座7与套筒5的接触面设置有密封圈；上座3与套筒5的接触面设置有密封圈；上座3与顶盖2的接触面设置有密封圈；上座3与活塞1的接触面设置有密封圈；顶盖2与活塞1的接触面设置有密封圈。
连接杆6有多根、且呈圆周均匀分布于上座3和底座7之间；有橡胶套14包裹于岩土材料试样17外侧，所述橡胶套14底部固定套装于第二台阶7.2侧壁上；挡圈3.1的高度小于或等于11cm；凸起3.2的尺寸为1～10cm。
参阅附图可知：可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制备岩土材料试样17；
步骤2：在岩土材料试样17上装环向应变计和轴向LVDT位移传感器，将温度传感器19放置于第二台阶7.2的凹槽7.2.1内，将温度传感器19的数据线与应变计和位移传感器的数据线一起通过排线通道8与数据控制及采集系统相连；
步骤3：用橡胶套14包裹岩土材料试样17；
步骤4：将套筒5放置于底座7上端，将上座3放置于套筒5上端，将活塞1放置在油腔15中，将活塞1套入顶盖2中，并将顶盖2放置于上座3上方，顶盖2通过螺栓与上座3顶部的挡圈3.1连接，连接杆6穿过上座3和底座7的螺纹孔并连接上座3和底座7；
步骤5：输油通道9、下输油通道10和上输油通道11分别对应连接液压伺服泵，试验开始前关闭排气通道4、输油通道9、下输油通道10和上输油通道11；
步骤6：加载围压时，打开排气通道4、输油通道9，通过液压伺服泵向输油通道9输送液压油，排气通道4有液压油流出时关闭排气通道4，继续加载围压至设定值，试验结束卸载围压时，打开排气通道4、输油通道9；
步骤7：加载轴向力时，通过液压伺服泵向上输油通道11输送液压油至设定值，试验结束时卸载液压伺服泵的油压；
步骤8：测定膨胀系数时，停止加载，卸载液压伺服泵的油压，并打开排气通道4，通过恒温电热板13加热测试空间16中液压油的温度，测试岩土材料试样17的轴向变形和环向变形，并计算膨胀系数；
轴向膨胀系数的公式如下：
式中：Δt为温度变化，单位为℃；
l为试样的高度，单位为mm；
Δl为试样在温度变化Δt时试样轴向变形量，单位为mm；
横向膨胀系数的公式如下：
式中：Δt为温度变化，单位为℃；
D为试样的直径，单位为mm；
ΔL为试样在温度变化Δt时试样环向变形量，单位为mm；
步骤9：试验结束时，依次取下连接杆6、顶盖2，通过液压伺服泵向下输油通道10输液压油并提升活塞1，取下活塞1并卸载液压伺服泵的油压，依次取下上座3、套筒5，取出岩土材料试样17。
底座7与套筒5的接触面设置有密封圈；上座3与套筒5的接触面设置有密封圈；上座3与顶盖2的接触面设置有密封圈；上座3与活塞1的接触面设置有密封圈；顶盖2与活塞1的接触面设置有密封圈。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (5)
1.可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置，包括上座(3)、底座(7)，其特征在于：还包括挡圈(3.1)；所述上座(3)设置于所述底座(7)上方，所述上座(3)上部设置有一圈向上延伸的所述挡圈(3.1)，有顶盖(2)通过螺栓固定连接于所述挡圈(3.1)上端；所述上座(3)、所述挡圈(3.1)与所述顶盖(2)围成油腔(15)，所述油腔(15)内设置有沿轴向移动的活塞(1)；所述活塞(1)呈十字型，所述活塞(1)包括垂直设置的竖向杆(1.1)和水平设置的横向杆(1.2)，所述竖向杆(1.1)的上端向上伸出所述顶盖(2)、且下端向下伸出所述上座(3)进入测试空间(16)，所述油腔(15)通过所述横向杆(1.2)分隔为上下两部分，所述横向杆(1.2)的左右两端与所述挡圈(3.1)内壁呈滑动连接；所述挡圈(3.1)侧壁沿径向设置有平行设置的上输油通道(11)和下输油通道(10)，所述上输油通道(11)、所述下输油通道(10)分别位于所述横向杆(1.2)上下两侧，所述上输油通道(11)、所述下输油通道(10)分别与液压伺服泵连接；
所述上座(3)和所述底座(7)通过连接杆(6)固定连接；所述上座(3)下端设置有向下延伸的凸起(3.2)，所述底座(7)上端设置为二层台阶，所述台阶包括从下至上设置的第一台阶(7.1)、第二台阶(7.2)，所述凸起(3.2)与所述第一台阶(7.1)的直径相同，所述凸起(3.2)、所述第一台阶(7.1)的侧壁通过套筒(5)连接；所述套筒(5)一侧面上设置有恒温电热板(13)；所述套筒(5)另一侧面上设置有隔热层(12)；有温度控制器(18)设置于所述连接杆(6)外侧,所述温度控制器(18)尾部的导线依次穿过所述连接杆(6)、所述隔热层(12)、所述套筒(5)连接于所述恒温电热板(13)上；
所述上座(3)、所述套筒(5)与所述底座(7)围成所述测试空间(16)；所述测试空间(16)上端设置有与外界相通的排气通道(4)，所述排气通道(4)从凸起(3.1)下端向上延伸并经90°折弯后延伸至所述上座(3)外侧壁；
所述测试空间(16)下端设置有输油通道(9)，所述输油通道(9)从所述第一台阶(7.1)上端向下延伸并经90°折弯延伸至所述底座(7)外侧壁、且所述输油通道(9)与液压伺服泵连接；
有岩土材料试样(17)位于所述测试空间(16)内、且所述岩土材料试样(17)设置于所述活塞(1)下端与所述底座(7)上端之间；所述第二台阶(7.2)上端设置有凹槽(7.2.1)，所述温度传感器(19)设置于所述凹槽(7.2.1)中，所述温度传感器(19)下端通过穿过排线通道(8)的数据线与外界的数据控制及采集系统连接，所述排线通道(8)从所述第一台阶(7.1)上端向下延伸并经90°折弯延伸至所述底座(7)外侧壁。
2.根据权利要求1所述的可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置，其特征在于：底座(7)与套筒(5)的接触面设置有密封圈；上座(3)与套筒(5)的接触面设置有密封圈；上座(3)与顶盖(2)的接触面设置有密封圈；上座(3)与活塞(1)的接触面设置有密封圈；顶盖(2)与活塞(1)的接触面设置有密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验装置，其特征在于：连接杆(6)有多根、且呈圆周均匀分布于上座(3)和底座(7)之间；有橡胶套(14)包裹于岩土材料试样(17)外侧，所述橡胶套(14)底部固定套装于第二台阶(7.2)侧壁上；挡圈(3.1)的高度小于或等于11cm；凸起(3.2)的尺寸为1～10cm。
4.可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制备岩土材料试样(17)；
步骤2：在岩土材料试样(17)上装环向应变计和轴向LVDT位移传感器，将温度传感器(19)放置于第二台阶(7.2)的凹槽(7.2.1)内，将温度传感器(19)的数据线与应变计和位移传感器的数据线一起通过排线通道(8)与数据控制及采集系统相连；
步骤3：用橡胶套(14)包裹岩土材料试样(17)；
步骤4：将套筒(5)放置于底座(7)上端，将上座(3)放置于套筒(5)上端，将活塞(1)放置在油腔(15)中，将活塞(1)套入顶盖(2)中， 并将顶盖(2)放置于上座(3)上方，顶盖(2)通过螺栓与上座(3)顶部的挡圈(3.1)连接，连接杆(6)穿过上座(3)和底座(7)的螺纹孔并连接上座(3)和底座(7)；
步骤5：输油通道(9)、下输油通道(10)和上输油通道(11)分别对应连接液压伺服泵，试验开始前关闭排气通道(4)、输油通道(9)、下输油通道(10)和上输油通道(11)；
步骤6：加载围压时，打开排气通道(4)、输油通道(9)，通过液压伺服泵向输油通道(9)输送液压油，排气通道(4)有液压油流出时关闭排气通道(4)，继续加载围压至设定值，试验结束卸载围压时，打开排气通道(4)、输油通道(9)；
步骤7：加载轴向力时，通过液压伺服泵向上输油通道(11)输送液压油至设定值，试验结束时卸载液压伺服泵的油压；
步骤8：测定膨胀系数时，停止加载，卸载液压伺服泵的油压，并打开排气通道(4)，通过恒温电热板(13)加热测试空间(16)中液压油的温度，测试岩土材料试样(17)的轴向变形和环向变形，并计算膨胀系数；
轴向膨胀系数的公式如下：
式中：Δt为温度变化，单位为℃；
l为试样的高度，单位为mm；
Δl为试样在温度变化Δt时试样轴向变形量，单位为mm；
横向膨胀系数的公式如下：
式中：Δt为温度变化，单位为℃；
D为试样的直径，单位为mm；
ΔL为试样在温度变化Δt时试样环向变形量，单位为mm；
步骤9：试验结束时，依次取下连接杆(6)、顶盖(2)，通过液压伺服泵向下输油通道(10)输液压油并提升活塞(1)，取下活塞(1)并卸载液压伺服泵的油压，依次取下上座(3)、套筒(5)，取出岩土材料试样(17)。
5.根据权利要求4所述的可测试岩土材料膨胀系数的三轴试验方法，其特征在于：底座(7)与套筒(5)的接触面设置有密封圈；上座(3)与套筒(5)的接触面设置有密封圈；上座(3)与顶盖(2)的接触面设置有密封圈；上座(3)与活塞(1)的接触面设置有密封圈；顶盖(2)与活塞(1)的接触面设置有密封圈。
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