CN106932433A - 测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置。它包括三轴压力室，温度加热系统；所述温度加热系统紧密包围于所述三轴压力室外侧壁,所述温度加热系统的温度施加值为10℃～150℃，有温度表设置于所述三轴压力室侧壁上方；所述三轴压力室上、下两端分别设置有上座、底座，所述三轴压力室、所述上座、所述底座围成测试空间；所述测试空间侧壁上端分别设置有由内向外与外界相通的排气通道、温度传感器通道，所述测试空间下端分别设置有输油管道、排线通道。具有结构简单，使用方便，精准度高的优点。本发明还公开了试验测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置的方法。

Description

测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置及方法

技术领域

本发明涉及测试仪器领域，更具体地说它是测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置。本发明还涉及试验测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置的方法。

背景技术

导热系数是岩石的一项重要热学参数，在地下核废料处置、CO₂封存、天然气、页岩气储存等工程中，常需要对岩石的导热系数进行测试，如何对岩石导热系数进行精准测量，这对岩体工程多场耦合的研究具有重要意义；在成岩和长期的地质构造作用过程中，深部岩体所处的实际环境极其复杂，受到各种外来荷载和温度变化作用，其应力状态及内部损伤的改变对岩石的导热性影响重大；目前，对岩石导热性在温度和应力同时变化条件下的研究极少，远满足不了当前的工程实际运用。随着我国地下空间技术的高速发展，对岩体工程的规范要求也越来越严格。

测试岩石在应力变化条件下的导热系数时若不考虑温度影响，就不知道实际环境中温度的变化对岩样的破坏是否有影响及影响的大小；不能使实验条件更接近实际，因此不能更准确地反映岩体在实际工程中所处的真实状态。

因此，设计一套结构简单，使用方便，精准度高的测试岩石在温度和应力变化条件下导热系数的真三轴试验装很有必要。

发明内容

本发明的第一目的是提供测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，能进行岩石温度和应力变化条件下导热系数的真三轴试验测试,解决岩石在三相不同受力状态和温度变化条件下导热系数的测试问题，能更准确地反映岩石在实际工程环境中的所处情况。

本发明的第二目的是提供试验所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置的方法。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，包括三轴压力室，其特征在于：还包括温度加热系统；所述温度加热系统紧密包围于所述三轴压力室外侧壁,所述温度加热系统的温度施加值为10℃～150℃，有温度表设置于所述三轴压力室侧壁上方；所述三轴压力室上、下两端分别设置有上座、底座，所述三轴压力室、所述上座、所述底座围成测试空间；有垂直加载活塞设置于所述上座内，有上座底端口设置于所述上座下端中部；所述垂直加载活塞上部横向两端与所述上座呈滑动连接，所述垂直加载活塞下端轴向向下伸出所述上座底端口；

有左轴杆一端连接于泵动加载部分、另一端穿过三轴压力室侧壁且位于水平压头侧面正上方；有右轴杆一端连接于手动加载部分、另一端穿过三轴压力室侧壁且位于水平压头侧面正上方；

所述底座包括从上至下设置的第一台阶、第二台阶、第三台阶；有扁槽设置于所述第一台阶上端；

有上压头、岩石试样设置于所述测试空间内，所述岩石试样上、下两端分别设置有所述上压头和所述第一台阶，所述岩石试样左、右两端分别设置有所述水平压头；有橡胶套设置于所述岩石试样外侧；所述岩石试样下端设置有沿轴向向上延伸的安装孔，有热探针设置于所述安装孔内，所述热探针下端固定于所述扁槽内；

所述测试空间侧壁上端分别设置有由内向外与外界相通的排气通道、温度传感器通道，所述测试空间下端分别设置有输油管道、排线通道；输油管道、排线通道分别从所述第二台阶上端向下延伸并经90°折弯至所述第二台阶外侧壁；有数据线连接于所述热探针下端，所述数据线穿过所述排线通道与外界数据控制及采集系统连接。

在上述技术方案中，所述垂直加载活塞与所述上座底端口的接触面设置有密封圈、所述左轴杆与所述三轴压力室侧壁的接触面设置有密封圈、所述右轴杆与所述三轴压力室侧壁的接触面设置有密封圈、所述三轴压力室下端与所述底座的接触面设置有密封圈。保证整个试验装置内部的密封性。

在上述技术方案中，岩石试样高度为100mm，橡胶套长度为140mm；所述橡胶套上端、下端分别套装于上压头下端、第一台阶上端、且有箍紧环设置于所述橡胶套外侧。防止液压油进入岩石试样和安装孔中，确保岩石试样的密封性。

在上述技术方案中，岩石试样为正方形底面的矩形体，上压头的底面为正方形、且与所述岩石试样底面尺寸相同。便于轴向力的加载与计算。

在上述技术方案中，垂直加载活塞、上压头、岩石试样、底座为同轴设置；所述上压头，橡胶套内径，所述岩石试样与第一台阶为同径设置。便于轴向力加载的顺利进行。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：试验所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：制备岩石试样；在岩石试样底部设置沿轴向向上延伸的安装孔，岩石试样侧面贴应变片，将热探针置于岩石试样的中心孔中，热探针的数据线从扁槽内引出，与侧面应变片数据线一起通过排线通道与数据控制及采集系统相连；用橡胶套套于岩石试样外侧及上压头下端、第一台阶上端，并用箍紧环卡紧；上压头两侧设置有轴向应变传感器；

步骤2：将垂直加载活塞放在上座内，将上座连同三轴压力室放置于底座上，并用螺母连接；左轴杆、右轴杆分别与泵动加载部分、手动加载部分连接并穿过三轴压力室侧壁；

步骤3：将输油管道与液压伺服泵连接，试验开始前关闭排气通道、输油通道；

步骤4：当加载水平力σ2时，先通过旋转手轮推动手动加载部分，使右轴杆左进与水平压头贴近(左进的距离事先由设计人员测量确定，确保操作后岩石试样不发生偏离)，然后再操作泵动加载部分，使左轴杆右进与水平压头贴近，对岩石试样施加水平力σ2至设定值；

步骤5：当加载水平力σ3时，打开排气通道和输油通道，通过液压伺服泵向输油管道输送液压油，直至液压油流出排气通道时，关闭排气通道，对岩石试样施加水平力σ3至设定值；

步骤6：当加载轴向力σ1时，通过轴向加载系统对垂直加载活塞施加轴向力σ1，垂直加载活塞作用在上压头上，从而使轴向力σ1作用在上压头上，对岩石试样施加轴向力σ1至设定值；

步骤7：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，逐步通过温度加热系统施加环境温度至预定值，待温度稳定，通过热探针测试岩石试样导热系数；

步骤8：试验结束时，待温度冷却至室温后，依次卸掉轴向力σ1、水平力σ2、水平力σ3；移开泵动加载部分和手动加载部分，取出上座与三轴压力室，拆除岩石试样，拿出热探针。

本发明具有如下优点：

(1)解决岩石在三相不同受力状态和温度变化条件下导热系数的测试问题，能进行岩石温度和应力变化条件下导热系数的真三轴试验测试；能更准确地反映岩石在实际工程环境中的所处情况；

(2)结构简单，使用方便，精准度高；

(3)设置于三轴压力室侧壁上方的温度表可测量三轴压力室内部的温度，确保试验温度的精确控制；

(4)橡胶套上端、下端分别套装于上压头下端、第一台阶上端、且有箍紧环设置于橡胶套外侧，防止液压油进入岩石试样和安装孔中，确保岩石试样的密封性；垂直加载活塞与上座底端口的接触面设置有密封圈、左轴杆与三轴压力室侧壁的接触面设置有密封圈、右轴杆与三轴压力室侧壁的接触面设置有密封圈、三轴压力室下端与底座的接触面设置有密封圈，保证整个试验装置内部的密封性；

(5)考虑温度的影响，了解实际环境中温度的变化对岩石试样的破坏的影响及影响的大小；完善岩体工程多场耦合(多场耦合作用包含了温度对岩体的影响)；使实验条件更接近实际，更能反映岩体在实际工程中所处的真实状态。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明扁槽断面结构示意图。

图3为本发明岩石试样包裹结构示意图。

图中1-上座,1.1-上座底端口,2-垂直加载活塞,3-底座,3.1-第一台阶,3.2-第二台阶,3.3-第三台阶,4-三轴压力室,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,11-输油管道,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-温度传感器通道,20-温度加热系统,21-测试空间,22-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：测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，包括三轴压力室4，其特征在于：还包括温度加热系统20；所述温度加热系统20紧密包围于所述三轴压力室4外侧壁,所述温度加热系统20的温度施加值为10℃～150℃，有温度表设置于所述三轴压力室4侧壁上方；所述三轴压力室4上、下两端分别设置有上座1、底座3，所述三轴压力室4、所述上座1、所述底座3围成测试空间21；有垂直加载活塞2设置于所述上座1内，有上座底端口1.1设置于所述上座1下端中部；所述垂直加载活塞2上部横向两端与所述上座1呈滑动连接，所述垂直加载活塞2下端轴向向下伸出所述上座底端口1.1；

有左轴杆7一端连接于泵动加载部分5、另一端穿过三轴压力室侧壁且位于水平压头13侧面正上方；有右轴杆8一端连接于手动加载部分6、另一端穿过三轴压力室侧壁且位于水平压头13侧面正上方；

所述底座3包括从上至下设置的第一台阶3.1、第二台阶3.2、第三台阶3.3；有扁槽18设置于所述第一台阶3.1上端；

有上压头12、岩石试样15设置于所述测试空间21内，所述岩石试样15上、下两端分别设置有所述上压头12和所述第一台阶3.1，所述岩石试样15左、右两端分别设置有所述水平压头13；有橡胶套14设置于所述岩石试样15外侧；所述岩石试样15下端设置有沿轴向向上延伸的安装孔17，有热探针16设置于所述安装孔17内，所述热探针16下端固定于所述扁槽18内(如图2所示)；

所述测试空间21侧壁上端分别设置有由内向外与外界相通的排气通道9、温度传感器通道19，所述测试空间21下端分别设置有输油管道11、排线通道10；输油管道11、排线通道10分别从所述第二台阶3.2上端向下延伸并经90°折弯至所述第二台阶3.2外侧壁(如图1所示)；有数据线连接于所述热探针16下端，所述数据线穿过所述排线通道10与外界数据控制及采集系统连接。

所述垂直加载活塞2与所述上座底端口1.1的接触面设置有密封圈、所述左轴杆7与所述三轴压力室4侧壁的接触面设置有密封圈、所述右轴杆8与所述三轴压力室4侧壁的接触面设置有密封圈、所述三轴压力室4下端与所述底座3的接触面设置有密封圈。

岩石试样15高度为100mm，橡胶套长度为140mm；所述橡胶套上端、下端分别套装于上压头12下端、第一台阶3.1上端、且有箍紧环22设置于所述橡胶套外侧(如图3所示)。

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、且与所述岩石试样15底面尺寸相同。

垂直加载活塞2、上压头12、岩石试样15、底座3为同轴设置；所述上压头12，橡胶套内径，所述岩石试样15与第一台阶3.1为同径设置。

试验所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：制备岩石试样15；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套于岩石试样15外侧及上压头12下端、第一台阶3.1上端，并用箍紧环22卡紧；上压头12两侧设置有轴向应变传感器；

步骤2：将垂直加载活塞2放在上座1内，将上座1连同三轴压力室4放置于底座3上，并用螺母连接；左轴杆7、右轴杆8分别与泵动加载部分5、手动加载部分6连接并穿过三轴压力室4侧壁；

步骤3：将输油管道11与液压伺服泵连接，试验开始前关闭排气通道9、输油通道11；

步骤4：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，使左轴杆11右进与水平压头13贴近，对岩石试样15施加水平力σ2至设定值；

步骤5：当加载水平力σ3时，打开排气通道9和输油通道11，通过液压伺服泵向输油管道11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，对岩石试样15施加水平力σ3至设定值；

步骤6：当加载轴向力σ1时，通过轴向加载系统对垂直加载活塞2施加轴向力σ1，垂直加载活塞2作用在上压头12上，从而使轴向力σ1作用在上压头12上，对岩石试样15施加轴向力σ1至设定值；

步骤7：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，逐步通过温度加热系统20施加环境温度至预定值，待温度稳定，通过热探针16测试岩石试样导热系数；

步骤8：试验结束时，待温度冷却至室温后，依次卸掉轴向力σ1、水平力σ2、水平力σ3；移开泵动加载部分5和手动加载部分6，取出上座1与三轴压力室4，拆除岩石试样15，拿出热探针16。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (6)

1.测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，包括三轴压力室(4)，其特征在于：还包括温度加热系统(20)；所述温度加热系统(20)紧密包围于所述三轴压力室(4)外侧壁,所述温度加热系统(20)的温度施加值为10℃～150℃，有温度表设置于所述三轴压力室(4)侧壁上方；所述三轴压力室(4)上、下两端分别设置有上座(1)、底座(3)，所述三轴压力室(4)、所述上座(1)、所述底座(3)围成测试空间(21)；有垂直加载活塞(2)设置于所述上座(1)内，有上座底端口(1.1)设置于所述上座(1)下端中部；所述垂直加载活塞(2)上部横向两端与所述上座(1)呈滑动连接，所述垂直加载活塞(2)下端轴向向下伸出所述上座底端口(1.1)；

有左轴杆(7)一端连接于泵动加载部分(5)、另一端穿过三轴压力室侧壁且位于水平压头(13)侧面正上方；有右轴杆(8)一端连接于手动加载部分(6)、另一端穿过三轴压力室侧壁且位于水平压头(13)侧面正上方；

所述底座(3)包括从上至下设置的第一台阶(3.1)、第二台阶(3.2)、第三台阶(3.3)；有扁槽(18)设置于所述第一台阶(3.1)上端；

有上压头(12)、岩石试样(15)设置于所述测试空间(21)内，所述岩石试样(15)上、下两端分别设置有所述上压头(12)和所述第一台阶(3.1)，所述岩石试样(15)左、右两端分别设置有所述水平压头(13)；有橡胶套(14)设置于所述岩石试样(15)外侧；所述岩石试样(15)下端设置有沿轴向向上延伸的安装孔(17)，有热探针(16)设置于所述安装孔(17)内，所述热探针(16)下端固定于所述扁槽(18)内；

所述测试空间(21)侧壁上端分别设置有由内向外与外界相通的排气通道(9)、温度传感器通道(19)，所述测试空间(21)下端分别设置有输油管道(11)、排线通道(10)；输油管道(11)、排线通道(10)分别从所述第二台阶(3.2)上端向下延伸并经90°折弯至所述第二台阶(3.2)外侧壁；有数据线连接于所述热探针(16)下端，所述数据线穿过所述排线通道(10)与外界数据控制及采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，其特征在于：所述垂直加载活塞(2)与所述上座底端口(1.1)的接触面设置有密封圈、所述左轴杆(7)与所述三轴压力室(4)侧壁的接触面设置有密封圈、所述右轴杆(8)与所述三轴压力室(4)侧壁的接触面设置有密封圈、所述三轴压力室(4)下端与所述底座(3)的接触面设置有密封圈。

3.根据权利要求1或2所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，其特征在于：岩石试样(15)高度为100mm，橡胶套长度为140mm；所述橡胶套上端、下端分别套装于上压头(12)下端、第一台阶(3.1)上端、且有箍紧环(22)设置于所述橡胶套外侧。

4.根据权利要求3所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，其特征在于：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、且与所述岩石试样(15)底面尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置，其特征在于：垂直加载活塞(2)、上压头(12)、岩石试样(15)、底座(3)为同轴设置；所述上压头(12)，橡胶套内径，所述岩石试样(15)与第一台阶(3.1)为同径设置。

6.试验根据权利要求1-5中任一权利要求所述的测试岩石温度和应力变化下导热系数的真三轴装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：制备岩石试样(15)；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)套于岩石试样(15)外侧及上压头(12)下端、第一台阶(3.1)上端，并用箍紧环(22)卡紧；上压头(12)两侧设置有轴向应变传感器；

步骤2：将垂直加载活塞(2)放在上座(1)内，将上座(1)连同三轴压力室(4)放置于底座(3)上，并用螺母连接；左轴杆(7)、右轴杆(8)分别与泵动加载部分(5)、手动加载部分(6)连接并穿过三轴压力室(4)侧壁；

步骤3：将输油管道(11)与液压伺服泵连接，试验开始前关闭排气通道(9)、输油通道(11)；

步骤4：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)，使左轴杆(11)右进与水平压头(13)贴近，对岩石试样(15)施加水平力σ2至设定值；

步骤5：当加载水平力σ3时，打开排气通道(9)和输油通道(11)，通过液压伺服泵向输油管道(11)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)，对岩石试样(15)施加水平力σ3至设定值；

步骤6：当加载轴向力σ1时，通过轴向加载系统对垂直加载活塞(2)施加轴向力σ1，垂直加载活塞(2)作用在上压头(12)上，从而使轴向力σ1作用在上压头(12)上，对岩石试样(15)施加轴向力σ1至设定值；

步骤7：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，逐步通过温度加热系统(20)施加环境温度至预定值，待温度稳定，通过热探针(16)测试岩石试样导热系数；

步骤8：试验结束时，待温度冷却至室温后，依次卸掉轴向力σ1、水平力σ2、水平力σ3；移开泵动加载部分(5)和手动加载部分(6)，取出上座(1)与三轴压力室(4)，拆除岩石试样(15)，拿出热探针(16)。