CN112014225B - 一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法 - Google Patents

一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，包括以下步骤：制备岩土材料试样以及石英石标准试样；通过实时高温真三轴试验系统分别对岩土材料试样及石英石标准试样进行三向加压；通过高温温控系统分别对岩土材料试样及石英石标准试样进行加热，获得岩土材料试样及石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量；根据岩土材料试样及石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，运用测定公式算得岩土材料试样在三维应力条件下的三向线性膨胀系数。该测试方法能够模拟实际工况下，测定岩土材料在温度‑水土荷载耦合环境下的三向热膨胀系数。

Description

一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法
技术领域
本发明涉及岩土材料热学实验技术领域，特别涉及一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法。
背景技术
进入21世纪以来，我国国民经济不断发展，世界上各个地区的交往越来越频繁，以往的交通形式已经无法满足人们想快速跨越山川湖海的愿望，因此各种新的交通形式相继出现。而且我国沿海地区经济走向纵深，产业升级与结构调整加速，大型跨海通道的建设成为打破区域分割、加强区域联系的经济助推器。在建或规划中的大连湾跨海工程、港珠澳跨海通道工程和深圳至中山通道工程等，给人们生活与生活带来便利。
在地下空间大规模开发的背景下，随着通道长度和交通密度的增加，发生火灾的潜在威胁也是增大的。从大量的隧道火灾实例中可以发现，由于隧道火灾升温速率快、温度高的特点，混凝土结构物爆裂称为隧道结构火灾极其普遍的一种破坏形式，高性能混凝土是产生爆裂的另一因素。同时，混凝土结构一直承受海水、回淤和回填土造成的三维水土荷载，火灾导致的混凝土结构力学性能劣化会导致混凝土结构无法抵抗外部围岩与水压而产生坍塌，从而造成二次伤害，这是水下沉管隧道不可回避的重要问题。
现阶段还缺少岩土材料在三维应力条件下的热膨胀系数测试的技术研究。
发明内容
本申请提供了一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，解决或部分解决了现有缺少岩土材料在三维应力条件下的热膨胀系数测试技术研究的技术问题，实现了模拟实际工况下，测定岩土材料在温度-水土荷载耦合环境下三向热膨胀系数的技术效果。
本申请所提供的一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，包括以下步骤：
制备岩土材料试样以及石英石标准试样；
通过实时高温真三轴试验系统分别对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行三向加压；
通过高温温控系统分别对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行加热，获得所述岩土材料试样及所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量；
根据所述岩土材料试样及所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，运用测定公式算得所述岩土材料试样在三维应力条件下的三向线性膨胀系数。
作为优选，制备岩土材料试样，具体为：
将岩土材料加工成50×50×100mm的标准方形试样；
将耐高温紫铜箔片覆盖所述标准方形试样的表面，获得所述岩土材料试样。
作为优选，所述实时高温真三轴试验系统包括三个加载系统及伺服控制器，所述加载系统包括：液压伺服泵、油缸、加载杆，
所述伺服控制器连接并控制所有所述液压伺服泵；
所述液压伺服泵输送液压油到所述油缸；
所述油缸驱动所述加载杆运动；
所述加载杆端部固定一热塑模具钢，热塑模具钢靠近所述加载杆一侧的表面设置隔热板。
作为优选，对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行三向加压时，将各个所述加载杆与所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的对应表面进行对中，所述伺服控制器控制3个所述液压伺服泵同时工作，同时从3个方向施加预设压应力到所述岩土材料试样或所述石英石标准试样上。
作为优选，所述高温温控系统包括4组热电偶、3个位移传感器、3个压力传感器，
每组所述热电偶包括1个温度传感器及8根电热棒；4组所述热电偶分别设置在所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的4个边角上，以检测所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的温度；
3个所述位移传感器分别设置在所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的三个施力面上，以检测3个所述施力面的位移；
3个所述压力传感器分别设置在所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的3个所述施力面上，以检测3个所述施力面的压力。
作为优选，通过高温温控系统分别对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行加热，具体为：
通过所述压力传感器检测3个所述施力面的压力值，达到预设压力并维持恒定；
通过所述位移传感器检测3个所述施力面的位移初始值；
所述温度传感器检测所述岩土材料试样及所述石英石标准试样的温度初始值，通过所述电热棒对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行加热，使所述岩土材料试样及所述石英石标准试样达到温度设定值；
当所述岩土材料试样及所述石英石标准试样达到温度设定值后，通过所述位移传感器检测3个所述施力面的位移变化值；
将所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行恒温2小时；
根据3个所述施力面的位移变化值确定所述岩土材料试样及所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量。
作为优选，所述测定公式为：
Figure BDA0002611374690000041
其中，n＝(1，2，3)，
Figure BDA0002611374690000042
为所述岩土材料试样在三维应力条件下的三向线性膨胀系数，lcn为所述岩土材料试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，lsn为所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，ln为所述岩土材料试样的三向长度，T0为所述岩土材料试样加热前的温度初始值，T1为所述岩土材料试样加热后的温度设定值。/>
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请利用实时高温真三轴试验系统，对岩土材料试样进行施加力学与温度荷载，真实地模拟岩土材料所处的应力-温度耦合环境，从而达到测量岩土材料在三维应力条件下三向热膨胀系数的目的；先将试样制成标准方形试样，在三个方向均独立控制加载，每个方向加载系统由高精度液压伺服泵、油缸、加载杆构成，运用恒压加载模式来施加预设应力；数据采集系统记录从变温前T0至达到设定温度T1并恒温2h过程中，岩土材料试样三向线膨胀量，运用测定公式可计算热膨胀系数。该方法能够模拟实际工况下，测定岩土材料在温度-水土荷载耦合环境下的三向热膨胀系数。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的实时高温真三轴试验系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的实时高温真三轴试验系统的内室结构示意图；
图4为本申请实施例提供的三向位移随时间变化曲线图。
附图中各标号代表的部件依次为：1油缸、2加载杆、3承压板、4压力传感器、5位移传感器、6隔热板、7岩土材料试样、8热塑模具钢。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见附图1，本申请所提供的三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，包括以下步骤：
S1：制备岩土材料试样以及石英石标准试样。
S2：通过实时高温真三轴试验系统分别对岩土材料试样及石英石标准试样进行三向加压。
S3：通过高温温控系统分别对岩土材料试样及石英石标准试样进行加热，获得岩土材料试样及石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量；变温过程中，变温速率及变温时间均是可调控的。
S4：根据岩土材料试样及石英石标准试样的三向线膨胀量，运用测定公式算得岩土材料试样在三维应力条件下的三向线性膨胀系数。
该测定方法为了减小因仪器结构受热产生的热膨胀，需要使用标准的石英石标准试样测定在同等环境下产生的三向线膨胀量。由于测试的岩土材料三向线膨胀量lcn(n＝1,2,3)实际为仪器结构三向线膨胀量与真实的岩土材料三向线膨胀量之和；石英石的热膨胀系数低，故石英石在三维应力条件下的真实三向线膨胀量可忽略不计，因此获取的石英石在三维应力下三向线膨胀量lsn(n＝1,2,3)可看作为仪器结构产生的三向线膨胀量。试验测出岩土材料在三维应力条件下三向线膨胀量lcn减去该结构在同等环境下三向膨胀量lsn就可得出真实的岩土材料三维膨胀量，以此可提高测量精度。
步骤S1中，制备岩土材料试样具体为：将岩土材料加工成50×50×100mm的标准方形试样；将耐高温紫铜箔片覆盖标准方形试样的表面，获得岩土材料试样，耐高温紫铜箔片用来减小端部摩擦影响。
进一步的，参见附图2和3，实时高温真三轴试验系统包括三个加载系统及伺服控制器，所述加载系统包括：液压伺服泵、油缸1、加载杆2，伺服控制器连接并控制所有液压伺服泵；液压伺服泵输送液压油到油缸1；油缸驱动加载杆2运动；加载杆2端部固定一热塑模具钢8，热塑模具钢8靠近加载杆2一侧的表面设置隔热板6，减少温度流失。
步骤S2中，对岩土材料试样及石英石标准试样进行三向加压时，岩土材料试样7或石英石标准试样放置在承压板3上，将各个加载杆2与岩土材料试样7或石英石标准试样的对应表面进行对中，伺服控制器控制3个液压伺服泵同时工作，同时从3个方向施加预设压应力到岩土材料试样7或石英石标准试样上。
通过液压伺服泵驱动油缸1与加载杆2对岩土材料进行力学加载，三个方向(σ1，σ2，σ3)上均能做到独立加载控制，能够实际模拟岩土材料在温度-水土荷载耦合环境，研究岩土材料在三维应力下热膨胀系数。
进一步的，高温温控系统包括4组热电偶、3个位移传感器5、3个压力传感器4，
每组热电偶包括1个温度传感器及8根电热棒；4组热电偶分别设置在岩土材料试样7或石英石标准试样的4条边上，以检测岩土材料试样7或石英石标准试样的温度。
3个位移传感器5分别设置在岩土材料试样7或石英石标准试样的三个施力面上，以检测3个施力面的位移。3个压力传感器4分别设置在岩土材料试样7或石英石标准试样的3个施力面上，以检测3个施力面的压力。
步骤S3中，通过高温温控系统分别对岩土材料试样7及石英石标准试样进行加热，具体为：
S301：通过压力传感器4检测3个施力面的压力值，达到预设压力并维持恒定；
S302：通过位移传感器5检测3个施力面的位移初始值；
S303：温度传感器检测岩土材料试样7及石英石标准试样的温度初始值，通过电热棒对岩土材料试样7及石英石标准试样进行加热，使岩土材料试样7及石英石标准试样达到温度设定值；
S304：当岩土材料试样7及石英石标准试样达到温度设定值后，通过位移传感器5检测3个施力面的位移变化值；
S305：将岩土材料试样7及石英石标准试样进行恒温2小时；
S306：根据3个施力面的位移变化值确定岩土材料试样7及石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量。
其中，该测定方法为了减小影响其测量精度的测试系统的热漂移，需要提前测定高精度位移传感器5在高温环境下的工作特性：在一定温度下，试样表面施加一定荷载，获得位移随时间的变化，并量化测试流程不同环节的具体时间，以提高测量精度。
步骤S4中，测定公式为：
Figure BDA0002611374690000081
其中，n＝(1，2，3)，
Figure BDA0002611374690000082
为岩土材料试样7在三维应力条件下的三向线性膨胀系数，lcn为岩土材料试样7在三维应力条件下的三向线膨胀量，lsn为石英石标准试样7在三维应力条件下的三向线膨胀量，ln为岩土材料试样7的三向长度，T0为岩土材料试样7加热前的温度初始值，T1为岩土材料试样7加热后的温度设定值。
下面以C50混凝土试样为待测样品给出其在三维应力条件下200℃的三向热膨胀量测试实例。
步骤一，选取混凝土试块，用游标卡尺测量尺寸为49.9×50.3×100.2mm，表面上覆盖0.1mm厚的耐高温紫铜箔片。
步骤二将试样放入实时高温真三轴系统内室，布置如图3所示，为了模拟实际水土荷载，对试样施加三个方向(σ1，σ2，σ3)的压应力，σ1＝σ2＝σ3＝0.5MPa。
步骤三，通过压力传感器和位移传感器读取数值，待数值稳定后对试样进行加热升温处理，变温前温度初始值T0为20℃，温度设定值T1为200℃，升温速率恒定为10℃/min，升温时间为20min，恒温时间为2h，整个加热过程中实时记录每个位移传感器的位移值，记录频率为1次/s。
根据以上步骤，可绘制三向位移随时间变化曲线如图4。恒温2h后混凝土膨胀量接近于稳定，故将恒温后的位移变化量作为混凝土试样在温度变化ΔT＝200-20＝180℃时的线膨胀量，计算lc1＝0.320mm，lc2＝0.153mm，lc3＝0.154mm。
按照以上步骤可获得石英石标准试样在同等环境下三向线膨胀量，即仪器结构受热膨胀量lsn(n＝1,2,3)。
最后按照公式可计算C50混凝土标准方形试样在σ1＝σ2＝σ3＝0.5MPa的三轴应力条件下，从常温加热至200℃三向热膨胀系数。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备岩土材料试样以及石英石标准试样；
通过实时高温真三轴试验系统分别对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行三向加压；
通过高温温控系统分别对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行加热，获得所述岩土材料试样及所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量；
根据所述岩土材料试样及所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，运用测定公式算得所述岩土材料试样在三维应力条件下的三向线性膨胀系数；
所述高温温控系统包括4组热电偶、3个位移传感器、3个压力传感器，
每组所述热电偶包括1个温度传感器及8根电热棒；4组所述热电偶分别设置在所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的4个边角上，以检测所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的温度；
3个所述位移传感器分别设置在所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的三个施力面上，以检测3个所述施力面的位移；
3个所述压力传感器分别设置在所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的3个所述施力面上，以检测3个所述施力面的压力；
通过高温温控系统分别对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行加热，具体为：
通过所述压力传感器检测3个所述施力面的压力值，达到预设压力并维持恒定，运用恒压加载模式来施加预设压力；
通过所述位移传感器检测3个所述施力面的位移初始值；
所述温度传感器检测所述岩土材料试样及所述石英石标准试样的温度初始值，通过所述电热棒对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行加热，使所述岩土材料试样及所述石英石标准试样达到温度设定值；
当所述岩土材料试样及所述石英石标准试样达到温度设定值后，通过所述位移传感器检测3个所述施力面的位移变化值；
将所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行恒温2小时；
根据3个所述施力面的位移变化值确定所述岩土材料试样及所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量；
所述测定公式为：
Figure FDF0000019085670000021
其中，n＝(1，2，3)，
Figure FDF0000019085670000022
为所述岩土材料试样在三维应力条件下的三向线性膨胀系数，lcn为所述岩土材料试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，lsn为所述石英石标准试样在三维应力条件下的三向线膨胀量，ln为所述岩土材料试样的三向长度，T0为所述岩土材料试样加热前的温度初始值，T1为所述岩土材料试样加热后的温度设定值。
2.如权利要求1所述的三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，其特征在于，制备岩土材料试样，具体为：
将岩土材料加工成50×50×100mm的标准方形试样；
将耐高温紫铜箔片覆盖所述标准方形试样的表面，获得所述岩土材料试样。
3.如权利要求1所述的三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，其特征在于，所述实时高温真三轴试验系统包括三个加载系统及伺服控制器，所述加载系统包括：液压伺服泵、油缸、加载杆，
所述伺服控制器连接并控制所有所述液压伺服泵；
所述液压伺服泵输送液压油到所述油缸；
所述油缸驱动所述加载杆运动；
所述加载杆端部固定一热塑模具钢，所述热塑模具钢靠近所述加载杆一侧的表面设置隔热板。
4.如权利要求3所述的三维应力条件下岩土材料三向热膨胀系数测试方法，其特征在于，
对所述岩土材料试样及所述石英石标准试样进行三向加压时，将各个所述加载杆与所述岩土材料试样或所述石英石标准试样的对应表面进行对中，所述伺服控制器控制3个所述液压伺服泵同时工作，同时从3个方向施加预设压应力到所述岩土材料试样或所述石英石标准试样上。
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