CN203287254U - 一种岩石热-固耦合实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的一种岩石热-固耦合实验系统，包括工作平台；固定在工作平台上的反力框架；设置反力框架内的围压室；设置在围压室上方依次叠放并固定在反力框架上的千斤顶、偏压电泵和围压电泵；与千斤顶连接的手动泵；一个自动数据采集器；以及同时与自动数据采集器连接的偏压压力传感器和围压压力传感器；所述偏压压力传感器与偏压电泵连接；所述围压压力传感器与围压电泵连接；所述偏压电泵与千斤顶连接；所述围压电泵与围压室连接，所述围压室上还设有对围压室进行加热保温的温控子系统，所述自动数据采集器还与温控子系统连接。具有如下优点：可以进行岩石热-固耦合试验，并且温度控制精确、刚度大，控制和采集都能实现自动化。

Description

一种岩石热-固耦合实验系统

技术领域

本实用新型涉及的一种岩石热-固耦合实验系统，主要是用于进行岩石在温度和应力耦合作用下的短长期力学试验，研究分析温度和应力耦合作用机理及其对岩石短长期力学行为的影响，试验结果可为放射性废物地质处置等地下工程设计、施工和长期稳定性分析提供重要的试验技术支持。

背景技术

随着我国核电建设的发展，高水平放射性废物简称高放废物的处置已经成为一个重大的安全和环保问题。高放废物是伴随核工业发展而产生的一种特殊的废物，具有放射性强、毒性大、半衰期长等特点，对环境具有潜在的巨大威胁，一旦进入人类生存环境，危害极大，且难以消除。因此，高放废物的安全处置是一个影响核能可持续发展、环境保护和子孙后代福祉的重大问题。

高放废物处置库在开挖过程中，其初始状态受到开挖、远场应力或者其他因素扰动，形成一定的开挖扰动区，其主要形式为张拉、剪切裂纹的产生、原生裂纹的闭合和张开。开挖扰动区不仅对围岩的力学参数和渗流参数产生较大的影响，而且对围岩的热学参数也会产生较大的影响。在随后的运营过程中，高放废物衰变会不断产生大量的热，导致高放废物处置库中围岩温度的升高。由于开挖损伤区内张拉、剪切裂纹裂隙引起围岩热学参数变化，进而引起围岩内温度场分布不均匀。温度场的不均匀分布可能导致围岩已有裂隙扩展或者产生新的裂隙，而成为核素泄漏的潜在通道。因此，评估岩石的物理力学特性和辐射热作用下的性能对于处置库的安全至关重要，这些参数也是场址评价、未来地下实验室与处置库的设计和建造必要的基本资料。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可以进行岩石热-固耦合试验，并且温度控制精确、刚度大，控制和采集都能实现自动化的一种岩石热-固耦合实验系统。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种岩石热-固耦合实验系统，其特征在于，包括工作平台；固定在工作平台上的反力框架；设置反力框架内的围压室；设置在围压室上方依次叠放并固定在反力框架上的千斤顶、偏压电泵和围压电泵；与千斤顶连接的手动泵；一个自动数据采集器；以及同时与自动数据采集器连接的偏压压力传感器和围压压力传感器；所述偏压压力传感器与偏压电泵连接；所述围压压力传感器与围压电泵连接；所述偏压电泵与千斤顶连接；所述围压电泵与围压室连接，所述围压室上还设有对围压室进行加热保温的温控子系统，所述自动数据采集器还与温控子系统连接。

在上述的一种岩石热-固耦合实验系统，围压室包括一个包含有下压头的下底座；下压头上方设有与下压头配合的上压头；所述下底座设有圆台，套筒一端套在圆台上，另一端设有上顶盖，上顶盖上设有一个能上下垂直运动的活塞，所述活塞上设有连通自平衡压力室的小孔；所述下底座上设有围压通道和传感器连线通道；所述围压通道连接围压电泵；所述传感器连线通道连接围压压力传感器；下底座和上顶盖边缘处各设有螺孔，并通过螺杆将下底座、上顶盖和套筒组合并密封。

在上述的一种岩石热-固耦合实验系统，所述温控子系统包括加热套、保温套和温控箱；所述加热套包裹在上述套筒的外壁，所述保温套将包裹住整个围压室，所述温控箱与加热套连接；该岩石热-固耦合实验系统还包括一个插入到下底座上监控围压室的温度并将温度信号传递到温控箱的热电偶传感器。

在上述的一种岩石热-固耦合实验系统，还包括两个溢流阀，即第一溢流阀和第二溢流阀；所述第一溢流阀分别与偏压压力传感器和偏压电泵连接；所述第二溢流阀分别与围压压力传感器和传感器连线通道连接。

在上述的一种岩石热-固耦合实验系统，所述千斤顶内设有用于实现活塞下降的活塞下降通道和用于实现活塞上升的活塞上升通道；所述活塞下降通道分别与手动泵和偏压电泵连接；所述活塞上升通道只与手动泵连接；所述手动泵设有用于选择调节活塞下降或者上升的转向阀。

因此，本实用新型具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2. 可以进行岩石热-固耦合试验，并且温度控制精确、刚度大，控制和采集都能实现自动化。

附图说明

图1 为本实用新型的主视结构示意图。

图2 为图1中围压室的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。图中，工作平台1、反力框架2、围压室3、千斤顶4、偏压电泵5、围压电泵6、手动泵7、自动数据采集器8、偏压压力传感器9、围压压力传感器10、下压头11、下底座12、套筒13、上顶盖14、活塞15、第一溢流阀17、第二溢流阀18、上压头19、加热套20、保温套21、温控箱22、热电偶传感器23。

实施例：

首先，介绍一下本实用新型的具体结构，本实用新型包括工作平台1；固定在工作平台1上的反力框架2；设置反力框架2内的围压室3；设置在围压室3上方依次叠放并固定在反力框架2上的千斤顶4、偏压电泵5和围压电泵6；与千斤顶4连接的手动泵7；一个自动数据采集器8；以及同时与自动数据采集器8连接的偏压压力传感器9和围压压力传感器10；偏压压力传感器9与偏压电泵5连接；围压压力传感器10与围压电泵6连接；偏压电泵5与千斤顶4连接；围压电泵6与围压室3连接，围压室3上还设有对围压室3进行加热保温的温控子系统，自动数据采集器8还与温控子系统连接；另外，还包括两个溢流阀，即第一溢流阀17和第二溢流阀18；第一溢流阀17分别与偏压压力传感器9和偏压电泵5连接；第二溢流阀18分别与围压压力传感器10和传感器连线通道连接。

在本实施例中，工作平台1为一长800mm，宽600mm，高600mm的长方体，底部装有四个轮轴，以方便移动；工作平台1的正面对开小门，方便放置操作工具；平台的顶部成阶梯状，上部阶梯长600mm，宽300mm，下部阶梯长600mm，宽500mm，两阶梯之间高差为150mm，并且两阶梯面保持水平，在较低的阶梯面四角各预留直径为100mm的螺孔，以方便安装反力框架2。反力框架2是由上下两块长500mm、宽400mm、厚700mm的钢板以及四根直径55mm、高1200mm的实心钢柱通过螺栓锚固组成。

其中，围压室3包括一个包含有下压头11的下底座12；下压头11上方设有与下压头11配合的上压头19；下底座11设有圆台，套筒13一端套在圆台上，另一端设有上顶盖14，上顶盖14上设有一个能上下垂直运动的活塞15，活塞15上设有连通自平衡压力室的小孔；下底座12上设有围压通道和传感器连线通道；围压通道连接围压电泵6；传感器连线通道连接围压压力传感器10；下底座12和上顶盖14边缘处各设有螺孔，并通过螺杆将下底座12、上顶盖14和套筒13组合并密封；温控子系统包括加热套20、保温套21和温控箱22；加热套20包裹在上述套筒13的外壁，保温套21将包裹住整个围压室3，温控箱22与加热套20连接；还包括一个插入到下底座12上监控围压室3的温度并将温度信号传递到温控箱22的热电偶传感器23。

在本实施例中，加热套20为柔性，并可拆卸，包裹在围压室3的套筒13外面，对围压室3内液压油和试样进行加热。保温套21也为柔性和可拆卸式，对整个围压室3进行包裹，将围压室3与外部环境进行隔绝，起到保温效果。温控箱22可控制围压室3内液压油和试样的加热，也可实时显示加热套20的温度，可高温自动断电。围压室3内液压油温度作为主控条件，由插入围压室的热电偶传感器23将该温度信号传递到温控箱22进行加热控制。

千斤顶4内设有用于实现活塞下降的活塞下降通道和用于实现活塞上升的活塞上升通道；活塞下降通道分别与手动泵4和偏压电泵5连接；活塞上升通道只与手动泵7连接；手动泵7设有用于选择调节活塞下降或者上升的转向阀。

在本实施例中，千斤顶高180mm，直径150mm，最大荷载为100吨，最大加载截面22.7cm²。千斤顶的中心部位有一直径为100mm的活塞，其最大行程50mm。

本实用新型可进行不同两种不同类型的试验：不同温度下岩石常规单、三轴压缩试验和不同温度下岩石流变实验。

一、进行不同温度下岩石常规单、三轴压缩试验时，按下列步骤顺序进行：

1、在圆柱体试样1/2高度处，按要求粘贴测量轴向变形和径向变形的应变片，然后将岩样装入橡胶套中；

2、将试样放置于下压头中心位置，并且在试样上放置于试验直径一致的上压头，连接应变片的导线通过橡胶套，分别接到围压室下底座上的传感器连线通道；

3、将套筒安装在围压室下底板上，并使其紧密接触。在安装套筒的过程中要注意不要碰到数据线。

4、向套筒内倒油，油的位置距离套筒顶部15mm为止，盖上上顶盖，注意顶盖上的螺孔要与底板上的螺孔对应。在相应的6个螺孔的位置用螺杆锚固。

5、将围压室推至反力框架居中位置，使其活塞中心对准反力框架上千斤顶的活塞正中，检查所有管道阀门，保证所有阀门处于开启状态，以利于加热过程膨胀的液压油排出。

6、将加热套包裹到套筒上，保证安装到位，油缸四周与加热套接触紧密，将粘扣可靠固定到位。

7、再将保温套固定到加热套的外边。保温套有单独的底垫及顶帽，可按需要使用，将油缸尽可能地密封起来。

8、加热套引出的导线端部连接了航空插头，引出3根电缆，将此插头插到温控箱的相应插座上。

9、将热电偶温度传感器应插入围压室的传感器插孔中，传感器的引线端点航空插头应插到温控箱的相应插座上。

10、将温控箱的电源线连接到实验室的电源插座，启动温控装置，设定需要到的试验温度。

11、当温度达到设定的水平后，关闭偏压电泵和围压电泵的阀门，打开连接手动泵和千斤顶的阀门，通过手动泵快速移动千斤顶的活塞，使其与围压室的活塞接触，关闭连接手动泵与千斤顶的阀门。

12、启动围压电泵，设定流速和所需施加的围压值；打开围压泵上的阀门施加围压，当顶盖上的排气孔有油连续排出，关闭排气孔，直至围压值稳定在预先所设定的值。

13、启动偏压电泵，设定流速和最大轴向应力的值，对试样施加轴向位移或者应力加载，实时观察并记录围压、偏压、轴向应变和侧向应变的变化。

二、进行不同温度下岩石流变实验时，按下列步骤顺序进行：

1、进行不同温度下岩石常规单、三轴压缩试验的1～13步骤，使试样达到设定的温度、围压和偏压水平。

2、保持当前的温度、围压和偏压水平，长期观察并记录温度、围压、偏压、轴向应变和侧向应变的变化。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了工作平台1、反力框架2、围压室3、千斤顶4、偏压电泵5、围压电泵6、手动泵7、自动数据采集器8、偏压压力传感器9、围压压力传感器10、下压头11、下底座12、套筒13、上顶盖14、活塞15、第一溢流阀17、第二溢流阀18、上压头19、加热套20、保温套21、温控箱22、热电偶传感器23等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (5)

1.一种岩石热-固耦合实验系统，其特征在于，包括工作平台（1）；固定在工作平台（1）上的反力框架（2）；设置反力框架（2）内的围压室（3）；设置在围压室（3）上方依次叠放并固定在反力框架（2）上的千斤顶（4）、偏压电泵（5）和围压电泵（6）；与千斤顶（4）连接的手动泵（7）；一个自动数据采集器（8）；以及同时与自动数据采集器（8）连接的偏压压力传感器（9）和围压压力传感器（10）；所述偏压压力传感器（9）与偏压电泵（5）连接；所述围压压力传感器（10）与围压电泵（6）连接；所述偏压电泵（5）与千斤顶（4）连接；所述围压电泵（6）与围压室（3）连接，所述围压室（3）上还设有对围压室（3）进行加热保温的温控子系统，所述自动数据采集器（8）还与温控子系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩石热-固耦合实验系统，其特征在于，围压室（3）包括一个包含有下压头（11）的下底座（12）；下压头（11）上方设有与下压头（11）配合的上压头（19）；所述下底座（11）设有圆台，套筒（13）一端套在圆台上，另一端设有上顶盖（14），上顶盖（14）上设有一个能上下垂直运动的活塞（15），所述活塞（15）上设有连通自平衡压力室的小孔；所述下底座（12）上设有围压通道和传感器连线通道；所述围压通道连接围压电泵（6）；所述传感器连线通道连接围压压力传感器（10）；下底座（12）和上顶盖（14）边缘处各设有螺孔，并通过螺杆将下底座（12）、上顶盖（14）和套筒（13）组合并密封。

3.根据权利要求2所述的一种岩石热-固耦合实验系统，其特征在于，所述温控子系统包括加热套（20）、保温套（21）和温控箱（22）；所述加热套（20）包裹在上述套筒（13）的外壁，所述保温套（21）将包裹住整个围压室（3），所述温控箱（22）与加热套（20）连接；该岩石热-固耦合实验系统还包括一个插入到下底座（12）上监控围压室（3）的温度并将温度信号传递到温控箱（22）的热电偶传感器（23）。

4.根据权利要求3所述的一种岩石热-固耦合实验系统，其特征在于，还包括两个溢流阀，即第一溢流阀（17）和第二溢流阀（18）；所述第一溢流阀（17）分别与偏压压力传感器（9）和偏压电泵（5）连接；所述第二溢流阀（18）分别与围压压力传感器（10）和传感器连线通道连接。

5.根据权利要求1所述的一种岩石热-固耦合实验系统，其特征在于，所述千斤顶（4）内设有用于实现活塞下降的活塞下降通道和用于实现活塞上升的活塞上升通道；所述活塞下降通道分别与手动泵（4）和偏压电泵（5）连接；所述活塞上升通道只与手动泵（7）连接；所述手动泵（7）设有用于选择调节活塞下降或者上升的转向阀。

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