本發(fā)明涉及測試儀器領域，更具體地說它是測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置。本發(fā)明還涉及試驗測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置的方法。

背景技術：

導熱系數(shù)是巖石的一項重要熱學參數(shù)，在地下核廢料處置、co2封存、天然氣、頁巖氣儲存等工程中，常需要對巖石的導熱系數(shù)進行測試，如何對巖石導熱系數(shù)進行精準測量，這對巖體工程多場耦合的研究具有重要意義；在成巖和長期的地質(zhì)構造作用過程中，深部巖體所處的實際環(huán)境極其復雜，受到各種外來荷載和溫度變化作用，其應力狀態(tài)及內(nèi)部損傷的改變對巖石的導熱性影響重大；目前，對巖石導熱性在溫度和應力同時變化條件下的研究極少，遠滿足不了當前的工程實際運用。隨著我國地下空間技術的高速發(fā)展，對巖體工程的規(guī)范要求也越來越嚴格。

測試巖石在應力變化條件下的導熱系數(shù)時若不考慮溫度影響，就不知道實際環(huán)境中溫度的變化對巖樣的破壞是否有影響及影響的大小；不能使實驗條件更接近實際，因此不能更準確地反映巖體在實際工程中所處的真實狀態(tài)。

因此，設計一套結構簡單，使用方便，精準度高的測試巖石在溫度和應力變化條件下導熱系數(shù)的真三軸試驗裝很有必要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的是提供測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置，能進行巖石溫度和應力變化條件下導熱系數(shù)的真三軸試驗測試,解決巖石在三相不同受力狀態(tài)和溫度變化條件下導熱系數(shù)的測試問題，能更準確地反映巖石在實際工程環(huán)境中的所處情況。

本發(fā)明的第二目的是提供試驗所述的測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置的方法。

為了實現(xiàn)上述本發(fā)明的第一目的，本發(fā)明的技術方案為：測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置，包括三軸壓力室，其特征在于：還包括溫度加熱系統(tǒng)；所述溫度加熱系統(tǒng)緊密包圍于所述三軸壓力室外側(cè)壁,所述溫度加熱系統(tǒng)的溫度施加值為10℃～150℃，有溫度表設置于所述三軸壓力室側(cè)壁上方；所述三軸壓力室上、下兩端分別設置有上座、底座，所述三軸壓力室、所述上座、所述底座圍成測試空間；有垂直加載活塞設置于所述上座內(nèi)，有上座底端口設置于所述上座下端中部；所述垂直加載活塞上部橫向兩端與所述上座呈滑動連接，所述垂直加載活塞下端軸向向下伸出所述上座底端口；

有左軸桿一端連接于泵動加載部分、另一端穿過三軸壓力室側(cè)壁且位于水平壓頭側(cè)面正上方；有右軸桿一端連接于手動加載部分、另一端穿過三軸壓力室側(cè)壁且位于水平壓頭側(cè)面正上方；

所述底座包括從上至下設置的第一臺階、第二臺階、第三臺階；有扁槽設置于所述第一臺階上端；

有上壓頭、巖石試樣設置于所述測試空間內(nèi)，所述巖石試樣上、下兩端分別設置有所述上壓頭和所述第一臺階，所述巖石試樣左、右兩端分別設置有所述水平壓頭；有橡膠套設置于所述巖石試樣外側(cè)；所述巖石試樣下端設置有沿軸向向上延伸的安裝孔，有熱探針設置于所述安裝孔內(nèi)，所述熱探針下端固定于所述扁槽內(nèi)；

所述測試空間側(cè)壁上端分別設置有由內(nèi)向外與外界相通的排氣通道、溫度傳感器通道，所述測試空間下端分別設置有輸油管道、排線通道；輸油管道、排線通道分別從所述第二臺階上端向下延伸并經(jīng)90°折彎至所述第二臺階外側(cè)壁；有數(shù)據(jù)線連接于所述熱探針下端，所述數(shù)據(jù)線穿過所述排線通道與外界數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)連接。

在上述技術方案中，所述垂直加載活塞與所述上座底端口的接觸面設置有密封圈、所述左軸桿與所述三軸壓力室側(cè)壁的接觸面設置有密封圈、所述右軸桿與所述三軸壓力室側(cè)壁的接觸面設置有密封圈、所述三軸壓力室下端與所述底座的接觸面設置有密封圈。保證整個試驗裝置內(nèi)部的密封性。

在上述技術方案中，巖石試樣高度為100mm，橡膠套長度為140mm；所述橡膠套上端、下端分別套裝于上壓頭下端、第一臺階上端、且有箍緊環(huán)設置于所述橡膠套外側(cè)。防止液壓油進入巖石試樣和安裝孔中，確保巖石試樣的密封性。

在上述技術方案中，巖石試樣為正方形底面的矩形體，上壓頭的底面為正方形、且與所述巖石試樣底面尺寸相同。便于軸向力的加載與計算。

在上述技術方案中，垂直加載活塞、上壓頭、巖石試樣、底座為同軸設置；所述上壓頭，橡膠套內(nèi)徑，所述巖石試樣與第一臺階為同徑設置。便于軸向力加載的順利進行。

為了實現(xiàn)上述本發(fā)明的第二目的，本發(fā)明的技術方案為：試驗所述的測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：制備巖石試樣；在巖石試樣底部設置沿軸向向上延伸的安裝孔，巖石試樣側(cè)面貼應變片，將熱探針置于巖石試樣的中心孔中，熱探針的數(shù)據(jù)線從扁槽內(nèi)引出，與側(cè)面應變片數(shù)據(jù)線一起通過排線通道與數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)相連；用橡膠套套于巖石試樣外側(cè)及上壓頭下端、第一臺階上端，并用箍緊環(huán)卡緊；上壓頭兩側(cè)設置有軸向應變傳感器；

步驟2：將垂直加載活塞放在上座內(nèi)，將上座連同三軸壓力室放置于底座上，并用螺母連接；左軸桿、右軸桿分別與泵動加載部分、手動加載部分連接并穿過三軸壓力室側(cè)壁；

步驟3：將輸油管道與液壓伺服泵連接，試驗開始前關閉排氣通道、輸油通道；

步驟4：當加載水平力σ2時，先通過旋轉(zhuǎn)手輪推動手動加載部分，使右軸桿左進與水平壓頭貼近(左進的距離事先由設計人員測量確定，確保操作后巖石試樣不發(fā)生偏離)，然后再操作泵動加載部分，使左軸桿右進與水平壓頭貼近，對巖石試樣施加水平力σ2至設定值；

步驟5：當加載水平力σ3時，打開排氣通道和輸油通道，通過液壓伺服泵向輸油管道輸送液壓油，直至液壓油流出排氣通道時，關閉排氣通道，對巖石試樣施加水平力σ3至設定值；

步驟6：當加載軸向力σ1時，通過軸向加載系統(tǒng)對垂直加載活塞施加軸向力σ1，垂直加載活塞作用在上壓頭上，從而使軸向力σ1作用在上壓頭上，對巖石試樣施加軸向力σ1至設定值；

步驟7：當需要測定巖石試樣導熱系數(shù)時，停止加載，保持一定的應力狀態(tài)，逐步通過溫度加熱系統(tǒng)施加環(huán)境溫度至預定值，待溫度穩(wěn)定，通過熱探針測試巖石試樣導熱系數(shù)；

步驟8：試驗結束時，待溫度冷卻至室溫后，依次卸掉軸向力σ1、水平力σ2、水平力σ3；移開泵動加載部分和手動加載部分，取出上座與三軸壓力室，拆除巖石試樣，拿出熱探針。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)解決巖石在三相不同受力狀態(tài)和溫度變化條件下導熱系數(shù)的測試問題，能進行巖石溫度和應力變化條件下導熱系數(shù)的真三軸試驗測試；能更準確地反映巖石在實際工程環(huán)境中的所處情況；

(2)結構簡單，使用方便，精準度高；

(3)設置于三軸壓力室側(cè)壁上方的溫度表可測量三軸壓力室內(nèi)部的溫度，確保試驗溫度的精確控制；

(4)橡膠套上端、下端分別套裝于上壓頭下端、第一臺階上端、且有箍緊環(huán)設置于橡膠套外側(cè)，防止液壓油進入巖石試樣和安裝孔中，確保巖石試樣的密封性；垂直加載活塞與上座底端口的接觸面設置有密封圈、左軸桿與三軸壓力室側(cè)壁的接觸面設置有密封圈、右軸桿與三軸壓力室側(cè)壁的接觸面設置有密封圈、三軸壓力室下端與底座的接觸面設置有密封圈，保證整個試驗裝置內(nèi)部的密封性；

(5)考慮溫度的影響，了解實際環(huán)境中溫度的變化對巖石試樣的破壞的影響及影響的大小；完善巖體工程多場耦合(多場耦合作用包含了溫度對巖體的影響)；使實驗條件更接近實際，更能反映巖體在實際工程中所處的真實狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構示意圖。

圖2為本發(fā)明扁槽斷面結構示意圖。

圖3為本發(fā)明巖石試樣包裹結構示意圖。

圖中1-上座,1.1-上座底端口,2-垂直加載活塞,3-底座,3.1-第一臺階,3.2-第二臺階,3.3-第三臺階,4-三軸壓力室,5-泵動加載部分,6-手動加載部分,7-左軸桿,8-右軸桿,9-排氣通道,10-排線通道,11-輸油管道,12-上壓頭,13-水平壓頭,14-橡膠套,15-巖石試樣,16-熱探針,17-安裝孔,18-扁槽,19-溫度傳感器通道,20-溫度加熱系統(tǒng),21-測試空間,22-箍緊環(huán)。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施情況，但它們并不構成對本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明使本發(fā)明的優(yōu)點更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置，包括三軸壓力室4，其特征在于：還包括溫度加熱系統(tǒng)20；所述溫度加熱系統(tǒng)20緊密包圍于所述三軸壓力室4外側(cè)壁,所述溫度加熱系統(tǒng)20的溫度施加值為10℃～150℃，有溫度表設置于所述三軸壓力室4側(cè)壁上方；所述三軸壓力室4上、下兩端分別設置有上座1、底座3，所述三軸壓力室4、所述上座1、所述底座3圍成測試空間21；有垂直加載活塞2設置于所述上座1內(nèi)，有上座底端口1.1設置于所述上座1下端中部；所述垂直加載活塞2上部橫向兩端與所述上座1呈滑動連接，所述垂直加載活塞2下端軸向向下伸出所述上座底端口1.1；

有左軸桿7一端連接于泵動加載部分5、另一端穿過三軸壓力室側(cè)壁且位于水平壓頭13側(cè)面正上方；有右軸桿8一端連接于手動加載部分6、另一端穿過三軸壓力室側(cè)壁且位于水平壓頭13側(cè)面正上方；

所述底座3包括從上至下設置的第一臺階3.1、第二臺階3.2、第三臺階3.3；有扁槽18設置于所述第一臺階3.1上端；

有上壓頭12、巖石試樣15設置于所述測試空間21內(nèi)，所述巖石試樣15上、下兩端分別設置有所述上壓頭12和所述第一臺階3.1，所述巖石試樣15左、右兩端分別設置有所述水平壓頭13；有橡膠套14設置于所述巖石試樣15外側(cè)；所述巖石試樣15下端設置有沿軸向向上延伸的安裝孔17，有熱探針16設置于所述安裝孔17內(nèi)，所述熱探針16下端固定于所述扁槽18內(nèi)(如圖2所示)；

所述測試空間21側(cè)壁上端分別設置有由內(nèi)向外與外界相通的排氣通道9、溫度傳感器通道19，所述測試空間21下端分別設置有輸油管道11、排線通道10；輸油管道11、排線通道10分別從所述第二臺階3.2上端向下延伸并經(jīng)90°折彎至所述第二臺階3.2外側(cè)壁(如圖1所示)；有數(shù)據(jù)線連接于所述熱探針16下端，所述數(shù)據(jù)線穿過所述排線通道10與外界數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)連接。

所述垂直加載活塞2與所述上座底端口1.1的接觸面設置有密封圈、所述左軸桿7與所述三軸壓力室4側(cè)壁的接觸面設置有密封圈、所述右軸桿8與所述三軸壓力室4側(cè)壁的接觸面設置有密封圈、所述三軸壓力室4下端與所述底座3的接觸面設置有密封圈。

巖石試樣15高度為100mm，橡膠套長度為140mm；所述橡膠套上端、下端分別套裝于上壓頭12下端、第一臺階3.1上端、且有箍緊環(huán)22設置于所述橡膠套外側(cè)(如圖3所示)。

巖石試樣15為正方形底面的矩形體，上壓頭12的底面為正方形、且與所述巖石試樣15底面尺寸相同。

垂直加載活塞2、上壓頭12、巖石試樣15、底座3為同軸設置；所述上壓頭12，橡膠套內(nèi)徑，所述巖石試樣15與第一臺階3.1為同徑設置。

試驗所述的測試巖石溫度和應力變化下導熱系數(shù)的真三軸裝置的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：制備巖石試樣15；在巖石試樣15底部設置沿軸向向上延伸的安裝孔17，巖石試樣側(cè)面貼應變片，將熱探針16置于巖石試樣15的中心孔17中，熱探針16的數(shù)據(jù)線從扁槽18內(nèi)引出，與側(cè)面應變片數(shù)據(jù)線一起通過排線通道10與數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)相連；用橡膠套14套于巖石試樣15外側(cè)及上壓頭12下端、第一臺階3.1上端，并用箍緊環(huán)22卡緊；上壓頭12兩側(cè)設置有軸向應變傳感器；

步驟2：將垂直加載活塞2放在上座1內(nèi)，將上座1連同三軸壓力室4放置于底座3上，并用螺母連接；左軸桿7、右軸桿8分別與泵動加載部分5、手動加載部分6連接并穿過三軸壓力室4側(cè)壁；

步驟3：將輸油管道11與液壓伺服泵連接，試驗開始前關閉排氣通道9、輸油通道11；

步驟4：當加載水平力σ2時，先通過旋轉(zhuǎn)手輪推動手動加載部分6，使右軸桿8左進與水平壓頭13貼近，然后再操作泵動加載部分5，使左軸桿11右進與水平壓頭13貼近，對巖石試樣15施加水平力σ2至設定值；

步驟5：當加載水平力σ3時，打開排氣通道9和輸油通道11，通過液壓伺服泵向輸油管道11輸送液壓油，直至液壓油流出排氣通道9時，關閉排氣通道9，對巖石試樣15施加水平力σ3至設定值；

步驟6：當加載軸向力σ1時，通過軸向加載系統(tǒng)對垂直加載活塞2施加軸向力σ1，垂直加載活塞2作用在上壓頭12上，從而使軸向力σ1作用在上壓頭12上，對巖石試樣15施加軸向力σ1至設定值；

步驟7：當需要測定巖石試樣導熱系數(shù)時，停止加載，保持一定的應力狀態(tài)，逐步通過溫度加熱系統(tǒng)20施加環(huán)境溫度至預定值，待溫度穩(wěn)定，通過熱探針16測試巖石試樣導熱系數(shù)；

步驟8：試驗結束時，待溫度冷卻至室溫后，依次卸掉軸向力σ1、水平力σ2、水平力σ3；移開泵動加載部分5和手動加載部分6，取出上座1與三軸壓力室4，拆除巖石試樣15，拿出熱探針16。

其它未說明的部分均屬于現(xiàn)有技術。