用于测试岩石热力学参数的三轴试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩土工程领域，具体的说是一种用于测试岩石热力学参数的三轴试验装置。

背景技术：

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，岩石的热力学参数(包括导热系数、比热容、导温系数)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。

岩石加载过程中的应力状态以及内部损伤对岩石热力学参数有着重要的影响，开展岩石的热力学试验，并研究岩石应力状态及损伤对热力学参数的影响，对于充分认识岩体工程的热固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体工程提供更好的理论支持。

现有的三轴试验装置不能同时进行岩石热学参数测试和岩石的力学试验(常规三轴试验)，因此有必要进行改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种用于测试岩石热力学参数的三轴试验装置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：用于测试岩石热力学参数的三轴试验装置，包括从上至下依次设置并同轴布置的顶盖、上座和底座，所述上座顶部和顶盖围成油腔，所述油腔内设置有延轴向移动的活塞，所述活塞两端延轴向分别伸出顶盖和上座；所述上座底部和底座围成用于放置岩石试样的测试空间，所述测试空间上部设置有与外界连通的排气通道，测试空间下部设置有输油通道；有岩石试样设置在活塞下端和底座顶部之间，岩石试样底部和底座顶部之间设置有扁槽，其特征在于：所述岩石试样下端设置有两个间隔布置的安装孔，每个安装孔内均设有探测针，所述扁槽内设置有探测板，所述两个探测针下端均与探测板上端固定连接，探测板下端与底座顶部固定连接。

在上述技术方案中，所述上座顶部设置有一圈向上方延伸的挡圈，所述顶盖固定设置在所述挡圈顶部，所述上座、挡圈与所述顶盖围成的空间即为油腔。

在上述技术方案中，所述活塞呈十字型，它包括呈竖直布置的竖向杆和呈水平布置的横向杆，所述竖向杆两端分别伸出所述顶盖和上座，所述横向杆的两端与所述挡圈内壁滑动连接；所述挡圈上设置有两个延径向设置且呈相互平行布置的上油通道和下油通道，所述上油通道和下油通道分别位于所述横向杆竖向两侧。

在上述技术方案中，所述上座和底座之间设有多个连接杆，所述多个连接杆呈圆周状均布设置，且每个连接杆上端均与上座连接，每个连接杆下端均与底座连接。

在上述技术方案中，所述上座底部设置有向下延伸的凸起，所述底座顶部设置有两层台阶，所述两层台阶分别为从下至上设置的第一台阶和第二台阶，所述凸起与所述第一台阶的侧壁之间通过套筒连接，所述上座、套筒和底座围成的区域即为测试空间。

在上述技术方案中，所述排气通道从所述凸起底部向上延伸并经90°折弯后延伸至上座外壁侧；所述输油通道从所述第一台阶顶部向下延伸并经90°折弯延伸至底座外侧壁。

在上述技术方案中，所述岩石试样包裹在橡胶套内，所述橡胶套底部固定套装在所述第二台阶的侧壁。

本实用新型解决了岩石热学参数测试与岩石的力学试验(常规三轴试验)不能同时进行的难题，可在对岩石试样进行力学试验的同时进行热学参数的测试，且结构合理，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为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中的扁槽断面示意图。

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，8-排线通道，9-输油通道，10-下油通道，11-上油通道，12a-探测针，12b-探测板，13-扁槽，14-橡胶套，15-油腔，16-测试空间，17-岩石试样，18-安装孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：用于测试岩石热力学参数的三轴试验装置，包括从上至下依次设置并同轴布置的顶盖2、上座3和底座7，所述上座3顶部和顶盖2围成油腔15，所述油腔15内设置有延轴向移动的活塞1，所述活塞1两端延轴向分别伸出顶盖2和上座3；所述上座3底部和底座7围成用于放置岩石试样17的测试空间16，所述测试空间16上部设置有与外界连通的排气通道4，测试空间16下部设置有输油通道9；有岩石试样17设置在活塞1下端和底座7顶部之间，岩石试样17底部和底座7顶部之间设置有扁槽13，其特征在于：所述岩石试样17下端设置有两个间隔布置的安装孔18，每个安装孔18内均设有探测针12a，所述扁槽13内设置有探测板12b，所述两个探测针12a下端均与探测板12b上端固定连接，探测板12b下端与底座7顶部固定连接。

优选的，所述上座3顶部设置有一圈向上方延伸的挡圈3.1，所述顶盖2固定设置在所述挡圈3.1顶部，所述上座3、挡圈3.1与所述顶盖2围成的空间即为油腔15。

优选的，所述活塞1呈十字型，它包括呈竖直布置的竖向杆1.1和呈水平布置的横向杆1.2，所述竖向杆1.1两端分别伸出所述顶盖2和上座3，所述横向杆1.2的两端与所述挡圈3.1内壁滑动连接；所述挡圈3.1上设置有两个延径向设置且呈相互平行布置的上油通道11和下油通道10，所述上油通道11和下油通道10分别位于所述横向杆1.2竖向两侧。

优选的，所述上座3和底座7之间设有多个连接杆6，所述多个连接杆6呈圆周状均布设置，且每个连接杆6上端均与上座3连接，每个连接杆6下端均与底座7连接。

优选的，所述上座3底部设置有向下延伸的凸起3.2，所述底座7顶部设置有两层台阶，所述两层台阶分别为从下至上设置的第一台阶7.1和第二台阶7.2，所述凸起3.2与所述第一台阶7.1的侧壁之间通过套筒5连接，所述上座3、套筒5和底座7围成的区域即为测试空间16。

优选的，所述排气通道4从所述凸起3.2底部向上延伸并经90°折弯后延伸至上座3外壁侧；所述输油通道9从所述第一台阶7.1顶部向下延伸并经90°折弯延伸至底座7外侧壁。

优选的，所述岩石试样17包裹在橡胶套14内，所述橡胶套14底部固定套装在所述第二台阶7.2的侧壁。

实际工作时，本实用新型包含如下工艺步骤：

步骤1：制备岩石试样17，并分别在岩石试样17底部设置沿轴向向上延伸的测试孔18，岩石试样17侧面贴应变片，将热探针12置于岩石试样17的测试孔18中，热探针12的数据线从扁槽13内引出，与应变片数据线一起通过排线通道8与数据控制及采集系统相连，在岩石试样17进行橡胶套14的包裹；

步骤2：将套筒5放置于底座7上，上座3放置于套筒5上，放置活塞1在油腔15中，顶盖2套入活塞1并放置于上座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的螺纹孔并将上座3和底座7连接；

步骤3：输油通道9、下油通道10和上油通道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、下油通道10和上油通道11；

步骤4：当需加载围压时，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，试验结束需要卸围压时，打开排气通道4、输油通道9；

步骤5：当加载轴向力时，通过液压伺服泵向上油通道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6：当需要测定岩石热学参数时，停止加载，保持一定的应力状态，通过热探针12测试岩石试样的热学参数。可以测试的热学参数包括岩石的导热系数、比热和导温系数，使用的探针为双探针，其测试原理为：首先将探针加热一定时间th，然后在加热以及降温的过程中测量探针以及两探针间距之间的温度，通过非线性的最小二乘拟合，所测得的数据符合下面的公式(1)和(2)：

其中，T₀和q为分别为测量开始时的温度和热量输入，Ei为指数积分，b₀，b₁，b₂为待拟合的参数。然后可以从公式(3)和(4)求得导热系数和导温系数：

岩石的比热容可从式(5)求出：

试验测试的比热容为岩石的体积比热。

步骤7：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、取得岩石试样，并拿出热探针12。

参考图1，本实施例的常规三轴试验条件下热学参数的测试仪器，包括从上至下依次并同轴设置的顶盖2、上座3和底座7，上座3顶部设置有一圈向上方延伸的挡圈3.1，顶盖2通过螺栓固定设置在挡圈3.1顶部，上座3、挡圈3.1与顶盖2围成的空间即为油腔15。在油腔15内设置有沿轴向移动的活塞1，活塞1呈十字型，它包括垂直设置的竖向杆1.1和横向杆1.2，竖向杆1.1的两端分别伸出顶盖2和上座3，横向杆1.2将油腔15分为上下两部分，横向杆1.2的两端与挡圈3.1内壁滑动连接；挡圈3.1上沿径向设置有两个平行布置的上油通道11和下油通道10，上油通道11和下油通道10分别位于横向杆1.2竖向两侧，并分别与液压伺服泵连接，液压伺服泵通过上油通道11向油腔上部中注油并加载轴向力，液压伺服泵通过下油通道10向油腔下部输送液压油以便于试验结束时活塞1提升。

本实施例的上座3底部和底座7之间通过多个呈圆周均匀分布的连接杆固定连接。上座3底部设置有向下延伸的凸起3.2，底座7顶部设置有两层台阶，台阶包括从下至上设置的第一台阶7.1和第二台阶7.2，凸起3.2与第一台阶7.1同直径设置，其侧壁之间通过套筒5连接，上座3、套筒5与底座7围成的区域即为放置岩石试样17的测试空间16。在测试空间16上部设置有与外界相通并用于排气的排气通道4，排气通道4从凸起3.1底部向上延伸并经90°折弯后延伸至上座3外侧壁；测试空间下部设置有输油通道9，输油通道9从第一台阶顶部向下延伸并经90°折弯延伸至底座7外侧壁，输油通道9也与液压伺服泵连接，液压伺服泵通过输油通道9向套筒5内部输送液压油并向岩石试样17加载围压。

本实施例的岩石试样17设置在活塞1下端与底座7顶部之间，岩石试样17底部设置有沿轴向向上延伸的安装孔18，安装孔18内设置有热探针12，热探针12尾端固定设置在第二台阶7.2顶部设置扁槽13(参考图2)中，热探针12尾端连接有数据线，数据线穿过排线通道8与外界的数据控制及采集系统连接，排线通道8作为数据线的引入通道，从第一台阶顶部向下延伸并经90°折弯延伸至底座7外侧壁。

本实施例的岩石试样包裹橡胶套14内，橡胶套14底部固定套装在第二台阶7.2侧壁，以防止液压油进入岩石试样的安装孔18中。

本实施例的底座7与套筒5、上座3与套筒5、上座3与顶盖2、上座3与活塞1、顶盖2与活塞1接触面分别设有密封圈，用于保证该装置内部油腔的密封性及加载的可靠性。

其它未说明的部分均属于现有技术。