本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說它是可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)裝置。本發(fā)明還涉及可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

膨脹系數(shù)是巖石、土、混凝土等巖土材料的一項(xiàng)重要的熱學(xué)參數(shù)；在放射性核廢料處置、地?zé)崮茉撮_采以及地下油氣儲存等工程中，巖土材料的膨脹系數(shù)對于巖體工程的多場耦合研究有著重要的意義，日益受到人們的重視；巖土材料加載過程中的應(yīng)力與溫度應(yīng)力相互影響，開展巖土材料的熱力學(xué)試驗(yàn)，并研究巖土材料溫度應(yīng)力對巖土材料應(yīng)力狀態(tài)以及強(qiáng)度的影響，對于充分認(rèn)識巖土材料熱力耦合機(jī)理有著重要的意義，并且能夠?yàn)榉派湫院藦U料處置等巖土工程提供更好的支持；然而，現(xiàn)有技術(shù)中巖土材料的膨脹系數(shù)測試與巖土材料的力學(xué)試驗(yàn)是通過不同裝置進(jìn)行的，并不能研究巖土材料加載過程溫度應(yīng)力對巖土材料應(yīng)力狀態(tài)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的是提供可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)裝置，能完成巖土材料的膨脹系數(shù)測試和巖土材料的力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)合理，易于制造，操作簡單，測量系統(tǒng)精確，自動化程度高。

本發(fā)明的第二目的是提供可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的第一目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)裝置，包括上座、底座，其特征在于：還包括擋圈；所述上座設(shè)置于所述底座上方，所述上座上部設(shè)置有一 圈向上延伸的所述擋圈，有頂蓋通過螺栓固定連接于所述擋圈上端；所述上座、所述擋圈與所述頂蓋圍成油腔，所述油腔內(nèi)設(shè)置有沿軸向移動的活塞；所述活塞呈十字型，所述活塞包括垂直設(shè)置的豎向桿和水平設(shè)置的橫向桿，所述豎向桿的上端向上伸出所述頂蓋、且下端向下伸出所述上座進(jìn)入測試空間，所述油腔通過所述橫向桿分隔為上下兩部分，所述橫向桿的左右兩端與所述擋圈內(nèi)壁呈滑動連接；所述擋圈側(cè)壁沿徑向設(shè)置有平行設(shè)置的上輸油通道和下輸油通道，所述上輸油通道、所述下輸油通道分別位于所述橫向桿上下兩側(cè)，所述上輸油通道、所述下輸油通道分別與液壓伺服泵連接；

所述上座和所述底座通過連接桿固定連接；所述上座下端設(shè)置有向下延伸的凸起，所述底座上端設(shè)置為二層臺階，所述臺階包括從下至上設(shè)置的第一臺階、第二臺階，所述凸起與所述第一臺階的直徑相同，所述凸起、所述第一臺階的側(cè)壁通過套筒連接；所述套筒一側(cè)面上設(shè)置有恒溫電熱板；所述套筒另一側(cè)面上設(shè)置有隔熱層；有溫度控制器設(shè)置于所述連接桿外側(cè),所述溫度控制器尾部的導(dǎo)線依次穿過所述連接桿、所述隔熱層、所述套筒連接于所述恒溫電熱板上；

所述上座、所述套筒與所述底座圍成所述測試空間；所述測試空間上端設(shè)置有與外界相通的排氣通道，所述排氣通道從凸起下端向上延伸并經(jīng)90°折彎后延伸至所述上座外側(cè)壁；

所述測試空間下端設(shè)置有輸油通道，所述輸油通道從所述第一臺階上端向下延伸并經(jīng)90°折彎延伸至所述底座外側(cè)壁、且所述輸油通道與液壓伺服泵連接；

有巖土材料試樣位于所述測試空間內(nèi)、且所述巖土材料試樣設(shè)置于所述活塞下端與所述底座上端之間；所述第二臺階上端設(shè)置有凹槽，所述溫度傳感器設(shè)置于所述凹槽中，所述溫度傳感器下端通過穿過排線通道的數(shù)據(jù)線與外界的數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)連接，所述排線通道從所述第一臺階上端向下延伸并經(jīng)90°折彎延伸至所述底座外側(cè)壁。

在上述技術(shù)方案中，底座與套筒的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與 套筒的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與頂蓋的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與活塞的接觸面設(shè)置有密封圈；頂蓋與活塞的接觸面設(shè)置有密封圈。保證設(shè)備的密封性。

在上述技術(shù)方案中，連接桿有多根、且呈圓周均勻分布于上座和底座之間；有橡膠套包裹于巖土材料試樣外側(cè)，所述橡膠套底部固定套裝于第二臺階側(cè)壁上；擋圈的高度小于或等于11cm；凸起的尺寸為1～10cm。

為了實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的第二目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：制備巖土材料試樣；

步驟2：在巖土材料試樣上裝環(huán)向應(yīng)變計(jì)和軸向LVDT位移傳感器，將溫度傳感器放置于第二臺階的凹槽內(nèi)，將溫度傳感器的數(shù)據(jù)線與應(yīng)變計(jì)和位移傳感器的數(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；

步驟3：用橡膠套包裹巖土材料試樣；

步驟4：將套筒放置于底座上端，將上座放置于套筒上端，將活塞放置在油腔中，將活塞套入頂蓋中，并將頂蓋放置于上座上方，頂蓋通過螺栓與上座頂部的擋圈連接，連接桿穿過上座和底座的螺紋孔并連接上座和底座；

步驟5：輸油通道、下輸油通道和上輸油通道分別對應(yīng)連接液壓伺服泵，試驗(yàn)開始前關(guān)閉排氣通道、輸油通道、下輸油通道和上輸油通道；

步驟6：加載圍壓時，打開排氣通道、輸油通道，通過液壓伺服泵向輸油通道輸送液壓油，排氣通道有液壓油流出時關(guān)閉排氣通道，繼續(xù)加載圍壓至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束卸載圍壓時，打開排氣通道、輸油通道；

步驟7：加載軸向力時，通過液壓伺服泵向上輸油通道輸送液壓油至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束時卸載液壓伺服泵的油壓；

步驟8：測定膨脹系數(shù)時，停止加載，卸載液壓伺服泵的油壓， 并打開排氣通道，通過恒溫電熱板加熱測試空間中液壓油的溫度，測試巖土材料試樣的軸向變形和環(huán)向變形，并計(jì)算膨脹系數(shù)；

軸向膨脹系數(shù)的公式如下：

式中：Δt為溫度變化，單位為℃；

l為試樣的高度，單位為mm；

Δl為試樣在溫度變化Δt時試樣軸向變形量，單位為mm；

橫向膨脹系數(shù)的公式如下：

式中：Δt為溫度變化，單位為℃；

D為試樣的直徑，單位為mm；

ΔL為試樣在溫度變化Δt時試樣環(huán)向變形量，單位為mm；

步驟9：試驗(yàn)結(jié)束時，依次取下連接桿、頂蓋，通過液壓伺服泵向下輸油通道輸液壓油并提升活塞，取下活塞并卸載液壓伺服泵的油壓，依次取下上座、套筒，取出巖土材料試樣。

在上述技術(shù)方案中，底座與套筒的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與套筒的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與頂蓋的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與活塞的接觸面設(shè)置有密封圈；頂蓋與活塞的接觸面設(shè)置有密封圈。保證設(shè)備的密封性。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能完成巖土材料的膨脹系數(shù)測試和巖土材料的力學(xué)試驗(yàn)(在加載時，能測試巖土的力學(xué)與溫度應(yīng)力的耦合作用，在不加載時可測試巖土的膨脹系數(shù))；能充分有效地利用試驗(yàn)設(shè)備，保證一種設(shè)備能完成幾項(xiàng)測試；克服了現(xiàn)有技術(shù)巖土材料的膨脹系數(shù)測試與巖土材料的力學(xué)試驗(yàn)需通過不同裝置實(shí)現(xiàn)，不能研究巖土材料加載過程溫度應(yīng) 力對巖土材料應(yīng)力狀態(tài)的影響的缺點(diǎn)；

(2)本發(fā)明升溫過程穩(wěn)定、均勻；

(3)底座與套筒的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與套筒的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與頂蓋的接觸面設(shè)置有密封圈；上座與活塞的接觸面設(shè)置有密封圈；頂蓋與活塞的接觸面設(shè)置有密封圈，保證設(shè)備的密封性；

(4)結(jié)構(gòu)合理，易于制造，操作簡單，測量系統(tǒng)精確，自動化程度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中1-活塞,1.1-豎向桿,1.2-橫向桿,2-頂蓋,3-上座,3.1-擋圈,3.2-凸起,4-排氣通道,5-套筒,6-連接桿,7-底座,7.1-第一臺階,7.2-第二臺階,7.2.1-凹槽,8-排線通道,9-輸油通道,10-下輸油通道,11-上輸油通道,12-隔熱層,13-恒溫電熱板,14-橡膠套,15-油腔,16-測試空間,17-巖土材料試樣,18-溫度控制器,19-溫度傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)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(diǎn)更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)裝置，包括上座3、底座7，其特征在于：還包括擋圈3.1；所述上座3設(shè)置于所述底座7上方，所述上座3上部設(shè)置有一圈向上延伸的所述擋圈3.1，有頂蓋2通過螺栓固定連接于所述擋圈3.1上端；所述上座3、所述擋圈3.1與所述頂蓋2圍成油腔15，所述油腔15內(nèi)設(shè)置有沿軸向移動的活塞1；所述活塞1呈十字型，所述活塞1包括垂直設(shè)置的豎向桿1.1和水平設(shè)置的橫向桿1.2，所述豎向桿1.1的上端向上伸出所述頂蓋2、且下端向下伸出所述上座3進(jìn)入測試空間16，所述油 腔15通過所述橫向桿1.2分隔為上下兩部分，所述橫向桿1.2的左右兩端與所述擋圈3.1內(nèi)壁呈滑動連接；所述擋圈3.1側(cè)壁沿徑向設(shè)置有平行設(shè)置的上輸油通道11和下輸油通道10，所述上輸油通道11、所述下輸油通道10分別位于所述橫向桿1.2上下兩側(cè)，所述上輸油通道11、所述下輸油通道10分別與液壓伺服泵連接；

所述上座3和所述底座7通過連接桿6固定連接；所述上座3下端設(shè)置有向下延伸的凸起3.2，所述底座7上端設(shè)置為二層臺階，所述臺階包括從下至上設(shè)置的第一臺階7.1、第二臺階7.2，所述凸起3.2與所述第一臺階7.1的直徑相同，所述凸起3.2、所述第一臺階7.1的側(cè)壁通過套筒5連接；所述套筒5一側(cè)面上設(shè)置有恒溫電熱板13；所述套筒5另一側(cè)面上設(shè)置有隔熱層12；有溫度控制器18設(shè)置于所述連接桿6外側(cè),所述溫度控制器18尾部的導(dǎo)線依次穿過所述連接桿6、所述隔熱層12、所述套筒5連接于所述恒溫電熱板13上；

所述上座3、所述套筒5與所述底座7圍成所述測試空間16；所述測試空間16上端設(shè)置有與外界相通的排氣通道4，所述排氣通道4從凸起3.1下端向上延伸并經(jīng)90°折彎后延伸至所述上座3外側(cè)壁；

所述測試空間16下端設(shè)置有輸油通道9，所述輸油通道9從所述第一臺階7.1上端向下延伸并經(jīng)90°折彎延伸至所述底座7外側(cè)壁、且所述輸油通道9與液壓伺服泵連接；

有巖土材料試樣17位于所述測試空間16內(nèi)、且所述巖土材料試樣17設(shè)置于所述活塞1下端與所述底座7上端之間；所述第二臺階7.2上端設(shè)置有凹槽7.2.1，所述溫度傳感器19設(shè)置于所述凹槽7.2.1中，所述溫度傳感器19下端通過穿過排線通道8的數(shù)據(jù)線與外界的數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)連接，所述排線通道8從所述第一臺階7.1上端向下延伸并經(jīng)90°折彎延伸至所述底座7外側(cè)壁(如圖1所示)。

底座7與套筒5的接觸面設(shè)置有密封圈；上座3與套筒5的接觸面設(shè)置有密封圈；上座3與頂蓋2的接觸面設(shè)置有密封圈；上座3與活塞1的接觸面設(shè)置有密封圈；頂蓋2與活塞1的接觸面設(shè)置有密封圈。

連接桿6有多根、且呈圓周均勻分布于上座3和底座7之間；有橡膠套14包裹于巖土材料試樣17外側(cè)，所述橡膠套14底部固定套裝于第二臺階7.2側(cè)壁上；擋圈3.1的高度小于或等于11cm；凸起3.2的尺寸為1～10cm。

參閱附圖可知：可測試巖土材料膨脹系數(shù)的三軸試驗(yàn)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：制備巖土材料試樣17；

步驟2：在巖土材料試樣17上裝環(huán)向應(yīng)變計(jì)和軸向LVDT位移傳感器，將溫度傳感器19放置于第二臺階7.2的凹槽7.2.1內(nèi)，將溫度傳感器19的數(shù)據(jù)線與應(yīng)變計(jì)和位移傳感器的數(shù)據(jù)線一起通過排線通道8與數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)相連；

步驟3：用橡膠套14包裹巖土材料試樣17；

步驟4：將套筒5放置于底座7上端，將上座3放置于套筒5上端，將活塞1放置在油腔15中，將活塞1套入頂蓋2中，并將頂蓋2放置于上座3上方，頂蓋2通過螺栓與上座3頂部的擋圈3.1連接，連接桿6穿過上座3和底座7的螺紋孔并連接上座3和底座7；

步驟5：輸油通道9、下輸油通道10和上輸油通道11分別對應(yīng)連接液壓伺服泵，試驗(yàn)開始前關(guān)閉排氣通道4、輸油通道9、下輸油通道10和上輸油通道11；

步驟6：加載圍壓時，打開排氣通道4、輸油通道9，通過液壓伺服泵向輸油通道9輸送液壓油，排氣通道4有液壓油流出時關(guān)閉排氣通道4，繼續(xù)加載圍壓至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束卸載圍壓時，打開排氣通道4、輸油通道9；

步驟7：加載軸向力時，通過液壓伺服泵向上輸油通道11輸送液壓油至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束時卸載液壓伺服泵的油壓；

步驟8：測定膨脹系數(shù)時，停止加載，卸載液壓伺服泵的油壓，并打開排氣通道4，通過恒溫電熱板13加熱測試空間16中液壓油的溫度，測試巖土材料試樣17的軸向變形和環(huán)向變形，并計(jì)算膨脹系數(shù)；

軸向膨脹系數(shù)的公式如下：

式中：Δt為溫度變化，單位為℃；

l為試樣的高度，單位為mm；

Δl為試樣在溫度變化Δt時試樣軸向變形量，單位為mm；

橫向膨脹系數(shù)的公式如下：

式中：Δt為溫度變化，單位為℃；

D為試樣的直徑，單位為mm；

ΔL為試樣在溫度變化Δt時試樣環(huán)向變形量，單位為mm；

步驟9：試驗(yàn)結(jié)束時，依次取下連接桿6、頂蓋2，通過液壓伺服泵向下輸油通道10輸液壓油并提升活塞1，取下活塞1并卸載液壓伺服泵的油壓，依次取下上座3、套筒5，取出巖土材料試樣17。

底座7與套筒5的接觸面設(shè)置有密封圈；上座3與套筒5的接觸面設(shè)置有密封圈；上座3與頂蓋2的接觸面設(shè)置有密封圈；上座3與活塞1的接觸面設(shè)置有密封圈；頂蓋2與活塞1的接觸面設(shè)置有密封圈。

其它未說明的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。