一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法

1.本发明涉及三轴加载渗流温控相关技术领域，具体涉及一种三轴加载渗流温控及其实现方法。


背景技术：

2.渗流发生在众多工程的施工中，现阶段，我国大型基建工程建设仍会持续一段时间，地下工程的建设更是下一步发展的关键，搞清楚在多物理场耦合作用下岩体的变形及渗透特性是导水裂隙致灾和冲击地压灾害以及地下工程防渗等一系列难题的必走之路，实验室试验是一种科学合理又经济的手段，但需要实验设备的支撑。
3.地下岩体所处环境比较复杂，受应力场、渗流场及温度场等三场以上多场耦合作用，目前，针对国内的渗流实验设备，大多是针对煤岩样品在单物理场或者双物理场作用下测量岩体变形及渗透实验设备，这些实验设备测的试验数据不能准确说明真实环境下岩体的变形及渗透，存在局限性；还有一些设备能实现三场耦合作用下的岩体的渗透，但是无法准确的测量其变形数据。三轴加载的实验设备较多但是考虑三轴渗流实验设备较少提及，因此考虑以上问题研制一种三轴加载渗流温控装置，本三轴加载渗流温控装置可实现对试件受力条件下(模拟地层条件下的地应力环境、渗流环境以及温度环境)进行渗流试验，监测三轴加载过程中，试件的变形及渗透规律。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，通过对试样分别施加轴向载荷、围压和渗流压力，并控制注入流体的温度，可实现单轴加载、三轴加载、渗流、控温实验的功能，并实现整个过程对于试件变形的测定。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，包括渗流装置主体，所述渗流装置主体上设置有控板、通气孔、传力杆、左端盖、密封圈、通气孔、补容腔、密封圈、渗流装置主体、密封圈b、围压加载腔、左压头、稳压管入口、压力计、控温箱、电热管、热电偶、右端盖、螺栓a、密封圈a、导线孔、接线柱板、螺栓b、导线、应变仪、接线柱、密封圈、出气口、密封圈b、右压头、热缩套、密封圈b、压头连接器、出水孔、密封圈b、排气孔、行程空间、密封圈b、螺栓c、应变片，试件；所述控板右端和传力杆左端通过螺栓)固定相连，所述传力杆中间开设通气孔，所述传力杆嵌入左端盖内，所述传力杆嵌入渗流装置主体内，所述左端盖右端与渗流装置主体左端通过螺栓c固定相连，所述补容腔上部开设通气孔，所述行程空间下部开设排气孔，所述传力杆右端和可拆卸的左压头左端通过可拆卸的压头连接器相连，所述左压头的右端和试件左端相连，所述试件右端和可拆卸的右压头左端相连，所述右压头右端和右端盖左端相连；所述围压加载腔体上部开设有稳压管入口，所述稳压管入口上设置有压力计，所述压力计下端与电热管固定相连，所述电热管下端伸入围压加载腔体内部，所述电热管与控温箱电性相连，所述围压加载腔体内固定安装有热电偶，所述围压加载腔体下部开设有出水口；所述右端盖内部设有出气孔和导
线孔，所述右端盖左端和渗流装置主体右端通过螺栓a固定相连，所述接线柱板嵌入右端盖右端并通过螺栓b固定相连，所述导线和接线柱板左端的接线柱相连，所述接线柱板右端和应变仪相连。
6.优选的，所述控板、传力杆、左端盖、补容腔、行程空间、渗流装置主体、围压加载腔、接线柱板、压头连接器、和右端盖的内外侧皆呈类圆柱形结构设计。
7.优选的，所述左端盖与渗流装置主体接触部分的圆周上固定安装有密封圈。
8.优选的，所述传力杆与左端盖接触部分的圆周上固定安装有密封圈b，所述传力杆与渗流装置主体接触部分的圆周上固定安装有密封圈a和密封圈b，所述传力杆右端和左压头左端与压头连接器接触部分的圆周上分别固定安装有密封圈b。
9.优选的，所述右压头右端和右端盖左端接触部分的圆周上固定安装有密封圈b。
10.优选的，所述右端盖和接线柱板的接触部分的圆周上固定安装有密封圈a。
11.优选的，所述导线和贴在试件上的应变片相连，所述应变仪采用dh3816n静态应变仪，所述应变仪开关电源的输入端口连接220v市电。
12.优选的，所述控温箱内设置有开关电源、单片机和继电器，所述单片机采用at89c51芯片，所述单片机的电源端口与开关电源的输出端口电性相连，所述开关电源的输入端口连接220v市电；所述单片机的信号接收端口与热电偶电性相连，所述单片机的信号控制端口与继电器的控制端口电性相连，所述继电器的输入端口与220v市电相连，所述继电器的输出端口与电热管电性相连。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用控板、传力杆、补容腔、围压加载腔、控温箱、电热管、热电偶、接线柱板、应变仪、行程空间、压头连接器等机械结构和电气元器件，通过对补容腔和围压加载腔进行注水，对试样进行注气，完成对试样分别施加轴向载荷、围压、渗流，并控制注入流体的温度，配合应变仪，实现了单轴加载、三轴加载、渗流和控温实验的功能，并实现整个过程对于试件变形的测定。
14.本装置可对圆柱型试件进行多种实验。分项具体效果如下：
15.1、单轴加载功能。待试样安装好后，往补容腔内注入流体，流体的注入会对传力杆产生向右的推力，推力经传力杆和压头连接器向右依次传导至左压头，最后传递至试样，压力的大小通过注流体体积计算，实验中，需要对试样进行多大压力测试，就可以相应的注入适量流体；为了得到实验过程试件的变形情况，应当采用贴在试件上的应变片与应变仪相连接的系统，当注入流体后，应变片采集试件应变数据通过导线传到至应变仪，从而获得试样受压应变量数据。
16.2、三轴加载功能。三轴加载是通过注入围压加载腔体内的流体给试样提供围压，用以模拟试样所处的真实环境，向补容腔内注入流体通过传力杆给试样提供轴向压力，以模拟真实环境下试样所受的轴向压力，通过应变仪获得试样受三轴加载时轴向应变与径向应变的数据。
17.三轴加载前，使用热缩套31把标准尺寸的圆柱试样和左右压头紧密热缩在一起，防止向试件注气过程中漏气，防止围压过大导致流体渗入试件内，在热缩过程中先把导线穿过导线孔21，方便与接线柱相连接。三轴加载时，首先，给控温箱接通220v市电，通过控温箱设定所需的流体温度，并开启电热管；其次，往稳压管入口缓慢注入流体(水或液压油)，流体缓缓经过电热管时被不断加热，流经热电偶时，将检测温度传递给控温箱内的单片机，
进行信号识别与对比，超出设定温度时，发出控制指令关闭电热管，在电热管的余温下，仍可对缓缓加入的流体加热，待检测温度低于设定值时，单片机重新开启电热管，最终使得加载腔体内的流体温度保持在设定温度范围内，此外，流体的注入可以对围压加载腔体进行填充，使得流体对试样产生压力作用，围压值在压力计上显示达到最初预订值时且待围压稳定后，再往补容腔内注入流体通过传力杆给试样提供轴向压力，当轴向压力值达到预定初始压力值时，且当轴向压力稳定后，再向试件施加围压作用，这样交替施加围压和轴压，直至达到所设定的最终压力值，停止加载，从而实现对试样的三轴加载功能。
18.3、渗流功能。渗流实验可与三轴加载实验同时进行。待三轴加载实验准备完成后，给传力杆内的气体通道注入设定所需气体压力(氮气)，直达试样，再经出气口通带排出本装置。渗流过程中，可以通过测定设定时间段的气体体积，分析试件的渗透系数。
19.4、控温实验。可通过改变设定温度，测定不同温度下三轴加载和渗流实验试样的应变和体积，获取多组实验数据，便于分析处理。
20.本发明设计结构简单、加载稳定，通过对试样分别施加轴向载荷、围压、渗流，控制流体温度，应变仪，实现了单轴加载、三轴加载、渗流和控温实验的功能，并实现整个过程对于试件变形的测定，本发明适用于研究热流固耦合作用下岩体变形及渗透规律。
附图说明
21.图1为本发明一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法的结构简图；
22.图2为本发明温控电路系统框图；
23.图中：1-控板，2-通气孔，3-传力杆，4-左端盖，5-密封圈a，6-通气孔，7-补容腔，8-密封圈a，9-渗流装置主体，10-密封圈b，11-围压加载腔，12-左压头，13-稳压管，14-压力计，15-控温箱，16-电热管，17-热电偶，18-右端盖，19-螺栓a，20-密封圈a，21-导线孔，22-接线柱板，23-螺栓b，24-导线，25-应变仪，26-接线柱，27-密封圈a，28-出气口，29-密封圈b，30-右压头，31-套有热缩套的试件，32-密封圈b，33-压头连接器，34-出水孔，35-密封圈b，36-排气孔，37-行程空间，38密封圈b，39-螺栓c，40-应变片，41-试件。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，包括渗流装置主体9，其特征在于：所述渗流装置主体9上设置有控板1，通气孔2，传力杆3，左端盖4，密封圈a5，通气孔6，补容腔7，密封圈a8，渗流装置主体9，密封圈b10，围压加载腔11，左压头12，稳压管入口13，压力计14，控温箱15，电热管16，热电偶17，右端盖18，螺栓a19，密封圈a20，导线孔21，接线柱板22，螺栓b23，导线24，应变仪25，接线柱26，密封圈a27，出气口28，密封圈b29，右压头30，热缩套31，密封圈b32，压头连接器33，出水孔34，密封圈b35，排气孔36，行程空间37，密封圈b38，螺栓c39，应变片40，试件41；所述控板1右端和传力杆3左端通过螺栓c39固定相连，所述传力杆3中间开设通气孔2，所述传力杆3嵌入左端盖4
内，所述传力杆3嵌入渗流装置主体9内，所述左端盖4右端与渗流装置主体9左端通过螺栓c39固定相连，所述补容腔7上部开设通气孔6，所述行程空间37下部开设排气孔36，所述传力杆3右端和可拆卸的左压头12左端通过可拆卸的压头连接器33相连，所述左压头12的右端和试件41左端相连，所述套有试件41右端和可拆卸的右压头30左端相连，所述右压头30右端和右端盖(18)左端相连；所述围压加载腔体(11)上部开设有稳压管入口(13)，所述稳压管入口13上设置有压力计14，所述压力计14下端与电热管16固定相连，所述电热管16下端伸入围压加载腔体11内部，所述电热管16与控温箱15电性相连，所述围压加载腔体11内固定安装有热电偶17，所述围压加载腔体11下部开设有出水口34；所述右端盖18内部设有出气孔28和导线孔21，所述右端盖18左端和渗流装置主体9右端通过螺栓a19固定相连，所述接线柱板22嵌入右端盖18右端并通过螺栓b23固定相连，所述导线24和接线柱板22左端的接线柱相连，所述接线柱板22右端和应变仪25相连。
26.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述控板1、传力杆3、左端盖4、补容腔7、行程空间37、渗流装置主体9、围压加载腔11、接线柱板22、压头连接器33、和右端盖18的内外侧皆呈类圆柱形结构设计。
27.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述左端盖4与渗流装置主体9接触部分的圆周上固定安装有密封圈5。
28.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述传力杆3与左端盖4接触部分的圆周上固定安装有密封圈b38，所述传力杆3与渗流装置主体9接触部分的圆周上固定安装有密封圈a8和密封圈b10，所述传力杆3右端和左压头12左端与压头连接器33接触部分的圆周上分别固定安装有密封圈b32和密封圈b35。
29.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述右压头30右端和右端盖18左端接触部分的圆周上固定安装有密封圈b29。
30.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述右端盖18和接线柱板22的接触部分的圆周上固定安装有密封圈a27。
31.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述导线24和贴在试件上的应变片40相连，所述应变仪25采用dh3816n静态应变仪，所述应变仪25开关电源的输入端口连接220v市电。
32.其中，所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述控温箱15内设置有开关电源、单片机和继电器，所述单片机采用at89c51芯片，所述单片机的电源端口与开关电源的输出端口电性相连，所述开关电源的输入端口连接220v市电；所述单片机的信号接收端口与热电偶(17)电性相连，所述单片机的信号控制端口与继电器的控制端口电性相连，所述继电器的输入端口与220v市电相连，所述继电器的输出端口与电热管16电性相连。
33.工作原理：
34.(1)试件41的安装流程：本装置采用的试样一般为25mm
×
50mm(直径
×
高度)的圆柱体岩样，试样的安装是在本装置之外进行的。首先，将左压头12和右压头30全部取出；然后，将试样放在左压头12和右压头30的中间位置，通过热缩套31把三者热缩在一起，由于热缩套31的弹性较强，套接时不可损坏试样；热缩套31一端套接在左压头12右端，另一端套接在右压头30的左端，套接要完整，试样41的左、右面要分别与左压头12的右端端面和右压头
30的左端面紧密接触，在热缩过程中先把导线穿过导线孔21，方便与接线柱相连接；试样41安装完成后，将整套放入围压加载腔体11内。
35.(2)单轴加载实验、三轴加载实验、渗流实验、控温实验原理：
36.①
单轴加载功能。待试样安装好后，往补容腔7内注入流体，流体的注入会对传力杆3产生向右的推力，推力经传力杆3和压头连接器33向右依次传导至左压头12，最后传递至试样41，压力的大小通过注流体体积计算，实验中，需要对试样进行多大压力测试，就可以相应的注入适量流体；为了得到实验过程试件41的变形情况，应当采用贴在试件上的应变片40与应变仪25相连接的系统，当注入流体后，应变片40采集试件41应变数据通过导线21传到至应变仪25，从而获得试样受压应变量数据。
37.②
三轴加载功能。三轴加载是通过注入围压加载腔体11内的流体给试样41提供围压，用以模拟试样41所处的真实环境，向补容腔7内注入流体通过传力杆3给试样41提供轴向压力，以模拟真实环境下试样所受的轴向压力，通过应变仪25获得试样受三轴加载时轴向应变与径向应变的数据。
38.三轴加载前，使用热缩套31把标准尺寸的圆柱试样41和左压头12和右压头30紧密热缩在一起，防止向试件注气过程中漏气，防止围压过大导致流体渗入试件内，在热缩过程中先把导线穿过导线孔21，方便与接线柱相连接。三轴加载时，首先，给控温箱15接通220v市电，通过控温箱15设定所需的流体温度，并开启电热管17；其次，往稳压管13入口缓慢注入流体(水或液压油)，流体缓缓经过电热管16时被不断加热，流经热电偶时，将检测温度传递给控温箱15内的单片机，进行信号识别与对比，超出设定温度时，发出控制指令关闭电热管16，在电热管16的余温下，仍可对缓缓加入的流体加热，待检测温度低于设定值时，单片机重新开启电热管16，最终使得围压加载腔体11内的流体温度保持在设定温度范围内，此外，流体的注入可以对围压加载腔体11进行填充，使得流体对试样41产生压力作用，围压值在压力计上显示达到最初预订值时且待围压稳定后，再往补容腔7内注入流体通过传力杆给试样提供轴向压力，当轴向压力值达到预定初始压力值时，且当轴向压力稳定后，再向试件施加围压作用，这样交替施加围压和轴压，直至达到所设定的最终压力值，停止加载，从而实现对试样的三轴加载功能。
39.③
渗流功能。渗流实验可与三轴加载实验同时进行。待三轴加载实验准备完成后，给传力杆3内的气体通道2注入设定所需气体压力(氮气)，直达试样，再经出气口28通带排出本装置。渗流过程中，可以通过测定设定时间段的气体体积，分析试件的渗透系数。
40.④
控温实验。可通过改变设定温度，测定不同温度下三轴加载和渗流实验试样的应变和体积，获取多组实验数据，便于分析处理。
41.控温箱控温原理：开关电源将220v市电转换为5vdc和10vdc，分别给单片机和热电偶17供电，操作之前，通过单片机电路板上面的矩阵式按键设定温度值，并开启加温，此时，继电器被打开，电热管16开始加热；热电偶17开始检测围压加载腔体11内的流体温度，并实时传输给单片机进行识别处理，当流体温度达到设定值时，单片机给继电器发送关闭指令，电热管16断电停止工作，待检测温度低于设定值时，单片机又重新开启继电器，电热管16上电继续加热，最终使得温度维持在设定值范围内。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，包括渗流装置主体(9)，其特征在于：所述渗流装置主体(9)上设置有控板(1)，通气孔(2)，传力杆(3)，左端盖(4)，密封圈a(5)，通气孔(6)，补容腔(7)，密封圈a(8)，渗流装置主体(9)，密封圈b(10)，围压加载腔(11)，左压头(12)，稳压管入口(13)，压力计(14)，控温箱(15)，电热管(16)，热电偶(17)，右端盖(18)，螺栓a(19)，密封圈a(20)，导线孔(21)，接线柱板(22)，螺栓b(23)，导线(24)，应变仪(25)，接线柱(26)，密封圈a(27)，出气口(28)，密封圈b(29)，右压头(30)，热缩套(31)，密封圈b(32)，压头连接器(33)，出水孔(34)，密封圈b(35)，排气孔(36)，行程空间(37)，密封圈b(38)，螺栓c(39)，应变片(40)，试件(41)；所述控板(1)右端和传力杆(3)左端通过螺栓c(39)固定相连，所述传力杆(3)中间开设通气孔(2)，所述传力杆(3)嵌入左端盖(4)内，所述传力杆(3)嵌入渗流装置主体(9)内，所述左端盖(4)右端与渗流装置主体(9)左端通过螺栓c(39)固定相连，所述补容腔(7)上部开设通气孔(6)，所述行程空间(37)下部开设排气孔(36)，所述传力杆(3)右端和可拆卸的左压头(12)左端通过可拆卸的压头连接器(33)相连，所述左压头(12)的右端和试件(41)左端相连，所述试件(41)右端和可拆卸的右压头(30)左端相连，所述右压头(30)右端和右端盖(18)左端相连；所述围压加载腔体(11)上部开设有稳压管入口(13)，所述稳压管入口(13)上设置有压力计(14)，所述压力计(14)下端与电热管(16)固定相连，所述电热管(16)下端伸入围压加载腔体(11)内部，所述电热管(16)与控温箱(15)电性相连，所述围压加载腔体(11)内固定安装有热电偶(17)，所述围压加载腔体(11)下部开设有出水口(34)；所述右端盖(18)内部设有出气孔(28)和导线孔(21)，所述右端盖(18)左端和渗流装置主体(9)右端通过螺栓a(19)固定相连，所述接线柱板(22)嵌入右端盖(18)右端并通过螺栓b(23)固定相连，所述导线(24)和接线柱板(22)左端的接线柱相连，所述接线柱板(22)右端和应变仪(25)相连。2.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述控板(1)、传力杆(3)、左端盖(4)、补容腔(7)、行程空间(37)、渗流装置主体(9)、围压加载腔(11)、接线柱板(22)、压头连接器(33)、和右端盖(18)的内外侧皆呈类圆柱形结构设计。3.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述左端盖(4)与渗流装置主体(9)接触部分的圆周上固定安装有密封圈(5)。4.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述传力杆(3)与左端盖(4)接触部分的圆周上固定安装有密封圈b(38)，所述传力杆(3)与渗流装置主体(9)接触部分的圆周上固定安装有密封圈a(8)和密封圈b(10)，所述传力杆(3)右端和左压头(12)左端与压头连接器(33)接触部分的圆周上分别固定安装有密封圈b(32)和密封圈b(35)。5.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述右压头(30)右端和右端盖(18)左端接触部分的圆周上固定安装有密封圈b(29)。6.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述右端盖(18)和接线柱板(22)的接触部分的圆周上固定安装有密封圈a(27)。7.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述导线(24)和贴在试件上的应变片(40)相连，所述应变仪(25)采用dh3816n静态应变仪，所述应变仪(25)开关电源的输入端口连接220v市电。8.根据权利要求1所述的一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，其特征在于：所述
控温箱(15)内设置有开关电源、单片机和继电器，所述单片机采用at89c51芯片，所述单片机的电源端口与开关电源的输出端口电性相连，所述开关电源的输入端口连接220v市电；所述单片机的信号接收端口与热电偶(17)电性相连，所述单片机的信号控制端口与继电器的控制端口电性相连，所述继电器的输入端口与220v市电相连，所述继电器的输出端口与电热管(16)电性相连。

技术总结
本发明公开了一种三轴加载渗流温控装置及其实现方法，包括：渗流装置主体、控板、通气孔、传力杆、左端盖、密封圈、通气孔、补容腔、围压加载腔、左压头、稳压管入口、压力计、控温箱、电热管、热电偶、右端盖、螺栓、导线孔、接线柱板、导线、应变仪、接线柱、出气口、右压头、热缩套、压头连接器、出水孔、排气孔、行程空间、应变片，试件。本发明的使用结果表明，结构简单、加载稳定，通过对试样分别施加轴向载荷、围压、渗流，控制流体温度，应变仪，实现了单轴加载、三轴加载、渗流和控温实验的功能，并实现整个过程对于试件变形的测定，本发明适用于研究热流固耦合作用下岩体变形及渗透规律。固耦合作用下岩体变形及渗透规律。固耦合作用下岩体变形及渗透规律。


技术研发人员：孙维吉 麻文飞 孙家琪
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25