可调温的置于转台上的岩石力学试验机的制作方法

本发明涉及岩土试验技术领域，尤其涉及一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机。

背景技术：

岩土试验机是为研究岩土的应力、应变关系的一种基础科学试验仪器，由轴压系统、围压系统和温度控制系统组成，工作原理是通过轴压系统对试样施加轴向试样力，通过压力室对试样施加围压，同时通过温度控制系统使试样的上、下端面、试样中部分别处在不同的温度环境下，从而模拟试样在不同温度下的多种实际工况。传统的岩石试验机大部分只能测得岩石试样的应力应变关系曲线，而对于岩石在破裂过程中的裂纹产生和发展过程却无法进行监测并获得图像。

近几年的岩石试验技术有了长足的进步，因此所提出的试验条件也越来越多，岩石试样在多场耦合下的变形情况是现在的研究热点。通常包括压力场、温度场和电磁场等等。

随着计算机技术的不断完善和发展，CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)识别技术被应用到岩土试验中来，这为观测岩石试样破裂过程提供了技术依据。为了在试验过程中对岩土试样各个纵向截面的变形情况进行动态观测，就需要在试验中使得岩石试样与CT扫描仪有相对转动。而为了解决试验温度场模拟，就必须在试验机中增加一套加温和控温系统。

中国科学院兰州冰川冻土研究所曾采用CT测试技术开展过岩土三轴试验。他们采用的是将应变式三轴压力室直接放到CT机中进行扫描，这种CT扫描方法只适合于压力室轴向压力和周围压力较低的场合，对大型的岩土试验机并不适用，而且该试验机并未模拟温度条件。

由中国矿业大学等单位研制的20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机，具有围压和轴压大的特点，试样的尺寸也达到了试样的最高加热稳定温度达到了600℃，属于一种具有多场耦合的试验机。该试验机因为不能利用CT设备进行扫描，所以只能获取试样的变形特性，无法获取试样破裂时的内部裂纹产生和发展过程。

发明专利CN 200620096213.X公开了一种全方位扫描岩土CT三轴仪，它是一种全非金属制作的三轴仪，不但能进行横向断面的扫描，而且能进行纵向(轴向)断面的扫描。但也只适用于轴压和围压较小的场合，对大型岩土试验机不适用。大型岩土试验机的轴压、围压较大，须使用金属制作试样筒，这样必须相应的使用高能CT机。由于大型岩土试验机体积较大，不能直接放入高能CT机中扫描，所以须将试验机的试样筒部分设计为可旋转部件。

发明专利201610248127.4公开了一种可旋转岩石力学试验机，其可对大岩石试样进行CT横向断面和纵向断面的多方位无遮挡扫描。但是该试验机所能试验的温度条件单一，仅能进行常温下的岩石试验，实际上不同地层深度的岩石其所处的温度环境是不相同的，所以有必要在试验机中增加一套可调节温度的加热设备，增大试验机的适用范围。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机，以实现有效地进行岩石试验。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机，包括：温度控制器(1)、液压泵(2)、制热器(3)、热交换器(4)、循环回路储油箱(5)、油箱(6)、制冷器(7)、岩石试样基座(33)和试验机主体；

所述液压泵(2)的进油口与所述热交换器(4)的出油口间通过油管连接，所述液压泵(2)的出油口与试验机主体中的下供电供液滑环19的进油口e间利用油管连接；所述热交换器(4)的进油口与所述循环回路储油箱(5)的出油口之间焊接固定，所述热交换器(4)焊接固定在所述油箱(6)上所述；循环回路储油箱(5)的进油口与所述下供电供液滑环19的出油口f间通过油管连接，所述循环回路储油箱(5)通过焊接固定在所述油箱(6)上；在所述油箱(6)的底部分别安装有所述制热器2和所述制冷器(7)，所述温度控制器(1)与制热器(3)和制冷器(7)连接，所述试验机主体置于转台上；

所述岩石试样基座(33)的下端加工出外螺纹，底部中心处加工一盲孔b，在基座上部分沿径向加工一通孔a,通孔a与盲孔b之间相互连通，在所述岩石试样基座(33)的上表面加工出两个与上表面夹角40°的斜盲孔c，且该斜盲孔c与通孔a联通。

进一步地，所述试验机主体包括上供电供液滑环(8)、滑环通液板(9)、通液管法兰(10)、液压伺服缸盖(11)、液压伺服缸(12)、隔热层一(13)、上加强板(14)、试验机底板(15)、转台底板(16)、转台(17)、大理石台(18)、下供电供液滑环(19)、过渡环(20)、隔热层二(21)、下加强板(22)、压力室(23)和隔热层三(24)。

进一步地，所述隔热层一(13)为中空圆环状，圆周上均匀分布6个孔，用于穿过螺栓，所述隔热层一(13)设置在所述液压伺服缸(12)和所述压力室(23)之间。

进一步地，所述隔热层二(21)为圆状，外层均匀分布多个孔，中心处孔为通油通电孔；所述试验机底板(15)的中心处加工有沉头螺纹盲孔。

进一步地，所述压力室内设置有隔热层三(24)、位移传感器(40)、热电偶(31)、岩石试样基座(33)、下垫块(34)、岩石试样(35)、上垫块(36)和垫块(37)。

进一步地，所述隔热层三(24)为圆筒状，所述隔热层三(24)的外壁贴于所述压力室(23)的内壁。

进一步地，所述热电偶(31)贴于所述岩石试样基座(33)的表面，所述下垫块(34)、所述岩石试样(35)和所述上垫块(36)通过铝管封装成整体，并将封装后的整体置于所述岩石试样基座(33)上，在所述垫块(37)的上表面安置隔热层。

进一步地，通过所述下供电供液滑环(19)对所述压力室(23)内部岩石试样(35)实施围压加载，所述伺服缸活塞(29)向下动作对岩石试样35实现轴向加载，所述位移传感器(40)、所述液压伺服缸控制器(27)、所述液压伺服缸(12)和所述电液伺服阀(26)构成反馈回路，监测岩石试样的变形量并控制所述伺服缸活塞(29)轴向载荷的施加。

进一步地，所述可调温的置于转台上的岩石力学试验机的加热反馈控制回路由所述制热器(3)、所述制冷器(7)、所述热电偶(31)和所述温度控制器(1)构成。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的岩石力学试验机实现了岩土试样轴向和周向加载，同时也实现了与温度场的耦合，还实现了360度无遮挡CT扫描。整个岩石力学试验机装置放在一个转台上，试验机旋转的力矩由试样筒承担，保证了岩土试样只承受轴向力。将整个岩石力学试验机的加载放置放在一个转台上，加载装置与转台分离，轴向加载的载荷对于转台来说是试验机加载装置的内力，既保证了试验机刚度，又实现了旋转精度，提高了实验结果的准确性，而外部的加热装置和温度控制系统又可以使试验机实现地下不同深度的温度场，从而达到岩石力学试验的多场耦合条件。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机的总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机的试验主体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机的压力室内部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机的调温油路和油路循环回路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种岩石试样基座的剖视图；

图6为本发明实施例提供的一种岩石试样基座的俯视图；

图7为本发明实施例提供的一种岩石力学试验机的工作场景示意图。

图中：温度控制器1，液压泵2，制热器3，热交换器4，循环回路储油箱5，油箱6，制冷器7，上旋转供电供液滑环8，滑环通液板9，通液管法兰10，液压伺服缸盖11，液压伺服缸12，隔热层一13，下加强板14，压力室底板15，转台底板16，转台17，大理石台18，下供电供液滑环19，过渡环20，隔热层二21，下加强板22，压力室23，隔热层三24，针阀25，电液伺服阀26，液压伺服缸控制器27，活塞尾杆28，液压伺服缸活塞29，电接头一30，热电偶31，电接头二32，岩石试样基座33，下垫块34，岩石试样35，上垫块36，垫块37，工业CT38，射线源39，位移传感器40，通孔a，盲孔b，斜盲孔c。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例将试验机的压力室与加载伺服液压缸设计于一体，加载力的反力由压力室自身承担，并且置于一个转台之上。加载装置与转台分离，轴向加载的载荷对于转台来说是试验机加载装置的内力，对转台没有影响，转台只承受试验机的重量载荷。这样采用压力室外壁作为试验机反力架，解决了CT扫描遮挡问题而又避免了加载条件下旋转引发的旋转精度、试验机刚度等问题。此外，将试验机的调温装置设计成外置热循环式，供热稳定性比较好，不会造成压力室内局部高温。试样基座既承受轴向载荷，又起调节试样温度的功能，调温装置的结构紧凑而且不会对CT射线造成遮挡，很好地解决了试样模拟地层温度的问题。

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构及工作原理。

本发明实施例提供的一种可调温的置于转台上的岩石力学试验机的结构如图1、2所示，包括温度控制器1，液压泵2，制热器3，热交换器4，循环回路储油箱5，油箱6，制冷器7，试验机主体。所述温度控制器1与制热器(3)和制冷器(7)连接，所述试验机主体置于转台上。

液压泵2的进油口与热交换器4的出油口间通过油管连接，其出油口与下供电供液滑环19的进油口e间利用油管连接；热交换器4的进油口与循环回路储油箱5的出油口之间焊接固定，热交换器4焊接固定在油箱6上；循环回路储油箱5的进油口与下供电供液滑环19的出油口f间通过油管连接，循环回路储油箱5通过焊接固定在油箱6上；在油箱6的底部分别安装有制热器2和制冷器7。

试验机主体包括上供电供液滑环8，滑环通液板9，通液管法兰10，液压伺服缸盖11，液压伺服缸12，隔热层一13，上加强板14，试验机底板15，转台底板16，转台17，大理石台18，下供电供液滑环19，过渡环20，隔热层二21，下加强板22，压力室23隔热层三24。

隔热层一13为中空圆环状，圆周上均匀分布6个孔，用于穿过螺栓，并将其设置在液压伺服缸12和压力室23之间。隔热层二21为圆状，外层均匀分布多个孔，中心处4孔为通油通电孔。试验机底板15中心处加工有沉头螺纹盲孔。

压力室内设置有隔热层三24，位移传感器40，热电偶31，岩石试样基座33，下垫块34，岩石试样35，上垫块36，垫块37。

隔热层三24为圆筒状，外壁贴于压力室23内壁。岩石试样基座33下端加工出外螺纹，底部中心处加工一盲孔b，在基座上部分沿径向加工一通孔a,通孔a与盲孔b之间相互连通，在岩石试样基座33的上表面加工出两个与上表面夹角40°的斜盲孔c，且该孔与通孔a联通。热电偶31贴于岩石试样基座33表面，下垫块34、岩石试样35和上垫块36通过铝管封装成整体，并将封装整体置于岩石试样基座33上，在垫块37上表面安置隔热层。

本发明实施例的可调温的置于转台上的岩石力学试验机的具体工作原理如下：

通过下供电供液滑环19对压力室23内部岩石试样35实施围压加载，伺服缸活塞29向下动作对岩石试样35实现轴向加载。同时，位移传感器40、液压伺服缸控制器27、液压伺服缸12和电液伺服阀26构成反馈回路，监测岩石试样的变形量并控制伺服缸活塞29轴向载荷的施加。

试验机的加热反馈控制回路由制热器3、制冷器7、热电偶31和温度控制器1构成。运行过程中围压液由液压泵2通过下供电供液滑环19的进油口将围压液送入试验机，围压液从下供电供液滑环19送出，依次流经过渡环20、转台底板16、试验机底板15，然后通过岩石试样基座33上加工的斜口从试样的圆周切向喷向岩石试样，由于围压液流贴着试样表面喷流，流动路径会向试样表面偏移，因为试验机在工作时是旋转的，所以围压液流可使整个岩石表面受热。而后围压液流通过试验机底板16、转台底板17、过渡环20，再通过下供电供液滑环19流回循环回路储油箱5，其围压液流流动方向如图4所示。

加载过程中转台17转动，实现360度水平旋转，射线源39，工业CT38完成扫描。

综上所述，本发明实施例的岩石力学试验机实现了岩土试样轴向和围压加载，同时也实现了与温度场的耦合，还实现了360度无遮挡CT扫描。整个岩石力学试验机装置置于转台上，加载装置与转台分离，轴向载荷对于转台来说是试验机加载装置的内力，既保证了试验机刚度，又实现了旋转精度，提高了实验结果的准确性。外部的调温装置和温度控制系统可以使试验机实现不同地区和地下不同深度的温度场，从而达到岩石力学试验的多场耦合条件。

本发明实施例的具有外部调温装置的至于转台上的岩石力学试验机将调温装置设计成外部循环式，保证了供油温度稳定性，避免了造成压力室内部局部高温，并且可以避免传统调温装置对工业CT射线的遮挡问题，对研究不同地层深度下的岩土力学具有重大的意义。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。