一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置的制作方法

1.本发明涉及一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置的固定与加热过程操作方法以及力学性能测试领域。


背景技术：

2.自上世纪七十年代以来，随着我国经济的增长，岩土与隧道等基础工程对的需求量也大量增加，全断面硬岩隧道掘进机在我国隧道工程中得到了广泛的应用，其在大埋深与长距离硬岩掘进环境中，隧道掘进机滚刀与岩石相互作用产生高温或者直接遇到高温岩层，岩石会受到温度的影响并改变其力学特性与破坏模式。滚刀在高温岩石等复杂地质环境下掘进时，表现出很差的地质适应性且失效非常严重。如滚刀非正常磨损、掘进过程不畅等，这不仅导致岩石破碎机理发生变化，同时造成滚刀的掘进损耗量大、破岩效率低、稳定性差等施工问题，而且消耗大量的额外能源。因此，岩石温度不可避免成为影响掘进机掘进效率的重要因素。
3.基于上述背景，考虑掘进中岩石温度的影响，需要利用简便的仪器模拟高温岩石并利用加载试验，研究关于不同岩石温度下滚刀的破岩特性，基于容易操作的室内试验研究数据并掌握其变化规律。揭示岩石温度对滚刀破岩的影响以及针对不同岩石温度条件下合理选择滚刀结构和掘进参数，获得合理的刀盘结构的掘进参数、提高滚刀的破岩效率与滚刀的使用寿命，建立岩石在不同温度下的破坏准则以及随温度变化的影响规律。这是保证高效安全、可靠掘进的关键并已成为专家学者关注的重要问题。
4.以往的研究较少涉及岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置的设计，因此为研究不同温度条件下岩石的力学响应，通过查阅大量国内外文献以及提供简便的操作方法及力学性能测试试验，深入分析研究岩石温度对盘形滚刀与岩石相互作用机理的影响以及不同岩石温度作用下盘形滚刀对破岩的影响规律。国内外许多专家学者经过研究取得众多显著的成果。主要讨论了温度作用下花岗岩的微破裂机理以及在高温作用后的力学性质；不同温度作用下岩石的断裂状况并得到高温作用下岩石损伤过程的声发射特征；探讨了不同温度下岩石的泊松比、弹性模量、断裂朝性、抗压强度以及岩石微破裂的性质，获得岩石力学性能随温度和时间的破坏机理、损伤过程与断裂特性变化。研究不同强度岩石的变形参数、单轴抗压强度跟温度的关系以及弹性模量随温度的变化。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的上述问题，本发明涉及一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置及操作方法。本发明的目的在于提供岩土体常规试验试样的简便加热试验仪器装置，模拟加热环境并获得符合工程实践的岩土体试样。设计该装置能够一定程度上完善常用的岩土体室内力学试验研究的方法。本发明设计一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，包括底座活动支架，其特征在于：在底座活动支架上设置有下部铝制加热容纳盒，在下部铝制加热容纳盒上嵌装有上部铝制加热容纳盒，所述的下
部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒为半方形，在下部铝制加热容纳盒上嵌装有上部铝制加热容纳盒的板材内设置有加热棒孔，在加热棒孔内放置有加热棒，在下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒构成的半方形盒体的两侧设置有铝制加热固定侧板，一侧的铝制加热固定侧板上开设有温度检测孔，另一侧的铝制加热固定侧板的板材内设置有加热棒孔，在加热棒孔内放置有加热棒，两侧的铝制加热固定侧板由旋钮固定支架固定，在旋钮固定支架上安装有温度检测装置。下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒之间接触面上设置有突耳或对应的卡槽。下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒构成的半方形盒体与两侧的铝制加热固定侧板接触面上设置有突耳或对应的卡槽。旋钮固定支架由两根横梁及两根连接杆构成，两根连接杆的两端各设置有外螺纹，两根连接杆位于加装有加热棒的铝制加热固定侧板上下两端的通孔内，两根横梁位于连接杆的两端，构成一个四方框，一端由手轮旋拧，另一端由螺母旋拧，在开设有温度检测孔的铝制加热固定侧板一侧的横梁中间设置有螺柱，螺柱上由手轮拧接温度检测装置，温度检测装置由温度检测卡条和两端的测温压板构成，测温压板对应在温度检测孔上，温度检测卡条中间开设有通孔，通孔套装在螺柱上。本发明与现有试样装置和技术相比，能够丰富不同的岩石试块制作的便利程度，有利于避免高温岩石试样以及大型试验设备难以获得的问题，最大程度的减少温度损失以及搬运过程中对试样造成的损伤，同时降低制作成本。使制作高温岩石试块能更加便利的探究滚刀岩石相互作用的破坏模式、应力-应变特征等。通过一系列的力学试验与室内破坏试验，研究分析滚刀与高温岩石相互作用的力学特性，辅助构建岩石在不同温度下的破坏准则以及随温度变化的影响规律模型并利用试样验证理论与仿真研究的结果的准确性，深入分析不同温度下的岩石的破坏准则以及随温度变化的影响规律，利于试验与模拟的对比研究，对工程实际有一定的参考指导价值。
附图说明
6.图1为本发明的立体结构示意图（右侧）。
7.图2 为本发明的立体结构示意图（左侧）。
8.图3为本发明的立体分解结构示意图。
9.图4本发明的高温岩土体试块立体示意图。
10.下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
11.图中一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，包括底座活动支架1，其特征在于：在底座活动支架上设置有下部铝制加热容纳盒2，在下部铝制加热容纳盒上嵌装有上部铝制加热容纳盒3，所述的下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒为半方形，在下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒的板材内设置有加热棒孔4，在加热棒孔内放置有加热棒5，在下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒构成的半方形盒体的两侧设置有铝制加热固定侧板61与铝制加热固定侧板62，一侧的铝制加热固定侧板62上开设有温度检测孔7，另一侧的铝制加热固定侧板61的板材内设置有加热棒孔8，在加热棒孔内放置有加热棒9，两侧的铝制加热固定侧板由旋钮固定支架10固定，在旋钮固定支架上安装有温度检测装置11。下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒之间接触面上设置有突耳12或对应的卡槽13。下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒构成的半方形盒体与两侧的铝制加热固定侧板接触面上设置有突耳14或对应的卡槽15。旋钮固定支架由两根横梁
16及两根连接杆17构成，两根连接杆的两端各设置有外螺纹，两根连接杆位于加装有加热棒的铝制加热固定侧板上下两端的通孔18内，两根横梁位于连接杆的两端，构成一个四方框，一端由手轮19旋拧，另一端由螺母20旋拧，在开设有温度检测孔的铝制加热固定侧板一侧的横梁中间设置有螺柱21，螺柱上由手轮22拧接温度检测装置11，温度检测装置由温度检测卡条23和两端的测温压板24构成，测温压板对应在温度检测孔上，温度检测卡条中间开设有通孔25，通孔套装在螺柱上。上述加热棒均由电线26连接电源，电源由控制器控制。
12.本发明针对室内力学试验常采用的相似岩石试块材料，利用固定加热的组合体装置模拟制作高温岩土体试样27，高温岩土体试样完成后如4图所示，长宽高均为150mm。设计制备不同岩石温度条件下专门用于滚刀的破岩特性试验的试块，配制多种不同温度的岩土体试样。加热过程结束时拆去组合体装置，将高温试样从下部铝制加热容纳盒中推出，使其置于底座活动支架上并将试样抬放至与力学试验台齐平的位置，再将高温试样从底座活动支架上推出，置于力学试验台加载位置上进行破岩试验。
13.本发明针对试验用加热棒的类型与分布，其设计情况如3图所示，在下部铝制加热容纳盒2以及上部铝制加热容纳盒3的板材内都各自设置有8个加热棒孔与8个加热棒，在一侧的铝制加热固定侧板62正表面上分布有16个加热棒的电源线连接小孔（用于上、下部铝制加热容纳盒的加热棒的电源线走线）与2个温度检测孔，另一侧的铝制加热固定侧板61的板材内分别设置有4个加热棒孔与4个加热棒。本发明采用加热棒为工业领域常用的均温模具单头加热棒，单个加热棒的加热功率为100w，其最高温度能达到800℃以上并可以组合实现物体表面的均衡加热。
14.本发明涉及地下空间工程中高温岩石环境下滚刀与岩石的相互作用机理规律的探究，需要从理论、仿真以及试验等三个方面对滚刀的破岩机理进行研究。其中利用试验方法探究不同温度岩石条件下盘形滚刀的破岩是一个关键环节，因次本发明研究涉及到相关试验设备的设计与操作方法，主要在开展岩石温度对滚刀破岩特性影响规律试验过程中提供新的试验研究方式，设计组合体升温测温装置并制备出不同温度岩石试样，通过岩石加热装置对岩石试块进行加热，模拟滚刀掘进过程中的高温岩石环境与不同地质因素，通过线形温度器检测岩石的温度变化，获得指定温度的岩石试块，同时本发明能够避免高温岩石试样以及大型试验设备难以获得的问题，最大程度的减少温度损失以及搬运过程中对试样造成的损伤，同时降低了制作成本。通过滚刀破岩实验台对不同岩石温度的破岩过程进行试验，记录不同岩石温度下滚刀的破岩载荷变化与岩石的破碎现象，统计和记录岩石材料破裂形式，有利于力学试验的顺利进行且更容易获得滚刀在特定温度地层表现规律及结论，设计的组合体装置在试验过程中具有一定的使用价值和工程意义。
15.一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置的应用方法，按如下步骤进行：步骤a：安装操作组合体装置，按照操作顺序首先放置好底座活动支架，将下部铝制加热容纳盒放在活动支架上，并将岩土体试块对齐放置于容纳盒内。
16.步骤b：装配好上部铝制加热容纳盒以及两块铝制加热固定侧板，并使得卡槽和两个突耳分别处在对应位置。
17.步骤c：将旋钮固定支架穿过两侧板的螺栓孔，拧紧手轮并固定岩土体试块。
18.步骤d：需将线形电子测温器的测温触头固定在温度检测卡条两端，并将温度检测
卡条两端置于铝制加热固定侧板的测温孔内。
19.步骤e：拧紧手轮固定温度检测卡条，使测温触头贴合岩石壁。
20.步骤f：将组装好的组合体装置旋转90度置于底座活动支架上，并将电源线通电开始加热，同时观察线形电子测温器温度变化。
21.步骤g：当两个检测位置的平均温度达到要求的温度值并略高需求值时断开电源线。
22.步骤h：将组合体装置再次旋转90度，置于底座活动支架上，转动固定支架的两个手轮开始拆卸组合体并取出试块。
23.步骤i：加热过程结束时拆去组合体装置，依次拆卸固定支架、两个铝制加热固定侧板、上部铝制加热容纳盒，保留下部铝制加热容纳盒与底座活动支架。
24.步骤j：将高温试样从下部铝制加热容纳盒中推出，使其置于底座活动支架上，抬起底座活动支架并将试样抬放至与力学试验台齐平的位置，再将高温试样从底座活动支架上推出，使其置于力学试验台的加载位置上并逐步开展破岩试验。

技术特征：
1.一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，包括底座活动支架，其特征在于：在底座活动支架上设置有下部铝制加热容纳盒，在下部铝制加热容纳盒上嵌装有上部铝制加热容纳盒，所述的下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒为半方形，在下部铝制加热容纳盒上嵌装有上部铝制加热容纳盒的板材内设置有加热棒孔，在加热棒孔内放置有加热棒，在下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒构成的半方形盒体的两侧设置有铝制加热固定侧板，一侧的铝制加热固定侧板上开设有温度检测孔，另一侧的铝制加热固定侧板的板材内设置有加热棒孔，在加热棒孔内放置有加热棒，两侧的铝制加热固定侧板由旋钮固定支架固定，在旋钮固定支架上安装有温度检测装置。2.按权利要求1所述的一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，其特征在于：下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒之间接触面上设置有突耳或对应的卡槽。3.按权利要求1所述的一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，其特征在于：下部铝制加热容纳盒和上部铝制加热容纳盒构成的半方形盒体与两侧的铝制加热固定侧板接触面上设置有突耳或对应的卡槽。4.按权利要求1所述的一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，其特征在于：旋钮固定支架由两根横梁及两根连接杆构成，两根连接杆的两端各设置有外螺纹，两根连接杆位于加装有加热棒的铝制加热固定侧板上下两端的通孔内，两根横梁位于连接杆的两端，构成一个四方框，一端由手轮旋拧，另一端由螺母旋拧，在开设有温度检测孔的铝制加热固定侧板一侧的横梁中间设置有螺柱，螺柱上由手轮拧接温度检测装置，温度检测装置由温度检测卡条和两端的测温压板构成，测温压板对应在温度检测孔上，温度检测卡条中间开设有通孔，通孔套装在螺柱上。

技术总结
本发明设计一种岩土体常规试验试样固定加热的组合体升温测温装置，在底座活动支架上设置有上下部铝制加热容纳盒及两侧铝制加热固定侧板构成的盒体，由旋钮固定支架固定，上下部铝制加热容纳盒及一侧铝制加热固定侧板内设置有加热棒孔并放置有加热棒，另一侧铝制加热固定侧板上开设有温度检测孔并有温度检测装置。本发明优点是能够丰富不同的岩石试块制作的便利程度，有利于避免高温岩石试样以及大型试验设备难以获得的问题，最大程度的减少温度损失以及搬运过程中对试样造成的损伤，同时降低制作成本。时降低制作成本。时降低制作成本。


技术研发人员：张佳妮 陈志强 吕雄飞 翟凤 张鹏 戴妙妙
受保护的技术使用者：上海市质量监督检验技术研究院
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/16