一种研究荷载‑导热系数关系细观机理的装置及其实验方法

摘要

本发明公开了一种研究荷载‑导热系数关系细观机理的装置及其实验方法。该装置由环形模具和同轴过渡装置、加压板组成。环形模具和同轴过渡装置为透明有机玻璃材质，且环形模具内表面设有红色刻度线。环形模具侧面、同轴过渡装置侧面以及同轴过渡装置与环形模具上、下交界面的模具内布设微型摄像头。实验时，将试样放入环形模具和同轴过渡装置中，将薄膜导热系数探头布设于环形模具与同轴过渡装置的上下交界面上，盖上加压板后施压，通过微型摄像头和薄膜导热系数探头分别获取荷载作用下试样颗粒排列结构和导热系数，并建立二者之间关系，为理论分析和数值实验奠定基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究荷载-导热系数关系细观机理的装置及其实验方法，适用于软岩、黏土等多种岩土材料。

背景技术

温度场是进行岩土体热变形计算的基础和前提，而导热系数直接制约温度场的形成和演化。受工程荷载(荷载性质、荷载量值、作用时间)影响，岩土介质中微细观结构(颗粒-孔隙-水)不断发生改变，并影响和控制其宏观导热系数。

初始应力状态是地下工程形成开挖“荷载”的根本诱因。而无论是自然土还是热扰动土，其初始应力状态的直接测定都存在诸多问题，如室内试验的变形控制与荷载测量、现场测试的弹性假设等，均未能得到有效解决。因此，通过间接方法获得岩土介质中初始应力状态具有重要的学术价值和工程意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种研究荷载-导热系数关系细观机理的装置及其实验方法，能够完成饱和或非饱和岩土体在多种压力和加载条件下导热系数的测取和内部微观结构的观测。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种研究荷载-导热系数关系细观机理的装置，包括两个结构相同的环形模具、同轴过渡装置、加压板；所述同轴过渡装置为中央设有柱状通道的工字型结构，其上下面之间设有间隔120°的加固薄板；环形模具和同轴过渡装置均为透明有机玻璃材质，两个环形模具的内侧面上均设有红色刻度线；同轴过渡装置的上下两面分别固定连接一个环形模具，两个环形模具和同轴过渡装置同轴设置，连接处均设有密封圈；两个环形模具的内侧面、同轴过渡装置的内侧面、同轴过渡装置与两个环形模具形成的上、下交界面处的模具内均布设微型摄像头；两个环形模具和同轴过渡装置的试样上、下交界面上均布设薄膜导热系数探头；两个环形模具的端面上分别依次设置透水石和加圧板，所述加圧板中设有排水通道，环形模具与加压板连接处设有密封圈。

进一步的，环形模具内侧面上的微型摄像头总探测面积与环形模具内腔侧面表面积比≥50％；同轴过渡装置内侧面上的微型摄像头总探测面积与同轴过渡装置柱状内腔侧面表面积比≥50％；布设在所述上、下交界面处的微型摄像头与模具轴线的距离为环形模具内腔半径尺寸的1/3～2/3；所述薄膜导热系数探头单面水平探测面积与试样上交界面或下交界面面积比≥50％。

一种基于研究荷载-导热系数关系细观机理装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1，两个环形模具分别设置在同轴过渡装置两端并同轴设置，环形模具与同轴过渡装置通过榫卯结构连接，连接处安装密封圈，加压板侧面上预先安装密封圈；

步骤2，制备两段第一圆柱试样，所述第一圆柱试样的直径与环形模具内径一致，高度小于环形模具的高度；制备异形圆柱组合试样由第二圆柱试样以及两段尺寸一致的第三圆柱试样组成，第二圆柱试样的尺寸与同轴过渡装置柱状通道尺寸一致，第三圆柱试样的直径与环形模具内径一致，其高度为环形模具高度的1/8～1/10；

步骤3，从装置的一侧首先将一段第三圆柱试样放入一个环形模具，然后在该第三圆柱试样上依次放置薄膜导热系数探头和一段第一圆柱试样，再在该第一圆柱试样上依次放置透水石和加圧板；从装置的另一侧依次放入第二圆柱试样、第三圆柱试样、薄膜导热系数探头、第一圆柱试样，然后再依次放置透水石和加圧板；

步骤4，在装置两侧的加圧板上施加荷载，通过红色刻度线记录试样在每级荷载作用后的高度；排水通道用于按预设要求控制试样排水或排气；通过薄膜导热系数探头和微型摄像头观测第一圆柱试样和异形圆柱组合试样在每级荷载作用下的导热系数以及颗粒细观排列结构。

有益效果：1.利用本发明装置可以测定不同荷载条件下饱和或非饱和状态下的软岩、黏土等岩土材料的导热系数，可模拟多种压力和加载条件。

2.利用本发明装置可建立岩土介质导热系数与荷载间的关系，进而联合岩土介质在加载条件下的细观结构变化，探究外加荷载、岩土介质微细观结构、导热系数数间的相互关系，为离散元分析提供实验支撑。

3.本发明装置结构简单，安装方便，可拆卸中间同轴过渡装置，满足多种试样及实验条件，试验操作灵活多变。

附图说明

图1为本发明装置的外部立体图；

图2为环形模具细部图及同轴过渡装置细部图；

图3为本发明装置整体结构剖面图；

图4为模具试样图；

图中：环形模具-1，同轴过渡装置-2，加压板-3，榫卯结构-4，红色刻度线-5，密封圈-6，环形模具侧面-7，同轴过渡装置侧面-8，微型摄像头-9，同轴过渡装置与环形模具上交界面-10，薄膜导热系数探头-11，第一圆柱试样-12，排水通道-13，同轴过渡装置与环形模具下交界面-14，试样下交界面-15，加固薄板-16，异形圆柱组合试样-17，第二圆柱试样-171，第三圆柱试样-172，试样上交界面-18，透水石-19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，一种研究荷载-导热系数关系细观机理的装置，包括两个结构相同的环形模具1、同轴过渡装置2、加压板3。同轴过渡装置2为中央设有柱状通道的工字型结构，其上下面之间设有间隔120°的加固薄板16。本实施例中，环形模具1采用15～20mm厚的透明有机玻璃制作，加固薄板16可采用不锈钢配件。环形模具1和同轴过渡装置2均为透明有机玻璃材质，两个环形模具1的内侧面上均设有红色刻度线5。同轴过渡装置2的上下两面分别通过榫卯结构4固定连接一个环形模具1，两个环形模具1和同轴过渡装置2同轴设置，连接处均设有密封圈6。两个环形模具1的内侧面7、同轴过渡装置2的内侧面8、同轴过渡装置2与两个环形模具1形成的上、下交界面10、14处的模具内均布设微型摄像头9。两个环形模具1和同轴过渡装置2的试样上、下交界面18、15上均布设薄膜导热系数探头11。两个环形模具1的端面上分别依次设置透水石19和加圧板3，加圧板3中设有排水通道13，环形模具1与加压板3连接处设有密封圈6。

环形模具1内侧面7上的微型摄像头9总探测面积与环形模具1内腔侧面表面积比≥50％。同轴过渡装置2内侧面8上的微型摄像头9总探测面积与同轴过渡装置2柱状内腔侧面表面积比≥50％；布设在上、下交界面10、14处的微型摄像头9与模具轴线的距离为环形模具1内腔半径尺寸的1/3～2/3。安装微型摄像头空腔的净尺寸宜取5～7mm。薄膜导热系数探头11单面水平探测面积与试样上交界面18或下交界面15面积比≥50％。

基于研究荷载-导热系数关系细观机理装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1，两个环形模具1分别设置在同轴过渡装置2两端并同轴设置，环形模具1与同轴过渡装置2通过榫卯结构4连接，连接处安装密封圈6，加压板3侧面上预先安装密封圈6。

步骤2，制备两段第一圆柱试样12，第一圆柱试样12的直径与环形模具1内径一致，高度小于环形模具1的高度。制备异形圆柱组合试样17由第二圆柱试样171以及两段尺寸一致的第三圆柱试样172组成，第二圆柱试样171的尺寸与同轴过渡装置2柱状通道尺寸一致，第三圆柱试样172的直径与环形模具1内径一致，其高度为环形模具1高度的1/8～1/10。

步骤3，从装置的一侧首先将一段第三圆柱试样172放入一个环形模具1，然后在该第三圆柱试样172上依次放置薄膜导热系数探头11和一段第一圆柱试样12，再在该第一圆柱试样12上依次放置透水石19和加圧板3。从装置的另一侧依次放入第二圆柱试样171、第三圆柱试样172、薄膜导热系数探头11、第一圆柱试样12，然后再依次放置透水石19和加圧板3。

步骤4，在装置两侧的加圧板3上进行力学加载，力学加载过程可由MTS、GDS或常规力学实验机控制。通过红色刻度线5记录试样12在每级荷载作用后的高度，排水通道13用于按预设要求控制试样排水或排气。通过薄膜导热系数探头11和微型摄像头9观测第一圆柱试样12和异形圆柱组合试样17在每级荷载作用下的导热系数以及颗粒细观排列结构，从而建立荷载，导热系数，细观结构的相互关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。