[发明专利]一种真三向应力下岩石导热各向异性稳态试验装置与方法

说明书

本发明提供一种真三向应力下岩石导热各向异性稳态试验装置与方法。本发明包括真三向应力施加模块、稳态热流生成模块、保温模块和分布式温度测试模块，本发明能够实现一次试验过程中，测试无应力条件、实际工程原位应力下以及工程扰动条件下的岩石三个方向导热系数，进而计算相应条件下的岩石导热各向异性；本发明能够实现不拆卸试样的前提下，完成热流传输方向与隔热保温方向的切换。

技术领域

本发明涉及岩石热物理性质测试技术领域，尤其涉及一种真三向应力下岩石导热各向异性稳态试验装置与方法。

背景技术

导热系数是表征物质导热能力的量度，针对岩石导热系数的研究在深部地热资源开发，核废料地质处置，高地温矿山开采与地下工程建设等领域有着重要的意义，准确测试岩石的导热系数，是实现深地热开发工程生命周期评估，核废料处置库屏障系统温度场演化预测，与高温环境下地下工程安全施工与运营的重要保障。

受矿物自组织特性、成岩过程初始结构及节理裂隙定向发育等因素的影响，一些具有显著层理结构的岩石，导热系数在不同的方向存在显著差异，即具有各向异性特征。进一步的来说，当此类工程岩体受到地下工程开挖卸荷，储层岩体水压致裂等人类工程活动的影响时，岩石产生的损伤破裂会导致岩石导热系数的各向异性产生变化。一些本身不具备导热各向异性特征的岩石可能因为岩石的破裂过程而产生了一定程度的各向异性，此类各向异性可归类为应力诱导各向异性。

现有的岩石导热系数测试装置可分为稳态法与瞬态法，但多数是对非受载条件下的岩石试样进行开展研究的，少数可开展单轴加载下的导热系数测试研究。对岩石导热系数各向异性的研究，需独立开展至少三次导热系数测试，且每一次的测量均需要完全卸载拆卸试样，更换试样的测量方向，大大增加了实验步骤的繁琐性，测试过程无法考虑岩石工程所处的真三向应力条件，无法通过改变应力路径，开展人类工程扰动下岩石导热特性的演化规律，及应力诱导导热各向异性的研究。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种真三向应力下岩石导热各向异性稳态试验装置与方法。本发明可以实现在不拆卸试样的前提下，完成热流传输方向与隔热保温方向的切换，进而在一次试验中依次测量岩石试样三个方向导热系数，实现岩石非受载条件下的导热各向异性测试，及还原工程原位真三向应力条件下的导热各向异性测试。此外，该装置还可以设计复杂的应力路径来模拟人类工程活动对应力场的扰动作用，进而开展应力诱导下的岩石导热系数各向异性演化特征分析，为深部工程中岩石导热系数特性及其动态演化过程的研究提供理论支撑与技术保障。本发明采用的技术手段如下：

一种真三向应力下岩石导热各向异性稳态试验装置，包括真三向应力施加模块、稳态热流生成模块、保温模块和分布式温度测试模块，

所述真三向应力施加模块与岩石立方体试样接触，其用于为试样提供真三向均匀应力；

所述稳态热流生成模块设置在试样六个端面位置，其包括用于为试样提供不同测试温度的热源和冷源以及热流计，所述热流计上安装有热电偶，实现热流的监测与测量；

所述保温模块用于实现不同工况下试样各方向保温性能的调节；

所述分布式温度测试模块用于测得试样端面中心与边缘平均温度；

还包括控制系统，所述控制系统用于基于分布式温度测试模块获得非测量方向试样表面的温度变化，调整非测量方向冷源与热源的温度。

进一步地，所述真三向应力加载模块包括反力框架以及安装在反力框架上的六个液压伺服作动器，所述反力框架设置在装置外侧，为六个液压伺服作动器提供反力，在所述反力框架两侧设有可自由升降的支柱，通过调节支柱的高度，实现试样舱的开启与关闭。