本發(fā)明屬于巖土工程，特別涉及巖土試件的力學(xué)實驗，具體是一種多種加熱方式的多功能力學(xué)實驗裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主，石油和天然氣資源相對匱乏，大部分能源依賴化石燃料，且主要以礦物形式存在。隨著能源需求的持續(xù)增長，特別是在油氣勘探與開采過程中，地層中的溫度和壓力變化對巖石或土壤結(jié)構(gòu)的影響變得尤為重要。在高溫高壓環(huán)境下，地層巖石的力學(xué)特性會發(fā)生顯著變化。例如，隨著溫度的升高，巖石的固體骨架會膨脹，而外部應(yīng)力的增加可能導(dǎo)致其收縮，從而使巖石或土壤的力學(xué)行為更加復(fù)雜。因此，研究和測試巖石或土壤在高溫條件下的力學(xué)特性，尤其是單軸力學(xué)特性，具有重要的工程意義。

2、研究co2深地地質(zhì)封存技術(shù)的可行性變得尤為緊迫。為了評估co2在高溫高壓環(huán)境中的地質(zhì)封存效果，必須深入研究巖石在這一極端條件下的滲流力學(xué)和固體力學(xué)特性。因此，開展高溫高壓條件下巖石和土壤的力學(xué)實驗，尤其是滲透率、泊松比等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的測量，具有重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景。

3、然而，目前的實驗設(shè)備普遍存在無法在多種加熱方式下進(jìn)行實時高溫力學(xué)測試的局限性。大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備僅支持單一加熱方式（如電加熱或?qū)α骷訜幔覠o法在高溫高壓環(huán)境下同時進(jìn)行多參數(shù)測量。此外，現(xiàn)有實驗裝置功能較為單一，無法全面滿足滲透率測試、力學(xué)試驗和位移測量等多重需求，尤其是在單軸力學(xué)實驗中，側(cè)向位移的測量常常被忽視，但其在材料應(yīng)變和變形行為研究中具有關(guān)鍵作用。準(zhǔn)確測量側(cè)向位移對于理解巖石或土壤的橫向變形、泊松比等力學(xué)特性至關(guān)重要。只有通過精確的測量與分析側(cè)向位移，才能全面揭示材料在受力過程中的綜合力學(xué)行為，從而為材料的設(shè)計、應(yīng)用及工程實踐提供更加可靠的理論依據(jù)。

4、綜上所述，現(xiàn)有實驗設(shè)備用途均較單一且均存在無法實現(xiàn)多種加熱條件下的固體力學(xué)實驗或?qū)崟r高溫滲流的缺點(diǎn)，即不能實現(xiàn)在對流加熱、傳導(dǎo)加熱或超臨界流體加熱下的巖石滲透率與單軸力學(xué)特性實時測試，且現(xiàn)有實驗設(shè)備均無法測量高溫高壓單軸力學(xué)試驗過程中試件的側(cè)向位移。因此，開發(fā)一種能夠支持多種加熱方式的多功能力學(xué)實驗裝置，具有重要的技術(shù)創(chuàng)新意義和廣泛的實際應(yīng)用價值。這種裝置不僅能夠在不同加熱方式下進(jìn)行實時高溫力學(xué)實驗，還能夠同步測量實驗過程中的橫向位移、滲透率以及其他關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，為巖土工程、地質(zhì)封存技術(shù)等領(lǐng)域提供更加精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供了一種多種加熱方式的多功能力學(xué)實驗裝置，從而解決現(xiàn)有裝置用途單一、無法實現(xiàn)多種加熱條件下的固體力學(xué)實驗、試件側(cè)向位移測量以及實時高溫滲流測試的問題。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種多種加熱方式的多功能力學(xué)實驗裝置，包括釜體、環(huán)形恒溫隔熱箱、分布式光纖溫度傳感器和側(cè)向位移測量裝置。

4、釜體的內(nèi)部設(shè)置有測試腔體，釜體的頂部安裝有頂蓋，頂蓋的中心位置處插裝有環(huán)形壓頭，環(huán)形壓頭的底端端部延伸至測試腔體內(nèi)；環(huán)形壓頭內(nèi)插裝有軸壓頭，軸壓頭的底端端部延伸至測試腔體內(nèi)，軸壓頭的頂端端部延伸出環(huán)形壓頭的頂端端部外，軸壓頭上設(shè)置有與測試腔體貫通的滲透流體出孔，滲透流體出孔的一端孔口開設(shè)于軸壓頭的底面上，滲透流體出孔的另一端孔口開設(shè)于軸壓頭的上部側(cè)壁上；釜體的底部安裝有底座，底座的頂部中心位置處固定有向上延伸設(shè)置的樣品臺，樣品臺伸入至測試腔體內(nèi)；底座上設(shè)置有與測試腔體貫通的滲透流體進(jìn)孔，滲透流體進(jìn)孔的一端孔口開設(shè)于底座的下部側(cè)壁上，滲透流體進(jìn)孔的另一端孔口開設(shè)于樣品臺的頂面上；底座上設(shè)置有與測試腔體貫通的載熱流體注入孔，載熱流體注入孔的一端孔口開設(shè)于底座的下部側(cè)壁上，載熱流體注入孔的另一端孔口開設(shè)于底座的頂面上；底座的底部設(shè)置有用于循環(huán)水冷卻的環(huán)形通孔。

5、環(huán)形恒溫隔熱箱套裝在釜體的外部，環(huán)形恒溫隔熱箱內(nèi)設(shè)置有用于加熱的電熱絲；環(huán)形恒溫隔熱箱及釜體整體的四側(cè)均布開設(shè)有四個貫穿環(huán)形恒溫隔熱箱及釜體且與測試腔體相通的側(cè)向位移測量孔，側(cè)向位移測量孔用于安裝側(cè)向位移測量裝置；環(huán)形恒溫隔熱箱及釜體整體的一側(cè)開設(shè)有一個貫穿環(huán)形恒溫隔熱箱及釜體且與測試腔體相通的多功能孔，用于溫壓檢測及熱載流體排出。

6、分布式光纖溫度傳感器設(shè)置在樣品臺上，分布式光纖溫度傳感器的輸出端通過多功能孔延伸出至環(huán)形恒溫隔熱箱及釜體整體的外部。

7、側(cè)向位移測量裝置設(shè)置有四個，四個側(cè)向位移測量裝置分別密封安裝在四個側(cè)向位移測量孔內(nèi)；側(cè)向位移測量裝置包括探針、中空管、冷凝管和耐高壓高精度位移測量儀，耐高壓高精度位移測量儀固定在中空管的一端，探針位于中空管內(nèi)且與中空管同軸線設(shè)置，探針的末端與耐高壓高精度位移測量儀連接，探針的前端延伸出中空管外并伸至測試腔體內(nèi)，冷凝管繞制在中空管的外壁上。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，頂蓋的周緣、釜體的頂部周緣及底部周緣、底座的頂部周緣均設(shè)置有法蘭片，頂蓋與釜體的頂部之間通過法蘭片及螺栓連接固定，底座與釜體的底部之間通過法蘭片及螺栓連接固定。

9、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，釜體與頂蓋之間設(shè)置有間隙密封圈且該間隙密封圈同時密封套裝在環(huán)形壓頭外，釜體與底座之間設(shè)置有間隙密封圈，環(huán)形壓頭與軸壓頭之間設(shè)置有間隙密封圈。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，環(huán)形恒溫隔熱箱的內(nèi)壁設(shè)置有反射性材料層，環(huán)形恒溫隔熱箱的外壁設(shè)置有高效隔熱材料層。

11、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，中空管遠(yuǎn)離耐高壓高精度位移測量儀的一端外壁上設(shè)置有連接螺紋，中空管插裝在側(cè)向位移測量孔內(nèi)并通過連接螺紋與側(cè)向位移測量孔螺紋連接。

12、進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了上述實驗裝置在多種加熱方式下進(jìn)行單軸力學(xué)實驗時的使用方法，具體如下：

13、1）采用對流加熱方式進(jìn)行單軸力學(xué)實驗時，包括：

14、s1.?將試件放置在樣品臺上，使分布式光纖溫度傳感器環(huán)形包裹在試件周圍且不與試件相接觸；調(diào)整四個側(cè)向位移測量裝置，使四個探針的前端穿過分布式光纖溫度傳感器后均與試件相接觸；通過堵頭封堵滲透流體出孔和滲透流體進(jìn)孔。

15、s2.?通過載熱流體注入孔向釜體內(nèi)部的測試腔體注入指定溫度的載熱流體，待載熱流體通過多功能孔排出后，實現(xiàn)對試件的對流加熱。

16、s3.?觀察分布式光纖溫度傳感器所檢測到的溫度，待檢測到的溫度達(dá)到指定溫度后，保溫處理，隨后通過軸壓頭對試件施壓來進(jìn)行實時高溫下的單軸力學(xué)實驗，同時通過側(cè)向位移測量裝置檢測試件的側(cè)向位移。

17、2）采用傳導(dǎo)加熱方式進(jìn)行單軸力學(xué)實驗時，包括：

18、s1.?將試件放置在樣品臺上，使分布式光纖溫度傳感器環(huán)形包裹在試件周圍且不與試件相接觸；調(diào)整四個側(cè)向位移測量裝置，使四個探針的前端穿過分布式光纖溫度傳感器后均與試件相接觸；通過堵頭封堵滲透流體出孔、滲透流體進(jìn)孔和多功能孔。

19、s2.?通過載熱流體注入孔向釜體內(nèi)部的測試腔體注入保護(hù)氣體，待保護(hù)氣體注入后，通過堵頭封堵載熱流體注入孔。

20、s3.?開啟環(huán)形恒溫隔熱箱對釜體內(nèi)的試件進(jìn)行加熱。

21、s4.?觀察分布式光纖溫度傳感器所檢測到的溫度，待檢測到的溫度達(dá)到指定溫度后，保溫處理，隨后通過軸壓頭對試件施壓來進(jìn)行實時高溫下的單軸力學(xué)實驗，同時通過側(cè)向位移測量裝置檢測試件的側(cè)向位移。

22、3）采用超臨界流體加熱方式進(jìn)行單軸力學(xué)實驗時，包括：

23、s1.?將試件放置在樣品臺上，使分布式光纖溫度傳感器環(huán)形包裹在試件周圍且不與試件相接觸；調(diào)整四個側(cè)向位移測量裝置，使四個探針的前端穿過分布式光纖溫度傳感器后均與試件相接觸；通過堵頭封堵滲透流體出孔和滲透流體進(jìn)孔。

24、s2.?通過載熱流體注入孔向釜體內(nèi)部的測試腔體注入超臨界流體，通過控制超臨界流體的溫度和壓力，實現(xiàn)對試件的對流加熱。

25、s3.?觀察分布式光纖溫度傳感器所檢測到的溫度，待檢測到的溫度達(dá)到指定溫度后，保溫處理，隨后通過軸壓頭對試件施壓來進(jìn)行實時高溫下的單軸力學(xué)實驗，同時通過側(cè)向位移測量裝置檢測試件的側(cè)向位移。

26、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，采用傳導(dǎo)加熱方式進(jìn)行單軸力學(xué)實驗時，保護(hù)氣體采用氮?dú)猓徊捎贸R界流體加熱方式進(jìn)行單軸力學(xué)實驗時，超臨界流體采用超臨界水或二氧化碳。

27、進(jìn)一步的，本發(fā)明所述的多種加熱方式的多功能力學(xué)實驗裝置還可以進(jìn)行實時高溫滲透率測試。在進(jìn)行實時高溫滲透率測試時，該實驗裝置還包括多孔管、橡膠套和背壓閥，多孔管的管壁上均布貫通開設(shè)有若干孔洞；橡膠套插裝在多孔管內(nèi)，橡膠套的外壁與多孔管的內(nèi)壁緊貼；橡膠套的頂部套口及底部套口處均設(shè)置有外翻墊圈，外翻墊圈與多孔管的頂面及底面緊貼，外翻墊圈的外徑與多孔管的外徑一致。

28、上述實驗裝置在進(jìn)行實時高溫滲透率測試時的使用方法，包括：

29、s1.?將四個側(cè)向位移測量裝置拆除，在其中一個側(cè)向位移測量孔上密封安裝背壓閥，將剩余三個側(cè)向位移測量孔以及多功能孔通過堵頭封堵。

30、s2.?將試件放置于橡膠套內(nèi)，將試件、橡膠套、多孔管的組合體放置于樣品臺上，將分布式光纖溫度傳感器連接在多孔管外壁上，通過軸壓頭對試件施加軸向壓力，并利用環(huán)形壓頭壓緊橡膠套的外翻墊圈，以實現(xiàn)橡膠套對試件的密封。

31、s3.?通過載熱流體注入孔向釜體內(nèi)部的測試腔體注入指定壓力的高溫導(dǎo)熱油，以施加圍壓。

32、s4.?開啟環(huán)形恒溫隔熱箱對釜體內(nèi)的試件進(jìn)行加熱，同時觀察分布式光纖溫度傳感器所檢測到的溫度，待檢測到的溫度達(dá)到指定溫度后，保溫處理。

33、s5.?通過滲透流體進(jìn)孔注入滲流流體，并通過滲透流體出孔排出滲流流體，從而測試試件的滲透率。

34、與現(xiàn)有傳統(tǒng)的實驗設(shè)備相比，本發(fā)明裝置包含復(fù)雜的加熱系統(tǒng)和介質(zhì)注入系統(tǒng)，重點(diǎn)在于高溫環(huán)境下的力學(xué)實驗；能夠在多種加熱條件下進(jìn)行高溫滲透率和力學(xué)測試，具有較強(qiáng)的多功能性和靈活性；能夠支持多種加熱條件下的高溫滲流或固體力學(xué)實驗，如支持對流加熱、傳導(dǎo)加熱和超臨界流體加熱；主要涉及巖土工程、co2地質(zhì)封存等領(lǐng)域，專注于材料（如土壤、巖石等）在極端溫度和壓力下的力學(xué)行為及滲透特性，特別是在超臨界流體加熱或高溫環(huán)境下的測試，具體測試內(nèi)容包括：單軸力學(xué)特性（即壓縮、拉伸、彎曲等力學(xué)性能）、高溫滲透率測試、以及樣品的側(cè)向位移；主要技術(shù)優(yōu)勢在于其在極端環(huán)境下（如超臨界流體、高溫高壓等）進(jìn)行力學(xué)和滲透性測試，并解決了傳統(tǒng)裝置用途單一的問題，更注重在極端環(huán)境下（高溫、高壓、超臨界流體等）的多維度測試（包括力學(xué)和滲透特性）。

35、總之，本發(fā)明實驗裝置設(shè)計科學(xué)、結(jié)構(gòu)巧妙、功能豐富，能夠用于實現(xiàn)對流加熱、傳導(dǎo)加熱或超臨界流體加熱下的力學(xué)實驗，同時便于探索不同巖土試件的單軸力學(xué)特性與實時高溫滲透率，且可以實時觀測實驗情況，克服了現(xiàn)有裝置用途單一、無法實現(xiàn)多種加熱條件下的固體力學(xué)實驗、試件側(cè)向位移測量以及實時高溫滲流測試的問題。同時，本發(fā)明實驗裝置安全可靠、操作簡單、檢修方便，可適應(yīng)多種不同尺寸的試件，適用范圍廣泛。