一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，針對(duì)大尺寸巖石試樣物理模型進(jìn)行加熱且實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)模擬。包括熱電偶(1)、溫度控制儀(2)、交流接觸器(3)和至少4根加熱棒(4)。熱電偶(1)和加熱棒(4)均埋入巖石試樣物理模型中。加熱棒(4)布置圍成至少1圈正方形，各圈正方形的形心均與巖石試樣物理模型的中心點(diǎn)重合。熱電偶(1)埋設(shè)在由內(nèi)向外加熱棒(4)布置圍成的第1圈正方形任意邊的中點(diǎn)上。溫度控制儀(2)通過(guò)對(duì)比預(yù)先設(shè)定的溫度與熱電偶(1)探測(cè)到的巖石試樣物理模型的溫度，控制交流接觸器(3)接通或跳閘，致使加熱棒(4)對(duì)巖石試樣物理模型加熱或停止加熱。

Temperature loading system for simulating ground temperature of underground engineering

The invention provides a temperature loading system for simulating the ground temperature of underground engineering, aiming at the heating of the physical model of the large scale rock sample and realizing the simulation of the temperature field. The utility model comprises a thermocouple (1), a temperature controller (2), an alternating current contactor (3) and at least 4 heating rods (4). The thermocouple (1) and the heating rod (4) are embedded in the physical model of the rock sample. The heating rod (4) is arranged into at least a circle of 1 squares, and the centroid of each square is coincident with the center point of the physical model of the rock sample. The thermocouple (1) is embedded in the middle point of an arbitrary edge of the first circle square arranged inside and outside the heating rod (4). The temperature control device (2) and the temperature of thermocouple by comparing the preset (1) rock physical model of the detected temperature control, AC contactor (3) or on the trip, the heating rod (4) to stop heating heating or rock physical model.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及地下工程巖石溫度模擬領(lǐng)域，具體涉及一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
21世紀(jì)是人類開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)，在經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)今，人類對(duì)資源、生存空間開發(fā)利用的需求迅猛增長(zhǎng)，目前世界范圍內(nèi)許多已建、在建和即將新建的大型地下工程，包括交通工程建設(shè)的地下隧道、礦產(chǎn)開采為主的地下巷道以及水利水電開發(fā)的地下洞室等，都逐漸向大埋深的方向發(fā)展。以采礦活動(dòng)為例，原來(lái)礦山開采都在幾百米深度以內(nèi)，但近年來(lái)，大量礦山轉(zhuǎn)入地下1000米以下的深度進(jìn)行開采，南非一些礦山甚至進(jìn)入了4000米的開采深度。有學(xué)者研究得出地下未被擾動(dòng)原始巖溫度隨著埋深的增大而上升,地?zé)崽荻纫悦?00米3攝氏度增加。當(dāng)鑿巖、爆破等破巖活動(dòng)在地下數(shù)千米深度進(jìn)行時(shí)，巖石自身溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫，其力學(xué)特性也與常溫狀態(tài)下有較大差別，存在許多傳統(tǒng)巖石力學(xué)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，如：巖體大范圍分區(qū)破裂、巖爆異常、巖體脆延轉(zhuǎn)化等。大埋深環(huán)境下，因高地應(yīng)力的存在，地下工程的各種受力情況十分復(fù)雜，再加上高地溫因素的影響，地下工程開展過(guò)程中對(duì)圍巖的控制難度增大。因此，考慮高地溫環(huán)境對(duì)地下工程的影響具有非常重要的意義。為了研究溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的熱-力耦合作用下大埋深工程活動(dòng)所引起的問題，必須模擬深埋地下環(huán)境中的高地溫場(chǎng)，這就需要專利技術(shù)一套能對(duì)巖石試樣物理模型進(jìn)行加熱獲得均勻、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)的加載系統(tǒng)，較為真實(shí)地模擬實(shí)際的地溫條件。目前，研究巖石熱力性質(zhì)所采用的加熱方式多針對(duì)小尺寸巖石試樣進(jìn)行，如利用烘箱對(duì)小尺寸巖石試樣進(jìn)行加熱，又如在高溫三軸試驗(yàn)過(guò)程中用油溫對(duì)小型巖石試樣進(jìn)行加熱。這些針對(duì)小尺寸巖石試樣的加熱方式并不能模擬地下結(jié)構(gòu)工程巖體的力學(xué)性質(zhì)，而現(xiàn)有的深部地下工程物理模擬試驗(yàn)又幾乎沒有考慮地溫的影響。因此，針對(duì)大尺寸巖石試樣物理模型進(jìn)行加熱且實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)模擬的方法和設(shè)備，目前還沒有相關(guān)研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
鑒于目前尚未存在針對(duì)大尺寸巖石試樣物理模型進(jìn)行加熱且實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)模擬的方法和設(shè)備，本專利技術(shù)的目的在于提供一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)。本專利技術(shù)所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，包括熱電偶、溫度控制儀、交流接觸器和至少4根加熱棒，加熱棒并聯(lián)后與交流接觸器串聯(lián)，溫度控制儀與熱電偶串聯(lián)，交流接觸器與溫度控制儀并聯(lián)，交流接觸器和溫度控制儀各自連接電源，熱電偶和加熱棒均埋入巖石試樣物理模型中。本專利技術(shù)優(yōu)選的，上述溫度控制儀為數(shù)顯調(diào)節(jié)儀。通過(guò)將上述溫度控制儀和上述交流接觸器連接，能夠使溫度控制儀根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度值控制交流接觸器接通或跳閘，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石試樣物理模型溫度場(chǎng)的調(diào)節(jié)。本專利技術(shù)優(yōu)選的，上述加熱棒布置圍成至少1圈正方形，各圈正方形的形心與巖石試樣物理模型的中心點(diǎn)重合，各圈正方形的邊長(zhǎng)公式為單位：米，n表示由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第n圈正方形，an表示由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第n圈正方形的邊長(zhǎng)。本專利技術(shù)優(yōu)選的，上述加熱棒在同一圈正方形的每條邊上等距布置，埋設(shè)在第n圈正方形位置上的加熱棒的數(shù)量根據(jù)公式Jn＝(n+1)×4-4計(jì)算可得，單位：根，第n圈正方形每條邊上的加熱棒數(shù)量為n+1根，n表示由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第n圈正方形，Jn表示由內(nèi)向外埋設(shè)在第n圈正方形位置上的加熱棒的數(shù)量。本專利技術(shù)優(yōu)選的，上述加熱棒的功率為400～1600w。按照上述方式對(duì)上述加熱棒進(jìn)行布置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巖石試樣物理模型的均勻加熱。通過(guò)將上述加熱棒和上述交流接觸器串聯(lián)，能夠使交流接觸器控制加熱棒的電源，使加熱棒加熱或停止加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石試樣物理模型溫度場(chǎng)的穩(wěn)定控制。本專利技術(shù)優(yōu)選的，上述熱電偶測(cè)溫范圍為0℃～400℃，熱電偶埋設(shè)在由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第1圈正方形任意邊的中點(diǎn)上。上述熱電偶埋設(shè)于巖石試樣物理模型內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)巖石試樣物理模型的溫度。通過(guò)將上述熱電偶與上述溫度控制儀連接，能夠使溫度控制儀顯示熱電偶探測(cè)到的溫度情況。熱電偶埋設(shè)在由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第1圈正方形任意邊的中點(diǎn)上，使得熱電偶既能探測(cè)隧道開挖部分洞壁附近的溫度，又不受隧道開挖的影響。考慮到最外層上述加熱棒要有3厘米左右的保護(hù)層，因而上述一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)應(yīng)用于邊長(zhǎng)a為an+0.03≤a＜an+1+0.03的巖石試樣物理模型，單位：米，a表示巖石試樣物理模型的邊長(zhǎng)，an表示由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第n圈正方形的邊長(zhǎng)，an+1表示由內(nèi)向外加熱棒布置圍成的第n+1圈正方形的邊長(zhǎng)。一種模擬地下工程地溫的溫度加載方法，包括上述熱電偶、上述溫度控制儀、上述交流接觸器和至少4根上述加熱棒，加熱棒并聯(lián)后與交流接觸器串聯(lián)，溫度控制儀與熱電偶串聯(lián)，交流接觸器與溫度控制儀并聯(lián)，交流接觸器和溫度控制儀各自連接電源，熱電偶和加熱棒均埋入巖石試樣物理模型中，溫度控制儀通過(guò)對(duì)比預(yù)先設(shè)定的溫度與熱電偶探測(cè)到的巖石試樣物理模型的溫度，控制交流接觸器接通或跳閘，致使加熱棒對(duì)巖石試樣物理模型加熱或停止加熱。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：可以對(duì)大尺寸地下巖石試樣物理模型施加均勻、可調(diào)節(jié)溫度值的溫度場(chǎng)，并能實(shí)時(shí)控制溫度場(chǎng)使其保持穩(wěn)定；由于所用元器件簡(jiǎn)單易得，因而該系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、造價(jià)低廉；另外還可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整加熱棒的數(shù)量，以適應(yīng)不同尺寸巖石試樣物理模型的試驗(yàn)研究需要。附圖說(shuō)明圖1是本專利技術(shù)所述一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)的電路圖。圖2是本專利技術(shù)所述一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)的加熱棒和熱電偶平面布置圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本專利技術(shù)包括熱電偶1、溫度控制儀2、交流接觸器3和加熱棒4，加熱棒4并聯(lián)后與交流接觸器3串聯(lián)，交流接觸器3與溫度控制儀2并聯(lián)，溫度控制儀2與熱電偶1串聯(lián)，交流接觸器3和溫度控制儀2各自連接電源，熱電偶1和加熱棒4均埋入巖石試樣物理模型中。其中，溫度控制系統(tǒng)由溫度控制儀2、交流接觸器3和加熱棒4組成，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度控制儀2和熱電偶1組成。實(shí)施例1將n＝1代入公式Jn＝(n+1)×4-4以及巖石試樣物理模型的邊長(zhǎng)范圍an+0.03≤a＜an+1+0.03可得：加熱棒布置圍成1圈正方形，該正方形的形心與巖石試樣物理模型的中心點(diǎn)重合，該正方形邊長(zhǎng)為0.177米，共埋設(shè)4根加熱棒，該正方形每條邊上埋設(shè)2根加熱棒，本實(shí)施例適用于邊長(zhǎng)范圍為0.207～0.433米的巖石試樣物理模型。實(shí)施例2如圖2所示，將n＝2代入公式Jn＝(n+1)×4-4以及巖石試樣物理模型的邊長(zhǎng)范圍an+0.03≤a＜an+1+0.03可得：加熱棒布置圍成2圈正方形，所有2圈正方形的形心均與巖石試樣物理模型的中心點(diǎn)重合；第1圈正方形邊長(zhǎng)為0.177米，共埋設(shè)4根加熱棒，該圈正方形每條邊上埋設(shè)2根加熱棒；第2圈正方形邊長(zhǎng)為0.403米，共埋設(shè)8根加熱棒，該圈正方形每條邊上埋設(shè)3根加熱棒；所有2圈正方形上埋設(shè)的加熱棒總數(shù)為12根，本實(shí)施例適用于邊長(zhǎng)范圍為0.433～0.659米的巖石試樣物理模型。實(shí)施例3將n＝5代入公式Jn＝(n+1)×4-4以及巖石試樣物理模型的邊長(zhǎng)范圍an+0.03≤a＜an+1+0.03可得：由內(nèi)向外加熱棒布置圍成5圈正方形，所有5圈正方形的形心均與巖石試樣物理模型的中心點(diǎn)重合；第1圈正方形邊長(zhǎng)為0.177米，共埋設(shè)4根加熱棒，該圈正方形每條邊上埋設(shè)2本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，其特征在于：包括熱電偶(1)、溫度控制儀(2)、交流接觸器(3)和至少4根加熱棒(4)，加熱棒(4)并聯(lián)后與交流接觸器(3)串聯(lián)，溫度控制儀(2)與熱電偶(1)串聯(lián)，交流接觸器(3)與溫度控制儀(2)并聯(lián)，交流接觸器(3)和溫度控制儀(2)各自連接電源，熱電偶(1)和加熱棒(4)均埋入巖石試樣物理模型中。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，其特征在于：包括熱電偶(1)、溫度控制儀(2)、交流接觸器(3)和至少4根加熱棒(4)，加熱棒(4)并聯(lián)后與交流接觸器(3)串聯(lián)，溫度控制儀(2)與熱電偶(1)串聯(lián)，交流接觸器(3)與溫度控制儀(2)并聯(lián)，交流接觸器(3)和溫度控制儀(2)各自連接電源，熱電偶(1)和加熱棒(4)均埋入巖石試樣物理模型中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，其特征在于：所述溫度控制儀(2)為數(shù)顯調(diào)節(jié)儀。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，其特征在于：所述加熱棒(4)布置圍成至少1圈正方形，各圈正方形的形心與巖石試樣物理模型的中心點(diǎn)重合，各圈正方形的邊長(zhǎng)公式為單位：米，n表示由內(nèi)向外加熱棒(4)布置圍成的第n圈正方形，an表示由內(nèi)向外加熱棒(4)布置圍成的第n圈正方形的邊長(zhǎng)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種模擬地下工程地溫的溫度加載系統(tǒng)，其特征在于：所述加熱棒(4)在同一圈正方形的每條邊上等距布置，埋設(shè)在第n圈正方形位置上的加...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李天斌，潘皇宋，陳國(guó)慶，方興，付振華，鐘雨奕，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：成都理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51