深部岩土工程扰动模拟设施温度载荷控制系统及方法

本发明涉及岩土工程试验，具体涉及一种深部岩土工程扰动模拟设施温度载荷控制系统及方法。

背景技术：

1、深部岩体赋存环境具有高地应力、高地温与高岩溶水压等特性，尤其随着地下深度的递增，深部岩体高应力场内积，部分区域地温可高达250℃，这使得深部岩土工程实施难度极大，因此需要进行试验研究。

2、为模拟深部多场耦合环境和工程扰动条件，精确观察和控制岩体内部断续结构与外部非线性行为演化过程，目前已开发不少岩土工程扰动模拟设施来进行试验研究。但是，目前的模拟设施普遍无法精确、稳定的控制温度，尤其是不能提供长期稳定的高温环境（如，数周乃至整月保持250℃的深部岩土环境），这对更精确、有效的试验产生了限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种深部岩土工程扰动模拟设施温度载荷控制系统及方法，本发明充分考虑深部岩土工程扰动模拟设施的特点，能为深部岩土工程扰动模拟设施提供高温模拟环境。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种深部岩土工程扰动模拟设施温度载荷控制系统，包括导热油单元、电阻加热单元和冷却水单元；导热油单元用于以循环的导热油将主舱内部加热从而实现升温，包括循环油泵、为循环油泵供油的高位油箱、存储排出的导热油并供循环使用的低位油箱，高位油箱由补油泵补油，循环油泵出口端依次连接电加热器、第一切换阀、储油罐和第二切换阀，第一切换阀能切换导热油进入或旁通冷却器，第二切换阀能切换导热油流回循环油泵或流向第三切换阀，第三切换阀能切换导热油从上到下或从下到上流经主舱内部并从主舱内部流出后经过气液分离器流回循环油泵，主舱上下端的外接管路上均设有切断阀，主舱下端外接管路通过排油泵连接至低位油箱；电阻加热单元用于以电阻加热将主舱外部加热从而实现预热、辅助导热油单元升温和持续保温，包括能包围封闭主舱的外壳和分布安装在外壳内壁上的电阻加热件；冷却水单元用于以循环的冷却水对导热油单元中的导热油降温进而间接将试验后主舱降温，包括能向冷却器输送循环冷却水的循环冷却水泵、用于向循环冷却水泵供水的冷却水箱、用于给吸热后循环冷却水散热的冷却塔。

4、优选地，电加热器和循环油泵采用联锁控制：循环油泵不启动时电加热器不通电，电加热器不断电时循环油泵不停止工作，电加热器断电后循环油泵何时停止工作由人工控制。

5、优选地，低位油箱带有冷却盘管，冷却水单元还能以循环的冷却水对冷却盘管降温进而间接将低位油箱内的导热油降温。

6、优选地，循环油泵采用两个，一个使用、另一个备用。

7、优选地，循环油泵采用由恒转矩的防爆变频电机驱动的屏蔽泵。

8、优选地，主舱上下端的外接管路上各设有两个切断阀，切断阀采用电动高温超高压闸阀、口径不小于dn65。

9、优选地，外壳从中间对分为两个半壳体，两个半壳体均能移动实现相互合拢和分开，两个半壳体的对接处均设有密封槽，密封槽内设有耐高温的密封填料，两个半壳体相互合拢时能形成密闭腔体将主舱包围封闭；外壳内壁分布设置耐高温的炉衬模块，炉衬模块在高温受热后内部膨胀使得相互之间压紧、表面生成固化硬层。

10、优选地，电阻加热件缠绕在绝缘瓷管上，绝缘瓷管通过绝缘瓷件固定在外壳内壁上，外壳主体采用不锈钢材质。

11、一种深部岩土工程扰动模拟设施温度载荷控制方法，采用上述深部岩土工程扰动模拟设施温度载荷控制系统，先利用电阻加热单元包围封闭主舱并于以电阻加热将主舱外部加热从而实现预热；然后，利用导热油单元向主舱内输入加热后的导热油，通过循环油泵使导热油在主舱和电加热器间循环，使导热油温持续升高，并且在电阻加热单元的辅助下，使主舱达到试验要求的环境温度；然后切断主舱与导热油单元的连接，给主舱加压；然后进行长时间保温，此时，导热油单元不工作，由电阻加热单元保证主舱始终维持在试验温度；试验完成后，关闭电阻加热单元、开启导热油单元并关闭其中的电加热器、开启冷却水单元，导热油单元使得导热油在主舱和主舱外部管路中循环，冷却水单元使得循环的冷却水对主舱外部管路的导热油降温进而间接将主舱降温，吸热后的循环冷却水通过冷却塔散热，最终将导热油和主舱温度降至一定温度以下。

12、优选地，其中，导热油单元的工作流程包括步骤：

13、s1、注油：开启补油泵外接外界油箱管路上的阀门，关闭低位油箱连接补油泵管道的阀门、关闭主舱下端外接管道连接至排油泵的管道上的阀门，将第一切换阀切换至导热油旁通冷却器，将第二切换阀切换至导热油流向第三切换阀，开启主舱上下端的外接管路上的切断阀，开启补油泵，通过高位油箱将导热油注满整个导热油单元，待高位油箱有液位显示，即表示已注满整个导热油单元，开启循环油泵，充分循环导热油并利用气液分离器排出空气，为煮油作准备；

14、s2、加热主舱：先将第一切换阀切换至导热油旁通冷却器、将第二切换阀切换导热油流回循环油泵，开启循环油泵、开启电加热器，按照煮油流程将油液升温至目标温度；再开启主舱上下端的外接管路上的切断阀，将第二切换阀切换至导热油流向第三切换阀，将第三切换阀切换至导热油从上到下流经主舱内部，将导热油注入主舱内，如果主舱上下端导热油温差超过一定值则将第三切换阀切换至导热油从下到上流经主舱内部，通过改变主舱内导热油流向使主舱内温度场均匀，通过调整循环油泵的流量和电加热器的功率精确控制导热油温度；

15、s3、冷却主舱外部管路中的导热油：主舱温度达到试验要求时，主舱外部管路中的导热油需要冷却，切断电加热器电源和主舱上下端的外接管路上的切断阀，将第二切换阀切换导热油流回循环油泵，循环油泵继续运行防止电加热器内的导热油结焦，同时，将第一切换阀切换至导热油进入冷却器，开启冷却水单元，直到主舱外部管路中的导热油降至一定温度以下，关闭循环油泵；

16、s4、冷却主舱：主舱试验完成后，压力降为0mpa后，需要将主舱降温，开启主舱上下端的外接管路上的切断阀，将第一切换阀切换至导热油进入冷却器，将第二切换阀切换至导热油流向第三切换阀，启动循环油泵，关闭电阻加热单元，开启冷却水单元，使得导热油在主舱外部管路和主舱内部管路中循环，循环的冷却水对导热油降温进而间接将主舱降温，最终将导热油和主舱温度降至一定温度以下，最后关闭循环油泵、关闭冷却水单元；

17、s5、排油：开启主舱下端的外接管路上的切断阀、主舱下端外接管道连接至排油泵的管道上的阀门，启动排油泵，将主舱和导热油单元中的导热油抽至低位油箱内。

18、本发明的有益效果是：

19、本技术充分考虑深部岩土工程扰动模拟设施的特点，采用导热油单元，以低压驱动导热油外循环的方式对其内部加热，当主舱和内部试件达到试验温度后再关闭其与导热油单元的连接即可，采用电阻加热单元，对主舱外表面加热，能以预热和辅助导热油单元内外同时加热的方式提高主舱加热效率，还能持续保温，不必让导热油单元长期循环，易于控制，还能让主舱及内部试件受热均匀，通过调整循环油泵的流量和电加热器的功率即可精确控制导热油温度，采用冷却水单元以循环的冷却水对导热油单元中的导热油降温进而间接将主舱降温，节约用油、用水和不污染环境；因此，本系统能为深部岩土工程扰动模拟设施提供稳定的高温模拟环境。