一种水油隔离型浸水三轴试验箱及试验方法与流程

本发明涉及岩石力学试验设备技术领域，尤其是一种水油隔离型的浸水三轴试验箱以及利用该装置进行三轴试验的方法。

背景技术：

近年来随着我国经济的不断发展，我国采矿工程、隧道工程、地铁工程以及其它地下工程得到迅速发展。但是有一些工程在施工中会遇到软岩，软岩遇水容易软化，导致岩石强度降低，对施工造成巨大的困难，同时对工作人员安全产生严重的影响。因此，通过岩石力学实验分析岩石在水中长期浸水的力学性能，对实际施工具有重要的作用。

现有针对水作用下岩石试件的力学实验研究中，大部分多采用控制不同浸水时间和测算试件含水率等方法，但是在实验加载过程中没有试件浸水加载装置，均是用浸水后取出的试件进行实验，加载过程一般要经历几个小时，在这种情况下容易使得岩石试件内的水分蒸发，导致实验结果有较大误差。中国专利cn201810004350提出了一种考虑干湿循环的岩土体剪切蠕变仪，通过该装置可对试件进行饱水和脱湿的干湿循环模拟，但未考虑长期浸水与围压改变的情况，不能做到对该种工况下的力学实验研究。中国专利cn2017214773提出了一种用于单轴压缩试验的湿度控制装置，通过该装置可控制试件的湿度用以测试不同干湿情况下试件的力学性质，但该专利未考虑长期浸水与不同围压的工况，无法进行相应工况下的力学实验研究。另外，中国专利cn201110198841、cn201720459789、cn201730487413、cn201721715979、cn201721697658等现有的三轴实验装置，利用改变密封试件周围液压油的体积控制密封试件的围压，通过用一些密封措施分隔试件与液压油，这种设置虽能改变试件围压但通过实际操作发现实验中液压油仍会与试件接触，渗入的液压油会在一定程度上改变试件的力学性能，造成对试件的影响从而改变实验结果，因此需要对现有的试验装置作进一步的改进。

另外现有的三轴加载实验方法也未考虑长期浸水矿柱、岩体的实际工况，无法模拟相似工况下的力学实验研究，尤其是对不同液高、不同材料试件、不同围压、不同加载形式的水油隔离不同围压浸水三轴实验方法。现有的三轴力学实验方法是通过改变试件周围液压油的体积控制密封试件的围压，这种实验方法虽能做到改变试件围压但通过实际操作发现实验中液压油仍会与试件接触，渗入的液压油会在一定程度上改变试件的力学性能，现有的加载方法在实验加载过程中对浸水中岩石试件围压的改变以及加载，为了令实验结果与实际工程情况更为接近，继而通过实验结果分析，可以为类似工况施工提供较为科学合理的施工参考，因此需要对现有的实验方法作进一步的改进。

技术实现要素：

为解决试件长期浸水的条件下难以进行变围压试验的技术问题，本发明提供了一种水油隔离型浸水三轴试验箱及试验方法，具体技术方案如下：

一种水油隔离型浸水三轴试验箱，包括浸水压力舱、液压油舱、加热器、压力传感器、温度传感器、渗流通道、制冷装置、油压控制装置和渗流调节装置；所述加热器设置在浸水压力舱内，所述制冷装置设置在液压油舱外；所述压力传感器设置在底座上，所述浸水压力舱设置在液压油舱内，浸水压力舱和液压油舱之间设置有柔性薄膜；所述渗流通道设置在底座上，渗流通道连通浸水压力舱和渗流调节装置，所述渗流通道内设置有压力平衡阀；所述油压控制装置和液压油舱通过油管相连，油管上设置有方向控制阀，所述温度传感器设置在浸水压力舱内。

优选的是，液压油舱和浸水压力舱的外壳由透明钢化玻璃制作而成，所述温度传感器为耐压型温度传感器，所述压力传感器为防水型压力传感器，所述压力平衡阀具体为高压压力平衡阀，所述方向控制阀具体为高压方向控制阀。

优选的是，柔性薄膜将试件完全包裹，所述柔性薄膜的上边缘固定在浸水压力舱上部的外壳上，所述柔性薄膜的下边缘固定在底座上。

优选的是，渗流调节装置内设置有稳压泵，所述浸水压力舱边缘还设置有压力表；所述油管上还设置有安全阀。

一种浸水单轴试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.制备试件，将试件放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱内，在浸水压力舱内注入水，并控制注水后试件的淹没高度；

步骤二.利用试验机的压头进行轴向加压，直至试件破坏，同时记录试件的应力和应变监测数据。

一种浸水三轴试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.制备试件，将试件放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱内，在浸水压力舱内注满水，完全淹没试件；

步骤二.利用试验机的压头进行轴向施加预应力，并向液压油舱内注入液压油保持压力稳定；

步骤三.继续利用试验机的压头进行轴向加压，直至试件破坏，记录试件的应力和应变监测数据。

一种浸水三轴卸围压试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.制备试件，将试件放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱内，在浸水压力舱内注满水，完全淹没试件；

步骤二.利用试验机的压头进行轴向施加预应力，并逐渐向液压油舱内注入液压油，持续增大液压油舱内液压油的压力至围压值，监测浸水压力舱的压力值；

步骤三.调整卸载围压的速率，记录试件的应力和应变监测数据。

一种浸水采动影响三轴试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.制备试件，将试件放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱内，在浸水压力舱内注满水，完全淹没试件；

步骤二.利用试验机的压头进行轴向施加预应力，并逐渐向液压油舱内注入液压油；

步骤三.调整卸载围压的速率和轴向加压的速率，持续增大液压油舱内液压油的压力至围压值；同时进行轴向加压直至试件破坏，监测浸水压力舱的压力值；记录试件的应力和应变监测数据。

优选的是，浸水压力舱内还注入酸性溶液或碱性溶液，记录腐蚀情况下试件的应力和应变监测数据；所述制冷装置工作冷冻试件，记录封冻情况下试件的应力和应变监测数据，或者将所述制冷装置冷冻试件后，加热器工作解冻试件，循环冷冻和解冻过程，记录循环冷冻解冻情况下试件的应力和应变监测数据。

本发明的有益效果包括：

(1)水油隔离浸水三轴实验箱利用柔性材料制成具有一定强度的柔性薄膜，用于分隔液压油与水，避免了液压油渗入水中污染试件从而对实验造成影响的问题；柔性薄膜也能最大限度的将液压油舱内的围压传递至浸水压力舱中，做到使浸水压力舱和液压油舱内的围压一致，避免造成机械误差。

(2)利用水油隔离浸水三轴实验箱进行三轴试验，可以在力学试验加载过程中实现对带有可控制围压长期浸水情况下的岩石试件进行直接加载，根据实验结果和实际工程情况进行分析，从而为类似工况提供较为科学合理的施工参考。利用该装置还可以模拟不同温度、不同材料、不同围压、不同浸水条件下的不同加载形式的工况，测试不同情况下的岩石等材料的力学性能。

(3)在浸水压力舱内加入化学试剂，进而研究不同试剂浸水情况下岩石的力学性质；同理在进行单轴压缩试验时，试剂的液面高度也可根据不同的需求调整，还可以模拟完全浸水与完全排干交替的干湿循环现象。

(4)利用该装置进行试验的方法和步骤简单易行，试验装置操作方便，实验数据收集便利。通过实验箱加载底座内布置的专用防水压力传感器和浸水压力舱上设置的压力表等监测设备，实时记录试验过程中的围压参数，避免了柔性薄膜使油压在传递过程中出现衰减，以及监测值与实际值的误差。

(5)室内力学实验通过三轴实验箱对岩石试件浸水条件下，进行不同加载、卸载及其组合方案，用以模拟矿井不同区域充水时围岩或矿柱的受载情况。通过控制卸载速率和加载速率来做变量，可代表不同充水情况下不同采煤方法的影响形式，与单轴实验和常规三轴实验和常规卸载实验进行对比统计，可分析矿井不同区域充水岩石受载破坏形式，模拟矿井各部位煤岩体受水影响下的采动应力学行为，再现矿井各充水区域煤岩体的受载破坏过程。

另外本实验装置还具有各部分均可自由拆卸，分解组装方便，放置试件更换方便，装置各部件清洗更换灵活等优点。

附图说明

图1是一种水油隔离型浸水三轴试验箱整体结构示意图；

图2是水油隔离型浸水三轴试验箱俯视结构示意图；

图3是实验方法的流程示意图；

图中：1-浸水压力舱；2-液压油舱；3-加热器；4-压力传感器；5-温度传感器；6-渗流通道；7-制冷装置；8-油压控制装置；9-渗流调节装置；10-底座；11-柔性薄膜；12-试件；13-压头。

具体实施方式

结合图1至图3所示，本发明提供的一种水油隔离型浸水三轴试验箱及试验方法的具体实施方式如下。

一种水油隔离型浸水三轴试验箱具体包括浸水压力舱1、液压油舱2、加热器3、压力传感器4、温度传感器5、渗流通道6、制冷装置7、油压控制装置8和渗流调节装置9，试验箱各部分均可自由拆卸，分解组装方便，装置各部件还具有清洗更换灵活等优点。加热器3设置在浸水压力舱1内，制冷装置7设置在液压油舱2外，从而实现对试件的加热和制冷，模拟工程实际中的浸水条件下的冰冻和融化对试件的影响。压力传感器4设置在底座10上，浸水压力舱1设置在液压油舱2内，浸水压力舱1和液压油舱2之间设置有柔性薄膜11，从而实现水油隔离和压力传递。柔性薄膜11将试件完全包裹，柔性薄膜11的上边缘固定在浸水压力舱上部的外壳上，柔性薄膜11的下边缘固定在底座上。进一步的可保证试件12和柔性薄膜11之间的距离在3～10cm之间，保证柔性薄膜11在轴向上留有一定的余量，柔性薄膜11的上边缘和下边缘可根据需求设置为带有凹边或凸边的结构，从而保证柔性薄膜11传递压力的稳定。柔性薄膜可以采用纳米力敏材料制作，同时可以监测压力分布；柔性薄膜还可以采用高性能聚酯薄膜，可以承受更大的压力；柔性薄膜还可以选用硅胶等材料制作。渗流通道6设置在底座10上，渗流通道6连通浸水压力舱1和渗流调节装置9，渗流通道6内设置有压力平衡阀，渗流调节装置9能够保证液压油舱2加压过程中浸水压力舱1的压力和液压油舱2保持一致，通过压力平衡阀和稳压泵保持浸水压力舱内始终充水。油压控制装置8和液压油舱2通过油管相连，油管上设置有方向控制阀，通过油压控制装置8通过调整液压油舱内2的油液含量对液压油舱2内的油压进行调节，从而改变围压，调整进出油的速度改变卸围压的速率。

液压油舱2和浸水压力舱1的外壳由透明钢化玻璃制作而成，从而方便观测。压头13可以设置在浸水压力舱1内从而保证试件整体浸水，从而更好的模拟浸水情况下岩石的力学性质。根据试验结构需求，温度传感器5设置在浸水压力舱内，温度传感器5可以为耐压型温度传感器，压力传感器4可以为防水型压力传感器，从而保证传感器的耐用性和准确性。压力平衡阀具体为高压压力平衡阀，方向控制阀具体为高压方向控制阀，由于加压过程中压力较高，所以需要使用高压阀门。渗流调节装置9内设置有稳压泵，浸水压力舱1边缘还设置有压力表，油管上还设置有安全阀，浸水压力舱1设置压力表能进一步的校准试件的围压，保证加载精度和试验结果的准确性。

利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱可以进行如下试验。

1.一种浸水单轴试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.制备试件12，试件12可以利用从现场取回的矿石进行加工制作标准试件，或利用相似配比进行煤等标准试件的制作，将试件放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱1内，在浸水压力舱1内注入水，并控制注水后试件12的淹没高度，模拟不同工况的试件12浸水对力学性质的影响。

步骤二.利用试验机的压头13进行轴向加压，直至试件12破坏，在这个过程中还可以对浸水压力舱1进行循环充水和放水，从而模拟完全浸水与完全排干交替的干湿循环现象，同时记录试件的应力和应变监测数据，制作该试件的应力应变曲线。

2.一种浸水三轴试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.利用现场取样或相似材料制备试件12，将试件12放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱1内，在浸水压力舱1内注满水，直至完全淹没试件12。

步骤二.利用试验机的压头13进行轴向施加预应力，并向液压油舱内2注入液压油保持压力稳定，油压的设置根据需要进行加压，加压过程中根据压力表和底座10上压力传感器4监测压力。

步骤三.继续利用试验机的压头13进行轴向加压，期间观测试件变形情况，直至试件12破坏，此过程中还可以利用制冷装置7和加热器3进行循环冷冻和解冻，记录试件12的应力和应变监测数据，制作该试件的应力应变曲线。

3.一种浸水三轴卸围压试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.制备试件12，将试件放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱内，在浸水压力舱内注满水，完全淹没试件。

步骤二.利用试验机的压头13进行轴向施加预应力，并逐渐向液压油舱2内注入液压油，持续增大液压油舱1内液压油的压力至围压值，监测浸水压力舱的压力值。

步骤三.调整卸载围压的速率，在此过程中还可以利用制冷装置7和加热器3进行循环冷冻和解冻，并记录试件12的应力和应变监测数据，制作该试件12的应力应变曲线。

4.一种浸水采动影响三轴试验的方法，利用上述水油隔离型浸水三轴试验箱进行试验，其试验步骤包括：

步骤一.利用现场取样或相似材料制备试件12，将试件12放置在水油隔离型浸水三轴试验箱的浸水压力舱1内，在浸水压力舱1内注满水，完全淹没试件。

步骤二.利用试验机的压头13进行轴向施加预应力，并逐渐向液压油舱2内注入液压油，持续增大液压油舱内2液压油的压力至围压值，监测浸水压力舱1的压力值进行校准。

步骤三.通过油压控制装置8调节释放液压油的进出速度，调整卸载围压的速率和轴向加压的速率，持续增大液压油舱2内液压油的压力至围压值；同时进行轴向加压直至试件12破坏，监测浸水压力舱1的压力值；记录试件12的应力和应变监测数据。

另外，在上述浸水单轴试验的方法、浸水三轴试验的方法、浸水三轴卸围压试验的方法和浸水采动影响三轴试验的方法中还可以在浸水压力舱1内还注入酸性溶液或碱性溶液，记录腐蚀情况下试件12的应力和应变监测数据，进而研究不同试剂浸水情况下岩石的力学性质，模拟腐蚀环境条件下工况。另外在上述试验方法的过程中，还可以通过使制冷装置7工作冷冻试件，记录封冻情况下试件的应力和应变监测数据，或者将所述制冷装置7冷冻试件后，加热器3工作解冻试件，循环冷冻和解冻过程，记录循环冷冻解冻情况下试件的应力和应变监测数据，从而模拟循环冷冻和解冻的工况下岩石的力学性质。利用水油隔离浸水三轴实验箱进行三轴试验，可以在力学试验加载过程中实现对带有可控制围压长期浸水情况下的岩石试件进行直接加载，根据实验结果和实际工程情况进行分析，从而为类似工况提供较为科学合理的施工参考。上述试验的方法中还可以使用紧固皮筋扎紧试件12和柔性薄膜11在浸水压力舱1的上部或下部注水从而模拟部分浸水的试件的力学性质。利用该装置还可以模拟不同温度、不同材料、不同围压、不同浸水条件下的不同加载形式的工况，测试不同情况下的岩石等材料的力学性能。在浸水压力舱1内加入化学试剂，进而研究不同试剂浸水情况下岩石的力学性质；同理在进行单轴压缩试验时，试剂的液面高度也可根据不同的需求调整，还可以模拟完全浸水与完全排干交替的干湿循环现象。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。