一种温度渗透化学时效扰动耦合真三轴实验设备及方法

本发明涉及岩石室内加载试验，具体是一种温度渗透化学时效扰动耦合真三轴实验设备及方法。

背景技术：

1、随着世界性的人口增加，资源匮乏问题激增，为解决人类的生存发展需求问题，人类对地球资源的开发越来越向着地下深部开展，如大型地下厂房、深部隧洞、地下核废料处置库、千米采矿深井等，深部地下空间和资源能源开发利用已成为世界各国进行科学探索的新趋势。而岩石作为地下工程的环境载体，处于十分复杂赋存环境：(1)高地应力、高渗透水压、高温的“三高”环境；(2)在全球环境污染日益加剧的大环境下，地下岩石极易受到酸雨渗透的化学腐蚀作用，导致岩石的承载力降低；(3)地下工程在施工过程中，由于爆破、机械开挖等产生了不同频率幅值的扰动荷载，掌子面循环递进开挖，先前开挖后仍处于高应力状态的损伤围岩不断受到扰动荷载作用，同时高压损伤岩石也存在长时时效劣化效应。扰动荷载加上长时时效作用极易诱发高压损伤围岩进一步劣化甚至导致工程灾害。

2、为研究复杂多场耦合作用下的岩石力学特性，众多专家学者在实验设备上进行了一系列创新，实验设备的功能越来越先进且多样化，除了满足常规的静力加载功能，增加了扰动荷载施加功能，还具有渗流、高温等功能，但依然存在着以下不足之处：第一，目前岩石实验设备在渗透水压方面普遍较低，达不到真实岩石环境中的高渗透压条件；第二，目前的岩石实验设备还无法实现同时考虑长时、高压、高温、高渗压、化学腐蚀、多向扰动等多场耦合；第三，目前的岩石实验设备，不能实现三向扰动荷载同时施加的动静组合功能。

3、基于此，亟需开发一项能实现真三轴下多向扰动、长时、高温、高渗压和化学腐蚀耦合作用的岩石实验设备，以开展高温、高渗压和化学腐蚀复杂多场耦合作用下岩石真三轴长时-多向扰动试验研究。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种温度渗透化学时效扰动耦合真三轴实验设备及方法，第一、二主应力方向上可施加200吨动静组合荷载，最高温度可达到300℃，渗透水压可达20mpa同时可耐强酸腐蚀。首次实现了高温、渗透和化学多因素耦合下的动力扰动真三轴试验。第一、二主应力方向采用两组高吨位动静组合加载油缸，可实现多方向扰动荷载同时施加，通过液压油直接作用试样方式施加第三主应力。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种温度渗透化学时效扰动耦合真三轴实验设备，包括主体框架加载系统、液压系统和渗流系统，所述主体框架加载系统分别与液压系统和渗流系统相连，通过液压系统主体框架加载系统试样进行加载，通过渗流系统向主体框架加载系统的渗流夹具提供化学渗透水，同时主体框架加载系统的保温罩升温，完成试样的温度渗透化学耦合。

4、所述主体框架加载系统包括水平环形框架、左动静组合加载油缸、右动静组合加载油缸、前动静组合加载油缸、后动静组合加载油缸、框架支撑柱、底座、竖向伸缩框架、保温罩、渗流夹具、阶梯型地台。所述水平环形框架内部为一圆形通孔，其顶部的四个角处均设有圆形通孔，水平环形框架前后左右四个侧面中心处设有圆形通孔，所述左动静组合加载油缸固定安装于水平环形框架左侧面中心处通孔、所述右动静组合加载油缸固定安装于水平环形框架右侧面中心处通孔、所述前动静组合加载油缸固定安装于水平环形框架前侧面中心处通孔、所述后动静组合加载油缸固定安装于水平环形框架后侧面中心处通孔，水平环形框架与底座通过框架支撑柱连接成一体，所述保温罩置于水平环形框架内部凹槽处，所述竖向伸缩框架置于水平环形框架内部通孔，且固定于底座上，可在水平环形框架内部通孔内上下伸缩滑动；所述竖向伸缩框架包括上t型盖板、伸缩台、连接柱和推拉工程缸，所述连接柱穿过水平环形框架顶部四个角处的通孔与t型盖板和伸缩台固定连接，伸缩台底部与推拉工程缸固定连接，推拉工程缸下端固定在底座上，所述t型盖板和伸缩台与水平环形框架的内部通孔间设置有密封圈，形成岩样的加载腔室；所述伸缩台顶端设置有岩样支撑架，岩样置于渗流夹具内，岩样与渗流夹具整体置于岩样支撑架上，所述岩样的几何中心与左动静组合加载油缸、右动静组合加载油缸、前动静组合加载油缸和后动静组合加载油缸的中轴线焦点相重合；所述阶梯型地台为二级台阶式地台，实验设备主体置于阶梯型地台正中。

5、所述左动静组合加载油缸、右动静组合加载油缸、前动静组合加载油缸和后动静组合加载油缸结构均相同，由前缸盖板、第一缸筒、静压活塞、静测力传感器、第二缸筒、后缸盖板、扰动活塞、动测力传感器组成，所述前缸盖板与第一缸筒固定连接，组成静压油缸缸腔，所述静压活塞置于静压油缸缸腔内组成静压加载油缸，所述静测力传感器与静压活塞相连；所述第一缸筒与第二缸筒固定连接，所述后缸盖板与第二缸筒固定连接组成扰动油缸缸腔，所述扰动活塞的前端穿过第二缸筒和静压活塞内部置于第二缸体内组成扰动加载油缸，所述动测力传感器与扰动活塞相连。

6、所述液压系统包括油源和伺服阀，所述油源的出油口通过耐高压油管和伺服阀分别与左动静组合加载油缸的静压加载油缸和扰动加载油缸相连，所述油源的出油口通过耐高压油管和伺服阀分别与右动静组合加载油缸的静压加载油缸和扰动加载油缸相连，所述油源的出油口通过耐高压油管和伺服阀分别与前动静组合加载油缸的静压加载油缸和扰动加载油缸相连，所述油源的出油口通过耐高压油管和伺服阀分别与后动静组合加载油缸的静压加载油缸和扰动加载油缸相连。

7、所述渗流系统包括渗流泵，所述渗流泵的水源进口管路上安装有进口压力传感器，所述渗流泵、渗流夹具的进出口、出口压力传感器和流量计通过耐压水管串联。

8、一种温度渗透化学时效扰动耦合真三轴实验设备的使用方法，包括如下步骤：

9、步骤1：启动竖向伸缩框架的推拉工程缸，将竖向伸缩框架抬升至最高限位处，使安装于伸缩台顶部端面的岩样支撑架露出；

10、步骤2：将岩样固定安装在渗流夹具内，将渗流夹具和岩样整体安装在岩样支撑架上，同时在渗流夹具的对应孔位位置上安装固定好位移传感器以及声发射和微震探头；

11、步骤3：再次启动竖向伸缩框架的推拉工程缸，竖向伸缩框架下降至最低限位处，使岩样正处于各个方向动静组合加载油缸的正中的加载腔室，进一步开启油源控制第一主应力和第二主应力方向的动静组合加载油缸对岩样进行预压，再将岩样所在的加载腔室充满液压油，利用液压油对岩样的第三主应力方向施加预压力；

12、步骤4：试验开始，同步开启声发射及微震监测软件，实时采集岩样试验过程中的声音信息；

13、步骤5：启动高温箱，并预设目标温度，使高温箱内温度达到预设的目标温度；

14、步骤6：根据岩石真三轴试验方案，通过应力控制第一主应力和第二主应力方向动静组合加载油缸的静压油缸，同时控制加载腔室内的液压油压力分别对岩石试样施加各主应力方向的静力载荷至预设值；

15、步骤7：启动渗流系统，并预设目标渗流水压力σw，使渗流水压力达到预设的目标值；

16、步骤8：启动各主应力方向的动静组合加载油缸的扰动油缸，分别对岩石试样施加预设的第一主应力方向的扰动荷载δσ1和第二主应力方向的扰动荷载δσ2，不断施加扰动荷载直至岩样破坏；

17、步骤9：试验结束后，卸下各主应力方向的应力，撤出加载腔室内的液压油，并保存下计算机记录试验过程中岩样各方向的力值和位移变形数据和岩样试验过程中的微震与声发射数据；

18、步骤10：启动竖向伸缩框架的推拉工程缸，将竖向伸缩框架抬升至最高限位处把岩样送出，将岩样取下拍照后保存。

19、本发明的有益效果：

20、本发明与现有技术相比具有以下显著优点，首先，本发明初次实现高温、高渗压和化学腐蚀复杂多场耦合作用下岩石真三轴长时-多向扰动试验功能，可同时对岩石的第一、第二主应力方向施加动静组合荷载，同时在加载油缸上进一步改进，将静力油缸和扰动油缸设计组合在一起，实现了扰动荷载在静载同一侧施加的功能；其次，本发明实现了高温、高渗透水压、化学腐蚀多场耦合的复杂地质赋存环境，其中渗透水压可达到较高的20mpa，渗透模块管线采用哈氏合金材料实现了强酸强碱性溶液的化学腐蚀；静态油源的压力通过伺服控制，预设定多少压力就输出多少压力，不会产生溢流效果，即油泵电机所做的功全部转换为输出压力，没有多余能量转换为热量，从而确保了实验设备长时间工作而不出现油温过高的情况，实现了长时间加载的岩石时效试验方案。本发明为研究复杂环境下多因素耦合作用的岩石真三轴试验提供了实际可行的硬件条件，对岩石力学研究领域具有重要意义。