一种化学膨胀岩三维吸水膨胀多功能实验系统及方法

本发明涉及岩石力学，具体涉及一种化学膨胀岩三维吸水膨胀多功能实验系统及方法。

背景技术：

1、我国化学膨胀岩分布范围广泛，该类岩层具有成层性、非均一性和不连续性的发育特征，吸水后具有典型的体积膨胀、强度软化、离子腐蚀特性。当地下工程穿越赋存化学膨胀岩层时，该类岩层吸水产生的非均匀膨胀力和膨胀变形将对地下结构产生明显的挤压作用，导致地下结构局部变形崩裂、隆起等病害，给地下结构的安全施工和运维带来了极大隐患。因此，研究复杂环境下化学膨胀岩的膨胀变形规律是十分有必要的。

2、对于化学膨胀岩膨胀特性的试验研究，通常采用膨胀土常规固结仪与胀缩仪开展自由膨胀试验和侧向膨胀试验。这两种常规仪器所测得的膨胀规律难以应用到实际工程，其主要不足体现在三个方面：一方面，常规固结仪或胀缩仪通常采用一维吸水的方式，即试样上下端渗透采用透水板，仅监测试样轴向的应力-应变，虽然目前较少的出现了三维吸水膨胀试验装置，但是受限于水密封效果和传感器振荡影响，一般简化成方块试样且不考虑围压的作用，即围压和水压作为一种扰动力将使内置传感器无法稳定固定，水压大于围压的情况下会导致内置传感器向外崩落。另一方面，受限于常规固结仪或胀缩仪的反应腔，仅能开展单场简单条件的膨胀试验，即便是现有复杂的岩石膨胀仪器，也仅能实现双场耦合环境，无法实现围压、轴压、水压和温度多场耦合条件下的岩样膨胀试验。此外，现有的仪器装置只能完成应力或应变单个力学参数的测定，几乎无法完成应力、应变、离子浓度梯度等多个参数的测试任务。

3、因此，为更好地模拟化学膨胀岩在复杂赋存环境中受到的多场耦合作用，本发明提供了一种化学膨胀岩三维吸水膨胀多功能实验系统及方法，以解决上述当前研究受仪器限制所存在的问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种化学膨胀岩三维吸水膨胀多功能实验系统及方法，本发明的试验装置不仅能同时提供围压、轴压、水压、高温和三维吸水的试验环境，实现对化学膨胀岩复杂赋存环境的真实模拟，而且保证传感器可以稳定精准地捕获试样数据。

2、为实现上述目的，本发明采用以下方案：

3、一种化学膨胀岩三维吸水膨胀多功能实验系统，包括三轴高温高压反应腔室，所述三轴高温高压反应腔室分别连接有围压加载控制系统、水压加载控制系统、温度控制系统、轴压加载控制系统、ph值监测系统和数据采集与分析系统；

4、所述三轴高温高压反应腔室包括上下两端可拆卸的上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖之间设有套装的内部腔体和外部腔体，所述外部腔体套设在内部腔体外，所述内部腔体和外部腔体之间设有密封垫套，所述密封垫套的上下两端分别设有朝向外部腔体一侧突出的上凸体和下凸体，所述上凸体和下凸体之间设有油腔体，上凸体和所述上端盖之间、下凸体和所述下端盖之间均设有传力垫块；

5、所述内部腔体内设有岩石试样，所述岩石试样外设有透水加压箍，所述透水加压箍外壁紧贴所述密封垫套，所述密封垫套通过位移结构连接有环向应力-应变传感器；所述岩石试样上方设置有上压头，在上压头中设置有与岩石试样连接的出水管，岩石试样的下方设置有下压头，下压头内设置有与岩石试样连接的进水管，所述上压头顶部可分离的连接有轴压加载丝杠压头；所述透水加压箍包括多段带有接缝的箍体，所述箍体上分别设有轴向过水凹槽和径向过水孔。

6、进一步的，所述上压头与所述密封垫套之间活动连接有上限位套，所述上限位套与透水加压箍上下对应并向上延伸至上端盖，所述下压头与所述密封垫套之间活动连接有下限位套，所述下限位套向下延伸至下端盖。

7、进一步的，所述上压头延伸出所述上端盖，所述上压头与岩石试样之间设有上透水石，所述下压头与岩石试样之间设有下透水石；所述出水管一端连接所述上透水石，另一端通过第一流量计和第一流体压力计连接所述ph值监测系统，所述进水管一端连接所述下透水石，另一端通过第二流量计和第二流体压力计连接所述水压加载控制系统及水泵。

8、进一步的，所述岩石试样外套设有环形离子浓度传感器和加热电圈，加热电圈连接所述温度控制系统，环形离子浓度传感器和所述环向应力-应变传感器连接所述数据采集与分析系统。

9、进一步的，所述位移结构设置有多个，所述环向应力-应变传感器与位移结构一一对应，多个所述位移结构周向均布在所述密封垫套的侧壁上。

10、进一步的，所述位移结构包括压缩腔体，压缩腔体的两端设有孔洞，所述压缩腔体内设有位移杆，所述位移杆的两端延伸出所述孔洞，所述位移杆的一端紧贴所述密封垫套，另一端通过连接板连接所述环向应力-应变传感器，所述位移杆位于所述压缩腔体的部分设有凸体和调力弹簧，所述凸体位于靠近密封垫套的一侧，所述调力弹簧套设在位移杆的非凸体的部位，所述凸体的外径大于所述孔洞的径向尺寸。

11、进一步的，所述三轴高温高压反应腔室的外壁上相对设有进油口和出油口，所述进油口和出油口内接所述油腔体，所述进油口和出油口外接所述围压加载控制系统；所述外部腔体上设有连通外部的排气口。

12、进一步的，所述轴压加载丝杠压头连接所述轴压加载控制系统，所述轴压加载丝杠压头通过反力架设置在所述上压头的上方，所述轴压加载丝杠压头还连接有轴向传感器，所述轴向传感器连接所述数据采集与分析系统。

13、进一步的，所述实验系统还包括操作台，所述操作台上可拆卸的固定有送料垫板，送料垫板通过与所述下端盖连接设置在所述三轴高温高压反应腔室的下方，所述送料垫板的下部设有移动轮；所述反力架固定在所述操作台上。

14、一种化学膨胀岩三维吸水膨胀多功能实验方法，包括以下步骤：

15、步骤一、根据岩石试样膨胀试验类型处理透水加压箍：进行侧向约束膨胀率试验时，采用高强胶水粘结多段带有接缝的箍体，自由膨胀率试验和不同围压、水压条件下的膨胀试验时，无需处理透水加压箍；

16、步骤二、通过送料垫板将装有岩石试样的三轴高温高压反应腔室放置至轴压加载丝杠压头的下方，使轴压加载丝杠压头正对上压头；

17、步骤三、打开水压加载控制系统加水，使水从进水管竖向依次通过下透水石、岩石试样、上透水石，横向依次通过岩石试样、透水加压箍实现对岩石试样的三维浸水，打开排气口，实现三轴高温高压反应腔室内无残余空气时关闭排气口；

18、步骤四、根据试验方案设置轴压、水压和温度，开展岩石试样在不同轴压、围压、水压、温度耦合条件下的膨胀率试验。

19、本发明具有的有益效果为：

20、本发明与目前的岩石膨胀测试仪器相比，三轴高温高压反应腔室连接围压加载控制系统、水压加载控制系统、温度控制系统、轴压加载控制系统、ph值监测系统和数据采集与分析系统，三轴高温高压反应腔室内设置多段式的带有轴向过水凹槽和径向过水孔的透水加压箍，实现了岩石试样在围压、轴压、水压和温度耦合条件下的三维膨胀吸水，进而可以更加真实的模拟膨胀岩赋存的复杂地层环境。

21、而且，本发明在岩石试样侧向设置了环向应力-应变传感器，可测试岩石侧向的膨胀应力或应变，环向应力-应变传感器通过位移结构间接的与岩石试样连接，可消除围压和水压对环向应力-应变传感器的扰动影响，多个位移结构周向均布在密封垫套的侧壁上，实现岩石试样吸水膨胀过程中体积膨胀应变-应力的三维高精度测量。

22、其次，紧贴岩石试样外套设有环形离子浓度传感器接头，出水口连接ph值监测系统，可实现动态监测试样内部溶蚀后的离子运输扩散过程，同时获得水酸碱度的变化规律。

23、另外，本发明系统功能多样，可适用于开展膨胀岩的多种膨胀特性试验，主要包括自由膨胀率试验、不同轴压下的侧向约束膨胀率试验、不同围压、水压、轴压和温度耦合条件下的膨胀率和膨胀力试验。