本发明属于岩石力学试验，具体涉及一种模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统，适用于复杂水压环境中水岩连通作用下的岩石短期稳定性和长期蠕变破坏的全过程测试。
背景技术：
1、岩石在水力耦合作用下的力学性质受到水压环境的影响，是许多重大工程面临的难点研究课题。水环境的变化是诱发地表以上的水坝及露天矿边破失稳、引发滑坡，地表向地下过渡的引水输水隧洞，地下深部工程开挖、地热开采和深地存储废液等重要工程领域重大灾害的重要因素之一。然而，目前广泛研究水对岩石力学性能的三轴实验系统主要用于研究静态水含量或水分分布变化对岩石强度和弹性模量的弱化效应。此外，通常采用液压油施加侧向围压，并且完全隔离了围压与岩石之间的联系，因此无法直观地研究实际情况下复杂水环境与岩石的直接连通耦合作用，以及岩石力学性能的变化过程和岩石破裂信号的监测。
2、在重大工程的长期建设过程中，地表以上到深部地层水环境的时空特征，如地表渗流、水位和地下水深度的变化，往往面临着含水量和化学成分突变、水流从静态到动态以及水压力逐渐增加等复杂耦合现象。这些水环境的转变必然会快速影响岩石内部短期和长期的损伤和破坏演化规律，与常规三轴试验装置所得到的岩石力学劣化规律和损失机理大不相同。因此，迫切需要研发一种模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统，实现水环境的施加可以同时扮演围压，渗透压以及孔隙水压的形成，能够真实的反映地表以上到深部地层复杂水环境下岩石力学性能对水动态变化的直接响应效果，从而为指导岩体工程建设、防护和治理提供依据。
技术实现思路
1、为了解决上述现有试验装置存在的问题，本发明提出一种模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统，该试验系统利用水环境代替传统三轴实验围压的液压油，达到同时施加围压，渗透压以及孔隙水压的效果，可以实现水岩耦合作用下水环境的动态变化对岩石的力学性能影响和岩石破裂的实时监测过程。解决了围压液体不能和岩石之间相互流通作用以及长期处于静态环境的弊端。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统，用于研究地表以上到深部地层复杂水环境的转变导致岩石力学性能动态响应和破裂监测过程。包括：压柱、顶盖、垫块、缸体、岩石样品、底座、声发射系统、应变采集系统、水压加压泵、高压水管构成的主体，压柱设置在所述顶盖中间，压柱下部与所述垫块紧密贴合，所述顶盖与所述缸体通过多个螺栓连接，所述岩石样品放置于所述底座上部，所述垫块放置于所述岩石样品上部，所述水压加压泵与所述缸体通过所述高压水管连接，所述声发射系统分别与所述压柱和所述底座连接，所述应变采集系统与所述缸体连接。
4、进一步的，所述顶盖包括压柱、上部声发射探头孔、高压密封圈、高强度螺栓、橡胶密封圈、螺母、排气孔，所述上部声发射探头孔垂直设置于所述压柱轴向方向，所述顶盖中布置三层高压密封圈，所述压柱放置于顶盖中心，所述高压密封圈与所述压柱之间紧密贴合，所述顶盖和所述缸体上部使用所述高强度度螺栓和所述螺母连接，所述顶盖和所述缸体紧密贴合处设置所述密封垫片，所述顶盖与所述垫块之间紧密贴合，所述排气孔设置在顶盖上部。
5、进一步的，所述水围压室包括：环向引伸计、高精度数显压力表、环氧树脂垫层、环向引伸计导线、微小型水密连接器、下部声发射探头孔、定位孔、轴向位移计导线、轴向位移计、高压进水孔，所述水围压室内部有所述垫块，所述垫块下部放置所述岩石样品，所述岩石样品下部放置在所述底座上部，所述环向引伸计安装在所述岩石样品中间，所述底座上部设有所述轴向位移计，所述轴向位移计上部与所述垫块接触，所述高精度数显压力表设置在所述缸体上，所述缸体中间设置有所述高压进水孔，所述高压进水孔与高压水管连接，所述缸体底部与所述微小型水密连接器螺纹连接，所述微小型水密连接器内部和所述环向引伸计导线连接，所述环向引伸计导线与所述环向引伸计相接，所述微小型水密连接器内部和所述环向轴向位移计导线，所述环向轴向位移计导线和轴向位移计连接相接，所述底座周围和所述缸体底部用环氧树脂胶垫层填充，填充高度与所述底座上部平齐，所述下部声发射探头孔垂直设置于所述底座轴向方向，所述定位孔设置在所述底座底部中心，放置于岩石力学试验系统加载平台中心。
6、进一步的，所述高压水管包括：针型高压阀门、高压快速接头，所述针型高压阀门一端与所述高压水管连接，所述针型高压阀门另一端与所述高压快速接头连接，所述高压快速接头与所述高压水管连接
7、进一步的，所述水压加压泵包括：水箱、水压力表、连接杆、高压球阀、活塞杆、油缸、手柄，所述水压加压泵与所述高压水管利用所述螺纹接头连接，所述水压力表和所述高压球阀安装在所述出水管上，所述出水管放置在所述水箱内部，所述出水管与所述油缸连接，所述活塞杆安装在所述油缸内部，所述手柄和所述油缸利用所述连接杆连接。
8、进一步的，还包括所述声发射系统和所述应变采集系统，所述声发射系统与所述上部声发射探头孔和下部声发射探头孔连接，所述应变采集系统与所述微小型水密连接器连接。
9、本发明还包括一种模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验方法，使用上述的模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统，包括以下步骤：
10、步骤1，将制备的标准岩石样品放置在底座上,首先在岩石中部位置安装环向引伸计，然后将轴向位移计固定在底座周围，用来监测岩石的径向和轴向位移，并且将环向引伸计导线和轴向位移计和分别与两个微小型水密连接器内部的导线连接，利用绝缘胶套进行防水处理。
11、步骤2，将垫块放置在岩石顶部，并且轴向位移计顶部与垫块接触，橡胶密封圈按压在缸体顶部的密封槽内部，利用顶盖和螺栓密封水围压室，进而固定垫块，在顶盖中心安装压柱，压柱侧面与高压密封圈紧密挤压，按压压柱保证压柱端部，垫块与岩石上断面之间完全接触。
12、步骤3，将安装完成的围压室放置在岩石力学试验系统的加载平台上，连接应变采集系统和微小型水密连接器外部的导线，打开计算机上应变采集软件，设置试验参数，应变采集信号通过转换器保存在主机，最终显示在屏幕上，试验开始前应变读数应置零。
13、步骤4，利用耦合剂和探头夹具安装上、下部声发射探头，通过放大器连接声发射探头和声发射采集系统，打开计算机上声发射软件，设置试验参数，声发射信号通过处理器保存在主机，将采集数据显示在屏幕上。
14、步骤5，根据试验需要的轴向荷载要求，在岩石力学试验系统软件中设置预加载参数，通过岩石力学试验系统垂直液压缸的压头向压柱施加预加荷载。
15、步骤6，打开顶盖的排气孔，针型高压阀门和水压加压泵的高压球阀，利用高压快速接头连接水围压室和水压加压泵，向水箱内部加入提前配置好的水环境。
16、步骤7，打开水压加压泵大轴，拉压手柄移动油缸的活塞杆，通过出水管和高压水管向围压室内部注入水环境排空内部的空气，带排气孔出液体后立即密封排气孔。
17、步骤8，关闭水压加压泵的大轴，通过控制小轴的位移向围压室内部施加水环境压力，水环境可以渗入到岩石内部的连通的孔隙之中，待水压力表和高精度数显压力表值到达试验方案的目标值后，关闭针型高压阀门高压和水压加压泵的高压球阀。
18、步骤9，根据试验方案，在岩石力学试验系统软件中设置轴向加载参数，然后打开岩石力学试验系统，应变采集系统和声发射采集系统的采集模块，开始试验。
19、步骤10，岩石力学试验系统垂直液压缸的压头持续向压柱施加轴向荷载(位移)，应变采集系统和声发射采集系统实时记录采集信号，直至岩石样品破坏为止，关闭岩石力学试验系统和所有的采集模块，保存试验数据。
20、步骤11，打开针型高压阀门和水压加压泵的高压球阀，对水围压室进行卸压，待水压力表和高精度数显压力表降至为零后，打开排气孔将水环境排入水箱内部。然后拆分快速接头，将试验系统从岩石力学试验系统的加载平台上撤离，打开顶盖拆除位移计，取出破坏后的岩石样品，清理设备，结束实验。
21、进一步的，所述的模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统，其特征在于，所述的水压加压泵施加的水环境可以依据工程水质配置成酸性，碱性以及含微生物水溶液环境，并且水环境可以通过加压的方式快速渗入岩石孔隙内部。
22、有益效果：
23、本发明所述的模拟水环境作用下岩石三轴强度及蠕变特性的试验系统和方法具有以下
24、有益效果：
25、1本发明施加的水环境，可以模拟地表以上为低水压到深部岩层高水压的应力状态，水环境代替了传统三轴试验中围压所需的液压油，避免了围压和岩石隔离问题，实现了水岩的真实耦合过程，满足了围压，渗透压以孔隙水压力的共同作用。
26、2.本发明可以实现多种复杂有压和无压环境耦合下的岩石的单轴和三轴短、长期力学试验，试验操作简单，水环境持续且稳定，成果可靠，成本低。
27、3.本发明可以根据工程水状态，模拟水环境在加压和卸压动态变化过程中岩石的力学性能测试试验，并可以长期监测岩石的变形和破裂信号特征。
28、4.本发明实时的将水环境直接施加到岩石表面，因此可以实现复杂水环境下岩石从干燥到饱和状态下，在长期应力腐蚀作用下岩石的力学性能测试。
29、5.本发明施加的水环境可以采用多种酸碱溶液以及微生物配制而成，施加方式简单，快速有效，可以更好的模拟真实的地表水和深部地下水的水质变化特征。