CN104749044B - 温度渗流应力(thm)耦合模拟试验系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土体多场耦合作用下的稳定性研究领域，尤其涉及一种适用于岩土体温度—渗流—应力多物理场耦合模拟试验系统及其使用方法；温度渗流应力（THM）耦合模拟试验系统主要有监控主机、三轴压力试验主机、热泵控制循环系统、GDS压力‑体积控制仪组、数据采集仪组成；通过逐步深化研究力学卸载过程对岩土力学性能和水力特性的影响，以及温度荷载对硐室周围岩土体损伤演化规律、渗透性能和热传导性的影响，揭示应力场和渗流场(HM)、应力场和温度场(TM)、渗流场和温度场(TH)之间的相互作用和相互影响情况。

Description

温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统及其使用方法

技术领域

本发明属于岩土体多场耦合作用下的稳定性研究领域，尤其涉及一种适用于岩土体温度—渗流—应力多物理场耦合模拟试验系统及其使用方法。

背景技术

由于国内并未形成了复杂岩土体多场广义耦合理论和数值分析方法去研究岩土体多场耦合状态下的物理力学特性，以解决工程岩土体稳定性等问题。已进行的研究工作多是集中于岩土体三场耦合数学模型的理论和数值模拟方面，相关试验研究却很少。

本试验系统的研制不仅可为THM三场耦合理论研究和数值模拟提供试验上的支持和指导，也可为地下洞室稳定性分析及地热能的有效利用提供有效的试验手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统及其使用方法，本试验系统以地下洞室周围岩土体为研究对象，通过建立温度—渗流—应力多物理场耦合模拟试验系统，切实模拟地下洞室开挖的工况和岩土体赋存的地质环境。试验步骤切实的反映地下洞室开挖过程、渗流场、和硐室中贮存放射性核废物衰变散热或地热能利用过程产生的循环温度荷载对围岩的影响过程。通过逐步深化研究力学卸载过程对岩土力学性能和水力特性的影响，以及温度荷载对硐室周围岩土体损伤演化规律、渗透性能和热传导性的影响，揭示应力场和渗流场(HM)、应力场和温度场(TM)、渗流场和温度场(TH)之间的相互作用和相互影响情况。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种温度渗流应力耦合模拟试验系统，所述模拟试验系统包括监控主机、三轴压力试验主机、GDS压力—体积控制仪组和热泵控制循环系统；

所述三轴压力试验主机包括铝制中空厚壁圆柱腔体、土工织物和胶套层、岩土体试样、中心油压通道、LVDT竖向位移计；

所述GDS压力—体积控制仪组包括中心油压控制仪、外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪；所述中心油压控制仪用于控制中心油压回路，所述外围油压控制仪用于控制外围油压回路，所述外部水压控制仪用于控制外部水压回路，所述内部水压控制仪用于控制内部水压回路；

所述外围油压回路的两端分别连接铝制中空厚壁圆柱腔体与岩土体试样之间空间的上端和下端，用于对所述岩土体试样施加外部围压；

所述三轴压力试验主机内部有内部排水路径与外部排水路径，是通过所述土工织物和胶套层包裹岩土体试样形成，位于所述土工织物和胶套层上方设有内部水压入口与外部水压入口，底部设有内部水压出口与外部水压出口，所述内部水压回路一端连接内部水压入口，一端连接内部水压出口；所述外部水压回路一端连接外部水压入口，一端连接外部水压出口；通过所述内部水压回路与所述外部水压回路调节所述岩土体试样周围的应力与压强以及用于计算渗透系数；

所述热泵控制循环系统包括控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅲ、控制阀门Ⅳ、油泵、恒温控制仪；

所述中心油压通道环绕在所述土工织物和胶套层周围，所述中心油压通道上端的注油口分别连接所述控制阀门Ⅳ和所述控制阀门Ⅲ一端，所述控制阀门Ⅲ另一端依次连接所述恒温控制仪、所述油泵和所述控制阀门Ⅰ，所述控制阀门Ⅰ分别连接所述所述中心油压通道下端的出油口和中心油压回路一端，所述中心油压回路另一端连接中心油压控制仪后连接到所述控制阀门Ⅳ另一端；

所述中心油压控制仪、外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪分别包括加压装置、螺旋导管、压力控制显示器；

所述LVDT竖向位移计用于测量岩土体试样的竖向变形量；

所述三轴压力试验主机由所述监控主机17控制，通过X-ray扫描技术对所述岩土体试样3进行扫描来观测岩土体试样的损伤；

还包括数据采集仪，用于采集岩土体试样3中的力学参数、水力参数、温度参数。

一种温度渗流应力耦合模拟试验方法，应用于上述的一种温度渗流应力耦合模拟试验系统，包括以下步骤：

1)将岩土体试样放入温度渗流应力耦合模拟试验系统，并恢复其原位应力状态后进行扫描；

2)调节内部水压控制仪，计算初始渗透系数；

3)调节中心油压控制仪，破坏岩土体试样原有的力学平衡，使其产生变形并对其扫描；

4)调节外围油压控制仪与中心油压控制仪，计算渗透系数；

5)对岩土体试样进行施加温度荷载，再次计算渗流系数；

6)对进行加热和制冷处理的岩土体试样进行第三次扫描；

7)根据三次扫描与计算的三次渗透系数分析结果。

优选的，所述步骤1)中恢复岩土体试样原位应力时：

通过外围油压回路、中心油压回路、外部水压回路、内部水压回路将所述岩土体试样的外部围压、内部围压和孔隙水压力逐级加载，恢复到原始应力场和渗流场，使孔隙水压力达到平衡；同时将热泵循环系统中的控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅲ打开，将控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅳ关闭；通过所述中心油压控制仪的加压装置对所述岩土体试样进行加压，中心油压控制仪的压力控制显示器会显示加压的数值，检测所述岩土体试样的内部围压，使其逐渐达到目标压力值；同样，通过所述外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪中的压力控制显示器分别检测所述岩土体试样外部围压、外部水压和内部水压值。

优选的，所述步骤2)中调节内部水压控制仪，将内部水压减少到1000pa。

优选的，所述步骤5)中对岩土体试样进行施加温度荷载时：首先保持岩土体试样3外围硅油温度不变；接着将控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅲ关闭，将控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅳ打开，通过热泵循环控制系统加热/冷却中心孔洞的硅油对所述岩土体试样施加均匀温度荷载；在施加温度载荷过程中，在1个小时内将温度提高到目标温度；通过所述恒温控制仪保持温度不变，直到所述岩土体试样变形量小于每天0.01％，视为稳定；此阶段中，内部围压和外部围压保持恒定。

说明书附图

图1为本发明所涉及的温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统与应用方法的结构示意图；

图2为本发明所涉及的温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统与应用方法的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明涉及一种温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统及其使用方法，如图1所示为该温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统的结构示意图，主要有监控主机17、三轴压力试验主机、热泵控制循环系统1、GDS压力-体积控制仪组(GDS为标准压力/体积控制器)、数据采集仪19组成。

三轴压力试验主机包括铝制中空厚壁圆柱腔体2、土工织物和胶套层4、岩土体试样3、中心油压通道18、LVDT竖向位移计22(LVDT是Linear Variable DifferentialTransformer的缩写，意思为线性可变差动变压器，属于直线位移传感器。)；热泵控制循环系统1包括控制阀门Ⅰ7、控制阀门Ⅱ8、控制阀门Ⅲ20、控制阀门Ⅳ21、油泵6、恒温控制仪5；GDS压力-体积控制仪组包括中心油压控制仪16、外围油压控制仪15、外部水压控制仪14、内部水压控制仪13，各个控制仪分别包括加压装置23、螺旋导管25、压力控制显示器24，中心油压控制仪16控制中心油压回路12，外围油压控制仪15控制外围油压回路11，外部水压控制仪14控制外部水压回路10，内部水压控制仪13控制内部水压回路9。

外围油压回路15的两端分别连接铝制中空厚壁圆柱腔体2与岩土体试样3之间空间的上端和下端，用于对岩土体试样3施加外部围压；

中心油压通道18环绕在土工织物和胶套层4周围，中心油压通道18上端的注油口分别连接控制阀门Ⅳ21和控制阀门Ⅲ20一端，控制阀门Ⅲ20另一端依次连接恒温控制仪5、油泵6和控制阀门Ⅰ7，控制阀门Ⅰ7分别连接中心油压通道18下端的出油口和中心油压回路12一端，中心油压回路12另一端连接中心油压控制仪16后连接到控制阀门Ⅳ21另一端。

对热泵控制循环系统1中三轴压力试验主机内部有内部排水路径与外部排水路径，是通过土工织物和胶套层4包裹岩土体试样3形成，位于土工织物和胶套层4上方设有内部水压入口与外部水压入口，底部设有内部水压出口与外部水压出口，内部水压回路9一端连接内部水压入口，一端连接内部水压出口；外部水压回路10一端连接外部水压入口，一端连接外部水压出口；通过内部水压回路9与外部水压回路10调节岩土体试样3周围的应力与压强以及用于计算渗透系数。

油泵6将硅油注入中心油压通道18中，中心油压通道18环绕在土工织物和胶套层4周围，中心油压通道18注油口位于控制阀门Ⅲ20与控制阀门Ⅳ21之间，将三轴压力试验主机、热泵控制循环系统1连接起来，通过对中心油压通道18注油用于岩土体试样3施加温度载荷，并依靠恒温控制仪5来控制硅油的温度，以保证对岩土体试样3施加既定的温度；施加温度载荷时，需要将控制阀门Ⅰ7、控制阀门Ⅲ20打开，将控制阀门Ⅱ8、控制阀门Ⅳ21关闭。

试验过程中，三轴压力试验主机设备由监控主机17控制，通过X-ray扫描技术对岩土体试样3进行扫描来观测岩土体试样的损伤，数据采集仪19采集岩土体试样3中的力学参数、水力参数、温度参数。监控主机17、数据采集仪19为外置装置。

本发明还涉及一种温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统的使用方法，模拟地下岩土体开挖过程对岩土力学性能和水力特性的影响，以及温度荷载对硐室周围岩土体损伤演化规律、渗透性能和热传导性的影响，系统的具体实施步骤为：

首先将岩土体试样3放入中空厚壁圆柱腔体2中，用土工织物和胶套分层4包裹，形成内部排水路径和外部排水路径两层排水路径。

通过外围油压回路11、中心油压回路12、外部水压回路10、内部水压回路9将岩土体试样3的外围压力、内部压力和孔隙水压力逐级加载，恢复到原始应力场和渗流场，使孔隙水压力达到平衡。这期间应将热泵循环系统中的控制阀门Ⅰ7、控制阀门Ⅲ20打开，将控制阀门Ⅱ8、控制阀门Ⅳ21关闭；同样通过中心油压控制仪16的加压装置23对岩土体试样3进行加压，中心油压控制仪16的压力控制显示器24会显示加压的数值，检测岩土体试样3，使其逐渐达到目标压力值；同样通过外围油压控制仪15、外部水压控制仪14、内部水压控制仪13中的压力控制显示器24分别检测岩土体试样外部围压、外部水压、内部水压值，使其逐步达到目标压力值。

当岩土体试样3恢复到原位应力状态时，用X-ray扫描技术对岩土体试样3进行CT扫描，图像信息作为后续实验观测试样内部变化的参考资料。

当岩土体试样3恢复到原位应力状态时，待内外水压稳定后，通过内部水压控制仪13将内部水压减少1000pa，达到稳定层流状态后，通过数据采集仪19采集试样中的水的流入和流出体积，便可计算出其渗透系数，将该渗透系数作为岩土体渗透变化的初始值，用于后续分析应力场与渗流场、渗流场与温度场之间的影响。

渗透系数的计算公式如下：

式中：K为渗透系数，单位为m/s；Q为单位时间内流体的渗入量渗出量，单位为m³/s；γ_w为流体重度，单位为kN/m³；h为流体渗流距离，单位为m；ΔP为试样内孔与外部之间的压力差，单位为Pa；r_i为试样内径，单位为m；r_e为试样外径，单位为m。

在实验过程中，分别在岩土体试样3加载至原始饱和状态、中心孔洞卸荷阶段、温度荷载加热—冷却循环阶段，当岩土体内部达到稳定层流状态时，测量其径向渗透系数，通过比较所测得岩体渗透系数的来表征岩体水力传导性能的变化情况。

孔隙水压力场计算是假定达西定律同样适用于多孔介质中的层流渗透性测量，则单位时间内经过岩芯试样的流量为：

式中：Q为单位时间内的渗透水量，单位为m³/s；v为渗流速，单位为m/s；K为渗透系数，单位为m/s；r为岩样中心孔半径，单位为m；l为岩样中心孔高度，单位为m；u为孔隙水压力，单位为Pa。

假定试样中渗流状态为长期稳定状态且其最终效果可以忽略，则在试样内部各个点上的渗透量为一常数。

其上述表达式亦可写成如下形式：

式中C为常数。

其方程积分可得式：

通过(4)式可知，常数C由其边界条件，即r＝r_e，u＝u_e确定，可得：

则可得任意截面距试样中心r处的孔隙水压力为：

式中，u为所求截面的孔隙水压力，单位为Pa；u_e为岩样外部孔隙水压力，单位为Pa；u_i为岩样内部孔隙水压力，单位为Pa；r为试样内任意截面距试样中心的半径，单位为m；r_e为试样外半径，单位为m；r_i为试样中心孔洞内半径，单位为m。

依据现场实际情况模拟地下工程开挖，通过中心油压控制仪16中的加压装置23将中间孔洞的内部围压迅速降低，保持外部围压不变。从而得到岩土体试样3在这一方面的应力或应变得到释放，破坏了原有的力学平衡，使得岩土体试样3产生新的变形。

通过X-ray扫描技术进行第二次扫描实验，直观地观测卸荷过程中岩土体试样3内部的变化和中心孔洞变形以及周围裂纹的扩展情况。

当岩土体试样3进入固结状态时，在通过外围油压控制仪15与中心油压控制仪16控制外部围压和内部围压使得外部围压和内部围压在较大水力梯度下达到稳定层流状态后，通过数据采集仪19采集岩土体试样3中的水的流入和流出体积，便可计算出其渗透系数，与渗透系数的初始值进行比较，可以定性描述试样损伤区发生的变化，用于进行应力场与渗流场、应力场与温度场之间的关系分析。

岩土体试样3外围硅油温度保持不变，将控制阀门Ⅰ7、控制阀门Ⅲ20关闭，将控制阀门Ⅱ8、控制阀门Ⅳ21打开，通过热泵循环控制系统加热/冷却中心孔洞的硅油对岩土体试样3施加均匀温度荷载，在施加温度载荷过程中，尽可能在1个小时内将温度提高到目标温度，通过恒温控制仪5保持温度不变，直到岩土体试样3变形量小于每天0.01％视为稳定，此阶段中，内部围压和外部围压保持恒定。

通过温度循环荷载过程中，温度在达到目标温度值后，通过SPIDER数据采集仪19采集岩土体试样3中水流入和流出的体积量，计算岩土试样3的渗透系数，液体体积交换量和渗透系数随时间的变化在一定程度上可以表明岩体中损伤区的发展情况，用于分析渗流场与温度场之间的影响。

最后对进行加热和制冷处理的岩土体试样3通过X-ray扫描技术进行第三次扫描，观测岩土体试样3内部损伤区的扩展范围和裂隙破坏情况，用于观测温度载荷对岩土体试样3内部损伤区的扩展范围和裂隙破坏模式的影响，用于分析应力场与温度场之间相互作用与影响。

温度场计算

假定试样的传导性主要是指其热传导过程，且傅立叶定律同样适用于描述试样中心孔洞周围的温度场，则试样内的热通量与温度梯度成正比，其导热系数可认为是常数。

式中：φ是单位时间通过试样的热量，单位为J/s；q为试样的热通量，单位为w/m²；λ是岩土的导热系数，单位为w/(m·℃)；r为中心孔洞半径,单位为m；l为试样高度,单位为m；T为任意时刻的温度,单位为℃。

假定岩土试样中导热状态为长期稳定状态，则在岩样内部各个点上的热通量为一常数，则上述表达式亦可写成如下形式：

式中T为常数，其方程积分形式如下：

可得式：

常数C由其边界条件，即r＝r_i；T＝T_i确定，可得：

任意截面距试样中心r处温度为：

式中：T为距试样中心r处的温度,单位为℃；T_e为试样外围温度,单位为℃；T_i为试样内部温度,单位为℃；r为试样内任意截面距试样中心的半径,单位为m；r_e为试样外半径,单位为m；r_i为试样中心孔洞内半径,单位为m。

Claims (5)

1.一种温度渗流应力耦合模拟试验系统，其特征在于，所述模拟试验系统包括监控主机、三轴压力试验主机、GDS压力—体积控制仪组和热泵控制循环系统；

所述三轴压力试验主机包括铝制中空厚壁圆柱腔体、土工织物和胶套层、岩土体试样、中心油压通道、LVDT竖向位移计；

所述GDS压力—体积控制仪组包括中心油压控制仪、外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪；所述中心油压控制仪用于控制中心油压回路，所述外围油压控制仪用于控制外围油压回路，所述外部水压控制仪用于控制外部水压回路，所述内部水压控制仪用于控制内部水压回路；

所述外围油压回路的两端分别连接铝制中空厚壁圆柱腔体与岩土体试样之间空间的上端和下端，用于对所述岩土体试样施加外部围压；

所述三轴压力试验主机内部有内部排水路径与外部排水路径，是通过所述土工织物和胶套层包裹岩土体试样形成，位于所述土工织物和胶套层上方设有内部水压入口与外部水压入口，底部设有内部水压出口与外部水压出口，所述内部水压回路一端连接内部水压入口，一端连接内部水压出口；所述外部水压回路一端连接外部水压入口，一端连接外部水压出口；通过所述内部水压回路与所述外部水压回路调节所述岩土体试样周围的应力与压强以及用于计算渗透系数；

所述热泵控制循环系统包括控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅲ、控制阀门Ⅳ、油泵、恒温控制仪；

所述中心油压通道环绕在所述土工织物和胶套层周围，所述中心油压通道上端的注油口分别连接所述控制阀门Ⅳ和所述控制阀门Ⅲ一端，所述控制阀门Ⅲ另一端依次连接所述恒温控制仪、所述油泵和所述控制阀门Ⅰ，所述控制阀门Ⅰ分别连接所述中心油压通道下端的出油口和中心油压回路一端，所述中心油压回路另一端连接中心油压控制仪后连接到所述控制阀门Ⅳ另一端；

所述中心油压控制仪、外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪分别包括加压装置、螺旋导管、压力控制显示器；

所述LVDT竖向位移计用于测量岩土体试样的竖向变形量；

所述三轴压力试验主机由所述监控主机(17)控制，通过X-ray扫描技术对所述岩土体试样(3)进行扫描来观测岩土体试样的损伤；

还包括数据采集仪，用于采集岩土体试样(3)中的力学参数、水力参数、温度参数。

2.一种温度渗流应力耦合模拟试验方法，应用于上述权利要求1所述的一种温度渗流应力耦合模拟试验系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)将岩土体试样放入温度渗流应力耦合模拟试验系统，并恢复其原位应力状态后进行扫描；

2)调节内部水压控制仪，计算初始渗透系数；

3)调节中心油压控制仪，破坏岩土体试样原有的力学平衡，使其产生变形并对其扫描；

4)调节外围油压控制仪与中心油压控制仪，计算渗透系数；

5)对岩土体试样进行施加温度荷载，再次计算渗流系数；

6)对进行加热和制冷处理的岩土体试样进行第三次扫描；

7)根据三次扫描与计算的三次渗透系数分析结果。

3.根据权利要求2所述的温度渗流应力耦合模拟试验方法，其特征在于，所述步骤1)中恢复岩土体试样原位应力时：

通过外围油压回路、中心油压回路、外部水压回路、内部水压回路将所述岩土体试样的外部围压、内部围压和孔隙水压力逐级加载，恢复到原始应力场和渗流场，使孔隙水压力达到平衡；

同时将热泵循环系统中的控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅲ关闭，将控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅳ打开；通过所述中心油压控制仪的加压装置对所述岩土体试样进行加压，中心油压控制仪的压力控制显示器会显示加压的数值，检测所述岩土体试样的内部围压，使其逐渐达到目标压力值；同样，通过所述外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪中的压力控制显示器分别检测所述岩土体试样外部围压、外部水压和内部水压值。

4.根据权利要求2所述的温度渗流应力耦合模拟试验方法，其特征在于：所述步骤2)中调节内部水压控制仪，将内部水压减少到1000pa。

5.根据权利要求2所述的温度渗流应力耦合模拟试验方法，其特征在于，所述步骤5)中对岩土体试样进行施加温度荷载时：

首先保持岩土体试样(3)外围硅油温度不变；

接着将控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅲ打开，将控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅳ关闭，通过热泵循环控制系统加热/冷却中心孔洞的硅油对所述岩土体试样施加均匀温度荷载；

在施加温度载荷过程中，在1个小时内将温度提高到目标温度；

通过所述恒温控制仪保持温度不变，直到所述岩土体试样变形量小于每天0.01％，视为稳定；

此阶段中，内部围压和外部围压保持恒定。