CN107576562A - 一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法 - Google Patents
一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法，其特征在于，包括真三轴双腔压力室(1)、轴向加载系统(2)、围压/反压加载系统(3)、温度控制系统(4)、渗透控制系统(5)、气体加载系统(6)、弯曲元试验系统(7)和计算机(8)，可通过对应力场和渗流场控制，模拟研究岩土体中渗流的各向异性；在温度场、渗流场和应力场作用下，模拟环境因素对冻结核或者冻土试样的影响；在温度场和应力场作用下，研究非饱和冻土的物理力学性能；多场耦合条件下，模拟天然水合物的生成和分解研究沉积物的物理和地球性能变化，以及沉积物中水合物气体和地下水间的相互驱替作用；模拟研究多场耦合条件下非饱和土的物理力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法，尤其涉及一种多场耦合作用下进行复杂工况室内试验研究的测试方法，为工程实际应用和理论研究提供理论基础和试验依据。
背景技术
目前，在岩土体材料的多场耦合试验研究中，多存在以下弊端：
一、试验系统多采用常规三轴仪作为依托设备，对试样进行应力控制和应变控制，但是在试验过程中常规三轴仪所提供的水平加载为等应力加载，即中主应力σ2等于小主应力σ3，而不能对复杂工况情况进行模拟，限制了试验中应力状态的加载控制；
二、由于土体结构的各向异性，土体在受力变形过程中各向的物理性能指标各不相同，特别是土体的各向渗透特性，通常在室内渗流场试验中，现有试验设备多为在竖直方向进行渗透压力和渗透流量的单一方向渗透加载控制，基于此，渗透性能的各向差异性测试则主要是通过对制作得到的垂直试样和水平试样进行渗透加载而得以区分，由此得到的竖向渗透系数和水平向渗透系数往往由于偏离工程实际和忽略多向渗透的相互作用，而降低了试验结果的精确性和合理性；
三、在室内试验的温度场控制中，现有试验设备多采用电阻丝或者循环水浴系统进行温度控制，并利用保温材料对设备和外界环境进行隔热保温处理，由于电阻丝等加热设备的控制精度问题和保温材料自身的局限性，往往会表现出试验温度控制精度低和试验环境呈现温度梯度现象，影响试验温度场控制的准确性和有效性；
四、在新能源的开发与应用研究中，由于新能源的储存方式和开发需要，需对新能源储存介质——岩土体材料进行一系列的试验研究，但是由于新能源的化学性、与岩土体介质和地下水间的多相流作用及其特殊的储存方式等特点，而在现有室内试验设备中很难找到一种能够满足含有新能源的岩土介质的测试系统。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提出一种多场耦合真三轴测试系统，实现在温度场、化学场、渗流场和应力场等多场条件下岩土材料复杂工况的真三轴试验测试，并提出利用本发明进行相关试验的试验测试方法。
本发明的主要目的是实现以下试验方法，为工程实际建设和理论研究提供有力的理论基础和试验依据：
A、应力场和渗流场耦合作用下，模拟研究水、气体和化学溶液等流体介质在岩土体中渗流的各向异性；
结合工程实际工况，对岩土试样施加三维应力状态，考虑岩土体的水平向渗透和竖向渗透的差异性，对岩土体进行水平向渗透、竖向渗透单一试验研究和多向试验研究，探索试验条件下岩土材料的强度、渗透性等物理力学性能变化，典型工程为：高心墙土石坝、河堤、地下新能源储存库和垃圾填埋场等。
B、温度场、渗流场和应力场共同作用下，模拟研究冻结核/冻土在工程应用中受到外界环境因素的影响；
在恒定温度条件下，通过对试样局部区域进行快速冻结，形成带有冻结核的复合岩土试样，对复合岩土试样进行多向渗流加载和多向应力加载，改变试样环境温度，研究复合岩土试样的渗透特性和抗剪特性等物理力学性能变化，典型工程：路基冻结核填料、冻土层作为隔水心墙的坝体工程、冻土作为天然水合物的冷藏仓库等；
C、应力场作用下，通过对试样吸力进行控制模拟研究水-热-力耦合下非饱和正冻土的物理力学性质的变化；
在多向应力场作用下，改变温度场使吸力控制下的非饱和土试样产生冻结过程形成非饱和正冻土试样，考虑地下水渗流场、温度场和应力场耦合作用，通过传感器、弯曲元等辅助测量配置，研究非饱和正冻土的物理力学性能，典型工程：多年冻土/季节性冻土地区的基础设施工程；
D、多场耦合条件下，模拟研究天然水合物在生成和分解过程中沉积物的物理性质、地球物理性质和地球化学性质的变化；
本发明对天然水合物沉积物进行多向应力加载和竖向渗流加载控制，利用高进气值陶土板的透水不透气特性，在保证水等液体介质正常流通的状态下对天然水合物气体进行密封控制，并通过系统中循环液体和冻结管对温度进行恒温、升温和降温控制模拟研究天然水合物沉积物中水合物稳定、分解和合成过程，配合使用污染物隔离装置和弯曲元等试验设备，研究在天然水合物稳定、分解和合成过程中沉积物的物理性质、地球物理性质和地球化学性质变化，典型工程：天然气水合物开发和应用；
E、多向应力条件下，模拟研究天然水合物沉积物中水合物气体和地下水间的相互驱替作用；
本发明提供相应的试验系统和试验方法，多向应力条件下，进行天然水合物沉积物中水合物气体和地下水间的相互驱替试验模拟，研究多相流作用下沉积物的强度和流变性能变化，典型工程：天然气水合物开采和储存。
F、多场耦合条件下，模拟研究非饱和土的物理力学性能。
为实现上述目的，本发明采用如下结构设计：
所述的多场耦合真三轴测试系统由真三轴双腔压力室、轴向加载系统、围压/反压加载系统、温度控制系统、渗透控制系统、气体加载系统、弯曲元试验系统和计算机组成；
所述的真三轴双腔压力室为本发明的重要组成部分，结合轴向加载系统采用复合结构形式对试样进行三维应力加载，即大主应力和中主应力分别采用水平向刚性加载板和竖向刚性加载板进行刚性加载，小主应力采用围压腔一进行液压柔性加载。真三轴双腔压力室安装于压力室底座上，由压力室外腔壁和压力室内腔壁组成，两者间密闭空间组成真空保温腔，压力室内腔壁与压力室内腔门密封形成围压腔一，并在其上设置沿小主应力方向的循环水通道，压力室内腔门设置为双层结构，其内部腔体为围压腔二；
所述的轴向加载系统包括加载系统、加载缸、加载活塞、加载杆、水下荷重传感器和滑块组成。加载系统通过管线与加载缸相连接，加载活塞、加载杆、水下荷重传感器和滑块依次固定连接，利用加载系统对加载缸施加液体压力，通过液体压力依次推动加载活塞和加载杆分别对水平向刚性加载板和竖向刚性加载板施加水平向偏压力和竖向偏压力，滑块与水平向刚性加载板、竖向刚性加载板间分别采用滑动设计，而水平向刚性加载板和竖向刚性加载板间采用错动设计；
所述的围压/反压加载系统主要包括围压/体积控制器和反压/体积控制器，围压/体积控制器和体变仪依次通过管线①与围压腔一相连通，围压/体积控制器通过管线②与围压腔二相连通，反压/体积控制器与乳胶膜上的排水孔相连通；
所述的温度控制系统由恒温控制装置、保温装置和冷凝装置组成，位于压力室内腔壁内部的循环水通道与恒温水浴箱相连通，作为试验用温度控制装置，真空泵通过管线与真空保温腔相连通，作为试验用保温装置，冻结管固定于竖向刚性加载板的加载面上，并通过管线与冷凝控制器相连通，作为试验中的冷凝控制装置；
所述的渗透控制系统包括水平向渗透控制系统和竖向渗透控制系统，水平向渗透控制系统通过水平向渗透控制器(上水头)、污染物隔离装置、流量测量装置和水平向渗透控制器(下水头)与试样左右两侧的水平向刚性加载板依次连接，竖向渗透控制系统通过竖向渗透控制器(上水头)、污染物隔离装置、流量测量装置和竖向渗透控制器(下水头)与试样上下两侧的竖向刚性加载板依次连接；
所述的气体加载系统主要包括孔隙水加压装置和气体施加装置，所述的竖向刚性加载板的加载面上通过胶粘固定多个高进气值陶土板，高进气值陶土板下方孔隙水加压通道两端分别与污染物隔离装置、孔隙水压力控制器和扩散气泡冲刷装置相连通，作为孔隙水加压装置；所述的气体施加装置包括气瓶、气动增压泵、储能器和气体分离及流量测量装置。
所述的弯曲元试验系统中弯曲元分别固定于竖向刚性加载板的加载面上，并通过数据线分别与波形发射装置和波形接收装置相连接。
以上所述的各装置与计算机间通过USB接口进行串联连接，通过计算机软件进行试验设备和试验过程的控制和采集。
其中，压力室内腔侧壁采用不锈钢材料进行制作，压力室内腔门选用有机玻璃材料，便于对试验过程中试样的变形情况进行观察。
通过以上结构设计，本发明测试系统的控制方式及工作原理为：
应力加载控制：加载系统对加压缸施加油压，依次推动加载活塞、加载杆进行运动，进而通过水平向刚性加载板和竖向刚性加载板对试样施加偏压力，同时水下荷重传感器测量试样各个侧面上的荷重值，得到试样的真实压力值并将测量得到的压力值反馈给计算机软件，通过与压力目标值σt进行对比，计算机将控制加载系统进行微调，并稳定于压力目标值，实现真三轴试验系统的应力加载控制；
渗透加载控制：本发明试验系统包括水平向渗透系统和竖向渗透系统，两者通过渗透压力控制装置分别在水平方向和竖直方向对岩土体试样实现恒压力渗透控制和恒流量渗透控制，并采用污染物隔离装置和流量测量装置分别对流体介质进行储存和流量监控，实现真正意义上的水平向渗透试验研究和多向渗透试验研究；
非饱和试验控制：本发明利用轴平移技术，采用气体加载系统中的孔隙水加压装置和气体施加装置分别对试样的孔隙水压力和孔隙气压力进行试验控制，在非饱和试验的渗透加载中，与竖向刚性加载板相连通的孔隙水加压装置作为试验控制中的渗透压力加载装置，实现非饱和岩土材料的渗透试验控制；
温度加载控制：本发明利用循环流体加热和真空保温相结合的方式，确保试验温度控制的准确性和精确度，即打开阀门v1、关闭阀门v2，采用真空泵对真空保温腔进行抽真空，防止外界环境温度和试验温度进行热交换，后进行试验温度控制，启动恒温水浴箱，向循环水通道内通入目标温度的循环液体，并保持试验环境温度的恒定，其中，通过温度传感器对试样中温度场变化进行测量，并利用冻结管作为试验用快速冷凝装置，对试验中的快速降温/冻结过程进行控制；
试样冻结控制：利用埋设于试样内部的冻结管，对其温度和位置进行调整，达到对试样冻结范围和冻结程度的控制；
天然水合物试验控制：利用高进气值陶土板透水不透气的特性，在保证水等液体介质正常流通的状态下对天然水合物气体进行密封控制，确保渗透试验过程中天然水合物沉积物中水合物气体含量和性质的稳定。
本发明所述的真三轴测试系统的试验方法主要包括以下试验步骤：制备试样、安装试样、试验前准备、试样饱和、温度控制、试样固结、应力加载控制、气体加载控制、渗透加载、剪切波试验控制、试验数据采集和处理等。
与现有技术对比，本发明具有以下优点和积极效益：
1、改进了真三轴测试系统的渗透控制测量系统，提出了一种多向应力加载和多向渗流加载相互作用的真三轴测试系统，并提出了相应的试验研究方法，提高了土体室内试验的准确度，实现了室内试验和实际工程的对接；
2、在渗透试验中，本发明采用污染物隔离装置作为渗透流体的存储空间，一定程度上降低了真三轴试验设备对渗透流体的苛刻要求、以及渗透流体对真三轴试验设备材料的严格要求，大大降低了真三轴试验成本，扩展了真三轴试验设备的应用范围；
3、考虑高进气值陶土板透水不透气的特点，将其引用于天然水合物试验研究中，在保证水等液体介质正常流通的状态下对天然水合物气体进行密封控制，有效地保证了沉积物试样中天然水合物生成和分解过程中水合物气体成分含量的稳定，提高了试验测试的准确度；
4、本发明将压力室设计为双腔的结构形式，压力室内腔壁提供循环液体通道进行试验环境温度控制，压力室外腔作为真空保温腔确保试验环境温度的恒定，设计结构简单合理，能够有效地保证试验中的温度控制，降低了试验控制中的不确定性，在一定程度上提高了试验的有效性和准确性；
5、在应力控制的基础上，添加了温度、渗流、化学、吸力和剪切波等性能控制，能够在多场耦合条件下实现真三轴试验测试，提高了真三轴试验设备的利用率；
6、多场耦合条件下，利用轴平移技术，在真三轴设备上实现对非饱和土进行物理力学性质研究。
附图说明
图1是多场耦合真三轴测试系统整体结构示意图；
图2是多场耦合真三轴测试系统侧向剖视图；
图3是多场耦合真三轴测试系统刚性加载结构图；
图4是多场耦合真三轴测试系统的轴向加载板的俯视图。
具体实施方式
实施例一：
本发明由真三轴双腔压力室1、轴向加载系统2、围压/反压加载系统3、温度控制系统4、渗透控制系统5、气体加载系统6、弯曲元试验系统7和计算机8组成；
所述的真三轴双腔压力室1固定于压力室底座11上，通过压力室外腔壁12与压力室底座11进行螺栓固定，压力室内腔壁14通过垫块固定于压力室外腔壁12的底部，两者间形成的密封腔体为真空保温腔43，通过抽真空处理，隔绝外界环境和设备内部的热交换，压力室内腔壁14与压力室内腔门20围成的密封腔体为围压腔一15，在压力室内腔壁14上设置有若干循环水通道44，通过恒温液体循环作用对试验环境进行温度控制，并将压力室内腔门20设置为双层结构，其内部腔体为围压腔二19，内部水平方向和垂直方向分别设置有水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17，与试样00相契合，分别对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17相接触部分采用可滑动的结构形式进行连接，实现刚性加载板和试验变形同步运动；
其中，水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17与滑块25间设计为滑移结构形式，下部的竖向刚性加载板17通过底座18和滑块25固定于压力室内腔侧壁14的底部，保证刚性加载中心与试样中心保持同步移动；
所述的轴向加载系统2中加压缸21通过螺栓连接分别固定于压力室外腔壁12的侧向和顶部，与试样00的几何中心相对应，加载系统20通过管线与加压缸21相连接，加载活塞22位于加压缸21的内部，与加载杆23相固定，加载杆23依次穿过压力室外腔壁12和压力室内腔壁14，与真三轴双腔压力室1内部的水下荷重传感器24相连接，水下荷重传感器24通过滑块25与水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17相接触，对试样00的竖向应力和水平向应力进行测量；
所述的围压/反压加载系统3包括围压/体积控制器31和反压/体积控制器32，围压/体积控制器31和体变仪34依次通过管线①与围压腔一15相连通，围压/体积控制器31通过管线②与围压腔二19相连通，对试样00周围施加柔性压力，通过体变仪34测量试验过程中试样00的体积变化，利用围压/体积控制器31同时对围压腔一15和围压腔二19施加压力，抵消围压作用下压力室内腔门20的变形，避免由此引起的试样体积测量误差，反压/体积控制器32通过管线与乳胶膜13上小主应力加载方向的排水孔33相连接，对试样00内部施加反向压力，并对试样00进行排水控制和测量；
所述的温度控制系统4主要包括温度控制装置、保温装置和冷凝装置，所述的温度控制装置中循环水通道44利用管线与恒温水浴箱41相连接，通过恒温水浴箱41产生的恒温循环液体流流经循环水通道44对试验温度进行控制，所述的冷凝装置中冻结管48固定于上部竖向刚性加载板17的加载面上，通过管线与冷凝控制器42相连接，通过冻结管48对试验中的快速冷凝和降温进行控制；所述的保温装置中真空泵45通过管线分别与真空保温腔43和乳胶膜13上小主应力加载方向的排气孔46相连接，并在管线上设置阀门v1、v2进行操作方向控制，对试验温度进行保温处理，温度传感器47安装于乳胶膜13上小主应力加载方向上；
所述的渗透控制系统5包括水平向渗透系统和竖向渗透系统，所述的水平向渗透系统中水平向渗透控制器(上水头)51、污染物隔离装置53通过管线依次与左侧的水平向刚性加载板16相连通，右侧的水平向刚性加载板16通过管线依次与流量测量装置54、污染物隔离装置53和水平向渗透控制器(下水头)55相连通；所述的竖向渗透系统中，竖向渗透控制器(上水头)52、污染物隔离装置53通过管线依次与下部的竖向刚性加载板17相连通，上部的竖向刚性加载板17通过管线依次与流量测量装置54、污染物隔离装置53和竖向渗透控制器(下水头)56相连通；利用渗透控制器分别对试样00的水平方向和竖直方向进行恒压力和恒流量渗透控制；
所述的气体加载系统6中高进气值陶土板67通过胶粘固定在竖向刚性加载板17的加载面上，高进气值陶土板67下方设置环形孔隙水加压通道68，孔隙水加压通道68两端通过管线分别与扩散气泡冲刷装置62和污染物隔离装置53、孔隙水压力控制器61相连接，通过孔隙水压力控制器61控制高进气值陶土板67一侧的孔隙水压力和非饱和渗透压力，利用扩散气泡冲刷装置62和孔隙水压力控制器61对长期实验中孔隙水加压通道68内部的气泡进行冲刷；所述的气瓶63、气动增压泵64、储能器65和气体分离及流量测量装置66与竖向刚性加载板17通过压力管依次相连通，对试样00施加孔隙气压力，储能器65和气体分离及流量测量装置66间设置可调增压阀v3进行压力控制；
所述的竖向刚性加载板17的加载面中心固定有弯曲元71，弯曲元71通过数据线分别与波形发射装置72和波形接收装置73相连接，实现剪切波的发送和接收。
其中，
加载系统20选用南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-LS系列压力体积控制器，其采用伺服电机控制，最大可控压力为100MPa；
围压/体积控制器31、反压/体积控制器32、水平向渗透控制器51/56、竖向渗透控制器52/55和孔隙水压力控制器61采用南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-PVC系列压力/体积控制器，主要由伺服电机和滚珠丝杆等结构组成，最大加载压力为80Mpa；
体变仪34选用南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-VLC系列体变仪，测量试验过程中试样的体积变化；
污染物隔离装置53选用南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-PIA系列化学溶液隔离装置，通过将化学流体密封在化学溶液隔离装置和设备管线之间，可避免化学溶液对试验控制设备的腐蚀影响；
扩散气泡冲刷装置62选用南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-DAF-1F型扩散气泡冲刷装置，可通过对高进气值陶土板下方空腔进行冲刷，自动修正试样排水量和体积变化。
实施例二：
本发明所述的真三轴测试系统可进行以下试验研究：
A、应力场和渗流场作用下，模拟研究流体介质在岩土体中渗流的各向异性，包括以下试验步骤：
1)制备试样
根据相关规范制备符合试验要求的方形试样00，制备完成后采用抽真空饱和对试样00进行饱和处理；
2)安装试样
在饱和后的试样00表面包裹一层特殊结构形式的乳胶膜13，调整各部件间的位置，将包裹有乳胶膜13的试样00安装于水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17之间，并确保水下荷重传感器24测量得到的压力值足够小，完成设备的密封与管线的连接；
3)试验前准备
为保证试验过程中所施加的流体介质的纯净程度，试验前，关闭阀门v1、打开阀门v2，利用真空泵45抽除试验装置管线内部的空气；
根据试验要求，配置渗透加载试验用流体介质(气体/水/化学溶液等)，并将流体介质储存于污染物隔离装置53中；
4)试样饱和
根据试验方案要求，施加围压和反压(压力差为20-30kPa)，进行反压饱和，使试样充分达到饱和状态；
5)试样固结
根据试验要求，对试样00施加围压进行同向固结，固结过程中，通过反压/体积控制器进行排水条件控制和排水量测量；
6)应力加载
根据试验要求，对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值；
7)渗透加载
根据试验要求，在多向应力状态下，对试样00施加单一向或者多向流体介质渗透控制，模拟研究多向应力加载和多向渗透加载作用下岩土体的各向异向特性；
8)试验数据采集和处理
试验过程中，计算机8软件将自动对试验中相关数据进行采集和初步处理。
B、温度场、渗流场和应力场作用下，模拟研究冻结核/冻土外界环境因素的影响，包括以下试验步骤：
1)制备试样
根据相关专利制备符合试验要求的一定含水率条件的方形试样(00)；
2)安装试样
在饱和后的试样00表面包裹一层特殊结构形式的乳胶膜13，调整各部件间的位置，将包裹有乳胶膜13的试样00安装于水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17之间，保证水下荷重传感器24测量得到的压力值足够小，并完成试验系统的密封与管线的连接；
3)试验前准备
为保证试验过程中所施加的流体介质的纯净程度，试验前，关闭阀门v1、打开阀门v2，利用真空泵45抽除试验装置管线内部的空气；
根据试验要求，配置渗透加载试验用流体介质(气体/水/化学溶液等)，并将流体介质储存在污染物隔离装置53中；
4)试验环境温度控制
根据试验方案要求，启动温度控制系统4利用恒温控制装置和保温装置对试验环境温度进行控制，并调节温度达到目标环境温度值；
5)试样固结
根据试验要求，对试样00施加围压进行同向固结，固结过程中，通过反压/体积控制器进行排水条件控制和排水量测量；
6)生成冻结核试样
在恒定试验温度条件下，利用冻结管48进行冻结范围可控操作，形成带有冻结核的试样；
7)应力加载
根据试验要求，对带有冻结核的试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值；
8)渗透加载
根据试验要求，在多向应力状态下，对试样00施加单一向或者多向渗透控制，进行实际工况模拟；
9)温度加载
根据试验要求，升高/降低循环液体的温度，来改变试验环境温度；
10)试验数据采集和处理
试验过程中，计算机8软件将自动对试验中相关数据进行采集和初步处理。
C、在应力场作用下，通过对吸力进行控制模拟研究水-热-力耦合下非饱和正冻土的物理力学性质的变化，包括以下试验步骤；
1)制备试样
根据相关专利制备符合试验要求的一定含水率条件的方形试样00；
2)安装试样
在饱和后的试样00表面包裹一层特殊结构形式的乳胶膜13，调整各部件间的位置，将包裹有乳胶膜13的试样00安装于水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17之间，保证水下荷重传感器24测量得到的压力值足够小，并完成试验系统的密封与管线的连接；
3)试样固结
根据试验要求，对试样00分别施加围压(采用一定浓度的盐水或者酒精进行加压)、孔隙水压力(采用含有一定Na+、K+和Cl-等离子成分的水溶液)和孔隙气压力进行同向固结；
4)温度控制
在孔隙气压力作用下，启动温度控制系统4利用恒温控制装置和保温装置以一定加载速度控制试验温度变化，使试样00发生冻结形成非饱和正冻土试样00；
5)应力加载
在温度加载过程中，根据试验要求，对带有非饱和正冻土试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值，分析实际应力状态下试样水、热耦合运移规律和水-热-力耦合下非饱和正冻土的物理力学性质的变化；
6)试验数据采集和处理
试验过程中，计算机8软件将自动对试验中相关数据进行采集和初步处理。
D、多场耦合条件下，模拟研究在天然水合物生成和分解过程中沉积物的物理性质、地球物理性质和地球化学性质的变化，包括以下试验步骤：
1)制备试样
根据相关规范要求制备符合试验要求的含有天然水合物的方形试样00；
2)安装试样
在饱和后的试样00表面包裹一层特殊结构形式的乳胶膜13，调整各部件间的位置，将包裹有乳胶膜13的试样00安装于水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17之间，保证水下荷重传感器24测量得到的压力值足够小，并完成试验系统的密封与管线的连接；
3)试验前准备
为保证试验过程中所施加的流体介质的纯净程度，试验前，关闭阀门v1、打开阀门v2，利用真空泵45抽除试验装置管线内部的空气；
根据试验要求，将渗透用水溶液储存在污染物隔离装置53中；
4)温度场控制
根据试验方案要求，启动启动温度控制系统4利用恒温控制装置和保温装置，并调节试验用温度达到目标温度值；
5)试样固结
根据试验要求，对试样00施加围压进行同向固结，固结过程中，通过反压/体积控制器进行排水条件控制和排水量测量；
6)应力加载
根据试验要求，对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值，模拟研究天然水合物沉积物的流变特性；
7)渗透加载
根据试验要求，在多向应力状态下，对试样00进行竖向渗透控制，模拟地下水在天然水合物沉积物的渗透特性；
8)剪切波加载
根据试验要求，在应力场和渗透场耦合作用下，利用弯曲元71对试样00进行剪切波的发射和接收，模拟天然水合物沉积物的地球物理特性；
9)温度加载
根据试验要求，通过恒温水浴箱41调节循环液体的温度，进行温度升高控制，天然水合物将发生分解，由于高进气值陶土板67的作用，产生的水合物气体将密封在试样00的内部；
10)应力加载
此时，对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值，模拟研究天然水合物分解过程中沉积物的流变特性；
11)渗透加载
此时，在多向应力状态下，对试样00进行竖向渗透控制，模拟在天然水合物分解过程中沉积物的渗透特性；
12)剪切波加载
在应力场和渗透场耦合作用下，利用弯曲元71对试样00进行剪切波的发射和接收，模拟在天然水合物分解过程中沉积物的地球物理特性；
13)温度加载
根据试验要求，通过冷凝控制器42调节冻结管48内的温度，进行试样冻结控制，试样内部将发生水合物的生成；
14)应力加载
此时，对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值，模拟研究天然水合物生成过程中沉积物的流变特性；
15)渗透加载
在多向应力状态下，对试样00进行竖向渗透控制，模拟在天然水合物生成过程中沉积物的渗透特性；
12)剪切波加载
在应力场和渗透场耦合作用下，利用弯曲元71对试样00进行剪切波的发射和接收，模拟在天然水合物合成过程中沉积物的地球物理特性；
17)试验数据采集和处理
试验过程中，计算机8软件将自动对试验中相关数据进行采集和初步处理，对比分析天然水合物不同状态下的物理性质、地球物理性质和地球化学性质。
E、多向应力条件下，模拟研究沉积物中水合物气体和地下水间的相互驱替作用，包括以下试验步骤：
1)制备试样
根据相关规范要求制备符合试验要求的方形试样00，制备完成后采用抽真空饱和对试样00进行饱和处理；
2)安装试样
在饱和后的试样(00)表面包裹一层特殊结构形式的乳胶膜13，调整各部件间的位置，将包裹有乳胶膜13的试样00安装于水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17之间，保证水下荷重传感器24测量得到的压力值足够小，并完成试验系统的密封与管线的连接；
3)试验前准备
为保证试验过程中所施加的流体介质的纯净程度，试验前，关闭阀门v1、打开阀门v2，利用真空泵45抽除试验装置管线内部的空气；
4)试样固结
根据试验要求，对试样00施加围压进行同向固结，固结过程中，通过反压/体积控制器进行排水条件控制和排水量测量；
5)应力加载
根据试验要求，对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值；
6)气-水驱替控制
通过孔隙水压力体积控制器61对高进气值陶土板下方孔隙水加压通道68施加孔隙水压力，并调节气动增压泵64和可调增压阀v3对试样00内部施加孔隙气压力，其中，孔隙气体采用气瓶66中提供的水合物气体成分，在试验控制中保持孔隙气压力大于孔隙水压力，进行气-水驱替试验研究，直至稳定停止加载；
7)试验数据采集和处理
试验过程中，计算机8软件将自动对试验中相关数据进行采集和初步处理。
F、多场耦合条件下，模拟研究非饱和土的物理力学性能。
1)制备试样
根据相关规范制备符合试验要求的方形试样00，制备完成后采用抽真空饱和对试样00进行饱和处理；
2)安装试样
在饱和后的试样00表面包裹一层特殊结构形式的乳胶膜13，调整各部件间的位置，将包裹有乳胶膜13的试样00安装于水平向刚性加载板16和竖向刚性加载板17之间，并确保水下荷重传感器24测量得到的压力值足够小，完成设备的密封与管线的连接；
3)温度控制
根据试验方案要求，启动启动温度控制系统4利用恒温控制装置和保温装置，并调节试验用温度达到目标温度值；
4)试样固结
根据试验要求，对试样00分别施加围压、孔隙水压力和孔隙气压力进行同向固结；
5)应力加载
根据试验要求，对试样00施加水平向偏应力和竖向偏应力，并稳定于目标应力值；
6)渗透加载
根据试验要求，通过孔隙水压力控制器61对试样00施加孔隙水压力，保持上部的高进气值陶土板67一侧的孔隙水压力小于下部的高进气值陶土板67一侧的孔隙水压力
7)剪切波加载
在应力场和渗透场耦合作用下，利用弯曲元71对试样00进行剪切波的发射和接收，对非饱和土试样进行小变形研究；
8)试验数据采集和处理
试验过程中，计算机8软件将自动对试验中相关数据进行采集和初步处理。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种多场耦合真三轴测试系统，其特征在于：
真三轴双腔压力室(1)固定于压力室底座(11)上，通过压力室外腔壁(12)与压力室底座(11)进行螺栓固定，压力室内腔壁(14)通过垫块固定于压力室外腔壁(12)的底部，压力室外腔壁(12)和压力室内腔壁(14)间的密封腔体为真空保温腔(43)，压力室内腔壁(14)与压力室内腔门(20)间形成的密封腔体为围压腔一(15)，压力室内腔壁(14)上设置有若干循环水通道(44)，压力室内腔门(20)设置为双层结构，其内部腔体为围压腔二(19)，在水平方向和垂直方向围压腔一(15)内部分别设置有水平向刚性加载板(16)和竖向刚性加载板(17)，与试样(00)相契合，水平向刚性加载板(16)和竖向刚性加载板(17)采用可滑动的结构形式进行连接；其中，水平向刚性加载板(16)和竖向刚性加载板(17)与滑块(25)间设计为滑移结构形式，下部的竖向刚性加载板(17)通过底座(18)和滑块(25)固定于压力室内腔壁(14)的底部；加压缸(21)通过螺栓连接分别固定于压力室外腔壁(12)的侧向和顶部，与试样(00)的几何中心相对应，加载系统(20)通过管线与加压缸(21)相连接，加载活塞(22)位于加压缸(21)的内部，与加载杆(23)相固定，加载杆(23)依次穿过压力室外腔壁(12)和压力室内腔壁(14)，与真三轴双腔压力室(1)内部的水下荷重传感器(24)相连接，水下荷重传感器(24)通过滑块(25)与水平向刚性加载板(16)和竖向刚性加载板(17)相接触；围压/体积控制器(31)和体变仪(34)依次通过管线①与围压腔一(15)相连通，围压/体积控制器(31)通过管线②与围压腔二(19)相连通，反压/体积控制器(32)通过管线与乳胶膜(13)上小主应力加载方向上的排水孔(33)相连接；所述的循环水通道(44)通过管线与恒温水浴箱(41)相连接，真空泵(45)通过管线分别与真空保温腔(43)和乳胶膜(13)上小主应力加载方向的排气孔(46)相连接，并在管线上设置阀门v1、v2进行操作方向控制，冻结管(48)固定于试样(00)上部的竖向刚性加载板(17)加载面上，通过管线与冷凝控制器(42)相连接，温度传感器(47)安装于乳胶膜(13)上小主应力加载方向上；水平向渗透控制器(上水头)(51)、污染物隔离装置(53)通过管线依次与左侧的水平向刚性加载板(16)相连通，右侧的水平向刚性加载板(16)通过管线依次与流量测量装置(54)、污染物隔离装置(53)和水平向渗透控制器(下水头)(55)相连通；竖向渗透控制器(上水头)(52)、污染物隔离装置(53)通过管线依次与下部的竖向刚性加载板(17)相连通，上部的竖向刚性加载板(17)通过管线依次与流量测量装置(54)、污染物隔离装置(53)和竖向渗透控制器(下水头)(56)相连通；所述的竖向刚性加载板(17)的加载面上胶粘若干块高进气值陶土板(67)，高进气值陶土板(67)下方设置环形孔隙水加压通道(68)，孔隙水加压通道(68)两端通过管线分别与扩散气泡冲刷装置(62)和污染物隔离装置(53)、孔隙水压力控制器(61)相连接；气瓶(63)、气动增压泵(64)、储能器(65)和气体分离及流量测量装置(66)与竖向刚性加载板(17)通过压力管依次相连通，对试样(00)施加孔隙气压力，储能器(65)和气体分离及流量测量装置(66)间设置可调增压阀v3进行压力控制；所述的竖向刚性加载板(17)的加载面中心固定有弯曲元(71)，弯曲元(71)通过数据线分别与波形发射装置(72)和波形接收装置(73)相连接；
以上所述的各装置与计算机(8)间通过USB接口进行串联连接，通过计算机软件进行试验设备和试验过程的控制和采集。
2.基于权力要求1所述的一种多场耦合真三轴测试系统，其特征在于，所述的真三轴压力室采用双腔压力室结构作为温度控制和液压加载的密封结构，真三轴双腔压力室(1)的内腔作为围压腔一(15)，对试样(00)施加小主应力，压力室内腔壁(14)设置多个循环水通道(44)，通过恒温水浴箱(41)对其施加恒温液体进行温度控制，压力室外腔壁(12)和压力室内腔壁(14)围成的腔体作为真空保温腔(43)，通过抽真空对围压腔一(15)内部的试验环境进行保温处理。
3.基于权力要求1所述的一种多场耦合真三轴测试系统，其特征在于，所述的竖向刚性加载板(17)的加载面上安装有多个高进气值陶土板(67)，利用高进气值陶土板(17)透水不透气的特点，在保证水等液体介质正常流通的状态下对天然水合物气体进行密封控制，保证水合物气体含量的稳定，模拟研究天然水合物沉积物在生成和分解过程中沉积物的物理性质和地球性质变化。
4.基于权力要求1所述的一种多场耦合真三轴测试系统，其特征在于，所述的多场耦合真三轴测试系统的试验控制和工作原理为：
①应力加载控制：加载系统(20)对加压缸(21)施加油压，依次推动加载活塞(22)、加载杆(23)进行运动，进而通过水平向刚性加载板(16)和竖向刚性加载板(17)对试样(00)施加偏压力，同时水下荷重传感器(24)测量试样(00)各个侧面上的荷重值，得到试样(00)的真实压力值σm，并将测量得到的压力值σm反馈给计算机软件，通过与压力目标值σt进行对比，计算机将控制加载系统进行微调，并稳定于压力目标值，实现真三轴试验系统的应力加载控制；
②渗透加载控制：本发明试验系统包括水平向渗透系统和竖向渗透系统，两者通过渗透压力控制装置分别在水平方向和竖直方向对岩土体试样实现恒压力渗透控制和恒流量渗透控制，并采用污染物隔离装置(53)和流量测量装置(54)分别对流体介质进行储存和流量监控，实现真正意义上的水平向渗透试验研究和多向渗透试验研究；
③非饱和试验控制：本发明利用轴平移技术，采用气体加载系统(6)中的孔隙水加压装置和气体施加装置分别对试样(00)的孔隙水压力和孔隙气压力进行试验控制，在非饱和试验的渗透加载中，与竖向刚性加载板(17)相连通的孔隙水加压装置作为试验控制中的渗透压力加载装置，实现非饱和岩土材料的渗透试验控制；
④温度加载控制：本发明利用循环流体加热和真空保温相结合的方式，确保试验温度控制的准确性和精确度，即打开阀门v1、关闭阀门v2，采用真空泵(45)对真空保温腔(43)进行抽真空，防止外界环境温度和试验温度进行热交换，后进行试验温度控制，启动恒温水浴箱(41)，向循环水通道(44)内通入目标温度的循环液体，并保持试验环境温度的恒定，其中，通过温度传感器(47)对试样中温度场变化进行测量，并利用冻结管作为试验用快速冷凝装置，对试验中的快速降温/冻结过程进行控制；
⑤试样冻结控制：利用埋设于试样(00)内部的冻结管(48)，对其温度和位置进行调整，达到对试样(00)冻结范围和冻结程度的控制；
⑥天然水合物试验控制：利用高进气值陶土板(67)透水不透气的特性，在保证水等液体介质正常流通的状态下对天然水合物气体进行密封控制，确保渗透试验过程中天然水合物沉积物中水合物气体含量和性质的稳定。
5.基于权力要求1-4所述一种多场耦合真三轴测试系统的试验方法，其特征在于，采用本发明所述的多场耦合真三轴测试系统进行制备试样、安装试样、试验前准备、试样饱和、温度控制、试样固结、应力加载控制、气体加载控制、渗透加载、剪切波试验控制、试验数据采集和处理等试验步骤，可完成以下试验：
A、应力场和渗流场作用下，模拟研究流体介质在岩土体中渗流的各向异性，分析多向应力加载和多向渗透加载作用下，土体的渗流场和流变场变化；
B、温度场、渗流场和应力场作用下，模拟研究冻结核/冻土受到外界环境因素的影响，分析不同环境条件下冻结核/冻土的物理性质的变化；
C、在应力场作用下，通过对吸力进行控制模拟研究水-热-力耦合下非饱和正冻土的物理力学性质的变化；
D、多场耦合条件下，模拟研究天然水合物在生成和分解过程中沉积物的物理性质、地球物理性质和地球化学性质的变化；
E、多场耦合条件下，模拟研究天然水合物沉积物中水合物气体和地下水间的相互驱替作用；
F、多场耦合条件下，模拟研究非饱和土的物理力学性能。
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