CN108918250B - 围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种围岩(土)共同作用下的真三轴渗流试验装置，所述试验装置包括：机架、承压端头板、伺服温度控制系统、应力变形数据采集处理系统、伺服控制加载系统、伺服液压系统、伺服渗流加载系统和无线声发射数据采集处理系统，试验方法包括：模型制作、待测试件加载前的准备、围岩(土)作用下真三轴渗流试验操作过程、真三轴渗流试验关闭程序，本发明通过在地下结构外侧设置围岩(土)结构，模拟地下结构的真实受力，对六个承压端头板施加不同的应力，并控制不同方向承压渗流水的流量和压力，再通过多个控制系统协同作用，得到地下结构在围岩(土)共同作用下的真实受力数据，能够对地下结构的设计和施工提供科学依据。

Description

围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置和试验方法

技术领域

本发明属于岩体力学与工程技术领域，具体涉及一种围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置和试验方法。

背景技术

我国地下空间开发已进入高速发展阶段，地下结构与围岩或土之间是相互接触共同承受外力作用的，地下结构在围岩或土的作用下，受力状态也更加复杂，尤其是地下结构还要受到承压地下水渗流的影响，因此对地下结构进行科学合理的分析和评估非常重要，进而获得围岩或土作用下地下结构的真实应力状态和强度的变化规律，为地下结构的设计和施工提供科学依据，确保工程的安全和稳定。

然而，现有室内试验研究过程中通常是针对地下结构单方面开展的，并没有考虑与围岩或土共同作用情况下围岩或土对结构的影响。此外，目前进行最多的是单轴试验或常规三轴试验，试验结果并不能真实反应地下结构所处工程环境的真实受力情况，并且地下工程受到承压地下水渗流影响大，不同参数下的地下水流量和压力对地下结构的影响不同。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置和试验方法，以解决目前室内试验在对地下结构进行模拟受力分析时没有考虑围岩或土作用对地下结构的影响，以及未能反映地下结构所受承压地下水渗流影响下的真实受力情况。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，所述试验装置包括：

机架，所述机架包括多个立柱，多个所述立柱形成立体井字形结构，所述机架起支撑和固定作用；

承压端头板，所述承压端头板设置在所述机架内部，所述承压端头板包括左、右、前、后、上、下承压端头板，六个所述承压端头板紧密配合，形成加载仓；在所述加载仓内放置待测试件和围岩或土，所述围岩或土均匀分布在所述待测试件的外侧壁和所述承压端头板之间的空间区域内；所述左、右、前、后、上承压端头板内均设有渗流进水导管，所述下承压端头板内设有出水导管；六个所述承压端头板外侧设有温度室，所述温度室将所述承压端头板包围，即六个所述承压端头板形成的所述加载仓位于所述温度室内，所述温度室内温度可调控，所述温度室固定在所述立柱上；

伺服温度控制系统，所述伺服温度控制系统用于实时控制所述温度室内温度，通过调节所述温度室内温度变化从而达到设计试验条件；

应力变形数据采集处理系统，所述应力变形数据采集处理系统用于对压力和位移数据进行接收和处理；所述应力变形数据采集处理系统与压力传感器和位移传感器相连，所述压力传感器分别分布在所述左、右、前、后、上承压端头板外侧壁上，所述压力传感器用于准确控制相应的施加在承压端头板上的压力；所述位移传感器分布在六个所述承压端头板外侧壁上，用于接收压力引起的位移信号或者控制位移移动的距离；

伺服控制加载系统，所述伺服控制加载系统与所述承压端头板连接，通过所述应力变形数据采集处理系统反馈的数据，根据设定的加载方式对所述承压端头板进行伺服加载；

伺服液压系统，所述伺服液压系统与所述伺服控制加载系统连接，用于为所述试验装置提供动力；

伺服渗流加载系统，所述伺服渗流加载系统通过设定的水流量和压力进行伺服加载，所述渗流进水导管的一端连接伺服渗流加载系统，所述渗流进水导管的另一端出水流入所述加载仓；

无线声发射数据采集处理系统，所述无线声发射数据采集处理系统通过在待测试件壁面上布置无线声发射传感器，用来掌握加载过程中试件声发射各项参数。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述右承压端头板内侧壁面设有第一多点出水孔，所述右承压端头板内还设有第一蓄水盘，所述渗流进水导管埋设在所述右承压端头板内；所述渗流进水导管的一端与所述第一蓄水盘连接，所述渗流进水导管的另一端与所述伺服渗流加载系统连接，渗流水先经过所述第一蓄水盘然后迅速扩展到四周，再流向所述第一多点出水孔；

所述左承压端头板、所述前承压端头板和所述后承压端头板的结构均与所述右承压端头板的结构相同。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，多个所述第一多点出水孔设置在所述左、右、前和后承压端头板的整个内侧壁面上，所述第一蓄水盘的出水表面正对所述第一多点出水孔。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述上承压端头板内侧壁面设有第二多点出水孔，所述上承压端头板内还设有第二蓄水盘，所述渗流进水导管埋设在所述上承压端头板内，所述渗流进水导管的一端与所述第二蓄水盘连接，另一端与所述伺服渗流加载系统连接，渗流水先经过所述第二蓄水盘然后迅速扩展到四周，再流向所述第二多点出水孔。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述第二多点出水孔沿所述上承压端头板的中心线为对称轴均匀分布，并占据所述上承压端头板的内侧壁面30～70％表面积，所述第二蓄水盘的出水表面正对所述第二多点出水孔。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述左、右、前、后、上承压端头板的四周侧壁均套设有防碎渣填堵面罩，防止试件加载破坏后碎渣填塞所述承压端头板上设置的出水孔。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述下承压端头板的内侧壁上设有渗流水收集器，所述渗流水收集器用于收集渗出水并通过出水导管排出。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述围岩(土)外侧设有塑形透水薄板，所述塑形透水薄板用于塑形以及减少端面效益，所述塑形透水薄板将所述围岩或土包围，使其成为一个规整的形状，能够满足放入加载仓内的尺寸及其透水要求。

在如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，优选，所述试验装置还设有密封胶，所述密封胶涂覆在左、右、前、后承压端头板分别与下承压端头板接触处，以及左、右、前和后承压端头端头板相互接触处，用于避免水从相邻两个承压端头板接触缝隙间留出。

一种如上所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

(1)模型制作

采用相似理论浇筑模型地下结构，配置合适的相似材料模拟围岩或土的物理力学性能，用围岩或土将地下结构紧密包裹在中心位置，将声发射无线传感器固定在地下结构上，并在围岩或土外侧用塑形透水薄板将围岩(土)加工制作成规整的形状，能够满足加载仓的尺寸要求；

(2)待测试件加载前的准备

采用密封胶对承压端头板进行密封处理，并将待测试件放入加载仓内，调试各系统是否工作正常，确认无误后方可进入下一步；

(3)围岩或土作用下真三轴渗流试验操作过程

启动伺服液压系统提供动力，再通过伺服控制加载系统进行加载，左、右、前、后、上、下承压端头板施加一定应力后，该应力值范围能够确保待测试件不发生破坏，其中左、右、前、后承压端头板施加的力用于模拟不均匀地应力；达到设定值后，再通过伺服渗流系统控制不同方向承压端头板内的渗流进水导管施加水流量及其相应的水压力，在待测试件周围形成稳定渗流；

启动伺服温度控制系统调控加载仓内温度至试验设计值，该试验温度根据不同试验方案设置范围在0℃～80℃之间，达到设计温度后，保持温度不变，处于恒温状态；

待测试件达到稳定渗流同时处于恒温状态一定时间后，清除无线声发射数据采集处理系统和应力变形数据采集处理系统所采集得到的数据，进行重新计量；

按照预设试验方案，对承压端头板采用一定的施压方式，最终使待测试件破坏，该过程采用应力变形数据采集处理系统、无线声发射数据采集处理系统和伺服渗流加载系统实时记录各阶段应力、位移、声发射参数、渗流量、渗流压力变化情况，以及精密流量计计量渗出水流量；

(4)真三轴渗流试验关闭程序

将各方向渗流降为零，再将各个承压端头板施加的应力降为零，关闭各个系统，将待测试件取出，清理加载仓，整合处理数据，试验结束。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明通过在地下结构外侧设置围岩或土结构，模拟地下结构的真实受力情况，通过对六个承压端头板施加不同的应力，并控制不同方向的承压渗流水的流量和压力，并通过多个控制系统和数据采集处理系统得到对地下结构在围岩或土作用下的真实受力数据值，能够对地下结构的设计和施工提供科学依据，确保施工的安全和稳定。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明具体实施例中的真三轴渗流试验装置结构示意图；

图2为图1中右承压端头板的结构示意图；

图3为图1中下承压端头板的结构示意图；

图4为图1中上承压端头板的结构示意图；

图5为图1中防碎渣填堵面罩的结构示意图；

图6为图1中第一多点出水孔的布置示意图；

图7为图1中第二多点出水孔的布置示意图；

图8为本发明实施例1中的井壁模型试件与围岩或土共同作用试验时的正视图；

图9为本发明实施例1中的井壁模型试件与围岩或土共同作用试验时的俯视图；

图10为本发明实施例1中的棱柱体混凝土试件与围岩或土共同作用试验时的正视图；

图11为本发明实施例1中的棱柱体混凝土试件与围岩或土共同作用试验时的俯视图。

图中：1、应力变形数据采集处理系统；2、伺服控制加载系统；3、伺服液压系统；4、伺服渗流加载系统；5、伺服温度控制系统；6、立柱；7、精密流量计；8、右承压端头板；81、第一蓄水盘；82、渗流进水导管；83、第一多点出水孔；9、左承压端头板；10、下承压端头板；101、多孔积水盘；102、出水导管；11、上承压端头板；111、第二蓄水盘；112、上承压端头板渗流进水导管；113、第二多点出水孔；12、防碎渣填堵面罩；13、液压油泵；14、循环冷却系统；15、压力传感器；16、位移传感器；17、量杯；18、温度室；19、棱柱体混凝土试件；20、围岩或土；21、塑形透水薄板；22、声发射无线传感器；23、井壁模型试件；24、高速摄像仪；25、无线声发射数据采集处理系统；26、后承压端头板；27、前承压端头板；28、密封胶。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图11所示，根据本发明的实施例，提供了围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，本发明中的围岩或土属于本领域技术人员使用的专业技术术语，该围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置包括：

机架，机架包括多个立柱6，立柱6形成立体井字形结构，机架起支撑和固定作用，用于支撑、固定试验装置，试验装置放置在平台上，平台通过打地锚的方式固定，刚度大，平面尺寸为承压端头板的1.25倍，优选的立柱6有12根。

承压端头板，承压端头板设置在机架内部，承压端头板包括左、右、前、后、上、下承压端头板，六个承压端头板紧密配合，形成加载仓，加载仓内用于放置待测试件和围岩或土20，围岩或土20均匀分布在待测试件的外侧壁和承压板之间的空间区域内，左、右、前、后承压端头板内均设有渗流进水导管82，上承压端头板内也设有上承压端头板渗流进水导管112用于向加载仓内提供渗流水，下承压端头板10内设有出水导管102，用于排出围岩或土20渗出水。

六个承压端头板外侧设有温度室18，温度室18将承压端头板包围，温度室18内温度可调控，温度室18固定在立柱6上，并位于井字形空间内部，优选的，温度室18的底部通过卡扣固定在立柱6上。

伺服温度控制系统5，伺服温度控制系统5用于实时控制温度室18内温度，六个承压端头板形成的加载仓位于温度室18内，通过调节温度室18内温度变化从而达到设计试验条件，温度室18内温度控制范围在0～80℃(例如5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、79℃)，用于模拟地热温度不同时的围岩或土20和地下结构共同受力特性。

应力变形数据采集处理系统1，应力变形数据采集处理系统1用于对压力和位移数据进行接收和处理，应力变形数据采集处理系统1与压力传感器15和位移传感器16相连，压力传感器15分别分布在左、右、前、后、上承压端头板外侧壁上，压力传感器15用于准确控制相应的施加在承压端头板上的压力，位移传感器16分布在六个承压端头板外侧壁上，用于接收压力引起的位移信号或者控制位移移动的距离。

伺服控制加载系统2，伺服控制加载系统2与所述承压端头板连接，通过应力变形数据采集处理系统1反馈的数据，根据设定的加载方式对承压端头板进行伺服加载，控制六个承压端头板施加应力。

伺服液压系统3，伺服液压系统3与伺服控制加载系统2连接，用于为试验装置提供动力，伺服液压系统3包括三个不同方向(X、Y、Z方向)的液压油泵13以及控制每个油泵的循环冷却系统14，液压油泵13有五个，分别连接左、右、前、后、上承压端头板，通过计算机控制液压油泵13的实时功率以及循环冷却系统14以确保液压油泵13处于适宜的温度范围内。

伺服渗流加载系统4，伺服渗流加载系统4通过设定的水流量和压力进行伺服加载，渗流进水导管82的一端连接伺服渗流加载系统4，渗流进水导管82的另一端出水流入加载仓。

无线声发射数据采集处理系统25，无线声发射数据采集处理系统25包括声发射无线传感器22、无线控制接收单元和监测终端，声发射无线传感器22设置在待测试件壁面上，研究加载过程中超声波波速和声发射参数变化情况，掌握加载过程中试件声发射各项参数，分析试验对象的损伤演化特征；

声发射无线传感器22由超声探头和自带信号处理单元组成，能够通过无线传输声发射数据，且声发射无线传感器22能够承受一定的应力作用，在相对范围应力作用下仍能正常工作。在本发明的具体实施例中，优选地，右承压端头板8的内侧壁面设有第一多点出水孔83，右承压端头板8内还设有第一蓄水盘81，渗流进水导管82埋设在右承压端头板8内，渗流进水导管82的一端与第一蓄水盘81连接，另一端与伺服渗流加载系统4连接，渗流水先经过第一蓄水盘81然后迅速扩展到四周，再流向第一多点出水孔83，从第一多点出水孔83流入加载仓。

左承压端头板9、前承压端头板27、后承压端头板26的结构均与右承压端头板8相同。

在本发明的具体实施例中，优选地，多个第一多点出水孔83设置在左、右、前和后承压端头板的整个内侧壁面上，第一蓄水盘81的出水表面正对第一多点出水孔83，有利于为整个待测试件长度方向均匀渗水。

在本发明的具体实施例中，优选地，上承压端头板11的内侧壁面设有第二多点出水孔113，上承压端头板11内还设有第二蓄水盘111，渗流进水导管82埋设在上承压端头板11内，渗流进水导管82的一端与第二蓄水盘111连接，另一端与伺服渗流加载系统4连接，渗流水先经过第二蓄水盘111然后迅速扩展到四周，再流向第二多点出水孔113。

在本发明的具体实施例中，优选地，第二多点出水孔113沿上承压端头板11的中心线为对称轴均匀分布，并占据上承压端头板11的内侧壁面30～70％(例如35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、69％)表面积，第二蓄水盘111的出水表面正对第二多点出水孔113，有利于试件宽度方向上均匀渗水，第一多点出水孔83和第二多点出水孔113均与相应的承压板一体成型。

在本发明的具体实施例中，优选地，左、右、前、后、上承压端头板的四周侧壁均套设有防碎渣填堵面罩12，防止试件加载破坏后碎渣填塞承压端头板上设置的出水孔，防碎渣填堵面罩12由高强高韧性薄板组成，板面布满孔径1.5mm的密集孔，套设在承压端头板的侧壁上，方便更换。

在本发明的具体实施例中，优选地，下承压端头板10的内侧壁上设有渗流水收集器，渗流水收集器用于收集渗出水，渗流水收集器为嵌入在下承压端头板10内部的多孔积水盘101，多孔积水盘101在遭到碎渣填堵后方便更换，多孔积水盘101连接出水导管102，通过出水导管102排出围岩或土20渗出水，出水导管102的尾部通过精密流量计7连通到量杯17进行收集。

在本发明的具体实施例中，优选地，围岩或土20外侧设有塑形透水薄板21，塑形透水薄板21用于塑形以及减少端面效益，塑形透水薄板21将围岩或土20包围，使其成为一个规整的形状，能够满足放入加载仓内的尺寸要求，同时塑形透水薄板21具有透水效果，能够满足渗流要求，且耐压、耐高温、刚度大。

在本发明的具体实施例中，优选地，试验装置还设有密封胶28，密封胶28涂覆在左、右、前、后承压端头板分别与下承压端头板10接触处，以及左、右、前和后承压端头端头板相互接触处，用于避免水从两承压端头板接触缝隙间留出，密封胶28为耐挤压耐高温密封胶，在高温和压力下依然保持良好的密封性。

在本发明的具体实施例中，优选地，在进行井壁模型试件23模拟时，下承压端头板10上还设有高速摄像仪24，在井壁模型试件23与围岩或土20共同作用时使用，用于拍摄记录井壁模型试件23加载时内壁变形破坏情况。

为了更清楚的理解本发明实施例提供的真三轴渗流试验装置，本发明的具体实施例还提供一种围岩或土20作用下的真三轴渗流试验方法，包括以下步骤：

(1)模型制作

采用相似理论浇筑模型地下结构，配置合适的相似材料模拟围岩或土20的物理力学性能，用围岩或土20将地下结构紧密包裹在中心位置，将声发射无线传感器22固定在地下结构上，并在围岩或土20外侧用塑形透水薄板21将围岩或土20加工制作成规整的形状，能够满足加载仓的尺寸要求。

(2)待测试件加载前的准备

采用密封胶28对承压端头板进行密封处理，并将待测试件放入加载仓内，调试各系统是否工作正常，确认无误后方可进入下一步。

(3)围岩或土20作用下真三轴渗流试验操作过程

启动伺服液压系统3提供动力，再通过伺服控制加载系统2进行加载，左、右、前、后、上、下承压端头板施加一定应力后，该应力值范围能够确保待测试件不发生破坏，其中左、右、前、后承压端头板施加的力用于模拟不均匀地应力；达到设定值后，再通过伺服渗流加载系统4控制不同方向承压端头板内的渗流进水导管82施加水流量及其相应的水压力，在待测试件周围形成稳定渗流；

启动伺服温度控制系统5调控加载仓内温度至试验设计值，该试验温度根据不同试验方案设置范围在0℃～80℃之间，达到设计温度后，保持温度不变，处于恒温状态；

待测试件达到稳定渗流同时处于恒温状态一定时间后，清零无线声发射数据采集处理系统25和应力变形数据采集处理系统1采集得到的数据，进行重新计量；

按照预设试验方案，对承压端头板采用一定的施压方式，最终使井壁试件破坏，该过程采用应力变形数据采集处理系统1、无线声发射数据采集处理系统25和伺服渗流加载系统4实时记录各阶段应力、位移、声发射参数、渗流量、渗流压力变化情况，以及精密流量计7计量渗出水流量。

(4)真三轴渗流试验关闭程序

将各方向渗流降为零，再将各个承压端头板施加的应力降为零，关闭各个系统，将待测试件取出，清理加载仓，整合处理数据，试验结束。

实施例1

由于煤矿井筒原型十分庞大，仅能采用相似模型理论进行模型试验，且井筒在工作过程中只有环向存在地下水渗流情况，上下端面不存在地下水渗流，故试验过程中伺服渗流加载系统4仅控制左、右、前、后承压端头板的渗流进水导管82水流量及水压力，上承压端头板10渗流控制组件暂不启动。具体步骤如下：

(1)模型制作

采用相似理论浇筑模型井壁以及配制合适的相似材料模拟围岩或土20的物理力学性能，再用围岩或土20将井壁紧密包裹在中心位置，一侧围岩或土20厚度约是井壁壁厚的2倍，并在围岩或土20外侧用塑形透水薄板将其加工制作成形状规整的待测试件，能够满足加载仓尺寸要求。

(2)待测试件加载前的准备

采用耐挤压耐温密封胶28进行密封处理，并将待测试件放入加载仓内，模拟井壁试件放置在上承压端头板11和下承压端头板10之间，在井壁纵向选两个断面，每个断面沿环向均匀布置4个声发射无线传感器22，在下承压端头板10布置2个高速摄像仪24，调试无误后方可进行下一步。

(3)围岩或土20作用下真三轴渗流试验操作过程

启动伺服液压系统3提供动力以及确保液压油缸长期加载过程中能够处于适宜的温度环境下，再通过伺服控制加载系统2进行加载，左、右、前、后、上、下承压端头板10施加一定应力后，该应力值范围能够确保待测试件不发生破坏，其中左、右、前、后承压端头板施加的力用于模拟不均匀地应力，达到设定值后，再通过伺服渗流加载系统4控制左、右、前、后承压端头板26内的渗流进水导管82施加水流量及其相应的水压力，在待测试件周围形成稳定渗流。

启动伺服温度控制系统5调控加载仓内温度至试验设计值，该试验温度根据不同试验方案设置范围在0℃～80℃之间，达到设计温度后，保持温度不变，处于恒温状态。

待测试件达到稳定渗流同时处于恒温状态一定时间后，清零无线声发射数据采集处理系统25和应力变形数据采集处理系统1采集得到的数据，进行重新计量。

按照预设试验方案，保持左、右、前、后承压端头板施加的力不变，采用上承压端头板11持续施压的方式，最终使井壁试件破坏，该过程采用应力变形数据采集处理系统1、无线声发射数据采集处理系统25、伺服渗流加载系统4实时记录各阶段应力、位移、声发射参数、渗流量、渗流压力变化情况，以及精密流量计7计量渗出水流量，渗出水由量杯17收集，集中处理。

(4)真三轴渗流试验关闭程序

将各方向渗流水压降为零，再将左、右、前、后、上、下承压端头板施加的应力降为零，关闭各个系统，将待测试件取出，清理加载仓，整合处理数据，至此试验结束。

实施例2

地下结构通常采用的是混凝土结构，因此采用棱柱体混凝土试件19进行试验，根据情况可进行棱柱体混凝土试件19与围岩或土20侧向渗流力学试验，或棱柱体混凝土试件19与围岩或土20轴向渗流力学试验，以及两者相结合，其中棱柱体混凝土试件19与围岩或土20侧向渗流力学试验方法与上述方案一类似，仅待测试件对象不同。

棱柱体混凝土试件19与围岩或土20轴向渗流力学试验步骤如下：

(1)模型制作

浇筑棱柱体混凝土试件19，再用工程现场围岩或土20，或者围岩或土20采用相似材料替代，以棱柱体混凝土试件19为中心紧密包裹，包裹过程中预先将声发射无线传感器22固定在棱柱体混凝土试件19高度的中心位置，四个侧面布置4个，再用围岩或土20包裹覆盖，其厚度约是棱柱体混凝土试件19厚度的1/3～1/2倍，并在围岩或土20外侧用塑形透水薄板21将其加工制作成形状规整的待测试件，能够满足加载仓尺寸要求。

(2)待测试件加载前的准备

采用耐挤压耐温密封胶28进行密封处理，并将待测试件放入加载仓内，调试各系统是否工作正常，确认无误后方可进入下一步。

(3)围岩或土20作用下真三轴渗流试验操作过程

启动伺服液压系统3提供动力以及确保油缸长期加载过程中能够处于适宜的温度环境下，再通过伺服控制加载系统2进行加载，左、右、前、后、上、下承压端头板施加一定应力后，该应力值范围能够确保待测试件不发生破坏，其中左、右、前、后承压端头板施加的力用于模拟不均匀地应力，达到设定值后，再通过伺服渗流加载系统4控制上承压端头板渗流进水导管112施加水流量及其相应的水压力，使其在待测试件周围形成稳定渗流。

启动伺服温度控制系统5调控加载仓内温度至试验设计值，该试验温度根据不同试验方案设置范围在0℃～80℃之间，达到设计温度后，保持温度不变，使其处于恒温状态。

待测试件达到稳定渗流同时处于恒温状态一定时间后，清零无线声发射数据采集处理系统25和应力变形数据采集处理系统1采集得到的数据，进行重新计量。

按照预设试验方案，保持左、右、前、后承压端头板施加的力不变，采用上部承压端头板持续施压的方式，最终使待测试件破坏，当然左、右、前、后承压端头板也可以按照一定的应力比和上承压端头板11持续施压，直至待测试件破坏，该过程采用应力变形数据采集处理系统1、无线声发射数据采集处理系统25、伺服渗流加载系统4实时记录各阶段应力、位移、声发射参数、渗流量、渗流压力变化情况，以及精密流量计7计量渗出水流量，渗出水由量杯17收集，集中处理。

(4)真三轴渗流试验关闭程序

将各方向渗流水压降为零，再将左、右、前、后、上、下承压端头板10施加的应力降为零，关闭各个系统，将待测试件取出，清理加载仓，整合处理数据，至此试验结束。

实施例3

棱柱体混凝土试件19与围岩或土20轴向、侧向均发生渗流力学试验步骤和实施例2步骤基本相同，不同的是：在步骤(3)中通过伺服渗流加载系统4控制左、右、前、后承压端头板的渗流进水导管82和上承压端头板渗流进水导管112施加水流量及其相应的水压力，使其在待测试件周围形成稳定渗流。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：

机架，所述机架包括多个立柱，多个所述立柱形成立体井字形结构，所述机架起支撑和固定作用；

承压端头板，所述承压端头板设置在所述机架内部，所述承压端头板包括左、右、前、后、上、下承压端头板，六个所述承压端头板紧密配合，形成加载仓；在所述加载仓内放置待测试件和围岩或土，所述围岩或土均匀分布在所述待测试件的外侧壁和所述承压端头板之间的空间区域内；所述左、右、前、后、上承压端头板内均设有渗流进水导管，所述下承压端头板内设有出水导管；六个所述承压端头板外侧设有温度室，所述温度室将所述承压端头板包围，即六个所述承压端头板形成的所述加载仓位于所述温度室内，所述温度室内温度可调控，所述温度室固定在所述立柱上；

伺服温度控制系统，所述伺服温度控制系统用于实时控制所述温度室内温度，通过调节所述温度室内温度变化从而达到设计试验条件；

应力变形数据采集处理系统，所述应力变形数据采集处理系统用于对压力和位移数据进行接收和处理；所述应力变形数据采集处理系统与压力传感器和位移传感器相连，所述压力传感器分别分布在所述左、右、前、后、上承压端头板外侧壁上，所述压力传感器用于准确控制相应的施加在承压端头板上的压力；所述位移传感器分布在六个所述承压端头板外侧壁上，用于接收压力引起的位移信号或者控制位移移动的距离；

伺服控制加载系统，所述伺服控制加载系统与所述承压端头板连接，通过所述应力变形数据采集处理系统反馈的数据，根据设定的加载方式对所述承压端头板进行伺服加载；

伺服液压系统，所述伺服液压系统与所述伺服控制加载系统连接，用于为所述试验装置提供动力；

伺服渗流加载系统，所述伺服渗流加载系统通过设定的水流量和压力进行伺服加载，所述渗流进水导管的一端连接伺服渗流加载系统，所述渗流进水导管的另一端出水流入所述加载仓；

无线声发射数据采集处理系统，所述无线声发射数据采集处理系统通过在待测试件壁面上布置无线声发射传感器，用来掌握加载过程中试件声发射各项参数。

2.如权利要求1所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述右承压端头板内侧壁面设有第一多点出水孔，所述右承压端头板内还设有第一蓄水盘，所述渗流进水导管埋设在所述右承压端头板内；所述渗流进水导管的一端与所述第一蓄水盘连接，所述渗流进水导管的另一端与所述伺服渗流加载系统连接，渗流水先经过所述第一蓄水盘然后迅速扩展到四周，再流向所述第一多点出水孔；

所述左承压端头板、所述前承压端头板和所述后承压端头板的结构均与所述右承压端头板的结构相同。

3.如权利要求2所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，多个所述第一多点出水孔设置在所述左、右、前和后承压端头板的整个内侧壁面上，所述第一蓄水盘的出水表面正对所述第一多点出水孔。

4.如权利要求1所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述上承压端头板内侧壁面设有第二多点出水孔，所述上承压端头板内还设有第二蓄水盘，所述渗流进水导管埋设在所述上承压端头板内，所述渗流进水导管的一端与所述第二蓄水盘连接，另一端与所述伺服渗流加载系统连接，渗流水先经过所述第二蓄水盘然后迅速扩展到四周，再流向所述第二多点出水孔。

5.如权利要求4所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述第二多点出水孔沿所述上承压端头板的中心线为对称轴均匀分布，并占据所述上承压端头板的内侧壁面30～70％表面积，所述第二蓄水盘的出水表面正对所述第二多点出水孔。

6.如权利要求1所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述左、右、前、后、上承压端头板的四周侧壁均套设有防碎渣填堵面罩，防止试件加载破坏后碎渣填塞所述承压端头板上设置的出水孔。

7.如权利要求1所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述下承压端头板的内侧壁上设有渗流水收集器，所述渗流水收集器用于收集渗出水并通过出水导管排出。

8.如权利要求1所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述围岩或土外侧设有塑形透水薄板，所述塑形透水薄板用于塑形以及减少端面效益，所述塑形透水薄板将所述围岩或土包围，使其成为一个规整的形状，能够满足放入加载仓内的尺寸及其透水要求。

9.如权利要求1所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置，其特征在于，所述试验装置还设有密封胶，所述密封胶涂覆在左、右、前、后承压端头板分别与下承压端头板接触处，以及左、右、前和后承压端头板相互接触处，用于避免水从相邻两个承压端头板接触缝隙间留出。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的围岩或土作用下的真三轴渗流试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

(1)模型制作

采用相似理论浇筑模型地下结构，配置合适的相似材料模拟围岩或土的物理力学性能，用围岩或土将地下结构紧密包裹在中心位置，将声发射无线传感器固定在地下结构上，并在围岩或土外侧用塑形透水薄板将围岩或土加工制作成规整的形状，能够满足加载仓的尺寸要求；

(2)待测试件加载前的准备

采用密封胶对承压端头板进行密封处理，并将待测试件放入加载仓内，调试各系统是否工作正常，确认无误后方可进入下一步；

(3)围岩或土作用下真三轴渗流试验操作过程

启动伺服液压系统提供动力，再通过伺服控制加载系统进行加载，左、右、前、后、上、下承压端头板施加一定应力后，该应力值范围能够确保待测试件不发生破坏，其中左、右、前、后承压端头板施加的力用于模拟不均匀地应力；达到设定值后，再通过伺服渗流加载系统控制不同方向承压端头板内的渗流进水导管施加水流量及其相应的水压力，在待测试件周围形成稳定渗流；

启动伺服温度控制系统调控加载仓内温度至试验设计值，该试验设计值根据不同试验方案设置范围在0℃～80℃之间，达到设计温度后，保持温度不变，处于恒温状态；

待测试件达到稳定渗流同时处于恒温状态一定时间后，清除无线声发射数据采集处理系统和应力变形数据采集处理系统所采集得到的数据，进行重新计量；

按照预设试验方案，对承压端头板采用一定的施压方式，最终使待测试件破坏，该过程采用应力变形数据采集处理系统、无线声发射数据采集处理系统和伺服渗流加载系统实时记录各阶段应力、位移、声发射参数、渗流量、渗流压力变化情况，以及精密流量计计量渗出水流量；

(4)真三轴渗流试验关闭程序

将各方向渗流降为零，再将各个承压端头板施加的应力降为零，关闭各个系统，将待测试件取出，清理加载仓，整合处理数据，试验结束。

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