CN109187207A - 一种干湿循环真三轴试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种干湿循环真三轴试验系统，它由真三轴压力室、轴向液压源、x方向加载第一液压源、x方向加载第二液压源、y方向加载第一液压源、y方向加载第二液压源、充气装置、气体加热装置、气体干燥冷却装置、第一高精度电子天平、废气处理装置、水箱、第二高精度电子天平、充液泵、计算机组成。该系统可实现岩石赋存的不同应力环境及水环境的模拟，开展软岩遇水变形破坏试验研究，揭示软岩遇水后变形破坏的全过程与机理，对于工程安全调控和灾害防御具有重要的理论和现实意义。

Description

一种干湿循环真三轴试验系统

技术领域：

本发明属于岩石力学试验仪器领域，特别涉及一种干湿循环真三轴试验系统，适用于模拟岩石赋存的复杂水环境，可在试验过程中进行干湿循环。

背景技术：

水-岩相互研究是国际上岩石力学与工程地质学的学科前沿课题之一，软岩与水相互作用及其耦合效应问题作为其中的重点和难点问题，已经成为学术界与工程界共同关注的焦点。

根据国家国土资源部发布的数据：2011年至2015年底，我国平均每年因地质灾害导致的直接经济损失达54.68亿元，死亡/失踪人数达388.8人。而这些灾害90％以上集中在青藏高原以东、秦岭淮河以南的南方湿润区(图1)，究其原因，该区降雨丰沛，人类工程活动密集，且广泛分布着红层，由于红层中大多存在有泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等软弱岩体，其在工程开挖和遇水条件下极易软化，迅速产生变形破坏从而导致灾害的发生。对于红层软岩遇水变形破坏现象的研究，除了理论解析与数值计算方法之外，试验研究是最能直接反应岩石在赋存水溶液环境中变形破坏的全过程。在实际工程中，降雨入渗与地下水位的涨落等使得岩石处于流动的水环境中，且岩石同时承受上覆岩层或外加荷载对其的压力，而目前红层软岩的遇水变形破坏试验研究受限于现有的仪器设备水平，岩样通常是先浸泡，再进行力学性质试验，且浸泡或试验过程中溶液是静止的，这与实际工程中岩石的实际赋存环境条件不相符，严重制约了软岩遇水变形破坏机制的研究。因此，开发能模拟实际工程软岩赋存水环境条件下的变形破坏实验设备，开展软岩遇水变形破坏试验研究，揭示软岩遇水后变形破坏的全过程与机理，对于工程安全调控和灾害防御具有重要的理论和现实意义。

发明内容：

为了克服上述已有技术中存在的不足，本发明目的在于提供一种干湿循环真三轴试验系统，可实现岩石赋存的不同应力环境及水环境的模拟。

为了达到上述目的，本发明提供了一种干湿循环真三轴试验系统，它由真三轴压力室、轴向液压源、x方向加载第一液压源、x方向加载第二液压源、y方向加载第一液压源、y方向加载第二液压源、充气装置、气体加热装置、气体干燥冷却装置、第一高精度电子天平、废气处理装置、水箱、第二高精度电子天平、充液泵、计算机组成。

所述的真三轴压力室由底座、压力室筒、压力室顶盖、轴向加载轴、固定瓦、卡箍、x方向加载第一液压缸、x方向加载第一液压缸活塞、x方向加载第一液压缸活塞杆、x方向第一加载板、x方向加载第二液压缸、x方向加载第二液压缸活塞、x方向加载第二液压缸活塞杆、x方向第二加载板、y方向加载第一液压缸、y方向加载第一液压缸活塞、y方向加载第一液压缸活塞杆、y方向第一加载板、y方向加载第二液压缸、y方向加载第二液压缸活塞、y方向加载第二液压缸活塞杆、y方向第二加载板、第一高强度透水石、第二高强度透水石、第三高强度透水石、第四高强度透水石、上压垫、下压垫、第一单向气体喷嘴、第二单向气体喷嘴、第三单向气体喷嘴、第四单向气体喷嘴组成。所述压力室筒开设有上腔与下腔，上腔与下腔的中间隔板处中心位置开设有圆孔，且开设有气体出口；所述底座内部均匀开设有第一气体入口、第二气体入口、第三气体入口和第四气体入口，在第一气体出口和第四气体出口之间开设有液体入口；所述的压力室顶盖上开设有轴向液压源接口；所述的x方向加载第一液压缸、x方向加载第二液压缸、y方向加载第一液压缸、y方向加载第二液压缸端部分别开设有x方向加载第一液压源接口、x方向加载第二液压源接口、y方向加载第一液压源接口、y方向加载第二液压源接口。

所述的压力室顶盖通过内六角螺丝固定在压力室筒顶部，压力室顶盖上的轴向液压源接口与轴向加载液压源相连，轴向加载液压源通过第一数据线与计算机相连；所述的x方向加载第一液压缸、y方向加载第二液压缸、x方向加载第二液压缸、y方向加载第一液压缸依次焊接在压力室筒外壁，相互间的夹角为90°，且中心的高度与岩样的中心高度一致；x方向加载第一液压缸端部的x方向加载第一液压源接口与x方向加载第一液压源相连，x方向加载第一液压源通过第二数据线与计算机相连；x方向加载第二液压缸端部的x方向加载第二液压源接口与x方向加载第二液压源相连，x方向加载第二液压源通过第三数据线与计算机相连；y方向加载第一液压缸端部的y方向加载第一液压源接口与y方向加载第一液压源相连，y方向加载第一液压源通过第四数据线与计算机相连；y方向加载第二液压缸端部的y方向加载第二液压源接口与y方向加载第二液压源相连，y方向加载第二液压源通过第五数据线与计算机相连；压力室筒放置于底座上，并通过固定瓦连接，固定瓦外面使用卡箍锁紧；底座上的第一气体入口、第二气体入口、第三气体入口和第四气体入口位于底座顶面的一端分别安装有第一单向气体喷嘴、第二单向气体喷嘴、第三单向气体喷嘴和第四单向气体喷嘴；第一气体入口、第二气体入口、第三气体入口和第四气体入口均通过第一气管与气体加热装置相连，气体加热装置通过第二气管与充气装置相连，充气装置通过第六数据线与计算机相连；气体干燥冷却装置一端通过第三气管与压力室筒上的气体出口相连，另一端通过第四气管与废气处理装置相连，气体干燥冷却装置放置在第一高精度电子天平上，第一高精度电子天平通过第七数据线与计算机相连；充液泵一端通过第一液压管与底座上的溶液入口相连，另一端通过第二液压管与水箱相连，水箱放置在第二高精度电子天平上，第二高精度电子天平通过第八数据线与计算机相连；下压垫放置在底座顶部中心位置，岩样放置在下压垫上，上压垫压在岩样上；轴向加载轴安装于压力室筒的上腔内，通过上腔与下腔中间隔板处开设的中心孔穿入下腔，并与上压垫接触；x方向加载第一液压缸活塞杆穿过压力室筒壁，一端与位于x方向加载第一液压缸内的x方向加载第一液压缸活塞连接，另一端与x方向第一加载板连接，x方向第一加载板内嵌有第一高强度透水石，第一高强度透水石与岩样第一面接触；y方向加载第一液压缸活塞杆穿过压力室筒壁，一端与位于y方向加载第一液压缸内的y方向加载第一液压缸活塞连接，另一端与y方向第一加载板连接，y方向第一加载板内嵌有第四高强度透水石，第四高强度透水石与岩样第二面接触；x方向加载第二液压缸活塞杆穿过压力室筒壁，一端与位于x方向加载第二液压缸内的x方向加载第二液压缸活塞连接，另一端与x方向第二加载板连接，x方向第二加载板内嵌有第三高强度透水石，第三高强度透水石与岩样第三面接触；y方向加载第二液压缸活塞杆穿过压力室筒壁，一端与位于y方向加载第二液压缸内的y方向加载第二液压缸活塞连接，另一端与y方向第二加载板连接，y方向第二加载板内嵌有第二高强度透水石，第二高强度透水石与岩样第四面接触。

本发明具有以下优点：

(1)既能进行普通真三轴试验，也能进行不同溶液浸泡下岩石真三轴试验；

(2)具有干湿循环功能，并能实时测量岩石的含水率。

附图说明：

图1是一种干湿循环真三轴试验系统示意图

图2是真三轴压力室示意图

图3是真三轴压力室前视图

图4是剖面1-1的剖视图

图5是剖面2-2的剖视图

图6是底座示意图

图7是底座半透明示意图

其中：A-真三轴压力室；A1-底座；A2-卡箍；A3-固定瓦；A4-y方向加载第一液压缸；A5-x方向加载第一液压缸；A6-y方向加载第二液压缸；A7-x方向加载第二液压缸；A8-压力室筒；A9-压力室顶盖；A10-第一高强度透水石；A11-x方向第一加载板；A12-x方向加载第一液压缸活塞杆；A13-x方向加载第一液压缸活塞；A14-第二高强度透水石；A15-y方向第二加载板；A16-y方向加载第二液压缸活塞杆；A17-y方向加载第二液压缸活塞；A18-第三高强度透水石；A19-x方向第二加载板；A20-x方向加载第二液压缸活塞杆；A21-x方向加载第二液压缸活塞；A22-第四高强度透水石；A23-y方向第一加载板；A24-y方向加载第一液压缸活塞杆；A25-y方向加载第一液压缸活塞；A26-y方向加载第一液压源接口；A27-x方向加载第一液压源接口；A28-y方向加载第二液压源接口；A29-x方向加载第二液压源接口；A30-下压垫；A31-上压垫；A32-气体出口；A33-轴向加载轴；A34-第一单向气体喷嘴；A35-第二单向气体喷嘴；A36-第三单向气体喷嘴；A37-第四单向气体喷嘴；A38-第一气体入口；A39-第二气体入口；A40-第三气体入口；A41-第四气体入口；A42-溶液入口；A43-轴向液压源接口；B-轴向加载液压源；C1-x方向加载第一液压源；C2-x方向加载第二液压源；C3-y方向加载第一液压缸活塞；C4-y方向加载第二液压源接口；D岩样；E1-充气装置；E2-气体加热装置；E3-气体干燥冷却装置；E4-第一高精度电子天平；E5-废气处理装置；F1-水箱；F2-第二高精度电子天平；F3-充液泵；G计算机。

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本发明的使用方式。

如图1所示，一种干湿循环真三轴试验系统由真三轴压力室A、轴向液压源B、x方向加载第一液压源C1、x方向加载第二液压源C2、y方向加载第一液压源C3、y方向加载第二液压源C4、充气装置E1、气体加热装置E2、气体干燥冷却装置E3、第一高精度电子天平E4、废气处理装置E5、水箱F1、第二高精度电子天平F2、充液泵F3、计算机G组成。

如图2-7所示，真三轴压力室A由底座A1、卡箍A2、固定瓦A3、y方向加载第一液压缸A4、x方向加载第一液压缸A5、y方向加载第二液压缸A6、x方向加载第二液压缸A7、压力室筒A8、压力室顶盖A9、第一高强度透水石A10、x方向第一加载板A11、x方向加载第二液压缸活塞杆A12、x方向加载第二液压缸活塞A13、第二高强度透水石A14、y方向第二加载板A15、y方向加载第二液压缸活塞杆A16、y方向加载第二液压缸活塞A17、第三高强度透水石A18、x方向第二加载板A19、x方向加载第二液压缸活塞杆A20、x方向加载第二液压缸活塞A21、第四高强度透水石A22、y方向第一加载板A23、y方向加载第一液压缸活塞杆A24、y方向加载第一液压缸活塞A25、下压垫A30、上压垫A31、轴向加载轴A33、第一单向气体喷嘴A34、第二单向气体喷嘴A35、第三单向气体喷嘴A36、第四单向气体喷嘴A37组成。压力室筒A8开设有上腔与下腔，上腔与下腔的中间隔板处中心位置开设有圆孔，且开设有气体出口A32；所述底座A1内部均匀开设有第一气体入口A38、第二气体入口A39、第三气体入口A40和第四气体入口A41，在第一气体出口A38和第四气体出口A41之间开设有液体入口A42；压力室顶盖A9上开设有轴向液压源接口A43；x方向加载第一液压缸A5、x方向加载第二液压缸A7、y方向加载第一液压缸A4、y方向加载第二液压缸A6端部分别开设有x方向加载第一液压源接口A27、x方向加载第二液压源接口A29、y方向加载第一液压源接口A26、y方向加载第二液压源接口A28。

压力室顶盖A9通过内六角螺丝固定在压力室筒A8的顶部，压力室顶盖A9上的轴向液压源接口A43与轴向加载液压源B相连，轴向加载液压源B通过第一数据线与计算机G相连；所述的x方向加载第一液压缸A5、y方向加载第二液压缸A6、x方向加载第二液压缸A7、y方向加载第一液压缸A4依次焊接在压力室筒A8的外壁，相互间的夹角为90°，且中心的高度与岩样的中心高度一致；x方向加载第一液压缸A5端部的x方向加载第一液压源接口A27与x方向加载第一液压源C1相连，x方向加载第一液压源C1通过第二数据线与计算机G相连；x方向加载第二液压缸A7端部的x方向加载第二液压源接口A29与x方向加载第二液压源C2相连，x方向加载第二液压源C2通过第三数据线与计算机G相连；y方向加载第一液压缸A4端部的y方向加载第一液压源接口A26与y方向加载第一液压源C3相连，y方向加载第一液压源C3通过第四数据线与计算机G相连；y方向加载第二液压缸A6端部的y方向加载第二液压源接口A28与y方向加载第二液压源C4相连，y方向加载第二液压源C4通过第五数据线与计算机G相连；压力室筒A8放置于底座A1上，并通过固定瓦A3连接，固定瓦A3外面使用卡箍A2锁紧；底座A1上的第一气体入口A38、第二气体入口A39、第三气体入口A40和第四气体入口A41位于底座A1顶面的一端分别安装有第一单向气体喷嘴A34、第二单向气体喷嘴A35、第三单向气体喷嘴A36和第四单向气体喷嘴A37；第一气体入口A38、第二气体入口A39、第三气体入口A40和第四气体入口A41均通过第一气管与气体加热装置E2相连，气体加热装置E2通过第二气管与充气装置E1相连，充气装置E1通过第六数据线与计算机G相连；气体干燥冷却装置E3一端通过第三气管与压力室筒A8上的气体出口A32相连，另一端通过第四气管与废气处理装置E5相连，气体干燥冷却装置E3放置在第一高精度电子天平E4上，第一高精度电子天平E4通过第七数据线与计算机F相连；充液泵F3一端通过第一液压管与底座A1上的溶液入口A42相连，另一端通过第二液压管与水箱F1相连，水箱F1放置在第二高精度电子天平F2上，第二高精度电子天平F2通过第八数据线与计算机G相连；下压垫A30放置在底座A1顶部中心位置，岩样D放置在下压垫A30上，上压垫A31压在岩样D上；轴向加载轴A33安装于压力室筒A8的上腔内，通过上腔与下腔中间隔板处开设的中心孔穿入下腔，并与上压垫A31接触；x方向加载第一液压缸活塞杆A12穿过压力室筒A8壁，一端与位于x方向加载第一液压缸A5内的x方向加载第一液压缸活塞A13连接，另一端与x方向第一加载板A11连接，x方向第一加载板A11内嵌有第一高强度透水石A10，第一高强度透水石A10与岩样D第一面接触；y方向加载第一液压缸活塞杆A24穿过压力室筒A8壁，一端与位于y方向加载第一液压缸A4内的y方向加载第一液压缸活塞A25连接，另一端与y方向第一加载板A23连接，y方向第一加载板A23内嵌有第四高强度透水石A22，第四高强度透水石A22与岩样D第二面接触；x方向加载第二液压缸活塞杆A20穿过压力室筒A8壁，一端与位于x方向加载第二液压缸A7内的x方向加载第二液压缸活塞A21连接，另一端与x方向第二加载板A19连接，x方向第二加载板A19内嵌有第三高强度透水石A18，第三高强度透水石A18与岩样D第三面接触；y方向加载第二液压缸活塞杆A16穿过压力室A8筒壁，一端与位于y方向加载第二液压缸A6内的y方向加载第二液压缸活塞A17连接，另一端与y方向第二加载板A15连接，y方向第二加载板A15内嵌有第二高强度透水石A14，第二高强度透水石A14与岩样D第四面接触。

下面以较为复杂的岩石干湿循环真三轴试验为例说明干湿循环真三轴试验系统的工作过程：

①将烘干的岩样D称重后放置在下压垫A30上，将上压垫A31放于岩样D上端，将压力室筒A8安装在底座A1上，安装固定瓦A3，套上卡箍A2并锁紧；

②打开轴向加载液压源B，施加轴压至预定值；

③打开x方向加载第一液压源C1、x方向加载第二液压源C2，施加x方向压力至预定值；

④打开y方向加载第一液压源C3、y方向加载第二液压源C4，施加y方向压力至预定值；

⑤打开充液泵F3，往真三轴压力室A内注满水溶液，关闭充液泵F3，水溶液透过第一高强度透水石A10、第二高强度透水石A14、第三高强度透水石A18和第四高强度透水石A22进入岩样D，24h后将真三轴压力室A内的水溶液排放回水箱F1，计算机G记录充液前和水溶液排回后第二高精度电子天平的读数，通过计算得到岩样D的吸水率；

⑥打开充气装置E1和气体加热装置E2，将高温气体通过第一单向气体喷嘴A34、第二单向气体喷嘴A35、第三单向气体喷嘴A36和第四单向气体喷嘴A37喷入真三轴压力室A中，并从气体出口A32排出，经过气体干燥冷却装置E3排至废气处理装置E5，当第一高精度电子天平E4的读数不再变化，关闭充气装置E1、气体加热装置E2，重复步骤⑤，完成一次干湿循环；

⑦当达到预定的干湿循环次数时，逐渐增加轴向荷载，直至岩样D破坏，得到岩样的抗压强度值；

⑧试验结束，关闭电源，清理仪器。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种干湿循环真三轴试验系统，其特征在于由真三轴压力室A、轴向液压源B、x方向加载第一液压源C1、x方向加载第二液压源C2、y方向加载第一液压源C3、y方向加载第二液压源C4、充气装置E1、气体加热装置E2、气体干燥冷却装置E3、第一高精度电子天平E4、废气处理装置E5、水箱F1、第二高精度电子天平F2、充液泵F3、计算机G组成；

所述的真三轴压力室A由底座A1、卡箍A2、固定瓦A3、y方向加载第一液压缸A4、x方向加载第一液压缸A5、y方向加载第二液压缸A6、x方向加载第二液压缸A7、压力室筒A8、压力室顶盖A9、第一高强度透水石A10、x方向第一加载板A11、x方向加载第二液压缸活塞杆A12、x方向加载第二液压缸活塞A13、第二高强度透水石A14、y方向第二加载板A15、y方向加载第二液压缸活塞杆A16、y方向加载第二液压缸活塞A17、第三高强度透水石A18、x方向第二加载板A19、x方向加载第二液压缸活塞杆A20、x方向加载第二液压缸活塞A21、第四高强度透水石A22、y方向第一加载板A23、y方向加载第一液压缸活塞杆A24、y方向加载第一液压缸活塞A25、下压垫A30、上压垫A31、轴向加载轴A33、第一单向气体喷嘴A34、第二单向气体喷嘴A35、第三单向气体喷嘴A36、第四单向气体喷嘴A37组成；

所述的压力室筒A8开设有上腔与下腔，上腔与下腔的中间隔板处中心位置开设有圆孔，且开设有气体出口A32；

所述的底座A1内部均匀开设有第一气体入口A38、第二气体入口A39、第三气体入口A40和第四气体入口A41，在第一气体出口A38和第四气体出口A41之间开设有液体入口A42；

所述的压力室顶盖A9上开设有轴向液压源接口A43；

所述的x方向加载第一液压缸A5、x方向加载第二液压缸A7、y方向加载第一液压缸A4、y方向加载第二液压缸A6端部分别开设有x方向加载第一液压源接口A27、x方向加载第二液压源接口A29、y方向加载第一液压源接口A26、y方向加载第二液压源接口A28；

所述的压力室顶盖A9通过内六角螺丝固定在压力室筒A8的顶部，压力室顶盖A9上的轴向液压源接口A43与轴向加载液压源B相连，轴向加载液压源B通过第一数据线与计算机G相连；所述的x方向加载第一液压缸A5、y方向加载第二液压缸A6、x方向加载第二液压缸A7、y方向加载第一液压缸A4依次焊接在压力室筒A8的外壁，相互间的夹角为90°，且中心的高度与岩样的中心高度一致；x方向加载第一液压缸A5端部的x方向加载第一液压源接口A27与x方向加载第一液压源C1相连，x方向加载第一液压源C1通过第二数据线与计算机G相连；x方向加载第二液压缸A7端部的x方向加载第二液压源接口A29与x方向加载第二液压源C2相连，x方向加载第二液压源C2通过第三数据线与计算机G相连；y方向加载第一液压缸A4端部的y方向加载第一液压源接口A26与y方向加载第一液压源C3相连，y方向加载第一液压源C3通过第四数据线与计算机G相连；y方向加载第二液压缸A6端部的y方向加载第二液压源接口A28与y方向加载第二液压源C4相连，y方向加载第二液压源C4通过第五数据线与计算机G相连；压力室筒A8放置于底座A1上，并通过固定瓦A3连接，固定瓦A3外面使用卡箍A2锁紧；底座A1上的第一气体入口A38、第二气体入口A39、第三气体入口A40和第四气体入口A41位于底座A1顶面的一端分别安装有第一单向气体喷嘴A34、第二单向气体喷嘴A35、第三单向气体喷嘴A36和第四单向气体喷嘴A37；第一气体入口A38、第二气体入口A39、第三气体入口A40和第四气体入口A41均通过第一气管与气体加热装置E2相连，气体加热装置E2通过第二气管与充气装置E1相连，充气装置E1通过第六数据线与计算机G相连；气体干燥冷却装置E3一端通过第三气管与压力室筒A8上的气体出口A32相连，另一端通过第四气管与废气处理装置E5相连，气体干燥冷却装置E3放置在第一高精度电子天平E4上，第一高精度电子天平E4通过第七数据线与计算机F相连；充液泵F3一端通过第一液压管与底座A1上的溶液入口A42相连，另一端通过第二液压管与水箱F1相连，水箱F1放置在第二高精度电子天平F2上，第二高精度电子天平F2通过第八数据线与计算机G相连；下压垫A30放置在底座A1顶部中心位置，岩样D放置在下压垫A30上，上压垫A31压在岩样D上；轴向加载轴A33安装于压力室筒A8的上腔内，通过上腔与下腔中间隔板处开设的中心孔穿入下腔，并与上压垫A31接触；x方向加载第一液压缸活塞杆A12穿过压力室筒A8壁，一端与位于x方向加载第一液压缸A5内的x方向加载第一液压缸活塞A13连接，另一端与x方向第一加载板A11连接，x方向第一加载板A11内嵌有第一高强度透水石A10，第一高强度透水石A10与岩样D第一面接触；y方向加载第一液压缸活塞杆A24穿过压力室筒A8壁，一端与位于y方向加载第一液压缸A4内的y方向加载第一液压缸活塞A25连接，另一端与y方向第一加载板A23连接，y方向第一加载板A23内嵌有第四高强度透水石A22，第四高强度透水石A22与岩样D第二面接触；x方向加载第二液压缸活塞杆A20穿过压力室筒A8壁，一端与位于x方向加载第二液压缸A7内的x方向加载第二液压缸活塞A21连接，另一端与x方向第二加载板A19连接，x方向第二加载板A19内嵌有第三高强度透水石A18，第三高强度透水石A18与岩样D第三面接触；y方向加载第二液压缸活塞杆A16穿过压力室A8筒壁，一端与位于y方向加载第二液压缸A6内的y方向加载第二液压缸活塞A17连接，另一端与y方向第二加载板A15连接，y方向第二加载板A15内嵌有第二高强度透水石A14，第二高强度透水石A14与岩样D第四面接触。