CN112461676A - 一种高温-水压-应力多场耦合模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高温‑水压‑应力多场耦合模型试验装置及方法，其包括基础底座、围岩模型、压力加载单元、施加水压单元、加热单元以及数据信息采集单元；所述压力加载单元能够使得所述围岩模型在不同荷载作用下，产生相应的应力环境场；所述施加水压单元能够产生相应的水压环境场；所述加热单元能够对所述围岩模型进行升温操作使得围岩模型在高温作用下，产生能够变化的高温环境场；所述数据信息采集单元设置在围岩模型内部，能够实时获取围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化监测数据。本发明结构简单，有较强的综合性，可以实现多种高温、孔隙水压、荷载加载环境工况并分析出实时高温对围岩模型抗压强度及蠕变特性的影响程度。

Description

一种高温-水压-应力多场耦合模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩体稳定性研究技术领域，尤其涉及一种THM(高温-水压-应力)多场耦合模型试验装置。

背景技术

水底隧道处于海水或江水之下，具有高渗透压力和水源无限补给的环境特点，运营期间本身岩体随着时间损伤劣化，渗水、大变形等围岩稳定性问题比较突出。再加上火灾对隧道的高温作用，不但造成衬砌围岩的瞬时损伤，还对围岩长期稳定性带来复杂的影响。因此，火灾作用水底隧道围岩长期稳定性受水-力耦合的赋存条件与火灾扰动的环境条件双重影响，但其本质上是多场作用下的(高温和孔隙水压)岩石的流变性问题。

通常采用室内试验方法开展实时高温或高温后的岩石力学特性、水力压裂、高温后岩石蠕变等基础研究，试验装置功能较为单一，多为单一功能，不能同时模拟高温、应力及孔隙水压的多场耦合加载环境，更加无法开展温度扰动下应力-水压多场耦合岩石蠕变模型试验。但是复杂耦合作用下的研究需求需要能够实现多场耦合模型的试验装置；目前虽然出现了类似的多耦合条件下的试验设备，但是依然存在如下问题：1、现有试验系统并不能进行高温-水压-应力多场耦合环境下的围岩蠕变试验，继而不能分析出多场耦合下围岩模型的蠕变特性；2、现有试验系统也不能模拟出温度扰动的环境，只能单一对岩石进行高温作用；3、现有试验系统中压力室只能置入标准尺寸的岩石试件，由于隧道工程围岩模型尺寸较大，故所进行的岩石试验不能与实际隧道工程围岩很好的融合，并不能有效的分析出实际工程围岩的力学特性。

发明内容

基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种高温-水压-应力多场耦合模型试验装置，其不仅能够满足复杂的多场耦合加载和温度扰动环境，而且可以开展多场作用下模型的蠕变试验并分析围岩模型的蠕变特性。

为了实现上述目的，本案的技术方案是：

一种高温-水压-应力多场耦合模型试验装置，其包括基础底座，其特征在于，包括：围岩模型、压力加载单元、施加水压单元、加热单元以及数据信息采集单元；其中，所述围岩模型设置在所述基础底座上，该围岩模型为能够模拟围岩状况的现浇模型；所述压力加载单元能够对所述围岩模型顶部进行加压操作，使得所述围岩模型在不同荷载作用下，产生相应的应力环境场；所述施加水压单元能够对所述围岩模型的边侧进行水压加压操作，使得所述围岩模型在不同孔隙水压作用下，产生相应的水压环境场；所述加热单元能够对所述围岩模型进行升温操作使得围岩模型在高温作用下，产生能够变化的高温环境场；所述数据信息采集单元设置在围岩模型内部，能够实时获取围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化监测数据。

可选的，在其中一个实施例中，所述压力加载单元能够向该围岩模型施加竖向应力，使围岩模型承受顶部荷载作用，其包括：顶板、千斤顶装置、竖向位移计；其中，所述千斤顶装置设置在所述顶板与围岩模型之间，以通过所述顶板和千斤顶装置向该围岩模型施加竖向应力，使围岩模型承受顶部荷载作用；所述千斤顶装置能够基于蠕变试验条件要求，在一定时间范围内保持所施加的应力状态保持不变；所述竖向位移计能够监测所述千斤顶装置向下施加应力时所产生的竖向位移，并向数据信息采集单元反馈数据。

可选的，在其中一个实施例中，所述施加水压单元包括液压水泵、第一控制阀、压力表和若干透水垫片；所述液压水泵与外部进水口相连，所述第一控制阀连接液压水泵和压力表；所述液压水泵能够提供持续地加载水压以保持第一控制阀持续保持打开状态以模拟海底隧道的水压力工况；所述压力表能够实时采集当前实验状态下的水压力数据；所述透水垫片沿着围岩模型模型的侧部环绕设置，以使得水压被均匀施加在围岩模型上。

可选的，在其中一个实施例中，所述施加水压单元包括出水结构，以排除由透水垫片所构成的实验腔腔内的积水。

可选的，在其中一个实施例中，所述数据信息采集单元包括用于监测温度变化的温度传感器、用于监测应变变化的应变传感器、数据收集分析器和数据显示器，所述温度传感器与应变传感器均位于现浇围岩模型内部；所述温度传感器、应变传感器、压力表和竖向位移计监测信息通过数据线与数据收集分析器连通，以监测围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化数据。

可选的，在其中一个实施例中，还包括数据分析模块，其用于基于数据信息采集单元的所采集到的变化数据，实时控制压力加载单元、施加水压单元、加热单元条件调整向该围岩模型所施加的实验条件以获得围岩模型对应的岩蠕变试验分析数据，进而获得一定的高温-水压-应力条件对应的耦合作用下围岩模型蠕变特性参数。

可选的，在其中一个实施例中，所述围岩模型蠕变特性参数对应的应变ε(t)与时间关系t曲线方程为：

其中，E₀为胡克体中线形弹簧的弹性模量、E₁为黏弹性体中的弹性模量、η₁为粘弹性黏滞系数、η₂为粘塑性黏滞系数，σ为应力，σ_s为给定的应力值。

基于相同的构思，本发明还提供了一种高温-水压-应力多场耦合模型试验方法，其基于上述方案所述的试验装置，其包括如下步骤：

S1、按照海底隧道围岩状态现浇出围岩模型并在浇筑的过程中将温度、应变传感器置入其中，浇筑完成后将围岩模型固定在底座上；

S2、利用所述压力加载单元对围岩模型顶部施加预设定压力，同时利用施加水压单元对围岩模型侧部施加水压力，形成模拟海底隧道围岩受水压环境；

S3、利用所述加热单元对围岩模型加热，以调节出试验所需温度，进而模拟出火灾条件影响下围岩的温度环境，同时启动数据信息采集单元，监测围岩模型温度变化情况，当达到设定温度时保持温度环境不变；

S4、按照蠕变过程实验条件，保持加压载单元加载至一设定压力时保持预设时间段后逐级加载，并监测围岩模型应变变化和加压载单元的竖向位移情况，和或同时使得加热单元改变加热条件变化温度；

S5、通过步骤S1-S4，记录数据信息采集单元所采集到的测试数据并绘制不同温度作用下围岩模型蠕变的应变-时间关系曲线，进而获得高温-水压-应力耦合作用下围岩模型蠕变特性数据；所述测试数据至少包括应变值ε、加载时间t、温度T、轴压的竖向位移h及应力σ。

可选的，在其中一个实施例中，所述围岩模型蠕变特性数据对应的应变ε(t)与时间关系t曲线方程为：

其中，E₀为胡克体中线形弹簧的弹性模量、E₁为黏弹性体中的弹性模量、η₁为粘弹性黏滞系数、η₂为粘塑性黏滞系数，σ为应力，σ_s为给定的应力值。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

1、本发明结构简单，有较强的综合性，可以实现多种高温、孔隙水压、荷载加载环境工况，其能够开展高温扰动下应力-水多场耦合岩石蠕变模型试验，且使得围岩模型的加热、扰动均在所述围岩模型中进行，避免了从高温炉中取出时造成的温度误差，提高了试验精度。

2、本发明通过该装置顶部的加载作用，实现开展围岩模型在高温条件下(0℃～800℃)的压缩及蠕变试验，进而分析出实时高温对围岩模型抗压强度及蠕变特性的影响程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明中一种THM(高温-水压-应力)多场耦合模型试验装置整体结构示意图；

图2为围岩模型与多个装置的连接示意图；

图3为本发明中压力加载单元的结构示意图；

图4为本发明中施加水压单元的结构示意图；

图5为本发明中数据信息采集单元的结构示意图；

图6为本发明中传感器数据传输过程示意图；

图7为本发明中基于THM多场耦合模型蠕变试验方法的流程图。

图中：100.应变传感器；200.温度传感器；1.压力加载单元；2.施加水压单元；3.加热单元；4.数据信息采集单元；5.围岩模型；6.基础底座；21.液压水泵；22.第一控制阀；23.压力表；24.透水垫片；25.出水结构；11.顶板；12.千斤顶装置；13.竖向位移计；41.数据收集分析器；42.数据显示器。

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

本发明针对以上的问题提出了一种THM(高温-水压-应力)多场耦合模型试验装置，其可以设计出多种高温扰动、孔隙水压、荷载试验工况，从而可以获得高温周期变化、孔隙水压对于岩石劣化和岩石蠕变的扰动效应规律，为多场耦合数值模型的建立和验证提供验证依据。基于上述设计目的，本发明的设计要点包括利用围岩模型上部加载装置对其施加应力场，利用水压装置对其施加水压场，利用加热对其施加温度场，分析不同温度、水压边界条件下围岩模型内部温度、水压随时间和空间的变化规律，揭示了THM多场耦合作用下围岩模型的蠕变特性。

具体的，在本实施例中，特提出了一种THM(高温-水压-应力)多场耦合模型试验装置，如图1-7所示，该装置其包括基础底座，其特征在于，包括：围岩模型(如规格可采用长0.75m，宽0.75m，高1.5m)、压力加载单元、施加水压单元、加热单元以及数据信息采集单元，加载单元、施加水压单元、加热单元分别作用在围岩模型上；其中，所述围岩模型设置在所述基础底座上，该围岩模型为能够模拟围岩状况的现浇模型；所述压力加载单元能够对所述围岩模型顶部进行加压操作，使得所述围岩模型在不同荷载作用下，产生相应的应力环境场；所述施加水压单元能够对所述围岩模型的边侧进行水压加压操作，使得所述围岩模型在不同孔隙水压作用下，产生相应的水压环境场；所述加热单元能够对所述围岩模型进行升温操作使得围岩模型在高温作用下，产生能够变化的高温环境场；所述数据信息采集单元设置在围岩模型内部，能够实时获取围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化监测数据。

在一些具体的实施例中，所述压力加载单元能够向该围岩模型施加竖向应力，使围岩模型承受顶部荷载作用，其包括：顶板、千斤顶装置、竖向位移计；其中，所述千斤顶装置设置在所述顶板与围岩模型之间，以通过所述顶板和千斤顶装置向该围岩模型施加竖向应力，使围岩模型承受顶部荷载作用；所述千斤顶装置能够基于蠕变试验条件要求，在一定时间范围内保持所施加的应力状态保持不变；所述竖向位移计能够监测所述千斤顶装置向下施加应力时所产生的竖向位移，并向数据信息采集单元反馈数据。具体工作过程为当顶板承受荷载作用时，竖向应力通过顶板传入到千斤顶装置继续向围岩模型提供压力，这时竖向位移计即可收到位移变化信息，随即通过数据线传导方式进入数据信息采集单元中进行观测分析处理。

在一些具体的实施例中，所述施加水压单元包括液压水泵、第一控制阀、压力表和若干透水垫片；所述液压水泵与外部进水口相连，所述第一控制阀连接液压水泵和压力表；所述液压水泵能够提供持续地加载水压以保持第一控制阀持续保持打开状态以模拟海底隧道的水压力工况；所述压力表能够实时采集当前实验状态下的水压力数据；所述透水垫片沿着围岩模型模型的侧部环绕设置，以使得水压被均匀施加在围岩模型上。具体工作过程包括：使得所述液压水泵与进水口相连，所述第一控制阀Ⅰ连接液压水泵和压力表，当液压水泵向下持续加载水压时，将第一控制阀Ⅰ持续打开状态，同时所述压力表即可用来实时观测模仿海底隧道的水压力；为了使水压更均匀的施加在围岩模型上，即在围岩模型的侧壁安装透水垫片；当不需要持续水压作用或试验结束后，通过出水结构，排除水压装置内腔内的积水。

在一些具体的实施例中，所述施加水压单元包括出水结构，以排除由透水垫片所构成的实验腔腔内的积水。

在一些具体的实施例中，所述数据信息采集单元包括用于监测温度变化的温度传感器、用于监测应变变化的应变传感器、数据收集分析器和数据显示器，所述温度传感器与应变传感器均位于现浇围岩模型内部，且温度与应力传感器分层布置；所述温度传感器、应变传感器、压力表和竖向位移计监测信息通过数据线与数据收集分析器连通，以监测围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化数据。

在具体实验过程中：选取合适的隧道围岩模型参数，并在装置中现浇围岩模型模拟隧道围岩状况并固定在基础底座之上，同时在浇筑的过程中将温度传感器100和应变传感器200置入其中。浇筑完成后如图2所示将压力加载单元1、施加水压单元2、加热单元3、数据信息采集单元4与围岩模型5安装连接。

进一步的，按照图6的流程和通过数据采集单元将数据上传到云端进行监测不同温度下围岩模型蠕变的应变ε-时间t关系。具体的，该装置还包括数据分析模块，其用于基于数据信息采集单元的所采集到的变化数据，实时控制压力加载单元、施加水压单元、加热单元条件调整向该围岩模型所施加的实验条件以获得围岩模型对应的岩蠕变试验分析数据，进而获得一定的高温-水压-应力条件对应的耦合作用下围岩模型蠕变特性参数。所述围岩模型蠕变特性数据对应的应变ε(t)与时间关系t曲线方程为：

其中，E₀为胡克体中线形弹簧的弹性模量、E₁为黏弹性体中的弹性模量、η₁为粘弹性黏滞系数、η₂为粘塑性黏滞系数，σ为应力，σ_s为给定的应力值。

基于上述设计所获得的实施例：基于THM多场耦合条件下围岩模型蠕变特性试验及分析具体流程如下：首先模拟海底隧道围岩状况按照尺寸为长0.75m，宽0.75m，高1.5m现浇出围岩模型5并固定在基础底座6上，在浇筑的过程中置入温度传感器200、应变传感器100，为了使信息的准确性传感器要分层布置。浇筑完成后将压力加载单元1、水压单元2、加热单元3、数据信息采集单元4与围岩模型5安装连接至合适状态，如图1和图2所示；紧接利用顶部的轴向压力加载单元即压力加载单元1对围岩模型5施加预设定压力，同时利用侧部施加水压单元2对围岩模型5施加水压力，形成模拟海底隧道围岩受顶部荷载和周围水压环境，分析单元通过监测水压力表2数据值确定是否水压饱和，即当压力不继续增大时说明水压单元2内腔内水压已饱和，这时停止加压。再接着启动加热单元3调节试验所需温度对围岩模型5加热，模拟出火灾条件影响下围岩的温度环境，同时启动外部数据信息采集单元4，监测围岩模型温度变化情况，当达到某一特定温度时保持温度环境不变。上述过程完毕后，数据分析单元控制压力加载单元1加载至一特定压力时保持一段时间后逐级加载，监测围岩模型5的应变变化和轴压加载装置的竖向位移情况，随即对加载单元1进行卸载，观察卸载时围岩模型的应变随时间的关系曲线，卸载完成后加热单元3随即更换温度梯度，继续进行加热，如此反复为一循环，通过该步骤并记录数据信息采集装置收集到的信息继而能够得出不同温度作用下的围岩模型蠕变的应变ε-时间关系t曲线，分析出THM(高温-水压-应力)耦合作用下围岩模型蠕变特性，最后分析围岩模型蠕变的三阶段特性。对应的方程表示为：

通过对数据采集单元所得到应力、应变、时间等基本参数，进行分析后辨识出参数E₀、E₁、η₁、η₂并拟合出试验曲线，并将理论蠕变曲线与试验曲线进行对比，确定实验的合理性，不合理同步进行调整。

如图7所示：一种基于THM多场耦合蠕变模型试验方法，包括以下步骤：

S1、按照海底隧道围岩状态现浇出围岩模型并在浇筑的过程中将温度、应变传感器置入其中，浇筑完成后将围岩模型固定在底座上；

S2、利用所述压力加载单元对围岩模型顶部施加预设定压力，同时利用施加水压单元对围岩模型侧部施加水压力，形成模拟海底隧道围岩受水压环境；

S3、利用所述加热单元对围岩模型加热，以调节出试验所需温度，进而模拟出火灾条件影响下围岩的温度环境，同时启动数据信息采集单元，监测围岩模型温度变化情况，当达到设定温度时保持温度环境不变；

S4、按照蠕变过程实验条件，保持加压载单元加载至一设定压力时保持预设时间段后逐级加载，并监测围岩模型应变变化和加压载单元的竖向位移情况，和或同时使得加热单元改变加热条件变化温度；

S5、通过步骤S1-S4，记录数据信息采集单元所采集到的测试数据并绘制不同温度作用下围岩模型蠕变的应变-时间关系曲线，进而获得高温-水压-应力耦合作用下围岩模型蠕变特性数据；所述测试数据至少包括应变值ε、加载时间t、温度T、轴压的竖向位移h及应力σ。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高温-水压-应力多场耦合模型试验装置，其包括基础底座，其特征在于，包括：围岩模型、压力加载单元、施加水压单元、加热单元以及数据信息采集单元；其中，所述围岩模型设置在所述基础底座上，该围岩模型为能够模拟围岩状况的现浇模型；所述压力加载单元能够对所述围岩模型顶部进行加压操作，使得所述围岩模型在不同荷载作用下，产生相应的应力环境场；所述施加水压单元能够对所述围岩模型的边侧进行水压加压操作，使得所述围岩模型在不同孔隙水压作用下，产生相应的水压环境场；所述加热单元能够对所述围岩模型进行升温操作使得围岩模型在高温作用下，产生能够变化的高温环境场；所述数据信息采集单元设置在围岩模型内部，能够实时获取围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化监测数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力加载单元能够向该围岩模型施加竖向应力，使围岩模型承受顶部荷载作用，其包括：顶板、千斤顶装置、竖向位移计；其中，所述千斤顶装置设置在所述顶板与围岩模型之间，以通过所述顶板和千斤顶装置向该围岩模型施加竖向应力，使围岩模型承受顶部荷载作用；所述千斤顶装置能够基于蠕变试验条件要求，在一定时间范围内保持所施加的应力状态保持不变；所述竖向位移计能够监测所述千斤顶装置向下施加应力时所产生的竖向位移，并向数据信息采集单元反馈数据。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述施加水压单元包括液压水泵、第一控制阀、压力表和若干透水垫片；所述液压水泵与外部进水口相连，所述第一控制阀连接液压水泵和压力表；所述液压水泵能够提供持续地加载水压以保持第一控制阀持续保持打开状态以模拟海底隧道的水压力工况；所述压力表能够实时采集当前实验状态下的水压力数据；所述透水垫片沿着围岩模型模型的侧部环绕设置，以使得水压被均匀施加在围岩模型上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述施加水压单元包括出水结构，以排除由透水垫片所构成的实验腔腔内的积水。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据信息采集单元包括用于监测温度变化的温度传感器、用于监测应变变化的应变传感器、数据收集分析器和数据显示器，所述温度传感器与应变传感器均位于现浇围岩模型内部；所述温度传感器、应变传感器、压力表和竖向位移计监测信息通过数据线与数据收集分析器连通，以监测围岩模型内部温度、加载应力与水压的变化数据。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括数据分析模块，其用于基于数据信息采集单元的所采集到的变化数据，实时控制压力加载单元、施加水压单元、加热单元条件调整向该围岩模型所施加的实验条件以获得围岩模型对应的岩蠕变试验分析数据，进而获得一定的高温-水压-应力条件对应的耦合作用下围岩模型蠕变特性参数。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述围岩模型蠕变特性参数对应的应变ε(t)与时间关系t曲线方程为：

其中，E₀为胡克体中线形弹簧的弹性模量、E₁为黏弹性体中的弹性模量、η₁为粘弹性黏滞系数、η₂为粘塑性黏滞系数，σ为应力，σ_s为给定的应力值。

8.一种高温-水压-应力多场耦合模型试验方法，其基于权利要求1-6所述的试验装置，其包括如下步骤：

S1、按照海底隧道围岩状态现浇出围岩模型并在浇筑的过程中将温度、应变传感器置入其中，浇筑完成后将围岩模型固定在底座上；

S2、利用所述压力加载单元对围岩模型顶部施加预设定压力，同时利用施加水压单元对围岩模型侧部施加水压力，形成模拟海底隧道围岩受水压环境；

S3、利用所述加热单元对围岩模型加热，以调节出试验所需温度，进而模拟出火灾条件影响下围岩的温度环境，同时启动数据信息采集单元，监测围岩模型温度变化情况，当达到设定温度时保持温度环境不变；

S4、按照蠕变过程实验条件，保持加压载单元加载至一设定压力时保持预设时间段后逐级加载，并监测围岩模型应变变化和加压载单元的竖向位移情况，和或同时使得加热单元改变加热条件变化温度；

S5、通过步骤S1-S4，记录数据信息采集单元所采集到的测试数据并绘制不同温度作用下围岩模型蠕变的应变-时间关系曲线，进而获得高温-水压-应力耦合作用下围岩模型蠕变特性数据；所述测试数据至少包括应变值ε、加载时间t、温度T、轴压的竖向位移h及应力σ。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述围岩模型蠕变特性数据对应的应变ε(t)与时间关系t曲线方程为：

其中，E₀为胡克体中线形弹簧的弹性模量、E₁为黏弹性体中的弹性模量、η₁为粘弹性黏滞系数、η₂为粘塑性黏滞系数，σ为应力，σ_s为给定的应力值。

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