CN112504847B - 岩石动静真/常三轴剪切流变thmc多场耦合试验装置 - Google Patents

岩石动静真/常三轴剪切流变thmc多场耦合试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置。它包括静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统、应力测量系统、位移测量系统、渗流测量系统、温度测试系统、超声波测试系统和声发射测试系统；静力加载主体结构包括围压室、围压室底座、围压室上端盖板、轴向加载静力油缸和水平静力加载油缸；围压室上端设置围压室上端盖板、下端设置围压室底座；轴向加载静力油缸设置在围压室上方；水平静力加载油缸设置在围压室侧壁上；围压室左侧钢垫块、围压室右侧钢垫块均位于围压室底座上；围压室左侧钢垫块底部放置左侧弹簧；下端弹簧位于围压室底座上方。本发明具有功能多、适用广的优点。

Description

岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置
技术领域
本发明涉及岩石动载、静载、真/常三轴、剪切、流变、温度、渗流、化学等多场耦合试验测试技术领域，具体是指一种岩石动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置。
背景技术
岩石三轴试验是研究岩石力学的重要手段，岩石三轴试验数据是岩石力学的一个重要参数，它能比较完整地模拟岩土在原始地应力状态下的力学性能，是工程设计的重要依据。随着我国深部岩体工程越来越多，面临的工程地质问题越来越复杂，包括活动断层、高地应力、高地温、高地下水等难题，因此，如何在实验室内模拟不同环境条件下的力学试验是岩石力学的关键科学问题。
现有的三轴压缩设备主要可实现单轴压缩、常规三轴压缩、真三轴压缩、动态冲击、流变等试验，但是缺少同时考虑动载、静载、剪切、流变、温度、渗流、化学、超声波、声发射等多场耦合三轴试验测试装置。
且现有真三轴试验侧面钢板的高度略小于试样高度，不能保证全部接触试样侧面，造成上下端部预留的几毫米不能加载应力，导致检测结果不准确。
因此，现亟需开发一种可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验，提供岩石动载、静载、剪切、流变、温度、渗流、化学等多场耦合试验、且检测结果准确的装置。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种岩石动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，检测结果准确，功能多、适用广，可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验，提供岩石动载、静载、剪切、流变、温度、渗流、化学等多场耦合试验。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，包括静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统、应力测量系统、位移测量系统、渗流测量系统、温度测试系统、超声波测试系统和声发射测试系统；
所述静力加载主体结构包括围压室、围压室底座、围压室上端盖板、轴向加载静力油缸和水平静力加载油缸；
所述围压室上端设置围压室上端盖板、下端设置围压室底座；所述轴向加载静力油缸设置在围压室上方；所述水平静力加载油缸设置在围压室侧壁上；
所述静力加载系统、动力加载系统、应力测量系统、位移测量系统、渗流测量系统、温度测试系统、超声波测试系统和声发射测试系统均设置在所述静力加载主体结构上；
所述的静力加载系统包括轴向加载杆、轴向静力加载油缸充油孔、轴向静力加载油缸、轴向静力卸载油缸充油孔、轴向静力加载压力传感器、水平向静力加载压力传感器、水平向加载杆、水平加载油缸充油孔、水平静力加载油缸和水平静力卸载充油孔；
所述轴向加载杆与轴向静力加载油缸滑动连接；
所述水平向加载杆与水平静力加载油缸滑动连接；
围压室左侧钢垫块、围压室右侧钢垫块均位于围压室底座上；
围压室左侧钢垫块底部放置左侧弹簧；
岩石试样位于围压室内；试样底座垫块位于岩石试样与围压室底座之间；试样左侧垫块位于试样底座垫块上；试样上端垫块位于试样左侧垫块侧壁上端；下端弹簧位于围压室底座上方；
所述的位移测量系统包括左侧位移传感器、右侧位移传感器和轴向位移传感器；
所述左侧位移传感器和右侧位移传感器对称安装在围压室底座上；
轴向位移传感器安装在围压室底座上。
在上述技术方案中，所述的动力加载系统位于静力加载主体结构外周、且与静力加载系统连接；
所述的动力加载系统包括反力框架、水平左侧加载装置、轴向动力加载装置，轴向动力加载压力传感器，水平向动力加载装置和水平向动力加载压力传感器；
轴向加载杆与轴向动力加载装置连接；所述水平左侧加载装置、水平向动力加载装置对向位于反力框架侧壁上。
在上述技术方案中，所述的应力测量系统包括水平左侧压力传感器、轴向动力加载压力传感器、轴向静力加载压力传感器、水平向静力加载压力传感器、水平向动力加载压力传感器；
水平左侧压力传感器与水平左侧加载装置连接；
所述轴向动力加载压力传感器连接在轴向动力加载装置上；
所述水平向动力加载压力传感器连接在水平向动力加载装置上。
在上述技术方案中，所述的渗流测量系统包括气体渗透系统和液体渗流系统；
气体渗透系统包括下端液体/气体渗流管路、上端液体/气体渗流管路、排气口截止阀、气体压力表、气体流量表、进气口截止阀、气瓶口截止阀、气瓶开关阀门和氮气瓶；
液体渗流系统包括下端液体/气体渗流管路、上端液体/气体渗流管路、液体压力表、液体流量表、上游液体截止阀、渗流控制系统、液体收集容器和下游液体截止阀；
所述下端液体/气体渗流管路一端向上伸出试样上端垫块、另一端呈90°折弯后从围压室底座侧壁下端伸出；
上端液体/气体渗流管路一端从岩石试样上端垫块侧壁伸入、从岩石试样上端垫块内侧壁伸出，另一端呈90°折弯后从围压室底座侧壁下端伸出；
在气体渗透系统中，所述下端液体/气体渗流管路与氮气瓶之间的连接管路上依次设有进气口截止阀、气体压力表、气体流量表和气瓶口截止阀；氮气瓶上设有气瓶开关阀门；上端液体/气体渗流管路与气体收集装置之间的连通管路上依次设有气体流量表、气体压力表和排气口截止阀；
在液体渗流系统中，所述下端液体/气体渗流管路与渗流控制系统之间的连接管路上依次设有上游液体截止阀、液体压力表和液体流量表；上端液体/气体渗流管路与液体收集容器之间的连通管路上依次设有液体流量表、体压力表和下游液体截止阀。
在上述技术方案中，所述的温度测试系统包括加热套、紧急停止按钮、温度控制仪、降低温度设置按钮、电源开关、升高温度设定按钮、设定温度显示屏和实际温度显示屏；
所述加热套设置在围压室外周；所述加热套与温度控制仪连接。
在上述技术方案中，所述的超声波测试系统包括超声波测试系统、超声波发射探头、超声波发射探头承压保护压头、超声波发射探头压紧弹簧、超声波接收探头、超声波接收探头承压保护压头、超声波接收探头压紧弹簧和超声波信号导线；
岩石试样上端设置所述超声波发射探头承压保护压头、下端设置超声波接收探头承压保护压头；
超声波发射探头通过超声波发射探头压紧弹簧安装在超声波发射探头承压保护压头上；
超声波接收探头通过超声波接收探头压紧弹簧安装在超声波接收探头承压保护压头上；
超声波发射探头和超声波接收探头分别通过超声波信号导线与超声波测试系统连接。
在上述技术方案中，所述的声发射测试系统包括声发射探头、声发射信号导线和声发射测试系统；
所述声发射探头设置在岩石试样侧壁上；
所述声发射探头通过声发射信号导线与声发射测试系统连接；
所述声发射探头有多个。
所述THMC多场耦合指温度-渗流-应力-化学(thermo-hydro-mechanical-chemical)多场耦合。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用自平衡加载系统(自平衡系统是指试验过程中需要增加的力靠自身结构进行平衡，不需要借助其他的结构来抵消试验中力)，可实现岩石常规三轴试验，更换相应的垫块，可实现岩石真三轴试验；
(2)本发明利用反力框架上的动力加载装置，可实现岩石常规三轴和真三轴动力加载试验；
(3)本发明利用静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统B、应力测量系统、渗流测量系统和温度测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验，可同时进行轴向和水平向动力加载的岩石真常三轴试验；
(4)本发明利用静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统B、应力测量系统、渗流测量系统、温度测试系统和声发射测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压声发射测试，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石内部微裂纹形成、扩展和贯通全过程试验；
(5)本发明利用静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统B、应力测量系统、渗流测量系统、温度测试系统和超声波测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压超声波测试，实现THMC多场耦合试验过程中岩石破裂全过程的超声波测试试验；
(6)本发明利用静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统B、应力测量系统、位移测量系统、渗流测量系统和温度测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石破裂全过程的渗透率测试；
(7)本发明利用静力加载主体结构、静力加载系统、应力测量系统、位移测量系统、渗流测量系统和温度测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验，同时可进行高温高压流变测试；研究THMC多场耦合试验过程中的岩石力学性质随时间的变化规律，研究复杂条件下的岩石力学特性的时效性；
(8)本发明利用静力加载主体结构、静力加载系统、应力测量系统、位移测量系统、渗流测量系统、温度测试系统、超声波测试系统和声发射测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验，提供岩石动载、静载、剪切、流变、温度、渗流、化学等多场耦合试验测试技术；
(9)本发明利用动力加载装置、温度、渗流、超声波和声发射测试系统，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变等试验，完善了设备的功能性。
(10)本发明将围压室左侧钢垫块、围压室右侧钢垫块设置于围压室底座上，围压室左侧钢垫块底部放置左侧弹簧，试样底座垫块设置在岩石试样与围压室底座之间，试样左侧垫块设置在试样底座垫块上，试样上端垫块设置在试样左侧垫块侧壁上端，下端弹簧设置在围压室底座上方，岩石试样设置在试样底座垫块、围压室底座、试样左侧垫块、试样上端垫块、左侧弹簧和下端弹簧围成的空间内，保证真三轴试验过程中，静力加载主体结构、静力加载系统、动力加载系统等系统能全端面接触岩石试样、并加载应力，保证检测结果准确；克服了现有真三轴试验侧面钢板的高度略小于试样高度，不能保证全部接触试样侧面，造成上下端部预留的几毫米不能加载应力，导致检测结果不准确的缺点。
本发明集岩石动载、静载、真/常三轴、剪切、流变、温度、渗流等多场耦合试验测试功能于一体，节省成本，功能多、适用广，可实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验，是一种使用更广泛、功能更多、操作更简便、试验方式更符合工程的岩石力学多功能多场耦合试验测试系统。
附图说明
图1为本发明岩石动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置示意图。
图2为本发明的温度测试系统示意图。
图3为本发明的气体渗透测试系统示意图。
图4为本发明的液体渗流测试系统示意图。
图5为本发明的真三轴加载示意图。
图6为本发明的围压室及渗流管路布置示意图。
图7为本发明的剪切渗流试验中的岩石试样安装示意图。
图8为本发明的剪切压头示意图。
图9为本发明的声发射测试系统示意图一。
图10为本发明的声发射测试系统示意图二。
图11为本发明的超声波测试系统示意图。
图中：1-水平左侧压力传感器，2-反力框架，3-水平左侧加载装置，4-围压室左侧钢垫块，5-围压室，6-排气孔，7-围压室紧固螺栓，8-轴向加载杆，9-轴向动力加载装置，10-轴向动力加载压力传感器，11-轴向静力加载油缸充油孔，12-轴向静力加载油缸，13-轴向静力卸载油缸充油孔，14-围压室上端盖板，15-轴向静力加载压力传感器，16-水平向静力加载压力传感器，17-水平向动力加载装置，18-水平向动力加载压力传感器，19-水平向加载杆，20-水平加载油缸充油孔，21-水平静力加载油缸，22-水平静力加载油缸紧固螺栓，23-水平静力卸载充油孔，24-下端液体/气体渗流管路，25-下端弹簧，26-左侧弹簧，27-上端液体/气体渗流管路，28-围压室底座，29-试样底座垫块，30-试样左侧垫块，31-试样上端垫块，32-右侧钢垫块，33-试样右侧垫块，34-岩石试样，35-围压室充油孔，36-围压室排油孔，37-上部半圆形橡胶垫，38-下部半圆形橡胶垫，39-试样热塑套管，40-试样上端紧固圈，41-试样下端紧固圈，42-加热套，43-左侧位移传感器，44-右侧位移传感器，45-轴向位移传感器，46-紧急停止按钮，47-温度控制仪，48-降低温度设置按钮，49-电源开关，50-升高温度设定按钮，51-设定温度显示屏，52-实际温度显示屏，53-排气口截止阀，54-气体压力表，55-气体流量表，56-进气口截止阀，57-气瓶口截止阀，58-气瓶开关阀门，59-氮气瓶，60-液体压力表，61-液体流量表，62-上游液体截止阀，63-渗流控制系统，64-液体收集容器，65-下游液体截止阀，66-声发射探头，67-声发射信号导线，68-声发射测试系统，69-超声波测试系统，70-超声波发射探头，71-超声波发射探头承压保护压头，72-超声波发射探头压紧弹簧，73-超声波接收探头，74-超声波接收探头承压保护压头，75-超声波接收探头压紧弹簧，76-超声波信号导线，R-静力加载主体结构，A-静力加载系统，B-动力加载系统，P-应力测量系统，D-位移测量系统，E-渗流测量系统，E Q-气体渗透系统，E L-液体渗流系统，F-温度测试系统，Q-超声波测试系统，S-声发射测试系统。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，包括静力加载主体结构R、静力加载系统A、动力加载系统B、应力测量系统P、位移测量系统D、渗流测量系统E、温度测试系统F、超声波测试系统Q和声发射测试系统S(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10)；
所述静力加载主体结构R包括围压室5、围压室底座28、围压室上端盖板14、轴向加载静力油缸12和水平静力加载油缸21；
所述围压室5上端设置围压室上端盖板14、下端设置围压室底座28；所述轴向加载静力油缸12设置在围压室5上方；所述水平静力加载油缸21设置在围压室5侧壁上；
围压室上端盖板14通过围压室紧固螺栓7与围压室底座28连接；排气孔6设置在围压室上端盖板14上；围压室充油孔35位于围压室上端盖板14上、围压室排油孔36位于围压室底座28上(如图1、图3、图4所示)；
所述静力加载系统A、动力加载系统B、应力测量系统P、位移测量系统D、渗流测量系统E、温度测试系统F、超声波测试系统Q和声发射测试系统S均设置在所述静力加载主体结构R上；本发明集岩石动载、静载、真/常三轴、剪切、流变、温度、渗流等多场耦合试验测试功能于一体，节省成本，功能多、适用广，可实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验。
所述的静力加载系统A包括轴向加载杆8、轴向静力加载油缸充油孔11、轴向静力加载油缸12、轴向静力卸载油缸充油孔13、轴向静力加载压力传感器15、水平向静力加载压力传感器16、水平向加载杆19、水平加载油缸充油孔20、水平静力加载油缸21和水平静力卸载充油孔23；
所述轴向加载杆8与轴向静力加载油缸12在纵向上滑动连接，且一端依次伸出向静力加载油缸12、围压室上端盖板14、位于围压室5内；
所述轴向静力加载油缸充油孔11、轴向静力卸载油缸充油孔13分别位于轴向静力加载油缸12上、且与轴向静力加载油缸12相连通；其中，轴向静力加载油缸充油孔11位于轴向静力加载油缸12顶端，轴向静力卸载油缸充油孔13位于轴向静力加载油缸12侧壁下端(如图1、图3、图4所示)；
所述水平向加载杆19与水平静力加载油缸21在横向上滑动连接，且一端伸出水平静力加载油缸21、位于围压室5内；
所述水平加载油缸充油孔20、水平静力卸载充油孔23分别位于水平静力加载油缸21上、且与水平静力加载油缸21相连通；其中，水平加载油缸充油孔20位于水平静力加载油缸21顶端，水平静力卸载充油孔23位于水平静力加载油缸21侧壁下端；本发明中的静力加载主体结构R和静力加载系统A为自平衡加载系统，可实现岩石常规三轴试验，更换相应的垫块，可实现岩石真三轴试验。
围压室左侧钢垫块4、围压室右侧钢垫块32均位于围压室底座28上、且对向位于围压室5内侧壁上；围压室左侧钢垫块4底部放置左侧弹簧26，左侧弹簧26位于围压室左侧钢垫块4、试样底座垫块29和围压室底座28围成的空间；
岩石试样34位于围压室5内，且位于围压室底座28上、位于围压室左侧钢垫块4、围压室右侧钢垫块32之间；
试样底座垫块29位于岩石试样34与围压室底座28之间；试样左侧垫块30位于试样底座垫块29上、且与围压室左侧钢垫块4内壁接触；试样上端垫块31位于试样左侧垫块30侧壁上端、且位于试样右侧垫块33上端；
下端弹簧25位于围压室底座28上方，岩石试样34位于围压室底座28、试样底座垫块29与围压室右侧钢垫块32、试样右侧垫块33围成的空间内；左侧弹簧26的作用是水平向压缩时留有预留的水平变形空间，下端弹簧25的作用是垂向压缩时留有垂向变形空间；
试样底座垫块29、试样左侧垫块30、试样上端垫块31、试样右侧垫块33围在岩石试样34外周、且围成方体结构；
轴向静力加载压力传感器15位于试样上端垫块31外侧壁上；
轴向加载杆8与试样上端垫块31接触；轴向静力加载压力传感器15位于轴向加载杆8与试样上端垫块31之间(如图1、图5所示)；
水平向静力加载压力传感器16位于试样右侧垫块33外侧壁上；
水平向加载杆19穿过围压室右侧钢垫块32、与试样右侧垫块33接触；水平向静力加载压力传感器16位于水平向加载杆19与试样右侧垫块33之间(如图6所示)；保证结构稳固性，便于测试；本发明中的静力加载主体结构R和静力加载系统A为自平衡加载系统，可实现岩石常规三轴试验，更换相应的垫块，可实现岩石真三轴试验；且可实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验。
所述的位移测量系统D包括左侧位移传感器43、右侧位移传感器44和轴向位移传感器45；
所述左侧位移传感器43和右侧位移传感器44对称安装在围压室底座28上、且位于试样底座垫块29两侧；
轴向位移传感器45安装在围压室底座28上，且位于右侧位移传感器44外侧(如图2、图3、图4所示)；所述轴向位移传感器45上端与试样上端垫块31内侧壁接触；位移测量系统D用于监测岩石常规三轴和真三轴动力加载试验的位移情况，并反馈数据给动力加载系统B，从而调整动力加载系统B中的参数。
进一步地，所述的动力加载系统B位于静力加载主体结构R外周、且与静力加载系统A连接；
所述的动力加载系统B包括反力框架2、水平左侧加载装置3、轴向动力加载装置9，轴向动力加载压力传感器10，水平向动力加载装置17和水平向动力加载压力传感器18；
所述轴向动力加载装置9位于反力框架2顶端内壁上；
轴向加载杆8与轴向动力加载装置9连接；
所述水平左侧加载装置3、水平向动力加载装置17对向位于反力框架2内侧壁上；
所述水平左侧加载装置3与围压室5外侧壁相接触；
所述水平向动力加载装置17与水平向加载杆19连接；
所述围压室底座28位于反力框架2底面内壁上(如图1所示)；本发明利用反力框架上的动力加载装置，可实现岩石常规三轴和真三轴动力加载试验。
进一步地，所述的应力测量系统P包括水平左侧压力传感器1、轴向动力加载压力传感器10、轴向静力加载压力传感器15、水平向静力加载压力传感器16、水平向动力加载压力传感器18；
水平左侧压力传感器1与水平左侧加载装置3连接、且位于水平左侧加载装置3与围压室5外侧壁之间；
所述轴向动力加载压力传感器10连接在轴向动力加载装置9上、且位于轴向加载杆8与轴向动力加载装置9之间；
所述轴向静力加载压力传感器15、水平向静力加载压力传感器16均位于围压室5内，轴向静力加载压力传感器15位于轴向加载杆8端部，水平向静力加载压力传感器16位于水平向加载杆19端部；
所述水平向动力加载压力传感器18连接在水平向动力加载装置17上、且位于水平向动力加载装置17与水平向加载杆19之间(如图1、图2、图3、图4所示)；应力测量系统P用于监测岩石常规三轴和真三轴动力加载试验的应力，并反馈数据给动力加载系统B，从而调整动力加载系统B中的参数。
进一步地，所述的渗流测量系统E包括气体渗透系统E Q和液体渗流系统E L(如图2、图3、图4、图7所示)；
气体渗透系统E Q包括下端液体/气体渗流管路24、上端液体/气体渗流管路27、排气口截止阀53、气体压力表54、气体流量表55、进气口截止阀56、气瓶口截止阀57、气瓶开关阀门58和氮气瓶59(如图3、图8所示)；
液体渗流系统E L包括下端液体/气体渗流管路24、上端液体/气体渗流管路27、液体压力表60、液体流量表61、上游液体截止阀62、渗流控制系统63、液体收集容器64和下游液体截止阀65(如图4、图8所示)；
所述下端液体/气体渗流管路24一端向上伸出试样上端垫块31、另一端在围压室底座28内呈90°折弯后从围压室底座28侧壁下端伸出；
上端液体/气体渗流管路27一端从试样上端垫块31侧壁伸入、从试样上端垫块31内侧壁伸出围压室5，另一端在围压室底座28内呈90°折弯后从围压室底座28侧壁下端伸出围压室5(如图2、图3、图4所示)；
在气体渗透系统E Q中，所述下端液体/气体渗流管路24与氮气瓶59之间的连接管路上依次设有进气口截止阀56、气体压力表54、气体流量表55和气瓶口截止阀57；氮气瓶59上设有气瓶开关阀门58；上端液体/气体渗流管路27与气体收集装置之间的连通管路上依次设有气体流量表55、气体压力表54和排气口截止阀53(如图3所示)；气体渗透系统E Q用于实现温度-气体渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石内部微裂纹形成、扩展和贯通全过程试验；
在液体渗流系统E L中，所述下端液体/气体渗流管路24与渗流控制系统63之间的连接管路上依次设有上游液体截止阀62、液体压力表60和液体流量表61；上端液体/气体渗流管路27与液体收集容器64之间的连通管路上依次设有液体流量表61、体压力表60和下游液体截止阀65(如图4所示)；液体渗流系统E L用于实现温度-气体渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石内部微裂纹形成、扩展和贯通全过程试验。
进一步地，所述的温度测试系统F包括加热套42、紧急停止按钮46、温度控制仪47、降低温度设置按钮48、电源开关49、升高温度设定按钮50、设定温度显示屏51和实际温度显示屏52；
所述加热套42设置在围压室5、围压室紧固螺栓7、轴向静力加载油缸12、围压室上端盖板14和围压室底座28外周；
所述加热套42与温度控制仪47连接；温度控制仪47上设有紧急停止按钮46、降低温度设置按钮48、电源开关49、升高温度设定按钮50、设定温度显示屏51和实际温度显示屏52；通过加热套42加热围压室(如图2、图3、图4所示)，从而加热岩石试样，实现温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石内部微裂纹形成、扩展和贯通全过程试验。
进一步地，所述的超声波测试系统Q包括超声波测试系统69、超声波发射探头70、超声波发射探头承压保护压头71、超声波发射探头压紧弹簧72、超声波接收探头73、超声波接收探头承压保护压头74、超声波接收探头压紧弹簧75和超声波信号导线76；
岩石试样34上端设置所述超声波发射探头承压保护压头71、下端设置超声波接收探头承压保护压头74；
所述超声波发射探头承压保护压头71上设有超声波发射探头压紧弹簧72；下端设置超声波接收探头承压保护压头74上设有超声波接收探头压紧弹簧75；
超声波发射探头70通过超声波发射探头压紧弹簧72安装在超声波发射探头承压保护压头71上；
超声波接收探头73通过超声波接收探头压紧弹簧75安装在超声波接收探头承压保护压头74上；
超声波发射探头70和超声波接收探头73分别通过超声波信号导线76与超声波测试系统69连接(如图11所示)；实现超声波-温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、流变试验，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石内部微裂纹形成、扩展和贯通全过程试验。
进一步地，所述的声发射测试系统S包括声发射探头66、声发射信号导线67和声发射测试系统68；
所述声发射探头66设置在岩石试样34侧壁上；
所述声发射探头66通过声发射信号导线67与声发射测试系统68连接；
所述声发射探头66有多个(如图9、图10所示)；实现声发射-温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合试验和轴向和水平向动力加载试验，同时可进行高温高压剪切渗流测试、超声波测试、声发射测试、流变试验，实现THMC多场耦合试验过程中的岩石内部微裂纹形成、扩展和贯通全过程试验。
实施例
现以本发明应用于某岩石的测试为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其他岩石的测试同样具有指导作用。
实施例1：常规三轴压缩试验
本实施例对岩石试样进行常规三轴压缩试验，具体试验操作步骤如下：
步骤1：将围压室5提起，把圆形岩石试样34(常规三轴是圆柱状试样，侧向压力是采用油压加载)放在试样底座垫块29上，将试样外部套上试样热缩套管39，上部放置试样上端垫块31，在试样热缩套管39上下端安装试样上端紧固圈40和试样下端紧固圈41，然后整体放置在围压室底座28上；
步骤2：安装左侧位移传感器43、右侧位移传感器44和轴向位移传感器45，组成位移测量系统；
步骤3：将围压室5套在围压室底座28外面，盖上围压室上端盖板15，放置轴向静力加载油缸12，安装围压室紧固螺栓7；
步骤4：打开围压室排气孔6，通过围压室充油孔35进行充油，当把围压室内的空气排净后，关闭围压室排气孔6，继续通过围压室充油孔35充油进行围压加载；
步骤5：通过轴向静力加载油缸充油孔11注入液压油，使轴向加载杆8向下移动，通过轴向静力加载压力传感器15作用在试样上端垫块32上，实现轴向静力加载；
步骤6：结合应力测量系统和位移测量系统进行应力和位移的测量，记录试验数据，完成常规三轴压缩试验(如图1所示)。保压时间达30天以上(具体试验时间可根据需求自由设置)，完成常规三轴流变试验。
实施例2：真三轴压缩试验
本实施例对岩石试样进行真三轴压缩试验，具体试验操作步骤如下：
步骤1：将围压室5提起，把方形岩石试样34(真三轴试验是方柱状试样，侧向压力分别采用刚性加载和液压油柔性加载)放在试样底座垫块29上，在方形岩石试样34左右两侧分别放置试样左侧垫块30和试样右侧垫块33，在试样左侧垫块30的左侧放置围压室左侧钢垫块4并同时在底部放置左侧弹簧26，在试样右侧垫块33下方放置下端弹簧25，试样右侧垫块33右侧放置围压室右侧钢垫块32；
步骤2：安装左侧位移传感器43、右侧位移传感器44和轴向位移传感器45，组成位移测量系统；
步骤3：将围压室5套在围压室底座28外面，盖上围压室上端盖板14，放置轴向静力加载油缸12，安装围压室紧固螺栓7；
步骤4：通过水平静力加载油缸紧固螺栓22将水平静力加载油缸21安装在围压室5的右侧；
步骤5：打开围压室排气孔6，通过围压室充油孔35进行充油，当把围压室内的空气排净后，关闭围压室排气孔6，继续通过围压室充油孔35充油进行围压加载；
步骤6：通过轴向静力加载油缸充油孔11注入液压油，使轴向加载杆8向下移动，通过轴向静力加载压力传感器作用在试样上端垫块32上，实现轴向静力加载；
步骤7：通过水平加载油缸充油孔20注入液压油，使水平向加载杆19向右侧移动，通过水平向动力加载压力传感器18作用在试样右侧垫块33上，实现横向静力加载；
步骤8：结合应力测量系统和位移测量系统进行应力和位移的测量，记录试验数据，完成真三轴压缩试验。保压时间达30天以上(具体试验时间可根据需求自由设置)，完成真三轴流变试验(如图1所示)。
实施例3：真常三轴动力冲击试验测试
本实施例对岩石试样进行真/常三轴动力冲击试验测试，具体试验操作步骤如下：
步骤1：常规三轴动力冲击测试试样安装步骤参照实施例1中的步骤1～3；
步骤2：将轴向动力加载装置9通过轴向动力加载压力传感器10作用在轴向加载杆8上，动态加载力为0～500kN，频率为0～10Hz，振幅为0.5mm，实现常规三轴动力冲击测试；
步骤3：真三轴动力冲击测试试样安装步骤参照实施例2中的步骤1-5；
步骤4：将轴向动力加载装置9通过轴向动力加载压力传感器10作用在轴向加载杆8上，动态加载力为0～500kN，频率为0～10Hz，振幅为0.5mm，实现真三轴轴向动力冲击测试；
步骤5：将水平动力加载装置17通过水平向动力加载压力传感器18作用在水平向加载杆19上，动态加载力为0～500kN，频率为0～10Hz，振幅为0.5mm，实现真三轴水平向动力冲击测试；
步骤6：根据试验需求，选择真三轴轴向动力冲击试验、真三轴水平向动力冲击试验或同时进行真三轴轴向和水平向动力冲击试验(如图1所示)。
实施例4：真常三轴剪切渗流耦合试验
本实施例对岩石试样进行真/常三轴剪切渗流耦合试验，具体试验操作步骤如下：
步骤1：常规三轴剪切渗流耦合试验试样安装步骤参照实施例1中的步骤1～3，其中岩石试样34的上下端安装上部半圆形橡胶垫37和下部半圆形橡胶垫38，通过下端液体(气体)渗流管路24和上端液体(气体)渗流管路27连接渗流控制系统63或氮气瓶59；
步骤2：做气体渗透试验时，打开气瓶开关阀门58和气瓶口截止阀57，观测气体压力表54和气体流量表55，记录其数值，通过调节进气口截止阀56至试验目标压力，通过调节排气口截止阀53观测排气口位置处的气体压力表54和气体流量表55，直至试验需求的目标压力，轴向压力和围压加载过程与实施例1中常规压缩试验一致，记录加载过程中的应力、位移、渗流的试验数据，完成常规三轴剪切气体渗透耦合试验；
步骤3：做液体渗流试验时，打开上游液体截止阀62和下游液体截止阀65，通过渗流控制系统63调节渗透压力和流量，并在液体压力表60和液体流量表61上显示数值，通过液体收集容器54收集排除的液体，液体可以是水或其它化学溶液(如盐酸溶液、硫酸溶液、氯化钠等盐溶液)，轴向压力和围压加载过程与实施例1中常规压缩试验一致，记录加载过程中的应力、位移、渗流的试验数据，实现常规三轴剪切液体渗流或化学腐蚀多场耦合试验；其中，化学腐蚀是通过液体渗透实现的，渗透的液体根据实验需要选用水、酸、碱、盐溶液；
步骤4：真三轴剪切渗流耦合试验，气体渗透和液体渗流与步骤2和3一致，加载系统和测量装置参照实施例2，完成真三轴剪切气体渗透、液体渗流或化学腐蚀多场耦合试验(如图1、图3、图4、图7、图8所示)。
实施例5：不同温度下的动静真常三轴多场耦合试验
本实施例对岩石试样进行不同温度下的动静真/常三轴多场耦合试验，具体试验操作步骤如下：
步骤1：常规三轴动力冲击测试试样安装步骤参照实施例1中的步骤1～3；
真三轴动力冲击测试试样安装步骤参照实施例2中的步骤1-5；
步骤2：将加热套42布置在围压室5的外侧，通过导线连接温度控制仪47，通过温度控制仪电源开关49打开温度控制仪47，通过升高温度设定按钮50设定温度升高和降低温度设定按钮48设定温度降低，设定的温度在设定温度显示屏51上显示，通过温度传感器获取实际温度在实际温度显示屏52上显示；
步骤3：参照实施例1、2、3，实现不同温度下动静真常三轴多场耦合试验(如图1、图2、图3、图4所示)。
实施例6：动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验过程中的声发射测试
本实施例对岩石试样进行动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验过程中的声发射测试，具体试验操作步骤如下：
步骤1：将8个声发射探头66分别布置在岩石试样34的两侧，通过声发射信号导线67连接声发射测试系统68；通过声发射测试系统68控制声发射过程并获取声发射测试数据；
步骤2：参照实施例1、2、3、4、5，完成动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验过程中的声发射测试(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示)。
实施例7：动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验过程中的超声波测试
本实施例对岩石试样进行动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验过程中的超声波测试，具体试验操作步骤如下：
步骤1：将超声波发射探头70通过超声波发射探头压紧弹簧72布置在超声波发射探头承压保护压头71的内部，通过导线76连接超声波测试系统69；
步骤2：将超声波接收探头73通过超声波接收探头压紧弹簧75布置在超声波接收探头承压保护压头74的内部，通过导线76连接超声波测试系统69；通过超声波测试系统69控制超声波测试过程并获取超声波测试数据；
步骤3：参照实施例1、2、3、4、5，完成动静真常三轴剪切流变THMC多场耦合试验过程中的超声波测试(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示)。
本发明所述的试验装置可进行常规三轴压缩试验和/或真三轴压缩试验和/或真常三轴压缩试验和/或真常三轴压缩动力冲击试验和/或真常三轴压缩剪切试验和/或气体渗透试验和/或液体渗流试验和/或化学腐蚀试验和/或温度试验和/或超声波和声发射测试试验等多场耦合测试；本发明是一种多功能多场耦合试验装置，本发明可以单独完成实施例1～7中任何一种，也可以完成实施例1～7中任意组合的多组试验。本发明能实现岩石动载、静载、剪切、流变、温度、渗流、化学等多场耦合试验测试，完善现有岩石力学试验测试技术的功能，满足日益复杂的工程地质条件的力学试验，提高测试效率及精度。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
Figure GDA0003308610950000161
由上表可知，本发明所述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置与现有技术相比，本发发明可进行常规三轴压缩试验和/或真三轴压缩试验和/或真常三轴压缩试验和/或真常三轴压缩动力冲击试验和/或真常三轴压缩剪切试验和/或气体渗透试验和/或液体渗流试验和/或化学腐蚀试验和/或温度试验和/或超声波和声发射测试试验等多场耦合测试。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (6)

1.岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，其特征在于：包括静力加载主体结构(R)、静力加载系统(A)、动力加载系统(B)、应力测量系统(P)、位移测量系统(D)、渗流测量系统(E)、温度测试系统(F)、超声波测试系统(Q)和声发射测试系统(S)；
所述静力加载主体结构(R)包括围压室(5)、围压室底座(28)、围压室上端盖板(14)、轴向加载静力油缸(12)和水平静力加载油缸(21)；所述围压室(5)上端设置围压室上端盖板(14)、下端设置围压室底座(28)；所述轴向加载静力油缸(12)设置在围压室(5)上方；所述水平静力加载油缸(21)设置在围压室(5)侧壁上；
所述静力加载系统(A)、动力加载系统(B)、应力测量系统(P)、位移测量系统(D)、渗流测量系统(E)、温度测试系统(F)、超声波测试系统(Q)和声发射测试系统(S)均设置在所述静力加载主体结构(R)上；
所述的静力加载系统(A)包括轴向加载杆(8)、轴向静力加载油缸充油孔(11)、轴向静力加载油缸(12)、轴向静力卸载油缸充油孔(13)、轴向静力加载压力传感器(15)、水平向静力加载压力传感器(16)、水平向加载杆(19)、水平加载油缸充油孔(20)、水平静力加载油缸(21)和水平静力卸载充油孔(23)；所述轴向加载杆(8)与轴向静力加载油缸(12)滑动连接；所述水平向加载杆(19)与水平静力加载油缸(21)滑动连接；围压室左侧钢垫块(4)、围压室右侧钢垫块(32)均位于围压室底座(28)上；
围压室左侧钢垫块(4)底部放置左侧弹簧(26)；岩石试样(34)位于围压室(5)内；试样底座垫块(29)位于岩石试样(34)与围压室底座(28)之间；试样左侧垫块(30)位于试样底座垫块(29)上；试样上端垫块(31)位于试样左侧垫块(30)侧壁上端；下端弹簧(25)位于围压室底座(28)上方；岩石试样设置在试样底座垫块、围压室底座、试样左侧垫块、试样上端垫块、左侧弹簧和下端弹簧围成的空间内；
所述的位移测量系统(D)包括左侧位移传感器(43)、右侧位移传感器(44)和轴向位移传感器(45)；所述左侧位移传感器(43)和右侧位移传感器(44)对称安装在围压室底座(28)上；轴向位移传感器(45)安装在围压室底座(28)上；
所述的动力加载系统(B)位于静力加载主体结构(R)外周、且与静力加载系统(A)连接；所述的动力加载系统(B)包括反力框架(2)、水平左侧加载装置(3)、轴向动力加载装置(9)、轴向动力加载压力传感器(10)、水平向动力加载装置(17)和水平向动力加载压力传感器(18)；轴向加载杆(8)与轴向动力加载装置(9)连接；所述水平左侧加载装置(3)、水平向动力加载装置(17)对向位于反力框架(2)侧壁上。
2.根据权利要求1所述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，其特征在于：所述的应力测量系统(P)包括水平左侧压力传感器(1)、轴向动力加载压力传感器(10)、轴向静力加载压力传感器(15)、水平向静力加载压力传感器(16)、水平向动力加载压力传感器(18)；
水平左侧压力传感器(1)与水平左侧加载装置(3)连接；所述轴向动力加载压力传感器(10)连接在轴向动力加载装置(9)上；所述水平向动力加载压力传感器(18)连接在水平向动力加载装置(17)上。
3.根据权利要求2所 述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，其特征在于：所述的渗流测量系统(E)包括气体渗透系统(EQ)和液体渗流系统(EL)；
气体渗透系统(EQ)包括下端液体/气体渗流管路(24)、上端液体/气体渗流管路(27)、排气口截止阀(53)、气体压力表(54)、气体流量表(55)、进气口截止阀(56)、气瓶口截止阀(57)、气瓶开关阀门(58)和氮气瓶(59)；
液体渗流系统(EL)包括下端液体/气体渗流管路(24)、上端液体/气体渗流管路(27)、液体压力表(60)、液体流量表(61)、上游液体截止阀(62)、渗流控制系统(63)、液体收集容器(64)和下游液体截止阀(65)；
所述下端液体/气体渗流管路(24)一端向上伸出试样上端垫块(31)、另一端呈90°折弯后从围压室底座(28)侧壁下端伸出；上端液体/气体渗流管路(27)一端从试样上端垫块(31)侧壁伸入、从试样上端垫块(31)内侧壁伸出，另一端呈90°折弯后从围压室底座(28)侧壁下端伸出；
在气体渗透系统(EQ)中，所述下端液体/气体渗流管路(24)与氮气瓶(59)之间的连接管路上依次设有进气口截止阀(56)、气体压力表(54)、气体流量表(55)和气瓶口截止阀(57)；氮气瓶(59)上设有气瓶开关阀门(58)；上端液体/气体渗流管路(27)与气体收集装置之间的连通管路上依次设有气体流量表(55)、气体压力表(54)和排气口截止阀(53)；
在液体渗流系统(EL)中，所述下端液体/气体渗流管路(24)与渗流控制系统(63)之间的连接管路上依次设有上游液体截止阀(62)、液体压力表(60)和液体流量表(61)；上端液体/气体渗流管路(27)与液体收集容器(64)之间的连通管路上依次设有液体流量表(61)、体压力表(60)和下游液体截止阀(65)。
4.根据权利要求3所述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，其特征在于：所述的温度测试系统(F)包括加热套(42)、紧急停止按钮(46)、温度控制仪(47)、降低温度设置按钮(48)、电源开关(49)、升高温度设定按钮(50)、设定温度显示屏(51)和实际温度显示屏(52)；所述加热套(42)设置在围压室(5)外周；所述加热套(42)与温度控制仪(47)连接。
5.根据权利要求4所述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，其特征在于：所述的超声波测试系统(Q)包括超声波测试系统(69)、超声波发射探头(70)、超声波发射探头承压保护压头(71)、超声波发射探头压紧弹簧(72)、超声波接收探头(73)、超声波接收探头承压保护压头(74)、超声波接收探头压紧弹簧(75)和超声波信号导线(76)；
岩石试样(34)上端设置所述超声波发射探头承压保护压头(71)、下端设置超声波接收探头承压保护压头(74)；超声波发射探头(70)通过超声波发射探头压紧弹簧(72)安装在超声波发射探头承压保护压头(71)上；超声波接收探头(73)通过超声波接收探头压紧弹簧(75)安装在超声波接收探头承压保护压头(74)上；超声波发射探头(70)和超声波接收探头(73)分别通过超声波信号导线(76)与超声波测试系统(69)连接。
6.根据权利要求5所述的岩石动静真/常三轴剪切流变THMC多场耦合试验装置，其特征在于：所述的声发射测试系统(S)包括声发射探头(66)、声发射信号导线(67)和声发射测试系统(68)；所述声发射探头(66)设置在岩石试样(34)侧壁上；所述声发射探头(66)通过声发射信号导线(67)与声发射测试系统(68)连接；所述声发射探头(66)有多个。
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