[发明专利]温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土体多场耦合作用下的稳定性研究领域，尤其涉及一种适用于岩土体温度—渗流—应力多物理场耦合模拟试验系统及其使用方法。

背景技术

由于国内并未形成了复杂岩土体多场广义耦合理论和数值分析方法去研究岩土体多场耦合状态下的物理力学特性，以解决工程岩土体稳定性等问题。已进行的研究工作多是集中于岩土体三场耦合数学模型的理论和数值模拟方面，相关试验研究却很少。

本试验系统的研制不仅可为THM三场耦合理论研究和数值模拟提供试验上的支持和指导，也可为地下洞室稳定性分析及地热能的有效利用提供有效的试验手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种温度渗流应力(THM)耦合模拟试验系统及其使用方法，本试验系统以地下洞室周围岩土体为研究对象，通过建立温度—渗流—应力多物理场耦合模拟试验系统，切实模拟地下洞室开挖的工况和岩土体赋存的地质环境。试验步骤切实的反映地下洞室开挖过程、渗流场、和硐室中贮存放射性核废物衰变散热或地热能利用过程产生的循环温度荷载对围岩的影响过程。通过逐步深化研究力学卸载过程对岩土力学性能和水力特性的影响，以及温度荷载对硐室周围岩土体损伤演化规律、渗透性能和热传导性的影响，揭示应力场和渗流场(HM)、应力场和温度场(TM)、渗流场和温度场(TH)之间的相互作用和相互影响情况。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种温度渗流应力耦合模拟试验系统，所述模拟试验系统包括监控主机、三轴压力试验主机、GDS压力—体积控制仪组和热泵控制循环系统；

所述三轴压力试验主机包括铝制中空厚壁圆柱腔体、土工织物和胶套层、岩土体试样、中心油压通道、LVDT竖向位移计；

所述GDS压力—体积控制仪组包括中心油压控制仪、外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪；所述中心油压控制仪用于控制中心油压回路，所述外围油压控制仪用于控制外围油压回路，所述外部水压控制仪用于控制外部水压回路，所述内部水压控制仪用于控制内部水压回路；

所述外围油压回路的两端分别连接铝制中空厚壁圆柱腔体与岩土体试样之间空间的上端和下端，用于对所述岩土体试样施加外部围压；

所述三轴压力试验主机内部有内部排水路径与外部排水路径，是通过所述土工织物和胶套层包裹岩土体试样形成，位于所述土工织物和胶套层上方设有内部水压入口与外部水压入口，底部设有内部水压出口与外部水压出口，所述内部水压回路一端连接内部水压入口，一端连接内部水压出口；所述外部水压回路一端连接外部水压入口，一端连接外部水压出口；通过所述内部水压回路与所述外部水压回路调节所述岩土体试样周围的应力与压强以及用于计算渗透系数；

所述热泵控制循环系统包括控制阀门Ⅰ、控制阀门Ⅱ、控制阀门Ⅲ、控制阀门Ⅳ、油泵、恒温控制仪；

所述中心油压通道环绕在所述土工织物和胶套层周围，所述中心油压通道上端的注油口分别连接所述控制阀门Ⅳ和所述控制阀门Ⅲ一端，所述控制阀门Ⅲ另一端依次连接所述恒温控制仪、所述油泵和所述控制阀门Ⅰ，所述控制阀门Ⅰ分别连接所述所述中心油压通道下端的出油口和中心油压回路一端，所述中心油压回路另一端连接中心油压控制仪后连接到所述控制阀门Ⅳ另一端；

所述中心油压控制仪、外围油压控制仪、外部水压控制仪、内部水压控制仪分别包括加压装置、螺旋导管、压力控制显示器；

所述LVDT竖向位移计用于测量岩土体试样的竖向变形量；

所述三轴压力试验主机由所述监控主机17控制，通过X-ray扫描技术对所述岩土体试样3进行扫描来观测岩土体试样的损伤；

还包括数据采集仪，用于采集岩土体试样3中的力学参数、水力参数、温度参数。

一种温度渗流应力耦合模拟试验方法，应用于上述的一种温度渗流应力耦合模拟试验系统，包括以下步骤：

1)将岩土体试样放入温度渗流应力耦合模拟试验系统，并恢复其原位应力状态后进行扫描；

2)调节内部水压控制仪，计算初始渗透系数；

3)调节中心油压控制仪，破坏岩土体试样原有的力学平衡，使其产生变形并对其扫描；

4)调节外围油压控制仪与中心油压控制仪，计算渗透系数；

5)对岩土体试样进行施加温度荷载，再次计算渗流系数；

6)对进行加热和制冷处理的岩土体试样进行第三次扫描；

7)根据三次扫描与计算的三次渗透系数分析结果。

优选的，所述步骤1)中恢复岩土体试样原位应力时：