[发明专利]一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法

说明书

一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法，其特征在于，包括真三轴双腔压力室(1)、轴向加载系统(2)、围压/反压加载系统(3)、温度控制系统(4)、渗透控制系统(5)、气体加载系统(6)、弯曲元试验系统(7)和计算机(8)，可通过对应力场和渗流场控制，模拟研究岩土体中渗流的各向异性；在温度场、渗流场和应力场作用下，模拟环境因素对冻结核或者冻土试样的影响；在温度场和应力场作用下，研究非饱和冻土的物理力学性能；多场耦合条件下，模拟天然水合物的生成和分解研究沉积物的物理和地球性能变化，以及沉积物中水合物气体和地下水间的相互驱替作用；模拟研究多场耦合条件下非饱和土的物理力学性能。

技术领域

本发明涉及一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法，尤其涉及一种多场耦合作用下进行复杂工况室内试验研究的测试方法，为工程实际应用和理论研究提供理论基础和试验依据。

背景技术

目前，在岩土体材料的多场耦合试验研究中，多存在以下弊端：

一、试验系统多采用常规三轴仪作为依托设备，对试样进行应力控制和应变控制，但是在试验过程中常规三轴仪所提供的水平加载为等应力加载，即中主应力σ₂等于小主应力σ₃，而不能对复杂工况情况进行模拟，限制了试验中应力状态的加载控制；

二、由于土体结构的各向异性，土体在受力变形过程中各向的物理性能指标各不相同，特别是土体的各向渗透特性，通常在室内渗流场试验中，现有试验设备多为在竖直方向进行渗透压力和渗透流量的单一方向渗透加载控制，基于此，渗透性能的各向差异性测试则主要是通过对制作得到的垂直试样和水平试样进行渗透加载而得以区分，由此得到的竖向渗透系数和水平向渗透系数往往由于偏离工程实际和忽略多向渗透的相互作用，而降低了试验结果的精确性和合理性；

三、在室内试验的温度场控制中，现有试验设备多采用电阻丝或者循环水浴系统进行温度控制，并利用保温材料对设备和外界环境进行隔热保温处理，由于电阻丝等加热设备的控制精度问题和保温材料自身的局限性，往往会表现出试验温度控制精度低和试验环境呈现温度梯度现象，影响试验温度场控制的准确性和有效性；

四、在新能源的开发与应用研究中，由于新能源的储存方式和开发需要，需对新能源储存介质——岩土体材料进行一系列的试验研究，但是由于新能源的化学性、与岩土体介质和地下水间的多相流作用及其特殊的储存方式等特点，而在现有室内试验设备中很难找到一种能够满足含有新能源的岩土介质的测试系统。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提出一种多场耦合真三轴测试系统，实现在温度场、化学场、渗流场和应力场等多场条件下岩土材料复杂工况的真三轴试验测试，并提出利用本发明进行相关试验的试验测试方法。

本发明的主要目的是实现以下试验方法，为工程实际建设和理论研究提供有力的理论基础和试验依据：

A、应力场和渗流场耦合作用下，模拟研究水、气体和化学溶液等流体介质在岩土体中渗流的各向异性；

结合工程实际工况，对岩土试样施加三维应力状态，考虑岩土体的水平向渗透和竖向渗透的差异性，对岩土体进行水平向渗透、竖向渗透单一试验研究和多向试验研究，探索试验条件下岩土材料的强度、渗透性等物理力学性能变化，典型工程为：高心墙土石坝、河堤、地下新能源储存库和垃圾填埋场等。

B、温度场、渗流场和应力场共同作用下，模拟研究冻结核/冻土在工程应用中受到外界环境因素的影响；

在恒定温度条件下，通过对试样局部区域进行快速冻结，形成带有冻结核的复合岩土试样，对复合岩土试样进行多向渗流加载和多向应力加载，改变试样环境温度，研究复合岩土试样的渗透特性和抗剪特性等物理力学性能变化，典型工程：路基冻结核填料、冻土层作为隔水心墙的坝体工程、冻土作为天然水合物的冷藏仓库等；

C、应力场作用下，通过对试样吸力进行控制模拟研究水-热-力耦合下非饱和正冻土的物理力学性质的变化；