一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置及试验方法

本发明涉及岩土、岩石力学真三轴测试领域，尤其是一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置及试验方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、近年来，随着工程建设科技和技术的不断发展，填海造陆、油气开发、岛屿保护、地热资源开发等成为了国家重大发展战略，越来越多的复杂工程开始向西部山区和东部海下迈进。然而由于山区和海底地质条件极具复杂性，以及目前对工程所处地质环境的稳定性研究不够完备，同时越来越多的诸如混凝土等工程结构将在高温、海水侵蚀等极端环境下工作，使得工程设施安全性经常受到威胁。

3、真三轴试验是指试样在三向应力状态下，测定和研究试样变形和强度特性的一种典型试验。真三轴试验在岩土工程、采矿工程、地热资源开发等领域显示出了广泛的应用价值，并且在应用中有了迅速的发展。特别是在岩土工程领域，真三轴试验机承担着隧道围岩强度、边坡稳定性、地震效应等方面的研究重任。

4、目前国内外涉及到水、力、热、化多场耦合的试验在试样所处的液体环境模拟上无法真实模拟具有腐蚀性液体的环境，而且现有的真三轴试验装置在加热方式上难以实现较为精准的温度控制(包括高温和低温)，除此之外在装置设计上难以处理由于温度变化而对加载装置功率产生的影响，现有装置难以实现多场耦合的三轴疲劳试验。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，不仅可以完成对试样的三向静、动荷载加载，还可以精确控制试样温度，并真实模拟试样所处的液体环境。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，包括：

4、框架，框架内部中空设置；

5、试样加载仓，试样加载仓内设置试样，试样加载仓顶部设置进水孔,底部设置排水孔；

6、荷载加载机构，通过框架支撑，荷载加载机构包括多个施力部件，各施力部件分别通过加载板作用于试样加载仓的多个方向，部分加载板设置加热部件；

7、混合加压机构，混合加压机构位于框架内侧，混合加压机构与试样加载仓顶部的进水孔可连通，混合加压机构位于竖向施力部件的上方，混合加压机构实现水与腐蚀性液体的混合，混合后的液体通过竖向施力部件、进水孔进入试样加载仓；

8、控制部件，施力部件、加热部件、混合加压机构分别与控制部件单独连接。

9、如上所述的多轴试验装置，试样加载仓内设置试样，荷载加载机构的施力部件通过加载板向试样加载仓的各个方向加载，混合加压机构能够实现水与腐蚀性液体的混合，并通过竖向施力部件和试样仓顶部的进水孔进入试样加载仓，从而实现腐蚀性液体的环境的模拟，实现相关试验；而且部分加载板设置加热部件，通过控制部件对加热部件的温度进行控制，实现试验过程中对温度的控制。

10、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，所述混合加压机构为压力式比例混合机构，混合加压机构设置腐蚀性液体注入管和注水管，腐蚀性液体注入管和注水管分别设置开关、流量计和压力计；

11、开关、流量计和压力计均与混合加压控制器连接，混合加压控制器与所述控制部件连接，控制部件控制混合加压控制器的开启或关闭，混合加压控制器负责接收流量计和压力计发送的流量和压力信息，并控制开关的开启或关闭。

12、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，所述施力部件为千斤顶，多个千斤顶作用于所述试样加载仓的x、y和z方向，实现真三轴试验，能够对试样进行三个方向应力的施加。

13、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，位于z方向的千斤顶分别为第一z向千斤顶和第二z向千斤顶，第一z向千斤顶在试样加载仓的上方，第二z向千斤顶在试样加载仓的下方；

14、第一z向千斤顶包括第一端板，第一端板与第一仓体固连，第一仓体内设置第一传动杆，第一仓体内可通入液体或气体，第一端板、第一传动杆内设置试样注水通道，试样注水通道贯通第一传动杆，第一传动杆远离第一端板的一端通过第一压板与第一加载板接触，第一压板设置第一走水孔，第一加载板设置注水孔，试样注水通道、第一走水孔与注水孔相通，这样使得混合液体能够通过试样注水通道、第一走水孔和注水孔进入到试样加载仓内。

15、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，所述第二z向千斤顶包括第二端板，第二端板与第二仓体固连，第二仓体内设置第二传动杆，第二仓体内可通入液体或气体，第二端板、第二传动杆内设置试样排水通道，试样排水通道贯通第二传动杆，第二传动杆远离第二端板的一端通过第二压板与第二加载板接触，第二压板设置第二走水孔，第二加载板设置透水孔，试样排水通道、第二走水孔与透水孔相通，试验结束后，试样加载仓内的混合液体通过透水孔、第二走水孔和试样排水通道流出。

16、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，位于试样加载仓水平方向的所述加载板为第三加载板，第三加载板均设置所述的加热部件；

17、第三加载板设置多段依次连接的s型管道以通入冷却液或冷却气体，s型管道包括依次连接的第一直管、第一弯管、第二直管和第二弯管，加热部件布设于第一直管、第二直管的侧部，冷却液或冷却气体通入s型管道内用于对试样加载仓进行降温，加热部件用于试样加载仓进行升温；

18、第一段s型管道与入口管连接，入口管设置开关，开关与所述的控制部件连接。

19、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，各所述施力部件分别包括传动杆，各传动杆分别设置位移传感器，位移传感器与所述控制部件连接，通过位移传感器的设置，可实现对施力部件位移的准确控制；

20、所述框架支撑竖向移动反力支架，竖向移动反力支架相对于框架可实现竖向移动，水平移动反力板相对于竖向移动反力支架可水平移动，水水平方向的所述施力部件一端与水平移动反力板相抵。

21、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，所述第一加载板与所述第二加载板分别设置温度传感器，温度传感器与所述控制部件连接，温度传感器用于获取试样加载仓处的温度，配合s型管道、加热部件的设置，由控制部件实现对试样加载仓温度的精准控制。

22、如上所述的一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置，所述第二z向千斤顶的下方设置排水箱，所述第二端板与排水箱的顶部接触，排水箱顶部设置排水口，排水口与所述试样排水通道相通，排水箱的底侧设置排水管，排水管设置排水开关，排水开关与所述控制部件连接，排水箱起到支撑第二z向千斤顶的作用并向第二z向千斤顶提供反作用力，试验结束后混合液体通过第二z向千斤顶流向排水箱，实现混合液体的排出。

23、第二方面，本发明还提供了一种水-力-热-化多场耦合的多轴试验装置的试验方法，包括如下内容：

24、制备试样；

25、将试样置入试样加载仓内；

26、调整施力部件，使得施力部件与对应方向的加载板接触，加载板位于试样加载仓的外侧面；

27、向混合加压机构内通入水和腐蚀性液体形成混合液体；

28、混合液体通过竖向施力部件、试样加载仓顶部的进水孔进入试样加载仓；

29、控制部件控制加热部件的开启或断开，使得试样加载仓内的温度达到设定值；

30、荷载加载机构中水平方向施力部件开始加载，竖向方向施力部件开始加载，增大轴向压力直至试样压坏；

31、通过试样加载仓底部的排水孔排出液体，液体排出后，先卸载轴向压力，在卸载水平压力时，打开试样加载仓取出试样。

32、上述本发明的有益效果如下：

33、1)本发明通过多轴试验装置的提供，试样加载仓内设置试样，荷载加载机构的施力部件通过加载板向试样加载仓的各个方向加载，混合加压机构能够实现水与腐蚀性液体的混合，并通过竖向施力部件和试样仓顶部的进水孔进入试样加载仓，从而实现腐蚀性液体的环境的模拟，实现相关试验；而且部分加载板设置加热部件，通过控制部件对加热部件的温度进行控制，实现试验过程中对温度的控制。

34、2)本发明通过第一z向千斤顶、第二z向千斤顶的设置，两处z向千斤顶不仅可以实现对试样加载仓竖向方向的加载，第一传动杆内设置试样注水通道，第二传动杆内设置试样排水通道，由此两千斤顶还可以实现液体的流动，混合液体通过第一z向千斤顶流向试样加载仓，试验结束后再通过第二z向千斤顶流出，保证整体实现有水有腐蚀性液体的顺利进行，真正实现水-力-热-化多长耦合试验。

35、3)本发明通过第三加载板设置s型管道，冷却液或冷却气体通入s型管道内用于对试样加载仓进行降温，加热部件用于试样加载仓进行升温；温度传感器用于获取试样加载仓处的温度，配合s型管道、加热部件的设置，由控制部件实现对试样加载仓温度的精准控制；而且通过温度传感器的设置，由控制器根据温度传感器实现对加热部件的开启，或者冷却液或冷却气体的通断，可调节施力部件即千斤顶因前端接触高温/低温加载板而产生的较大温度变化，防止施力部件后端工作部位过冷或过热，进而减小温度变化对荷载加载机构功率的影响。

36、4)本发明第三加载板设置s型管道，通过s型管道的入口管可通入冷却液或冷却气体，以控制试验加载仓的温度范围，从而在对应温度状态下进行加载试验，实现在设定温度范围下的加载试验。

37、5)本发明通过竖向移动反力支架的设置，可带动水平移动反力板实现竖直方向的移动，水平移动反力板可相对于竖向移动支架实现水平方向的移动，由此可根据试样加载仓的位置来调整水平移动反力板和竖向移动反力支架的位置，使得水平移动反力板和第三加载板能够对准试样，保证试验的精度。