尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置及实验方法与流程

1.本发明涉及土工试验技术领域，尤其涉及尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置及实验方法。


背景技术：

2.随着国民经济的飞速发展，土木工程的规模日益增大，工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定是许多工程学科面临的共同问题。据统计,90％以上的岩石边坡破坏与地下水渗透力有关,60％的矿井事故与地下水的作用有关,30％-40％的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。可见，裂隙岩体渗流与应力耦合分析是岩体力学界一个很有意义但又十分复杂的课题，近年来，岩体渗流与应力耦合作用研究已成为岩体力学领域的热点之一。
3.尾矿库主要是矿石选别后排出的工业废渣或石块等，以此修筑呈的用来拦截谷口或围地的大坝，长时间的堆放会储蓄大量的水体，但由于其岩体之间容易产生渗流，导致尾矿库极不稳定，容易发生人造泥石流甚至存在溃坝的危险，故需要测量这种拦水坝的坝体的渗流和应力耦合情况。
4.现有技术中，对于岩体的渗流实验主要是采用圆柱形试件，直接对其进行三个轴向的机械施压和水压压入，随后根据计算机采集并形成试件的受力变形和压溃数据图，多忽略了真实岩体在自然界中，温度对水体和试件材质性能间的耦合影响，容易造成试件实验数据相较于现场岩体的真实数据偏差较大，因此，研制渗流、温度和三轴应力耦合实验装置并进行三场耦合实验的研究是必要的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中实验类型单一，导致试件数据与真实数据偏差较大的缺陷，而提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置及实验方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置，包括试验箱，所述试验箱内设置有工作腔，还包括：滑动设置在所述工作腔内的主推杆，所述主推杆设有四组且处于同一平面；转动设置在所述试验箱上的箱门，其中，所述箱门上滑动设置有辅助推杆，所述主推杆和辅助推杆上均设置有供液管；固定设置在所述试验箱顶部的工作箱，其中，所述工作箱内由右至左依次设置有动力腔、供液腔、增压腔和处理腔，所述供液腔通过增压组件与增压腔相连通，所述增压腔与处理腔之间通过稳压器相连通，所述动力腔内设有与增压组件相配合的驱动部；设置在所述处理腔内的调节盒，其中，所述调节盒与稳压器相连通，所述调节盒内设置有温控组件，所述调节盒通过分流器与供液管相连通。
8.为了提升试件受力的均衡和同步性，优选地，还包括：气缸二，所述试验箱内设置有安装腔，所述气缸二固定设置在所述安装腔内，其中，所述气缸二的输出端设置有十字形通道，所述十字形通道内滑动设置有柱塞，所述柱塞通过延伸板与所述主推杆相连；固定设
置在所述箱门上的气缸一，所述辅助推杆固定设置在所述气缸一的输出端。
9.为了保证供应水压的持续稳定，优选地，所述增压组件包括：两组调节杆，所述工作箱内开设有导向槽，所述调节杆滑动设置在所述导向槽内，其中，所述调节杆内开设有导流腔，所述导流腔的两端分别与供液腔和导向槽相连通，所述导向槽远离调节杆的一端与增压腔相连通；设置在所述导流腔内的球阀一，其中，所述导流腔内设置有弹簧一，所述弹簧一的两端分别与导流腔和球阀一固定连接，当所述调节杆滑动时，所述弹簧一被拉伸或压缩；球阀二，设置在所述导向槽的一端，其中，所述增压腔内设置有弹簧二，所述弹簧二的两端分别与增压腔和球阀二固定连接，当所述调节杆滑动时，所述弹簧二被拉伸或压缩。
10.为了保证水压的持续供给，进一步地，所述驱动部包括：固定设置在所述动力腔内的电机，其中，所述电机的输出端设置有凸轮轴，所述凸轮轴转动设置在供液腔内；转动设置在所述凸轮轴上的转环，其中，所述转环上固定设置有球铰座，所述调节杆的一端固定设置有连接杆，所述连接杆上固定设置有与球铰座相配合的球体。
11.为了实现恒定的水压，优选地，所述稳压器包括：中转罐，可拆卸设置在所述工作箱的顶部；隔离膜，设置在所述中转罐的中部，其中，所述中转罐通过隔离膜分割为调压腔和稳压腔，所述中转罐的顶部通过管道二与调压腔相连通，所述稳压腔通过管道一与增压腔和调节盒相连通。
12.为了实现试件温度的梯度调节，进一步地，所述温控组件：加热器，设置在所述处理腔内，其中，所述加热器的输出端设置有螺旋导热环，所述螺旋导热环设置在调节盒内；设置在所述处理腔内的测温计，所述测温计的输出端设置有探头，所述探头延伸至调节盒内。
13.为了精确控制个水路的流量和温度，更进一步地，所述调节器包括：分流盒，设置在所述处理腔内，且与所述调节盒相连通；多组分流管，均布在所述分流盒上，所述分流管远离分流盒的一端与供液管相连通，且所述分流管上设置有控制阀。
14.为了保证实验的安全性，优选地，还包括转动设置在所述箱门上的把手，所述把手上固定设置有卡块，所述试验箱上开设有与卡块相对应的卡槽。
15.尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验方法，包括如下步骤：
16.步骤一：制作正方体试件，将其置于工作腔内；
17.步骤二：启动主推杆和辅助推杆从试件三个轴向施压，分别测量收集试件变形直至压溃的数据；
18.步骤三：通过增压组件向供液管供水加压，稳定气缸一和气缸二的压力不变，获取在三轴施压实验中，渗流时试件渗透的时间和流量的关系，并测量收集试件变形直至压溃的数据；
19.步骤四：通过温控组件调节供水温度梯度，在试件的三个轴向同时控温，在保证试件整体温度一致时，重复步骤三并分别测量记录各温度梯度时试件应力变化实验数据；
20.步骤五：取出步骤三和步骤四中试件，纵向剖切记录渗流水位线走向。
21.与现有技术相比，本发明提供了尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置及实验方法，具备以下有益效果：
22.1、该尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置，通过旋转把手使卡块卡入卡槽内，进而将箱门固定住，防止在检测时出现晃动或偏移；
23.2、该尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置，通过增压组件向辅助推杆所在的供液管内供用水体，主要模拟尾矿库储水后，产生的渗流对坝体的影响，在此处，稳压器可以很好的保证对试件供液时，水体的施压过程的稳定性，并且在试验后纵向剖切未压溃的试件，观察其渗流的水位线以及渗流流向；
24.3、该尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置，通过温控组件控制供水的温度梯度，模拟自然界水体温度的变化对试件材质性能的影响，通过改变分流器向各个推杆上的供液管供水的流量、流速和温度，达到对试件均匀同步加热或降温的目的，并通过试件重心部位的检测头实时反馈温度测量信息，便于计算机集中控制，该方式可以长时间维持各温度梯度稳定。
25.该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明不仅仅可以单独进行其中的一项数据进行测试，也可以同时对两项或三项数据同时测试，增强实验数据的全面性和精确性，为现场作业提供更准确的参考价值。
附图说明
26.图1为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置的结构示意图一；
27.图2为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置的主视图一；
28.图3为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置的主视图二；
29.图4为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置处理箱的结构示意图；
30.图5为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置图4中a部分的结构示意图；
31.图6为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置十字形通道的结构示意图；
32.图7为本发明提出的尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置箱门的结构示意图；
33.图8为本发明的结构示意图。
34.图中：1、试验箱；101、工作腔；102、安装腔；103、限位槽；2、气缸二；201、十字形通道；202、柱塞；203、延伸板；3、主推杆；4、气缸一；401、辅助推杆；402、供液管；403、试验台；5、箱门；501、卡块；502、把手；6、工作箱；601、动力腔；602、供液腔；603、增压腔；604、处理腔；605、调节盒；606、导向槽；7、中转罐；701、隔离膜；702、管道二；8、加热器；801、导热环；802、分流盒；803、分流管；9、凸轮轴；901、球铰座；902、电机；10、调节杆；11、连接杆；12、导流腔；13、球阀一；14、球阀二；15、测温计。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.参照图1、图2、图3、图4和图7，尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验装置，包括试验箱1，试验箱1内设置有工作腔101，还包括：滑动设置在工作腔101内的四组对称设置的主推杆3，在工作腔101内开设有限位槽103，主推杆3可以在限位槽103内滑动，四组主推杆3处于同一平面，并且两两主推杆3相对运动且处于同一直线上，四组主推杆3形成两条垂直的线，即形成x轴和y轴方向的平面坐标系；转动设置在试验箱1上的箱门5，在箱门5上有可转动的把手502，把手502上固定设置有卡块501，试验箱1上开设有与卡块501相对应的卡槽，在将试件放入工作腔101内后，可以关闭箱门5，旋转把手502使卡块501卡入卡槽内，进而将箱门5固定住，防止在检测时出现晃动或偏移，其中，箱门5上滑动设置有辅助推杆401，辅助推杆401所在的直线相对于x轴和y轴垂直，即形成z轴坐标，而在工作腔101内设置的是试验台403也是正对辅助推杆401的，可以用来放置试件，主推杆3和辅助推杆401上均设置有供液管402，辅助推杆401供水一方面，可以用来测试试件渗流时，多方位完全渗透的时间、压力和流量的关系，另一方面，可以用来供应热水或单独的设置加热设备对试件实验温度进行调温；固定设置在试验箱1顶部的工作箱6，其中，工作箱6内由右至左依次设置有动力腔601、连接外部水体的供液腔602、增压腔603和控制水温及流量的处理腔604，供液腔602通过增压组件与增压腔603相连通，在此处，增压组件可以是单独的水泵，增压腔603与处理腔604之间通过稳压器相连通，动力腔601内设有与增压组件相配合的驱动部，驱动部主要是用来为增压组件动作提供动力；设置在处理腔604内的调节盒605，其中，调节盒605与稳压器相连通，经过稳压器调节的不稳定水流可以直接送入调节盒605内，调节盒605内设置有温控组件，调节盒605通过分流器与供液管402相连通。
38.在实验时，取尾矿库内部的试件，先将试件制作成正方体，并在相邻的四组面上涂覆双组份可固化导热硅胶，仅预留两个相对面，并将两个相对面放置在试验台403和辅助推杆401的所在的轴线上，在此处，为了保证试件的温度可控，在试验台403上还设置了一根测温杆件检测头，其可以延伸至试件的重心点部位，从而保证在实验过程中，试件在外表面加热时，其整体温度保持一致，提升实验检测的可控性，在试件放置完毕后，四组主推杆3同步动作向试件靠近，并压紧在试件侧边的四个面上，模拟尾矿库尾矿库的实验材料在正常堆积时，四种所受的压力，同时，辅助推杆401也伸出，从而对试件进行正面的机械施压，主要用来模拟尾矿库储水后，试件周围矿石以及水体共同向试件的施压，并通过计算机采集并形成受力试件的受力变形和压溃的数据图，测量完毕后，更换试件保持上述实验数据，并通过增压组件向辅助推杆401所在的供液管402内供用水体，主要模拟尾矿库储水后，产生的渗流对坝体的影响，在此处，稳压器可以很好的保证对试件供液时，水体的施压过程的稳定性，并且在试验后纵向剖切未压溃的试件，观察其渗流的水位线以及渗流流向，另外，在做低渗透的时间渗流实验时，为了保证供水系统处于最小流量时的稳定性，可以在供水管路通向供液管402的压力水管上增加一个流量的出口，并在该出口处接入填充有硅藻土和反渗层，在水压的作用下，水可以从该出水口慢慢渗流出，既增加了总的流量，又不会影响管路中水的流态，可以有效的保证增压组件在持续不停机的状态下以最小流量进行工作，保证低渗透试验的稳定进行，第三组实验则是通过温控组件控制供水的温度梯度，模拟自然界水体温度的变化对试件材质性能的影响，通过改变分流器向各个推杆上的供液管402供水的流量、流速和温度，达到对试件均匀同步加热或降温的目的，并通过试件重心部位的探
头实时反馈温度测量信息，便于计算机集中控制，该方式可以长时间维持各温度梯度稳定，在此处，同样可以在每个供水管路都增设一个流量的出口，便于对各个面的温度进行独立控制，从而更好提升实验数据的全面性，该实验装置，不仅仅可以单独进行其中的一项数据进行测试，也可以同时对两项或三项数据同时测试，增强实验数据的全面性和精确性，为现场作业提供更准确的参考价值。
39.参照图1、图2、图3和图6，还包括：气缸二2，试验箱1内设置有安装腔102，安装腔102设置在工作腔101的后方，气缸二2固定设置在安装腔102内，其中，气缸二2的输出端设置有十字形通道201，可以实现x轴和y轴方向的同步运动，从x轴和y轴向试件施加压力，十字形通道201内滑动设置有柱塞202，柱塞202通过延伸板203与主推杆3相连，主要为主推杆3的施压提供动力；固定设置在箱门5上的气缸一4，辅助推杆401固定设置在气缸一4的输出端，在箱门5关闭并锁紧后，气缸一4推动的辅助推杆401靠近试件，从z轴向试件施加压力。
40.参照图3、图4和图5，增压组件包括：两组调节杆10，工作箱6内开设有导向槽606，调节杆10滑动设置在导向槽606内，其中，调节杆10内开设有导流腔12，导流腔12的两端分别与供液腔602和导向槽606相连通，导向槽606远离调节杆10的一端与增压腔603相连通；设置在导流腔12内的球阀一13，其中，导流腔12内设置有弹簧一，弹簧一的两端分别与导流腔12和球阀一13固定连接，当调节杆10滑动时，弹簧一被拉伸或压缩；球阀二14，设置在导向槽606的一端，其中，增压腔603内设置有弹簧二，弹簧二的两端分别与增压腔603和球阀二14固定连接，当调节杆10滑动时，弹簧二被拉伸或压缩，驱动部包括：固定设置在动力腔601内的电机902，其中，电机902的输出端设置有凸轮轴9，凸轮轴9转动设置在供液腔602内；转动设置在凸轮轴9上的转环，其中，转环上固定设置有球铰座901，调节杆10的一端固定设置有连接杆11，连接杆11上固定设置有与球铰座901相配合的球体。
41.在实验过程，需要供应水压时，启动电机902带动凸轮轴9转动，凸轮轴9在转动的过程中，会通过远离电机902一端的凸轮面推动两根调节杆10交替滑动，当其中一组调节杆10向供液腔602内滑动时，另一组调节杆10则会向增压腔603移动，其中，向供液腔602移动端额调节杆10内的球阀一13会向左移动，并使连接其的弹簧一被压缩，从而给使导向槽606与供液腔602导通，将水体引流至导向槽606内，当调节杆10向右移动时，弹簧一释放储能通过球阀一13将导流腔12封闭，随着调节杆10的持续向右移动，会挤压留在导向槽606内的水体，水体的压力大于弹簧二弹力时，球阀二14会被向左推动，从而是导向槽606与增压腔603连通，进而实现将水压入增压腔603内，随着两组调节杆10的持续交替动作，可以保证压力供给的稳定性和持续性，为试件做渗流实验提供稳定的水压供给，保证实验数据的准确可控。
42.参照图1、图2、图3和图4，稳压器具体包括：螺纹连接在工作箱6顶部的中转罐7，中转罐7的体积约为25升；隔离膜701，设置在中转罐7的中部，其中，中转罐7通过隔离膜701分割为调压腔和稳压腔，中转罐7的顶部通过管道二702与调压腔相连通，在使用时，可以由管道二702向调压腔内通入压力气体，改变隔离膜701的弹性，达到柔性稳压的效果，水压升高时隔离膜701被向上压缩，水压降低时隔离膜701向下膨胀，尤其是对于脉动式供压，可以使调节后的水体压力恒定，有效控制水压的震动幅度，经试验，调压腔内80％的阻尼压力值对于保持恒定水压效果最好，因为保持调压腔内气压为工作压力的80％左右，降低沿程压力损失，另外，还可以在试件的入水口出增设压力变送器输送压力信号到计算机，实现自动水
压的反馈调节，稳压腔通过管道一与增压腔603和调节盒605相连通，温控组件包括：电能加热器8，设置在处理腔604内其中，加热器8的输出端设置有螺旋导热环801，螺旋导热环801设置在调节盒605内，可以对供应的水体进行温度控制；设置在处理腔604内的测温计15，测温计15的输出端设置有探头，探头延伸至调节盒605内，实时检测水体的温度，调节器的流量精度保持在0.01ml，可以防止因水分蒸发而引起的误差，其可以是四通的电磁阀门，也可以是：独立的分流盒802，设置在处理腔604内，且与调节盒605相连通；多组分流管803，均布在分流盒802上，分流管803远离分流盒802的一端与供液管402相连通，且在每组分流管803上都设置控制阀，用来独立控制供水的流量。
43.参照图8，水压供应系统，包括稳压器形成的水压平衡系统，通过调节中转罐7内的气体压力，来防止供水波动，保证水压压力恒定、温控组件形成的加热系统，对供应的水体进行温度梯度控制，主要是做水体的调温处理，以及分流器形成的流量量测系统，用来检测渗流实验中，流量与时间的变化曲线，整个水压供应系统用于调节对试件的渗流压力和渗流温度；
44.四组主推杆3形成的x轴温控系统和y轴温控系统以及辅助推杆401形成的z轴温控系统，用于对试件的三个轴向方向进行温度控制，主要是通过各个推杆上的供液管402的水温对试件整体温度进行调节，也可以是在各个推杆接触试件的部位单独设置加热或冷却设备，实现对试件实验温度的梯度调节，主要是控制试件四个面的温度情况，保持一致，并通过设置在工作腔101内的检测头，检测头形成测温系统，用于对试件重心位置进行温度监测和反馈，z轴温控系统主要是控制试件的渗流实验面的温度，保持其和试件的各面温度一致，对试件的三个轴向方向进行温度控制时，可以很快的使试件达到实验所需的恒定温度，在此处，温度的范围在0-100℃内调节，保证恒定的偏差不超过0.3℃，并且各个温度控制相对独立，温度控制范围更广，实验所需数据更全面。
45.该系统能实现高精度的水压控制、温度控制、温度梯度控制，对于尾矿库的测量可以有更多的数据采集，应用范围广，实验数据全面且精度高，可有效的用于水温和岩石温度等对于渗流的影响、应力对渗流的影响等多种实验。
46.尾矿库检测用三轴渗流-应力耦合实验方法，包括：
47.步骤一：制作正方体试件，将其置于工作腔101内；
48.步骤二：启动主推杆3和辅助推杆401从试件三个轴向施压，分别测量收集试件变形直至压溃的数据；
49.更换试件，重复步骤一和步骤二，并在施压过程中加入步骤三，即保持试件受压力不变，通过增压组件向供液管402供水加压，稳定气缸一4和气缸二2的压力不变，获取在三轴施压实验中，渗流时试件渗透的时间和流量的关系，并测量收集试件变形直至压溃的数据；
50.更换试件，重复步骤一、步骤二和步骤三，在渗流实验中加入步骤四：即通过温控组件调节供水温度梯度，测得在不同环境温度下，试件的应力、渗流变化情况，主要是在试件的三个轴向同时控温，在保证试件整体温度一致时，重复步骤三并分别测量记录各温度梯度时试件应力变化实验数据；
51.最后，取出步骤三和步骤四中试件，纵向剖切记录渗流水位线高度和布局，以此作为工程施工的参考。
52.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。