非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法，涉及环境荷载下的土工试验领域。本试验系统是：在三轴压力室内设置有土样；围压施加/体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元分别与三轴压力室连接/连通，实现对土样施加设定的各项荷载；数据采集单元分别与围压施加/体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元连接，实现各项数据的采集。本发明专利技术适用于非饱和土在不同化学作用、不同温度下的脱吸湿、固结、不排水剪切和排水剪切试验，实现非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的联合测定。

【技术实现步骤摘要】
非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法
本专利技术涉及环境荷载下的土工试验领域，尤其涉及一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法。本专利技术涉及的非饱和土多场耦合是指非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合作用，可以实现非饱和土在不同浓度下的盐溶液、弱酸及弱碱等化学荷载作用下的力学和水力学实验，并且能够考虑温度的影响。涉及到核废料封存过程中膨润土在长期服役下的温度、水力、力学和化学耦合作用，以及由于自然条件变化引起的孔隙溶液的浓度及组份的变化，进而改变土体的强度以及变形特性等。
技术介绍
在环境荷载(如力作用、渗流、温度和化学条件变化等)作用下，土体中孔隙溶液除了含量可发生变化外，其浓度和组份也会变化，使得孔隙水压力以及土颗粒之间的相互作用力发生改变，从而导致土体出现复杂的化学和力学耦合作用。例如在垃圾填埋场中，由于各种溶质的迁移，使得孔隙溶液的浓度及组份发生变化，进而改变土体的结构、强度及变形特性等，极易引发填埋场的沉降或坍塌。核废料处置库运营过程中，近场化学条件十分复杂。在扩散核辐射热和地下渗透作用下，膨润土遭受长期的干湿循环，导致地下水化学浓度反复变化，从而引发渗透和力学稳定性等重要性质的改变。因此，在分析核废料地质处置、污染土填埋、降雨诱发滑坡、地表开裂等重大工程问题时，关键难题之一在于如何有效地描述非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的影响。目前，国内外主要是针对饱和土进行温度、水力、力学和化学耦合行为的研究，而涉及到非饱和土时，这方面的研究较少，主要是因为非饱和土在温度和化学荷载下的试验实施较为困难,且缺乏较为成熟的试验设备。目前关于非饱和土的试验设备，主要是针对基质吸力控制技术，以及体变测量技术进行开发，无法完成温度以及化学荷载作用下的非饱和土的力学和水力行为的测定。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法。本专利技术的目的是这样实现的：一、非饱和土多场耦合的三轴试验系统(简称试验系统)本试验系统包括三轴压力室、围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元、轴向位移测量单元和数据采集单元；其连接关系是：在三轴压力室内设置有土样；围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元分别与三轴压力室连接和，实现对土样施加设定的各项荷载；数据采集单元分别与围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元连接，实现各项数据的采集。本试验系统的工作原理：化学溶液循环渗透单元，采用渗透压力和体积控制器和孔压和体积控制器分别置于土样的上下两端，可分别通过流量和压力来控制化学溶液在土样中的渗透置换过程；当采用流量控制时，化学溶液以一定的流量通过土样，渗透压力和体积控制器和孔压和体积控制器记录该渗透过程中土样上下两端的压力变化；当采用压力控制时，即控制土样上下两端的压力梯度，化学溶液在该压力梯度下通过土样，并且实时监测渗透过程中的流量；其中土样下端的孔压和体积控制器和基质吸力单元中施加孔隙水压力的孔压和体积控制器共用一个。通过围压施加和体变监测单元来施加土样所需要的围压，并且监测土样在试验过程中的体积变化情况，通过数据采集单元实现数据的实时采集；该单元是采用围压和体积控制器和土样的三轴压力室连接，通过对三轴压力室中的水施加压力，从而实现对土样施加设定的围压，并且监测在试验过程中水在控制器内的流入流出，从而反算出土样的体积变化。通过温度控制单元调节温度，进行不同温度下非饱和土的化学试验、水力学试验和力学试验；通过轴力施加单元和三轴压力室的下部连接，对土样施加轴力；该单元采用应变控制，也就是说土样在设定的轴向位移加载速度下进行剪切，通过轴向测力计测定加载过程中的轴向力；通过基质吸力施加单元控制土样的基质吸力，基质吸力是指土样中孔隙气压力与孔隙水压力的差值；孔隙气压采用空压机提供，在土样上部施加，利用气压控制器进行压力控制；孔隙水压力就是指土样的孔隙水反压，是采用孔压和体积控制器在土样下部施加；土样底部连接有陶土板，陶土板下面和孔压和体积控制器连接；陶土板是透水不透气的，因此通过孔压和体积控制器对陶土板中的水施加压力从而实现对土样施加孔隙水反压。其中土样下端的孔压和体积控制器和化学溶液循环渗透单元中土样下端的孔压和体积控制器共用一个；通过轴向位移传感器和三轴压力室的上部连接，通过数据采集单元进行试验过程中土样轴向位移的实时采集；整个过程实现了温度、水力、力学和化学荷载的实时控制与测量，该四种作用的控制是相互独立的，可以单独施加，也可以同时施加，因此实现了对非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的各种特性进行测试。二、非饱和土多场耦合的三轴试验方法(简称试验方法)本试验方法是基于上述的非饱和土多场耦合的三轴试验系统，包括下列步骤：①土样的制备和安装土样可以采用原状样或重塑样，将三轴压力室底座上的陶土板进行饱和；然后将制备好的土样置入橡皮膜中，稍稍压实以排除膜内的空气，一起放在饱和的陶土板上，土样顶端放置多孔板，然后用橡皮绳将橡皮膜(橡皮膜上下两端长于土样的上下两端)的上下两端分别扎紧在三轴压力室的底座上和多孔板上；②配制化学溶液按照试验要求，根据所需的浓度和组份配制化学溶液(包括各种盐溶液、弱酸、弱碱等)；启动化学溶液循环渗透单元的渗透压力和体积控制器将化学溶液注入控制器内；③试验a、测定不同化学溶液、不同温度、不同围压和轴压下非饱和土的土水特征曲线；b、测定不同化学溶液、不同温度、不同基质吸力和围压下非饱和土的三轴排水和不排水剪切试验；c、测定化学溶液循环变化以及温度循环变化下非饱和土的力学和水力学特性的改变；d、不同应力和基质吸力作用下非饱和土对化学和温度的敏感性分析。本专利技术具有以下优点和积极效果：①化学加载、温度加载、力学和水力学加载可以分别单独控制，根据设定的试验路径进行试验，单独施加或者是同时施加；②化学溶液循环渗透单元，可使得溶液在土样中实现均匀渗透与分布，并且可分别通过控制流量和压力的方式进行加载；③能够对同一土样分别进行非饱和土的脱吸湿试验、固结试验、不排水剪切试验和排水剪切试验，并实现在不同温度和不同化学作用下的非饱和土力学性质和水力学性质的联合测定；④能够精测测量土样在试验过程中的体积变化和轴向位移；⑤实现所有试验数据的实时监测和自动采集，不需人工值守读数；⑥该装置测试原理直观、结构简单、无重型设备、造价低廉；并且精度高、稳定性好、易于操作、拆卸方便，对安装测试人员没有很高的技术要求。本专利技术适用于非饱和土在不同化学作用、不同温度下的脱吸湿、固结、不排水剪切和排水剪切试验，实现非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的联合测定。附图说明图1为本试验系统的结构方框图；图2为本试验系统的结构示意图；图3为三轴压力室1的底座1.6的俯视图；图4为数据采集单元结构方框图。图中：0—土样；1—三轴压力室，1.1—压力室外罩，1.2—排气通道，1.3—围压孔道，1.4—化学溶液孔道，1.5—陶土板，1.6—底座，1.7—孔隙气孔道，1.8—孔隙水孔道，1.9—多孔板；2—围压施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统，其特征在于：包括三轴压力室（1）、围压施加/体变监测单元（2）、轴力施加单元（3）、基质吸力施加单元（4）、温度控制单元（5）、化学溶液循环渗透单元（6）、轴向位移测量单元（7）和数据采集单元（8）；其连接关系是：在三轴压力室（1）内设置有土样（0）；围压施加/体变监测单元（2）、轴力施加单元（3）、基质吸力施加单元（4）、温度控制单元（5）、化学溶液循环渗透单元（6）和轴向位移测量单元（7）分别与三轴压力室（1）连接/连通，实现对土样（0）施加设定的各项荷载；数据采集单元（8）分别与围压施加/体变监测单元（2）、轴力施加单元（3）、基质吸力施加单元（4）、温度控制单元（5）、化学溶液循环渗透单元（6）和轴向位移测量单元（7）连接，实现各项数据的采集。

【技术特征摘要】
1.一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统，其特征在于：包括三轴压力室(1)、围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)、轴向位移测量单元(7)和数据采集单元(8)；其连接关系是：在三轴压力室(1)内设置有土样(0)；围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)和轴向位移测量单元(7)分别与三轴压力室(1)连接，实现对土样(0)施加设定的各项荷载；数据采集单元(8)分别与围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)和轴向位移测量单元(7)连接，实现各项数据的采集；所述的三轴压力室(1)包括压力室外罩(1.1)、排气通道(1.2)、围压孔道(1.3)、化学溶液孔道(1.4)、陶土板(1.5)、底座(1.6)、孔隙气孔道(1.7)、孔隙水孔道(1.8)和多孔板(1.9)；其连接关系是：压力室外罩(1.1)安装在底座(1.6)上，陶土板(1.5)放置在底座(1.6)中部，在陶土板(1.5)的上部放置有土样(0)，排气通道(1.2)设置在压力室外罩(1.1)上部，用来排除压力室内的空气；围压孔道(1.3)设置在底座(1.6)的边缘上，用来施加围压；化学溶液孔道(1.4)设置在底座(1.6)的边缘上，和土样(0)上部的多孔板(1.9)连接，用于化学溶液的循环渗透；孔隙气孔道(1.7)设置在底座(1.6)的边缘上，和土样(0)上部的多孔板(1.9)连接，用来对土样(0)施加气压；孔隙水孔道(1.8)设置在底座(1.6)的中心上，在陶土板(1.5)的下方，一个功能是对土样(0)施加孔隙水压力，另一个功能是用来对土样(0)进行化学溶液的循环渗透；所述的围压施加和体变监测单元(2)包括围压和体积控制器(2.1)和围压阀(2.2)；其连接关系是：围压和体积控制器(2.1)和围压阀(2.2)连接，围压阀(2.2)和三轴压力室(1)的围压孔道(1.3)连接；围压和体积控制器(2.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的围压和体变进行采集；所述的轴力施加单元(3)包括升降台(3.1)、手轮(3.2)、轴向测力计(3.3)和试验机(3.4)；其连接关系是：从下到上，试验机(3.4)、升降台(3.1)、三轴压力室(1)和轴向测力计(3.3)依次连接，给土样(0)施加轴力；在试验机(3.4)上设置有手轮(3.2)，起卸载作用；轴向测力计(3.3)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的轴力进行采集；所述的基质吸力施加单元(4)包括气压控制器(4.1)、空压机(4.2)、孔隙气阀门(4.3)、孔压和体积控制器(4.4)和孔隙水阀门(4.5)；其连接关系是：空压机(4.2)、气压控制器(4.1)和孔隙气阀门(4.3)依次连接，孔隙气阀门(4.3)和三轴压力室(1)的孔隙气孔道(1.7)连接，对土样(0)施加孔隙气压力；孔压和体积控制器(4.4)和孔隙水阀门(4.5)连接，孔隙水阀门(4.5)和三轴压力室(1)的孔隙水孔道(1.8)连接，对土样(0)施加孔隙水压力，并且同时监测土样(0)中吸入或排出孔隙溶液的流量，进而得出土样(0)含水量的变化情况；气压控制器(4.1)和孔压和体积控制器通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的孔隙气压力、孔隙水压力以及含水量变化的采集；所述的温度控制单元(5)包括电阻丝(5.1)、低温恒温冷浴(5.2)、冷浴液循环铜管(5.3)和温度控制器(5.4)；其连接关系是：电阻丝(5.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：马田田，韦昌富，夏晓龙，陈盼，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42