大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了大尺度土体水‑热‑力‑盐四场耦合作用试验系统及方法，涉及土工土体室内冻融试验研究领域，包括加载框架，加载系统，补水系统，温控系统，数据采集与控制系统，成形系统；加载系统对土体施加轴向荷载和围压，补水系统可以模拟不同含盐量和水头对土体进行补给，温控系统实现土体的冻融循环和补水系统的恒温供水，数据采集与控制系统对土体的温度及水盐分布、压力、孔隙水压力、竖向与横向变形，气体压力室的气体压力进行实时监测，控制数据采集和成像处理，成形系统对设计的土料进行击实并塑造为试验所用的土体。本发明专利技术实现了室内水‑热‑力‑盐四场耦合作用的土体冻融过程实验，为土体的冻融试验研究提供支持。

Test system and method for coupling of water, heat, force and salt in four large scale soils

The invention discloses a large-scale soil water-heat-force-salt four-field coupling test system and method, which relates to the research field of soil freeze-thaw test in laboratory, including loading frame, loading system, water replenishment system, temperature control system, data acquisition and control system, forming system, and loading system for imposing axial load on soil. And confining pressure, replenishment system can simulate different salt content and water head to replenish the soil, temperature control system to realize freeze-thaw cycle of soil and constant temperature water supply of replenishment system, data acquisition and control system to soil temperature and water-salt distribution, pressure, pore water pressure, vertical and transverse deformation, gas pressure chamber gas pressure Force is monitored in real time, data acquisition and image processing are controlled, and the designed soil is compacted and molded into the soil used for testing by the shaping system. The invention realizes the indoor freeze-thaw process experiment of the soil with the coupling effect of water, heat, force and salt, and provides support for the freeze-thaw test research of the soil.

【技术实现步骤摘要】
大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统及方法
本专利技术涉及土工土体室内冻融试验研究领域，更具体的涉及大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统及方法。
技术介绍
季节性冻土为冬季冻结而夏季融化的土层，在我国季节冻土主要分布在贺兰山-哀牢山以西的地区，以及此线以东，秦岭-淮河以北地区，约占国土面积的53％，同时，在季节冻土范围中，分布着大面积的盐渍土的地带；季冻盐渍土地区存在的气温周期性变化的气象环境导致该类型地区土体发生严重的冻胀、融沉、盐胀、翻浆等多种病害，严重威胁着地基和路基等土体的安全和稳定性。虽然病害现象不同，但都可以归结为土体水分场、温度场、应力场、盐分场的综合作用结果，因此，研究土体的水-热-力-盐耦合作用机理，提出季冻盐渍土地区的土体病害防治对策，对提高季冻区盐渍土体安全性和稳定性具有重要意义。目前关于土体的水-热-力-盐四场耦合作用试验研究主要集中在现场监测和室内试验，现场观测周期过长，花费大，环境条件难以控制，其监测结果难以用于对数据精度要求极高的科学研究，而已报道的相关土体水-热-力-盐四场耦合作用的室内试验多存在以下不足：试验土体多为小尺度土体(长宽高多小于50厘米)；用圆柱形刚性桶或方形箱填装土料，不能监测土体的侧向位移，不能施加侧向围压；使用保温材料进行保温，虽然保温材料具有一定的保温功能，但保温材料仍然是导热性材料，导致试验系统的温度损失不能得到有效控制。由此可见，设计能够提供轴向荷载和侧向围压，具有良好保温性能并能监测土体侧向变形的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用的试验系统及方法，对科学研究和工程施工都具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术实施例提供大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统，该系统是能够1提供轴向荷载和侧向围压，具有良好保温性能并能监测土体侧向变形的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用的试验系统。本专利技术实施例提供大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统，包括：加载框架，加载系统，补水系统，温控系统，数据采集与控制系统和成形系统；所述加载框架包括：支柱、第一反力板、第二反力板和第三反力板，第一高强螺杆和第二高强螺杆；所述第二反力板与所述第三反力板之间设置有至少一个第一高强螺杆，且所述第三反力板位于所述第二反力板上方，所述第二反力板的底面设置有至少一个所述支柱，所述第二高强螺杆的底端穿过所述第二反力板，且邻近底端部位被第一密封螺母固定在第二反力板上，所述第二高强螺杆的顶端穿过所述第一反力板，且邻近顶端部位被第二密封螺母固定在第一反力板上，所述第一反力板位于所述第二反力板上方，且位于所述第三反力板的下方；所述加载系统包括：土体的轴向荷载加载设备和土体侧向围压加载设备；所述土体的轴向荷载加载设备包括置于所述第三反力板底面的液压千斤顶，置于液压千斤顶底面的荷载传感器；所述土体的轴向荷载加载设备还包括置于加载框架外部的伺服控制台，所述伺服控制台通过电连接线分别与液压千斤顶和荷载传感器连接，所述伺服控制台用于控制液压千斤顶对土体加卸载或者维持恒压，并采集和输出荷载传感器的监测荷载；所述土体侧向围压加载设备包括将土体密封在气体压力空间内的压力室，穿过第二反力板与压力室相连通的气体供应管，气体供应管一端与压力室相连通，另一端与空气压缩站相连通，通过空气压缩站提供土体侧向围压；所述压力室包括第一反力板底面和第二反力板顶面，还包括置于第一反力板底面和第二反力板顶面之间的钢制桶；所述第一反力板中部设置第一密封活塞套，所述第一密封活塞套中心设有传力轴；所述补水系统包括：马氏瓶、入水管、第一透水石、第二透水石、出水管以及第一玻璃管；所述第一透水石、第二透水石分别设置在所述土体的底部，且所述第一透水石和第二透水石布置在同一水平面上，所述入水管的两端分别与所述马氏瓶的出水口及所述第一透水石连通，所述出水管的两端分别与所述第二透水石及所述第一玻璃管连通；所述马氏瓶由第二玻璃管，瓶身和橡胶塞构成，橡胶塞封堵瓶身，玻璃管穿过橡胶塞连通马氏瓶的内部和外部空间；所述温控系统包括：供温设备和保温设备；所述供温设备包括与第一透水石和第一透水石的底面均相接触的下恒温板，与下恒温板相连通的底部冷却液循环管，与底部冷却液循环管相连通的底部恒温槽，所述下恒温板，底部冷却液循环管和底部恒温槽形成封闭循环系统；所述恒温系统还包括置于土体顶面的上恒温板，与上恒温板相连通的顶部冷却液循环管，与所述顶部冷却液循环管相连通的顶部恒温槽，所述上恒温板，顶部冷却液循环管和顶部恒温槽形成封闭循环系统；通过对底部恒温槽和顶部恒温槽设置不同工作温度实现对土体施加不同温度梯度的目的；所述供温设备还包括恒温箱、第一温度探针和第二温度探针，所述马氏瓶置于恒温箱内并且瓶身盘绕有底部冷却液循环管，恒温箱上布置有控制面板和第一温度探针；第一温度探针监测恒温箱的工作温度，所述恒温箱与所述底部恒温槽的工作温度设置为相同，第二温度探针设置在马氏瓶内；所述保温设备：包括位于压力室上部的第一真空室，位于压力室下部的第二真空室，位于压力室侧面的第三真空室；所述第一真空室，第二真空室和第三真空室通过多个连通管相连通，所述第一真空室与抽真空管相连通，所述抽真空管与抽真空泵相连通，通过开通真空泵制造第一真空室，第二真空室和第三真空室的真空环境；所述数据采集与控制系统包括：传感器组、数据采集箱及工作站；所述传感器组包括监测土体整体变形的位移计，监测土体侧向变形的激光测距传感器，监测土体水分和盐分含量的水盐传感器，监测土体孔隙水压的孔隙水压力传感器，监测土体竖向应力场变化的土压力盒，监测压力室、第一真空室、第二真空室，第三真空室中气体压力的压力传感器；所述数据采集箱用于采集所述传感器组监测的数据，所述工作站用于对采集的数据进行分析处理，所述工作站包括微型计算机和数据处理软件；所述成形系统包括：置于第二反力板上的第一成形保护桶，置于第一成形保护桶上部的第二成形保护桶，置于第二成形保护桶上部的第三成形保护桶，所述第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶内壁均紧贴有橡皮膜、外壁分别设置有法兰，所述法兰上设有螺杆固定槽，所述第二反力板上设置有螺杆固定孔，第三高强螺杆依次通过第二反力板上的螺杆固定孔，法兰上的螺杆固定槽实现所述第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶的固定；每一个螺杆固定槽与高强螺杆均是通过第一螺母固定，所述成形系统还包括对设计的土料进行击实进而制成土体的击实设备和橡皮膜侧面的勒紧橡皮套。较佳地，所述第一钢制盖与第一反力板之间，第二反力板与第二钢制盖之间均布置有第二密封橡胶圈和支撑螺杆，且所述支撑螺杆为带有螺纹的高强钢制螺杆；所述第二反力板与第一高强螺杆以及所述第三反力板与第一高强螺杆均是通过第二螺母固定；所述第一反力板与第一钢制桶之间、所述第一反力板与第二钢制桶之间、所述第二反力板与第一钢制桶之间、所述第二反力板与第二钢制桶之间均布置有第三密封橡胶圈；所述第一密封螺母与第二反力板之间、第二密封螺母与第一反力板之间、第三密封螺母与第一钢制盖之间、第四密封螺母与第二钢制盖之间均布置有第四密封橡胶圈。较佳地，所述第二钢制盖、第二反力板和下恒温板上均设置有与密封螺杆吻合的螺纹穿孔，所述密封螺杆为中空螺杆，用于数据传输线、底部冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大尺度土体水‑热‑力‑盐四场耦合作用试验系统，其特征在于，包括：加载框架(100)，加载系统(200)，补水系统(300)，温控系统(400)，数据采集与控制系统(500)和成形系统(600)；所述加载框架(100)包括：支柱(42)、第一反力板(37‑1)、第二反力板(37‑2)和第三反力板(37‑3)，第一高强螺杆(2‑1)和第二高强螺杆(2‑2)；所述第二反力板(37‑2)与所述第三反力板(37‑3)之间设置有至少一个第一高强螺杆(2‑1)，且所述第三反力板(37‑3)位于所述第二反力板(37‑2)上方，所述第二反力板(37‑2)的底面设置有至少一个所述支柱(42)，所述第二高强螺杆(2‑2)的底端穿过所述第二反力板(37‑2)，且邻近底端部位被第一密封螺母固定在第二反力板(37‑2)上，所述第二高强螺杆(2‑2)的顶端穿过所述第一反力板(37‑1)，且邻近顶端部位被第二密封螺母固定在第一反力板(37‑1)上，所述第一反力板(37‑1)位于所述第二反力板(37‑2)上方，且位于所述第三反力板(37‑3)的下方；所述加载系统(200)包括：土体(16)的轴向荷载加载设备和土体(16)侧向围压加载设备；所述土体(16)的轴向荷载加载设备包括置于所述第三反力板(37‑3)底面的液压千斤顶(19)，置于液压千斤顶(19)底面的荷载传感器(20)；所述土体(16)的轴向荷载加载设备还包括置于加载框架外部的伺服控制台，所述伺服控制台通过电连接线分别与液压千斤顶(19)和荷载传感器(20)连接，所述伺服控制台用于控制液压千斤顶(19)对土体(16)加卸载或者维持恒压，并采集和输出荷载传感器(20)的监测荷载；所述土体(16)侧向围压加载设备包括将土体(16)密封在气体压力空间内的压力室(8)，穿过第二反力板(37‑2)与压力室(8)相连通的气体供应管(35)，气体供应管(35)一端与压力室(8)相连通，另一端与空气压缩站相连通，通过空气压缩站提供土体(16)侧向围压；所述压力室(8)包括第一反力板(37‑1)底面和第二反力板(37‑2)顶面，还包括置于第一反力板(37‑1)底面和第二反力板(37‑2)顶面之间的钢制桶(38‑1)；所述第一反力板(37‑1)中部设置第一密封活塞套(40‑1)，所述第一密封活塞套(40‑1)中心设有传力轴(43)；所述补水系统(300)包括：马氏瓶(30)、入水管(25)、第一透水石(22‑1)、第二透水石(22‑2)、出水管(27)以及第一玻璃管(29)；所述第一透水石(22‑1)、第二透水石(22‑2)分别设置在所述土体(16)的底部，且所述第一透水石(22‑1)和第二透水石(22‑2)布置在同一水平面上，所述入水管(25)的两端分别与所述马氏瓶(30)的出水口及所述第一透水石(22‑1)连通，所述出水管(27)的两端分别与所述第二透水石(22‑2)及所述第一玻璃管(29)连通；所述马氏瓶(30)由第二玻璃管(30‑1)，瓶身和橡胶塞(30‑2)构成，橡胶塞(30‑2)封堵瓶身，玻璃管(30‑1)穿过橡胶塞(30‑2)连通马氏瓶(30)的内部和外部空间；所述温控系统(400)包括：供温设备和保温设备；所述供温设备包括与第一透水石(22‑1)和第一透水石(22‑2)的底面均相接触的下恒温板(18)，与下恒温板(18)相连通的底部冷却液循环管(26‑1)，与底部冷却液循环管(26‑1)相连通的底部恒温槽，所述下恒温板(18)，底部冷却液循环管(26‑1)和底部恒温槽形成封闭循环系统；所述恒温系统还包括置于土体(16)顶面的上恒温板(17)，与上恒温板(17)相连通的顶部冷却液循环管(26‑2)，与所述顶部冷却液循环管(26‑2)相连通的顶部恒温槽，所述上恒温板(17)，顶部冷却液循环管(26‑2)和顶部恒温槽形成封闭循环系统；通过对底部恒温槽和顶部恒温槽设置不同工作温度实现对土体(16)施加不同温度梯度的目的；所述供温设备还包括恒温箱(32)、第一温度探针(31‑2)和第二温度探针(31‑1)，所述马氏瓶(30)置于恒温箱(32)内并且瓶身盘绕有底部冷却液循环管(26‑1)，恒温箱(32)上布置有控制面板(33)和第一温度探针(31‑1)；第一温度探针(31‑2)监测恒温箱(32)的工作温度，所述恒温箱(32)与所述底部恒温槽的工作温度设置为相同，第二温度探针(31‑1)设置在马氏瓶(30)内；所述保温设备：包括位于压力室(8)上部的第一真空室(4)，位于压力室(8)下部的第二真空室(5)，位于压力室(8)侧面的第三真空室(6)；所述第一真空室(4)，第二真空室(5)和第三真空室(6)通过多个连通管(14)相连通，所述第一真空室(4)与抽真空管(28)相连通，所述抽真空管(28)与抽真空泵相连通，通过...

【技术特征摘要】
1.大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统，其特征在于，包括：加载框架(100)，加载系统(200)，补水系统(300)，温控系统(400)，数据采集与控制系统(500)和成形系统(600)；所述加载框架(100)包括：支柱(42)、第一反力板(37-1)、第二反力板(37-2)和第三反力板(37-3)，第一高强螺杆(2-1)和第二高强螺杆(2-2)；所述第二反力板(37-2)与所述第三反力板(37-3)之间设置有至少一个第一高强螺杆(2-1)，且所述第三反力板(37-3)位于所述第二反力板(37-2)上方，所述第二反力板(37-2)的底面设置有至少一个所述支柱(42)，所述第二高强螺杆(2-2)的底端穿过所述第二反力板(37-2)，且邻近底端部位被第一密封螺母固定在第二反力板(37-2)上，所述第二高强螺杆(2-2)的顶端穿过所述第一反力板(37-1)，且邻近顶端部位被第二密封螺母固定在第一反力板(37-1)上，所述第一反力板(37-1)位于所述第二反力板(37-2)上方，且位于所述第三反力板(37-3)的下方；所述加载系统(200)包括：土体(16)的轴向荷载加载设备和土体(16)侧向围压加载设备；所述土体(16)的轴向荷载加载设备包括置于所述第三反力板(37-3)底面的液压千斤顶(19)，置于液压千斤顶(19)底面的荷载传感器(20)；所述土体(16)的轴向荷载加载设备还包括置于加载框架外部的伺服控制台，所述伺服控制台通过电连接线分别与液压千斤顶(19)和荷载传感器(20)连接，所述伺服控制台用于控制液压千斤顶(19)对土体(16)加卸载或者维持恒压，并采集和输出荷载传感器(20)的监测荷载；所述土体(16)侧向围压加载设备包括将土体(16)密封在气体压力空间内的压力室(8)，穿过第二反力板(37-2)与压力室(8)相连通的气体供应管(35)，气体供应管(35)一端与压力室(8)相连通，另一端与空气压缩站相连通，通过空气压缩站提供土体(16)侧向围压；所述压力室(8)包括第一反力板(37-1)底面和第二反力板(37-2)顶面，还包括置于第一反力板(37-1)底面和第二反力板(37-2)顶面之间的钢制桶(38-1)；所述第一反力板(37-1)中部设置第一密封活塞套(40-1)，所述第一密封活塞套(40-1)中心设有传力轴(43)；所述补水系统(300)包括：马氏瓶(30)、入水管(25)、第一透水石(22-1)、第二透水石(22-2)、出水管(27)以及第一玻璃管(29)；所述第一透水石(22-1)、第二透水石(22-2)分别设置在所述土体(16)的底部，且所述第一透水石(22-1)和第二透水石(22-2)布置在同一水平面上，所述入水管(25)的两端分别与所述马氏瓶(30)的出水口及所述第一透水石(22-1)连通，所述出水管(27)的两端分别与所述第二透水石(22-2)及所述第一玻璃管(29)连通；所述马氏瓶(30)由第二玻璃管(30-1)，瓶身和橡胶塞(30-2)构成，橡胶塞(30-2)封堵瓶身，玻璃管(30-1)穿过橡胶塞(30-2)连通马氏瓶(30)的内部和外部空间；所述温控系统(400)包括：供温设备和保温设备；所述供温设备包括与第一透水石(22-1)和第一透水石(22-2)的底面均相接触的下恒温板(18)，与下恒温板(18)相连通的底部冷却液循环管(26-1)，与底部冷却液循环管(26-1)相连通的底部恒温槽，所述下恒温板(18)，底部冷却液循环管(26-1)和底部恒温槽形成封闭循环系统；所述恒温系统还包括置于土体(16)顶面的上恒温板(17)，与上恒温板(17)相连通的顶部冷却液循环管(26-2)，与所述顶部冷却液循环管(26-2)相连通的顶部恒温槽，所述上恒温板(17)，顶部冷却液循环管(26-2)和顶部恒温槽形成封闭循环系统；通过对底部恒温槽和顶部恒温槽设置不同工作温度实现对土体(16)施加不同温度梯度的目的；所述供温设备还包括恒温箱(32)、第一温度探针(31-2)和第二温度探针(31-1)，所述马氏瓶(30)置于恒温箱(32)内并且瓶身盘绕有底部冷却液循环管(26-1)，恒温箱(32)上布置有控制面板(33)和第一温度探针(31-1)；第一温度探针(31-2)监测恒温箱(32)的工作温度，所述恒温箱(32)与所述底部恒温槽的工作温度设置为相同，第二温度探针(31-1)设置在马氏瓶(30)内；所述保温设备：包括位于压力室(8)上部的第一真空室(4)，位于压力室(8)下部的第二真空室(5)，位于压力室(8)侧面的第三真空室(6)；所述第一真空室(4)，第二真空室(5)和第三真空室(6)通过多个连通管(14)相连通，所述第一真空室(4)与抽真空管(28)相连通，所述抽真空管(28)与抽真空泵相连通，通过开通真空泵制造第一真空室(4)，第二真空室(5)和第三真空室(6)的真空环境；所述数据采集与控制系统(500)包括：传感器组、数据采集箱及工作站；所述传感器组包括监测土体(16)整体变形的位移计(21)，监测土体(16)侧向变形的激光测距传感器(9)，监测土体(16)水分和盐分含量的水盐传感器(13)，监测土体(16)孔隙水压的孔隙水压力传感器(12)，监测土体(16)竖向应力场变化的土压力盒(10)，监测压力室(8)、第一真空室(4)、第二真空室(5)，第三真空室(6)中气体压力的压力传感器(7)；所述数据采集箱用于采集所述传感器组监测的数据，所述工作站用于对采集的数据进行分析处理，所述工作站包括微型计算机和数据处理软件；所述成形系统(600)包括：置于第二反力板(37-2)上的第一成形保护桶(53-1)，置于第一成形保护桶(53-1)上部的第二成形保护桶(53-2)，置于第二成形保护桶(53-2)上部的第三成形保护桶(53-3)，所述第一成形保护桶(53-1)，第二成形保护桶(53-2)和第三成形保护桶(53-3)内壁均紧贴有橡皮膜(15)、外壁分别设置有法兰(51)，所述法兰(51)上设有螺杆固定槽(52)，所述第二反力板(37-2)上设置有螺杆固定孔(54)，第三高强螺杆(2-3)依次通过第二反力板(37-2)上的螺杆固定孔(54)，法兰(51)上的螺杆固定槽(52)实现所述第一成形保护桶(53-1)，第二成形保护桶(53-2)和第三成形保护桶(53-3)的固定；每一个螺杆固定槽(52)与高强螺杆(2-3)均是通过第一螺母(55-2)固定，所述成形系统(600)还包括对设计的土料进行击实进而制成土体(16)的击实设备和橡皮膜(15)侧面的勒紧橡皮套(34)。2.根据权利要求1所述的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统，其特征在于，所述第一钢制盖(41-1)与第一反力板(37-1)之间，第二反力板(37-2)与第二钢制盖(41-2)之间均布置有第二密封橡胶圈(36-3)和支撑螺杆(3)，且所述支撑螺杆(3)为带有螺纹的高强钢制螺杆；所述第二反力板(37-2)与第一高强螺杆(2-1)以及所述第三反力板(37-3)与第一高强螺杆(2-1)均是通过第二螺母(55-1)固定；所述第一反力板(37-1)与第一钢制桶(38-1)之间、所述第一反力板(37-1)与第二钢制桶(38-2)之间、所述第二反力板(37-2)与第一钢制桶(38-1)之间、所述第二反力板(37-2)与第二钢制桶(38-2)之间均布置有第三密封橡胶圈(36-1)；所述第一密封螺母与第二反力板(37-2)之间、第二密封螺母与第一反力板(37-1)之间、第三密封螺母与第一钢制盖(41-1)之间、第四密封螺母与第二钢制盖(41-2)之间均布置有第四密封橡胶圈(36-2)。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海斌，李清林，贾江坤，韩雷雷，张仰鹏，王富玉，陈昭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22