一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统，包括三轴加载装置、吸力和围压控制装置，加载组件上端通过第一连通管连通外部，压力室通过第二连通管连通外部，样品台具有存水仓，存水仓底部通过第三连通管、第四连通管连通外部；吸力和围压控制装置包括气压监测控制组件和水压监测控制组件。本发明专利技术属于一种微型实验系统，可用于CT原位扫描，可以独立和连续地在净法向应力(p

【技术实现步骤摘要】
一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统


[0001]本专利技术涉及土力学实验设备
，具体而言，涉及一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统，属于一种用于X射线CT进行原位扫描并且可以在扫描过程中同步大范围控制土壤基质吸力的多应力路径加载非饱和三轴加载微型实验系统。

技术介绍

[0002]在水
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力(Hydro
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mechanical,H
‑
M)耦合加载中，土壤的宏观性质和宏观参数行为依赖于应力路径和应力状态。土壤的存水性质可以由该土壤的土水特征曲线(Soil Water Retention Curve,SWRC)来刻画，该性质与土壤状态(如：孔隙率和孔径分布)和应力状态相关。具有相同初始状态的土壤，其抗剪强度可能会由于其在受剪切之前的饱和度(或者基质吸力)的不同而不同。作为一种颗粒材料，土壤的宏观水
‑
力(H
‑
M)性质受到其微观结构的影响，包括固体颗粒的强度、颗粒粒径分布、颗粒形状、孔隙率、孔隙大小方向和分布、孔隙水含量、以及孔隙气含量等。研究土壤的微观结构和土壤固体颗粒、孔隙水、孔隙气三者之间的相互作用及其对孔隙大小和方向等细观结构的演化是一种探究土壤宏观水
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力(H
‑
M)行为的先进手段。因此，探索可用于研究微观结构和宏观水
‑
力行为之间关系的方法十分必要。
[0003]微观
‑
宏观相结合的实验方法是一种先进的研究方法，该方法可以在不同的尺度下研究土壤样品的性质。所获得的结果可以直接反映土样的微观结构特征演化和土样的宏观响应之间的关系。该种实验研究的研究兴趣主要为：土壤孔隙率、孔隙大小和方向分布、以及颗粒形状对土壤压缩特性和固结特性的影响、粒径分布和颗粒形状对土壤剪切特性和存水特性的影响，土壤颗粒间的弯液面(或土壤吸力)对土壤抗剪强度的影响，水力干燥
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增湿路径和力学加载
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卸载路径对土壤体积改变和剪切行为的影响，初始组构各向异性和应力各项异性对土壤剪切特性和存水特性的影响，土壤干燥
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增湿循环中的回滞现象，以及土壤存水特性的应力依赖效应。为了正确地研究以上这些跨尺度问题，十分有必要开发设计相应的仪器，该仪器需要能够自由地控制加载路径和监测相关的参数，同时能够在该加载过程中获取土样的清晰的微观结构特征。
[0004]目前已经存在很多方法用于在加载过程中或者加载以后获取土样的微观结构特征及其变化。通常，所采用的方法包括：(1)采用扫描电镜(SEM)或压汞(MIP)技术获取土样在水力加载之后的微观信息，该方法需要预先干燥样品；(2)采用核磁共振(MRI)技术获取水力加载过程中样品内部的孔隙水分布，受核磁共振技术原理限制，该方法的扫描范围局限于样品中含有水分子的部分；(3)采用环境扫描电镜(ESEM)技术捕捉样品在水力学加载过程中的微观结构，该方法是一种原位方法，能够直接观察和测量颗粒、微孔隙以及孔隙水分，结果能够直接反映样品表面(二维)的详细信息。
[0005]另一种方法是运用X射线断层扫描技术(CT)，该方法可以同时捕捉土样的表面和内部的微观结构(三维)。在最近几年，研究人员研发了一系列的仪器用于CT机中研究土样在特定加载路径下的微观结构演化。Wang et al.在2019年开发了一个X射线透明的容器用
于显现湿土中的水、空气和固体的三维图像(样品尺寸为直径10mm高10mm)。Manahiloh and Meehan在2017年开发了一种采用hanging column方法在0
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2.059kPa吸力范围内控制样品干燥
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增湿路径的装置。Mohsin Thakur,Penumadu,and Bauer于2020年报道了一种利用微孔膜分离水和空气并且能够采用轴平移方法在0
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3.5kPa吸力范围内控制样品干燥
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增湿路径的装置。Khaddour et al于2018年开发了一种通过类似于hangingcolumn方法的能够在0
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7kPa吸力范围内控制样品干燥
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增湿路径的装置。Higo et al.于2013年报道了一种三轴加载装置，该装置够在50kPa的围压下剪切非饱和土样，但是该装置不能控制土壤吸力。蒋明镜等于2020年报道了一种动三轴加载系统，该系统可在800kPa围压下动态加载剪切土壤样品，但是该装置不能控制土壤吸力。Edward And
ò
于2013、2015年开发了一种三轴加载系统用于剪切干样品(样品尺寸为直径11mm高22mm)，该系统可在400kPa围压下剪切样品。Cheng and Wang于2018年报道了一种三轴加载系统用于剪切干样品(样品尺寸为直径8mm高16mm)，该系统可在1.5MPa围压下剪切样品。Wang et al.于2019年开发了一种三轴加载系统(样品尺寸为直径10mm高20mm)，该系统采用反压控制的方式实现了0
‑
4kPa范围内的吸力控制。现存的仪器和方法可以归纳为以下几个种类：水蒸发装置(允许样品水分蒸发)，吸力控制的干燥
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增湿装置，没有吸力控制的单轴加载装置，没有吸力控制的三轴加载装置，有限吸力控制(采用反压控制方法)或者水压监测的三轴加载装置。上述用于CT成像技术的装置和方法的优点在于可以成功地探究样品在特定水力学、力学、或者水
‑
力耦合加载路径下的样品三维微观结构演化。然而，上述装置和方法都不能实现对(p
‑
u
a
)、q、和s的同时独立控制；另一局限是上述装置中能控制吸力s的装置只能采用hanging column或者轴平移方法中的一种进行小吸力控制(hanging column)或者大吸力控制(轴平移)，没有一种装置成功联合运用这两种方法实现大范围的连续控制。综上所述，当前存在的问题是缺少一种仪器可在(p
‑
u
a
)
‑
q
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s应力空间内进行复杂和连续的大范围水
‑
力多应力路径控制(这对于模拟自然条件下土壤的真实状态十分关键)及可通过孔压传感器对土壤的孔隙水压和气压进行监测，并且同时能够在该水
‑
力加载过程中获取原位的样品三维微观结构图像。
[0006]已有专利技术不能解决上述问题的原因主要是由于下述三个互相掣肘的因素：(1)小尺寸仪器难有足够空间去设计运用能够在大范围上控制土壤吸力的吸力控制技术和设计运用能够在(p
‑
u
a
)
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q
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s空间内独立控制应力路径的控制技术；(2)仪器的结构设计难以平衡仪器尺寸和仪器功能(自由连续地控制水
‑
力应力路径且实时监测相关参数，如孔隙水压和孔隙气压)之间的关系；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统，包括三轴加载装置、吸力和围压控制装置，其中：所述三轴加载装置包括：加载组件，包括一空心杆，空心杆上端通过第一连通管连通外部，下端连接一活动样品盖，活动样品盖具有贯通气道连通空心杆内部，活动样品盖能够在空心杆内做竖向往复运动；压力室，安装在所述加载组件的下方，空心杆从压力室的上方以周围密封伸入压力室内，并且所述压力室通过第二连通管连通外部；样品台，安装在所述压力室的下方，所述样品台具有存水仓，存水仓伸入所述压力室内，存水仓顶部放置一块陶土板，陶土板顶面用于放置实验样品，陶土板底面直接与存水仓相连，所述存水仓底部通过第三连通管、第四连通管连通外部；所述吸力和围压控制装置包括：气压监测控制组件，与所述第一连通管和第二连通管连通，用于监测和控制实验样品的孔隙气压和样品围压；水压监测控制组件，与所述第三连通管和第四连通管连通，用于监测和控制实验样品的孔隙水压。2.根据权利要求1所述的三轴实验系统，其特征在于，所述加载组件还包括一中空的连接件，连接件的上端密封连接所述空心杆的下端，连接件内配置一个上部的径向密封圈和一个下部的径向密封圈，所述活动样品盖通过一根不锈钢空心管穿过两个径向密封圈伸入所述空心杆内，不锈钢空心管连通所述贯通气道，并能够相对于两个径向密封圈做竖向自由往复运动。3.根据权利要求1所述的三轴实验系统，其特征在于，所述压力室顶部密封安装一压力室上盖，压力室上盖具有中心通孔连通压力室内部，所述中心通孔内壁配置有两个径向密封圈，所述空心杆穿过两个径向密封圈伸入压力室内并能够相对于两个径向密封圈做竖向自由往复运动。4.根据权利要求1所述的三轴实验系统，其特征在于，实验时，所述陶土板与存水仓之间密封粘接，且所述活动样品盖与实验样品之间放置一块低进气值透水石，实验样品外套乳胶膜并在两端的活动样品盖、存水仓上分别用一个O形圈固定乳胶膜。5.根据权利要求1所述的三轴实验系统，其特征在于，所述样品台由相互连接的上圆盘、中圆盘和下圆盘组成，其中：所述上圆盘与所述压力室密封连接固定，上圆盘的中心向上凸出形成几字形，凸出部分形成所述存水仓并用于放置实验样品；所述中圆盘与所述上圆盘密封连接固定，中圆盘底部连接两个通水接头，两个通水接头分别连通所述存水仓与所述第三连通管、第四连通管；所述下圆盘为工字形双圆盘结构，工字形双圆盘结构的中间部分镂空，用于容纳所述通水接头并引出所述第三连通管、第四连通管；优选的，所述下圆盘的工字形双圆盘结构具有上部圆盘体、下部圆盘体以及连接上部圆盘体与下部圆盘体的中部圆筒体，上部圆盘体与所述上圆盘、中圆盘通过螺栓连接固定，
中部圆筒体侧壁镂空，下部圆盘体开设有螺栓孔；优选的，与所述第三连通管连通的通水接头连接一小直径短管，小直径短管伸入所述存水仓内并接近存水仓的底部；与所述第四连通管连通的通水接头连接一小直径长管，小直径长管伸入所述存水仓内并接近存水仓的顶部。6.根据权利要求1所述的三轴实验系统，其特征在于，所述气压监测控制组件包括：高精度小量程气压控制器，用于控制孔隙气压，其通过所述第一连通管连通加载组件的空心杆内部，第一连通管上连接有一个阀门；高精度大量程气压控制器，用于控制样品围压，其通过所述第二连通管连通...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建彬，梁钧，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：