非飽和土多場耦合的三軸試驗系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境荷載下的土工試驗領(lǐng)域，尤其涉及一種非飽和土多場耦合的三軸試驗系統(tǒng)及其方法。
[0002]本發(fā)明涉及的非飽和土多場耦合是指非飽和土的溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)耦合作用，可以實現(xiàn)非飽和土在不同濃度下的鹽溶液、弱酸及弱堿等化學(xué)荷載作用下的力學(xué)和水力學(xué)實驗，并且能夠考慮溫度的影響。涉及到核廢料封存過程中膨潤土在長期服役下的溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)耦合作用，以及由于自然條件變化引起的孔隙溶液的濃度及組份的變化，進而改變土體的強度以及變形特性等。
【背景技術(shù)】
[0003]在環(huán)境荷載(如力作用、滲流、溫度和化學(xué)條件變化等)作用下，土體中孔隙溶液除了含量可發(fā)生變化外，其濃度和組份也會變化，使得孔隙水壓力以及土顆粒之間的相互作用力發(fā)生改變，從而導(dǎo)致土體出現(xiàn)復(fù)雜的化學(xué)和力學(xué)耦合作用。例如在垃圾填埋場中，由于各種溶質(zhì)的迀移，使得孔隙溶液的濃度及組份發(fā)生變化，進而改變土體的結(jié)構(gòu)、強度及變形特性等，極易引發(fā)填埋場的沉降或坍塌。核廢料處置庫運營過程中，近場化學(xué)條件十分復(fù)雜。在擴散核輻射熱和地下滲透作用下，膨潤土遭受長期的干濕循環(huán)，導(dǎo)致地下水化學(xué)濃度反復(fù)變化，從而引發(fā)滲透和力學(xué)穩(wěn)定性等重要性質(zhì)的改變。因此，在分析核廢料地質(zhì)處置、污染土填埋、降雨誘發(fā)滑坡、地表開裂等重大工程問題時，關(guān)鍵難題之一在于如何有效地描述非飽和土的溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)耦合行為的影響。
[0004]目前，國內(nèi)外主要是針對飽和土進行溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)耦合行為的研宄，而涉及到非飽和土?xí)r，這方面的研宄較少，主要是因為非飽和土在溫度和化學(xué)荷載下的試驗實施較為困難，且缺乏較為成熟的試驗設(shè)備。目前關(guān)于非飽和土的試驗設(shè)備，主要是針對基質(zhì)吸力控制技術(shù)，以及體變測量技術(shù)進行開發(fā)，無法完成溫度以及化學(xué)荷載作用下的非飽和土的力學(xué)和水力行為的測定。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種非飽和土多場耦合的三軸試驗系統(tǒng)及其方法。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一、非飽和土多場耦合的三軸試驗系統(tǒng)(簡稱試驗系統(tǒng))
本試驗系統(tǒng)包括三軸壓力室、圍壓施加/體變監(jiān)測單元、軸力施加單元、基質(zhì)吸力施加單元、溫度控制單元、化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元、軸向位移測量單元和數(shù)據(jù)采集單元；
其連接關(guān)系是:
在三軸壓力室內(nèi)設(shè)置有土樣；
圍壓施加/體變監(jiān)測單元、軸力施加單元、基質(zhì)吸力施加單元、溫度控制單元、化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元和軸向位移測量單元分別與三軸壓力室連接/連通，實現(xiàn)對土樣施加設(shè)定的各項荷載；
數(shù)據(jù)采集單元分別與圍壓施加/體變監(jiān)測單元、軸力施加單元、基質(zhì)吸力施加單元、溫度控制單元、化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元和軸向位移測量單元連接，實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的采集。
[0008]本試驗系統(tǒng)的工作原理:
化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元，采用滲透壓力/體積控制器和孔壓/體積控制器分別置于土樣的上下兩端，可分別通過流量和壓力來控制化學(xué)溶液在土樣中的滲透置換過程；當采用流量控制時，化學(xué)溶液以一定的流量通過土樣，滲透壓力/體積控制器和孔壓/體積控制器記錄該滲透過程中土樣上下兩端的壓力變化；當采用壓力控制時，即控制土樣上下兩端的壓力梯度，化學(xué)溶液在該壓力梯度下通過土樣，并且實時監(jiān)測滲透過程中的流量；其中土樣下端的孔壓/體積控制器和基質(zhì)吸力單元中施加孔隙水壓力的孔壓/體積控制器共用一個。
[0009]通過圍壓施加/體變監(jiān)測單元來施加土樣所需要的圍壓，并且監(jiān)測土樣在試驗過程中的體積變化情況，通過數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集；該單元是采用圍壓/體積控制器和土樣的三軸壓力室連接，通過對三軸壓力室中的水施加壓力，從而實現(xiàn)對土樣施加設(shè)定的圍壓，并且監(jiān)測在試驗過程中水在控制器內(nèi)的流入流出，從而反算出土樣的體積變化。
[0010]通過溫度控制單元調(diào)節(jié)溫度，進行不同溫度下非飽和土的化學(xué)試驗、水力學(xué)試驗和力學(xué)試驗；
通過軸力施加單元和三軸壓力室的下部連接，對土樣施加軸力；該單元采用應(yīng)變控制，也就是說土樣在設(shè)定的軸向位移加載速度下進行剪切，通過軸向測力計測定加載過程中的軸向力；
通過基質(zhì)吸力施加單元控制土樣的基質(zhì)吸力，基質(zhì)吸力是指土樣中孔隙氣壓力與孔隙水壓力的差值；孔隙氣壓采用空壓機提供，在土樣上部施加，利用氣壓控制器進行壓力控制；孔隙水壓力就是指土樣的孔隙水反壓，是采用孔壓/體積控制器在土樣下部施加；土樣底部連接有陶土板，陶土板下面和孔壓/體積控制器連接；陶土板是透水不透氣的，因此通過孔壓/體積控制器對陶土板中的水施加壓力從而實現(xiàn)對土樣施加孔隙水反壓。其中土樣下端的孔壓/體積控制器和化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元中土樣下端的孔壓/體積控制器共用一個；
通過軸向位移傳感器和三軸壓力室的上部連接，通過數(shù)據(jù)采集單元進行試驗過程中土樣軸向位移的實時采集；
整個過程實現(xiàn)了溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)荷載的實時控制與測量，該四種作用的控制是相互獨立的，可以單獨施加，也可以同時施加，因此實現(xiàn)了對非飽和土的溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)耦合行為的各種特性進行測試。
[0011 ] 二、非飽和土多場耦合的三軸試驗方法(簡稱試驗方法)
本試驗方法是基于上述的非飽和土多場耦合的三軸試驗系統(tǒng)，包括下列步驟:
①土樣的制備和安裝
土樣可以采用原狀樣或重塑樣，將三軸壓力室底座上的陶土板進行飽和；然后將制備好的土樣置入橡皮膜中，稍稍壓實以排除膜內(nèi)的空氣，一起放在飽和的陶土板上，土樣頂端放置多孔板，然后用橡皮繩將橡皮膜(橡皮膜上下兩端長于土樣的上下兩端)的上下兩端分別扎緊在三軸壓力室的底座上和多孔板上；
②配制化學(xué)溶液
按照試驗要求，根據(jù)所需的濃度和組份配制化學(xué)溶液(包括各種鹽溶液、弱酸、弱堿等)；啟動化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元的滲透壓力/體積控制器將化學(xué)溶液注入控制器內(nèi)；
③試驗
a、測定不同化學(xué)溶液、不同溫度、不同圍壓和軸壓下非飽和土的土水特征曲線；
b、測定不同化學(xué)溶液、不同溫度、不同基質(zhì)吸力和圍壓下非飽和土的三軸排水和不排水剪切試驗；
C、測定化學(xué)溶液循環(huán)變化以及溫度循環(huán)變化下非飽和土的力學(xué)和水力學(xué)特性的改變；
d、不同應(yīng)力和基質(zhì)吸力作用下非飽和土對化學(xué)和溫度的敏感性分析。
[0012]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果:
①化學(xué)加載、溫度加載、力學(xué)和水力學(xué)加載可以分別單獨控制，根據(jù)設(shè)定的試驗路徑進行試驗，單獨施加或者是同時施加；
②化學(xué)溶液循環(huán)滲透單元，可使得溶液在土樣中實現(xiàn)均勻滲透與分布，并且可分別通過控制流量和壓力的方式進行加載；
③能夠?qū)ν煌翗臃謩e進行非飽和土的脫吸濕試驗、固結(jié)試驗、不排水剪切試驗和排水剪切試驗，并實現(xiàn)在不同溫度和不同化學(xué)作用下的非飽和土力學(xué)性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)合測定；
④能夠精測測量土樣在試驗過程中的體積變化和軸向位移；
⑤實現(xiàn)所有試驗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和自動采集，不需人工值守讀數(shù)；
⑥該裝置測試原理直觀、結(jié)構(gòu)簡單、無重型設(shè)備、造價低廉；并且精度高、穩(wěn)定性好、易于操作、拆卸方便，對安裝測試人員沒有很高的技術(shù)要求。
[0013]本發(fā)明適用于非飽和土在不同化學(xué)作用、不同溫度下的脫吸濕、固結(jié)、不排水剪切和排水剪切試驗，實現(xiàn)非飽和土的溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)耦合行為的聯(lián)合測定。
【附圖說明】
[0014]圖1為本試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為本試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為三軸壓力室I的底座1.6的俯視圖；
圖4為數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)方框圖。
[0015]圖中:
O一土樣；
I 一三軸壓力室，
1.1一壓力室外罩，1.2—排氣通道，1.3—圍壓孔道，
1.4一化學(xué)溶液孔道，1.5—陶土板，1.6—底座，
1.7—孔隙氣孔道，1.8—孔隙水孔道，1.9一多孔板；
2一圍壓施加/體變監(jiān)測單元， 2.1一圍壓/體積控制器，2.2一圍壓閥；
3一軸力施加單元，
3.1—升降臺，3.2—手輪，
3.3一軸向測力計，3.4一試驗機；
4一基質(zhì)吸力施加單元，
4.1一氣壓控制器，4.2—空壓機，4.3—孔隙氣閥門，
4.4一孔壓/體積控制器，4.5—孔隙水閥門；
5一溫度控制單元，