本發(fā)明涉及一種新型飽和與非飽和滲透三軸儀，屬于巖土體測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

三軸儀是測試巖土體力學(xué)性質(zhì)的重要技術(shù)手段之一，巖土工程中常用的三軸儀有常規(guī)三軸儀、真三軸儀、應(yīng)力路徑三軸儀、空心扭轉(zhuǎn)三軸儀、高壓大型三軸儀以及非飽和土三軸儀等。已有三軸儀的改進已有眾多學(xué)者進行了探索。根據(jù)不同的工程概況，每種三軸儀都有其自身獨特的使用優(yōu)勢。三軸試驗中飽和、固結(jié)以及剪切是三個非常重要的過程。常規(guī)三軸試驗可以進行巖土體的飽和狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)測試，但自然界中一些巖土體往往經(jīng)歷從飽和狀態(tài)到非飽和狀態(tài)或者從非飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)的反復(fù)變化，此時單獨的常規(guī)三軸試驗或者非飽和土三軸試驗均不能夠準確反映巖土體的力學(xué)性質(zhì)，進而不能提供可靠的巖土參數(shù)。

目前的常規(guī)三軸儀可以進行巖土體的不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗、固結(jié)不排水三軸壓縮試驗以及固結(jié)排水三軸壓縮試驗。而非飽和土三軸儀可以進行巖土體在不同基質(zhì)吸力條件下的非飽和剪切試驗以及不同凈應(yīng)力條件下的非飽和剪切試驗?，F(xiàn)有真三軸儀、應(yīng)力路徑三軸儀、空心扭轉(zhuǎn)三軸儀、高壓大型三軸儀等只是應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，但也主要進行巖土體飽和后的不同應(yīng)力條件下的剪切試驗，但是目前的常規(guī)三軸儀無法進行飽和試樣的非飽和三軸試驗；也無法進行巖土體的滲透剪切試驗。目前的非飽和土三軸儀由于底座中鑲嵌陶土板的原因無法快速進行飽和土三軸試驗，主要由于陶土板的極低滲透特性造成，也無法進行試樣的滲透剪切試驗?，F(xiàn)有真三軸儀、應(yīng)力路徑三軸儀、空心扭轉(zhuǎn)三軸儀、高壓大型三軸儀等也無法進行飽和土的滲透剪切試驗，也無法進行巖土體飽和滲流以及反壓飽和結(jié)束后后的非飽和三軸壓縮試驗。

本發(fā)明在非飽和三軸儀的基礎(chǔ)上，通過改變非飽和三軸儀底座和頂帽以及增加應(yīng)力/體積控制器的形式使得非飽和三軸儀在已有改進非飽和底座的基礎(chǔ)上既可以進行飽和土三軸試驗，也可以進行非飽和土三軸試驗，最主要的是進行飽和滲透剪切試驗以及飽和滲流后試樣的非飽和三軸壓縮試驗。該設(shè)備的顯著優(yōu)越性是試樣在飽和滲流以及反壓飽和等試驗過程結(jié)束后可以直接進行該試樣的滲流后以及反壓飽和后的非飽和三軸壓縮試驗，保證了測試試樣的連續(xù)性，能夠更加真實的反映試樣經(jīng)歷不同的工況之后的非飽和力學(xué)特性以及滲流特性。也解決了黃土等結(jié)構(gòu)性較差巖土體飽和后無法直接取出進行非飽和三軸壓縮試驗的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種新型飽和與非飽和滲透三軸儀，通過改進底座以及增加儀器中應(yīng)力/體積控制器的技術(shù)方法，使得改進后的儀器能夠進行飽和土三軸壓縮試驗以及非飽和土三軸壓縮試驗，也可以進行飽和滲透剪切試驗，該新型設(shè)備可以進行巖土體反壓飽和以及飽和滲流試驗后的非飽和三軸壓縮試驗，做到利用同一塊試樣測試滲透結(jié)束或反壓飽和結(jié)束后的巖土試樣非飽和強度，實現(xiàn)了三軸試驗中飽和-非飽和的連續(xù)性，通過改變底座以及增加儀器中體積/壓力控制器等技術(shù)方法實現(xiàn)了飽和土的滲透剪切試驗巖土體飽和滲流以及反壓飽和結(jié)束后的非飽和三軸壓縮試驗。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：

本發(fā)明的一種新型飽和與非飽和滲透三軸儀，其包括壓力室，所述壓力室的上下兩端分別設(shè)置有壓力室頂板和壓力室底板，所述壓力室內(nèi)設(shè)置有設(shè)置有頂帽，所述頂帽上設(shè)置有荷載桿，所述壓力室底板上設(shè)置有底座，所述壓力室上設(shè)置有控制裝置，所述控制裝置包括軸向力傳感器、位移傳感器、差壓傳感器、第一孔隙水壓力傳感器、第二孔隙水壓力傳感器、第一體積/壓力控制器、第二體積/壓力控制器、第三體積/壓力控制器、壓力控制器和數(shù)據(jù)采集器，所述壓力室分為壓力內(nèi)室和壓力外室，所述軸向力傳感器、位移傳感器、第一孔隙水壓力傳感器、第二孔隙水壓力傳感器、第一體積/壓力控制器和第二體積/壓力控制器均與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器與計算機連接。

所述軸向力傳感器和位移傳感器設(shè)置在荷載桿上，位移傳感器測量試樣剪切中荷載桿移動帶動位移傳感器滑動產(chǎn)生位移值，軸向力傳感器監(jiān)測試驗中偏應(yīng)力的變化規(guī)律。

所述差壓傳感器通過測試壓力內(nèi)室和壓力外室流量進而測試試樣的體積變化規(guī)律，差壓傳感器的一端連接壓力內(nèi)室，另一端連接壓力外室。

所述第一孔隙水壓力傳感器和第二孔隙水壓力傳感器分別與試樣的底部和頂部相連接，用于測試試樣底部和頂部的孔隙水壓力，第一孔隙水壓力傳感器與試樣底部的連接處設(shè)置有二通閥門。

所述第一體積/壓力控制器和第二體積/壓力控制器的一端分別與試樣的頂部和底部相連接，第一體積/壓力控制器與試樣的頂部的連接處設(shè)置有三通閥門，第二體積/壓力控制器與試樣的底部的連接處設(shè)置有三通閥門。

所述壓力控制器與壓力外室及孔隙氣壓力相連接，進行三軸試驗中圍壓和孔隙氣壓力的控制。

所述壓力外室上設(shè)置有排氣孔，壓力室頂板和壓力室底板之間通過固定螺栓固定連接。

所述第三體積/壓力控制器的一端與試樣底部相連接。

所述底座內(nèi)嵌陶土板，分為5bar和15bar兩種類型，陶土板的外圍均勻的分布有八個第一進水孔，第一進水孔的底部設(shè)置有連通通道，連通通道匯集八個第一進水孔后最終通過管路與第三體積/壓力控制器相連接,陶土板的外側(cè)設(shè)置有陶土板護環(huán)，第一孔隙水壓力傳感器的一端連接在陶土板內(nèi)，第二體積/壓力控制器的一端連接在陶土板內(nèi)，所述頂帽上設(shè)置有低滲透性銅板，低滲透性銅板的外圍均勻的分布有八個第二進水孔，第二進水孔的底部設(shè)置有第二連通通道，第二連通通道匯集八個第二進水孔后最終通過管路與第二孔隙水壓力傳感器和第一體積/壓力控制器相連接,低滲透性銅板的外側(cè)設(shè)置有銅板護環(huán)，壓力控制器的一端連接在低滲透性銅板內(nèi)。

所述位移傳感器采用的是LVDT傳感器，第一體積/壓力控制器、第二體積/壓力控制器、第三體積/壓力控制器的精度為1mm³。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的一種新型飽和與非飽和滲透三軸儀，針對目前常規(guī)三軸儀中不能進行巖土體的非飽和三軸壓縮試驗和滲透剪切試驗，非飽和三軸儀中不能夠進行巖土體的滲透剪切試驗以及無法高效快速的進行飽和三軸試驗的不足之處，本發(fā)明通過改進三軸儀底座以及增加三軸儀中應(yīng)力/體積控制器等技術(shù)方法，使得改進后的新型三軸儀能夠進行飽和土三軸壓縮試驗以及非飽和土三軸壓縮試驗，也可以進行飽和滲透剪切試驗。同時，該新型設(shè)備可以進行巖土體反壓飽和以及飽和滲流試驗后的非飽和三軸壓縮試驗，做到利用同一塊試樣測試滲透結(jié)束或反壓飽和結(jié)束后的巖土試樣非飽和強度，實現(xiàn)了三軸試驗中飽和-非飽和的連續(xù)性。

針對現(xiàn)有真三軸儀、應(yīng)力路徑三軸儀、空心扭轉(zhuǎn)三軸儀、高壓大型三軸儀等也無法進行飽和土的滲透剪切試驗，也無法進行巖土體飽和滲流以及反壓飽和結(jié)束后的非飽和三軸壓縮試驗，通過改變上述三軸儀底座以及增加三軸儀中體積/壓力控制器等技術(shù)方法實現(xiàn)了三軸儀中進行上述試驗的目的。

本發(fā)明周的改進后三軸儀主要對已有三軸儀的底座和頂帽進行了改進，在此基礎(chǔ)上增加了體積/壓力控制器以及孔隙水壓力傳感器等，實現(xiàn)了改進后三軸儀能夠進行飽和土三軸壓縮試驗以及非飽和土三軸壓縮試驗，也可以進行飽和滲透剪切試驗。同時，該新型設(shè)備可以進行巖土體反壓飽和以及飽和滲流試驗后的非飽和三軸壓縮試驗，做到利用同一塊試樣測試滲透結(jié)束或反壓飽和結(jié)束后的巖土試樣非飽和強度，達到了三軸試驗中飽和-非飽和連續(xù)性的目標(biāo)。

本發(fā)明中改進后的新型三軸儀，可以進行飽和土三軸試驗，可以進行非飽和土三軸試驗，也可以進行飽和土的滲透剪切三軸試驗，同時，該新型設(shè)備可以進行巖土體反壓飽和以及飽和滲流試驗后的非飽和三軸壓縮試驗，做到利用同一塊試樣測試滲透結(jié)束或反壓飽和結(jié)束后的巖土試樣非飽和強度，實現(xiàn)了三軸試驗中飽和-非飽和的連續(xù)性。由于本發(fā)明中位移傳感器采用的是LVDT傳感器，體積/壓力控制器的精度是1mm³，為試驗數(shù)據(jù)的精確測試提供了重要保證。

通過改進三軸儀底座以及空心扭轉(zhuǎn)三軸儀底座和頂帽結(jié)合增加體積/壓力控制器的方法，也可以使得三軸儀和空心扭轉(zhuǎn)三軸儀等能夠進行飽和滲透剪切試驗等。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為本發(fā)明底座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明頂帽的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明，如圖1、圖2、圖3所示：本實施例的一種新型飽和與非飽和滲透三軸儀，其包括壓力室1，所述壓力室1的上下兩端分別設(shè)置有壓力室頂板2和壓力室底板3，所述壓力室1內(nèi)設(shè)置有頂帽4，所述頂帽4上設(shè)置有荷載桿5，所述壓力室底板3上設(shè)置有底座6，所述壓力室1上設(shè)置有控制裝置7，所述控制裝置7包括軸向力傳感器8、位移傳感器9、差壓傳感器10、第一孔隙水壓力傳感器11、第二孔隙水壓力傳感器12、第一體積/壓力控制器13、第二體積/壓力控制器14、第三體積/壓力控制器15、壓力控制器16和數(shù)據(jù)采集器17，所述壓力室1分為壓力內(nèi)室18和壓力外室19，所述軸向力傳感器8、位移傳感器9、第一孔隙水壓力傳感器11、第二孔隙水壓力傳感器12、第一體積/壓力控制器13和第二體積/壓力控制器14均與數(shù)據(jù)采集器17連接，數(shù)據(jù)采集器17與計算機連接。

所述軸向力傳感器8和位移傳感器9設(shè)置在荷載桿5上，位移傳感器9測量試樣剪切中荷載桿5移動帶動位移傳感器9滑動產(chǎn)生位移值，軸向力傳感器8監(jiān)測試驗中偏應(yīng)力的變化規(guī)律。

所述差壓傳感器10通過測試壓力內(nèi)室和壓力外室流量進而測試試樣的體積變化規(guī)律，差壓傳感器10的一端連接壓力內(nèi)室18，另一端連接壓力外室19。

所述第一孔隙水壓力傳感器11和第二孔隙水壓力傳感器12分別與試樣的底部和頂部相連接，用于測試試樣底部和頂部的孔隙水壓力，第一孔隙水壓力傳感器11與試樣底部的連接處設(shè)置有二通閥門。

所述第一體積/壓力控制器13和第二體積/壓力控制器14的一端分別與試樣的頂部和底部相連接，第一體積/壓力控制器13與試樣的頂部的連接處設(shè)置有三通閥門，第二體積/壓力控制器14與試樣的底部的連接處設(shè)置有三通閥門。

所述壓力控制器16與壓力外室19及孔隙氣壓力相連接，進行三軸試驗中圍壓和孔隙氣壓力的控制。

所述壓力外室19上設(shè)置有排氣孔20，壓力室頂板2和壓力室底板3之間通過固定螺栓21固定連接。

所述第三體積/壓力控制器15的一端與試樣底部相連接。

所述底座6內(nèi)嵌陶土板24，分為5bar和15bar兩種類型，陶土板的外圍均勻的分布有八個第一進水孔22，第一進水孔22的底部設(shè)置有連通通道23，連通通道23匯集八個第一進水孔22后最終通過管路與第三體積/壓力控制器15相連接,陶土板24的外側(cè)設(shè)置有陶土板護環(huán)25，第一孔隙水壓力傳感器11的一端連接在陶土板24內(nèi)，第二體積/壓力控制器14的一端連接在陶土板24內(nèi)，所述頂帽4上設(shè)置有低滲透性銅板26，低滲透性銅板26的外圍均勻的分布有八個第二進水孔27，第二進水孔27的底部設(shè)置有第二連通通道28，第二連通通道28匯集八個第二進水孔22后最終通過管路與第二孔隙水壓力傳感器12和第一體積/壓力控制器13相連接,低滲透性銅板26的外側(cè)設(shè)置有銅板護環(huán)29，壓力控制器16的一端連接在低滲透性銅板26內(nèi)。

所述位移傳感器9采用的是LVDT傳感器，第一體積/壓力控制器13、第二體積/壓力控制器14、第三體積/壓力控制器15的精度為1mm³。

本發(fā)明的具體實施方式如下：

1.安裝試樣：裝樣前務(wù)必對三軸儀進行排氣操作，將預(yù)先削制好的三軸試樣小心放置在三軸儀底座6上，后結(jié)合承膜筒和密封圈將橡皮膜套在試樣外側(cè)，并且安裝試樣頂帽4。在此基礎(chǔ)上進行試樣壓力內(nèi)室的安裝，裝好壓力內(nèi)室之后務(wù)必檢查壓力內(nèi)室底部的密封性，后向內(nèi)壓力室內(nèi)部和標(biāo)準量測管中注入去氣蒸餾水，最后在外側(cè)的差壓傳感器處進行排氣操作，結(jié)束后進行壓力外室的安裝。

2.試樣飽和：通過抽氣飽和、二氧化碳飽和、水頭飽和以及反壓飽和等方法對所安裝試樣進行飽和，飽和結(jié)束后對試樣的飽和度進行檢測，待飽和度通過檢測后方可進行后續(xù)試驗。

3.試樣固結(jié)：飽和度檢測符合規(guī)范要求后進行試樣的固結(jié)，當(dāng)試樣的排水量在一定時間內(nèi)恒定時可認為試樣完成了固結(jié)過程，便可以進行后續(xù)試驗過程。

4.試樣剪切：試樣固結(jié)結(jié)束后，設(shè)置相應(yīng)的剪切速率對試樣進行剪切。

5.滲透剪切：完成1-2后，不對試樣進行固結(jié)操作，在此基礎(chǔ)上，通過在計算機上設(shè)置圖1中第三體積/壓力控制器15和第一體積/壓力控制器13兩個體積/壓力控制器以及圍壓的數(shù)值進行巖土試樣的飽和柔性壁滲透試驗，同時設(shè)置軸向力的數(shù)值進行加載速率的設(shè)置，使得試樣在飽和滲透的過程中同時受到偏應(yīng)力的作用，觀察試樣在滲透過程中的剪切特性。也可以完成1-3后進行試樣的滲透剪切試驗，具體實施方式根據(jù)現(xiàn)場工況進行確定。

6.飽和-非飽和試驗：完成1-2或者1、2、5后，設(shè)置圖1中第三體積/壓力控制器15和第一體積/壓力控制器13為關(guān)閉，則圖2中進水孔等效于關(guān)閉的閥門，圖3中進水孔也等效于關(guān)閉，在此基礎(chǔ)上通過設(shè)置孔隙氣壓力和底部第二體積/壓力控制器14的孔隙水壓力完成基質(zhì)吸力的設(shè)置，基質(zhì)吸力穩(wěn)定后便可進行非飽和三軸壓縮試驗，獲得經(jīng)過飽和或者滲透后巖土試樣的非飽和強度。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。