非飽和土多場(chǎng)耦合的三軸試驗(yàn)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(yàn)領(lǐng)域，尤其涉及一種非飽和土多場(chǎng)耦合的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及其方法。
[0002]本發(fā)明涉及的非飽和土多場(chǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)，并且能夠考慮溫度的影響。涉及到核廢料封存過(guò)程中膨潤(rùn)土在長(zhǎng)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(jìn)而改變土體的強(qiáng)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(huì)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(chǎng)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(jìn)而改變土體的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及變形特性等，極易引發(fā)填埋場(chǎng)的沉降或坍塌。核廢料處置庫(kù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，近場(chǎng)化學(xué)條件十分復(fù)雜。在擴(kuò)散核輻射熱和地下滲透作用下，膨潤(rùn)土遭受長(zhǎng)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(kāi)裂等重大工程問(wèn)題時(shí)，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(guó)內(nèi)外主要是針對(duì)飽和土進(jìn)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?yàn)榉秋柡屯猎跍囟群突瘜W(xué)荷載下的試驗(yàn)實(shí)施較為困難，且缺乏較為成熟的試驗(yàn)設(shè)備。目前關(guān)于非飽和土的試驗(yàn)設(shè)備，主要是針對(duì)基質(zhì)吸力控制技術(shù)，以及體變測(cè)量技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，無(wú)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(cè)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(diǎn)和不足，提供一種非飽和土多場(chǎng)耦合的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及其方法。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一、非飽和土多場(chǎng)耦合的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)系統(tǒng))
本試驗(yàn)系統(tǒng)包括三軸壓力室、圍壓施加/體變監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量單元分別與三軸壓力室連接/連通，實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣施加設(shè)定的各項(xiàng)荷載；
數(shù)據(jù)采集單元分別與圍壓施加/體變監(jiān)測(cè)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(cè)量單元連接，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集。
[0008]本試驗(yàn)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(guò)流量和壓力來(lái)控制化學(xué)溶液在土樣中的滲透置換過(guò)程；當(dāng)采用流量控制時(shí)，化學(xué)溶液以一定的流量通過(guò)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(guò)程中土樣上下兩端的壓力變化；當(dāng)采用壓力控制時(shí)，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(guò)土樣，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲透過(guò)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(gè)。
[0009]通過(guò)圍壓施加/體變監(jiān)測(cè)單元來(lái)施加土樣所需要的圍壓，并且監(jiān)測(cè)土樣在試驗(yàn)過(guò)程中的體積變化情況，通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(guò)對(duì)三軸壓力室中的水施加壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣施加設(shè)定的圍壓，并且監(jiān)測(cè)在試驗(yàn)過(guò)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(guò)溫度控制單元調(diào)節(jié)溫度，進(jìn)行不同溫度下非飽和土的化學(xué)試驗(yàn)、水力學(xué)試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)；
通過(guò)軸力施加單元和三軸壓力室的下部連接，對(duì)土樣施加軸力；該單元采用應(yīng)變控制，也就是說(shuō)土樣在設(shè)定的軸向位移加載速度下進(jìn)行剪切，通過(guò)軸向測(cè)力計(jì)測(cè)定加載過(guò)程中的軸向力；
通過(guò)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(jī)提供，在土樣上部施加，利用氣壓控制器進(jìn)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(guò)孔壓/體積控制器對(duì)陶土板中的水施加壓力從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)；
通過(guò)軸向位移傳感器和三軸壓力室的上部連接，通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中土樣軸向位移的實(shí)時(shí)采集；
整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了溫度、水力、力學(xué)和化學(xué)荷載的實(shí)時(shí)控制與測(cè)量，該四種作用的控制是相互獨(dú)立的，可以單獨(dú)施加，也可以同時(shí)施加，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jìn)行測(cè)試。
[0011 ] 二、非飽和土多場(chǎng)耦合的三軸試驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)方法)
本試驗(yàn)方法是基于上述的非飽和土多場(chǎng)耦合的三軸試驗(yàn)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(jìn)行飽和；然后將制備好的土樣置入橡皮膜中，稍稍壓實(shí)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(zhǎng)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(yàn)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(dòng)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(yàn)
a、測(cè)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(cè)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(yàn)；
C、測(cè)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(duì)化學(xué)和溫度的敏感性分析。
[0012]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)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(dú)控制，根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)路徑進(jìn)行試驗(yàn)，單獨(dú)施加或者是同時(shí)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(shí)現(xiàn)均勻滲透與分布，并且可分別通過(guò)控制流量和壓力的方式進(jìn)行加載；
③能夠?qū)ν煌翗臃謩e進(jìn)行非飽和土的脫吸濕試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、不排水剪切試驗(yàn)和排水剪切試驗(yàn)，并實(shí)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(cè)定；
④能夠精測(cè)測(cè)量土樣在試驗(yàn)過(guò)程中的體積變化和軸向位移；
⑤實(shí)現(xiàn)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)采集，不需人工值守讀數(shù)；
⑥該裝置測(cè)試原理直觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)重型設(shè)備、造價(jià)低廉；并且精度高、穩(wěn)定性好、易于操作、拆卸方便，對(duì)安裝測(cè)試人員沒(méi)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(yàn)，實(shí)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(cè)定。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為本試驗(yàn)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(cè)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(tái)，3.2—手輪，
3.3一軸向測(cè)力計(jì)，3.4一試驗(yàn)機(jī)；
4一基質(zhì)吸力施加單元，
4.1一氣壓控制器，4.2—空壓機(jī)，4.3—孔隙氣閥門(mén)，
4.4一孔壓/體積控制器，4.5—孔隙水閥門(mén)；
5一溫度控制單元，