本发明专利技术公开了一种多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置及其方法，涉及土工试验领域。本试验装置是对现有的《饱和土三轴试验设备》的改进，保留其中的围压单元、轴力施加单元和轴向位移测量单元，设置了吸力施加单元、温度控制单元、双压力室、差压传感器、参照管和数据采集单元。本试验方法是：先将饱和的重塑土样或原状土样置于三轴压力室中，在压力室中施加吸力，使其进入非饱和阶段；然后施加围压对非饱和土进行剪切试验，得到不同吸力和不同围压下的变形曲线及其强度参数。本发明专利技术适用于非饱和土不同温度下的脱吸湿、固结、不排水剪切和排水剪切试验，而且可以实现不同水力路径下的强度试验。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土工试验领域，尤其涉及一种。
技术介绍
在广大的干旱和半干旱地区，大部分都是非饱和土 ；并且大量的地质灾害是和非饱和土有关的。由于非饱和土的试验技术和理论水平远不如饱和土成熟，为了简化，目前分析此类问题通常是采用饱和土理论。随着研究人员对非饱和土的认识越来越深入，采用非饱和土理论解决此类问题更为合理。非饱和土与饱和土的本质差别在于饱和土具有应力历史依赖性，非饱和土不光与应力历史有关，而且和水力学历史有关。与饱和土不同，非饱和土是三相多孔介质，包含固相、气相和液相。由于气相的存在，非饱和土中的孔隙水压通常是负的。由于非饱和土比饱和土多了气相，因此多了一个应力变量，即吸力。吸力是土体内部固相的表面与孔隙内液相和气相相互作用而产生的，会使土体的强度和刚度增加。因此饱和土的理论和试验技术并不适用，往往低估了土体的安全系数。同时，由于存在毛细滞回作用，对于同一个基质吸力，分别经过脱湿和吸湿之后的土体的强度并不相同，还与饱和度有关，并且与干湿循环历史有关。在分析降雨诱发滑坡之类的非饱和土灾害问题时，土体的强度指标是最重要的参数之一。而这些参数与吸力有关，因此吸力对强度的贡献是亟需要解决的问题。同时与非饱和土有关的蒸发引起的地表开裂和垃圾填埋场的污染物迁移是和温度有密切关系的，非饱和土的土水状态也与温度有关，目前很少有研究涉及到测试不同温度下非饱和土的力学和水力学性质。不同的土水状态会导致不同的强度参数，因此在分析此类非饱和土问题时，有必要研究温度的影响。与非饱和土相反，饱和土的室内三轴试验的测试精度与可控制性已经得到国内外岩土力学领域的公认。目前针对非饱和土的试验设备，国内外的研究人员进行了大量的研究。对非饱和土的吸力控制技术，大部分是通过轴平移技术来实现的。轴平移是将孔压增大为正值，同时也增大气压，通过二者的差值来施加设定的基质吸力。但是推广到现场状态时，非饱和土中的孔压都是负的，这种技术就不再适用了。不再需要施加气压力，真实再现土样在现场时的负孔压状态时，能够施加吸力是非饱和土研究中的一个难题。而且现有的方法只是土样底部排水，或是土样顶部和底部一起排水，平衡时间很长，并且精确度不高。同时研究在不同温度下测试非饱和土行为的试验装置也不是很多。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种。本试验装置结构简单，使用方便，能准确反映不同温度下非饱和土的力学和水力、学性质。本试验方法主要是采用渗析法来达到所需要的吸力，土样中的负孔压是接近于现场实际状态的，并结合温度控制单元来进行不同温度下的试验。采用土样周围脱吸湿，缩短了非饱和土平衡的时间。本专利技术的目的是这样实现的本试验装置是对现有的《饱和土三轴试验设备》的改进，保留其中的围压单元、轴力施加单元和轴向位移测量单元，设置了吸力施加单元、温度控制单元、双压力室、差压传感器、参照管和数据采集单元。本试验方法是先将饱和的重塑土样或原状土样置于三轴压力室中，在压力室中 施加吸力，使其进入非饱和阶段；然后施加围压对非饱和土进行剪切试验，得到不同吸力和不同围压下的变形曲线及其强度参数。吸力可以循环变化，从而可以得到不同水力路径的强度特征；同时通过温度控制单元可以得到不同温度下非饱和土的力学性质和水力学性质；而且其中非饱和土的负孔压状态接近现场原位模式。一、多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置(简称试验装置)本试验装置包括围压单元、轴力施加单元和轴向位移测量单元，设置了吸力施加单元、温度控制单元、双压力室、差压传感器、参照管和数据采集单元。其连接关系是吸力施加单元、围压单元、轴力施加单元和温度控制单元分别与双压力室连接，对土样施加设定的吸力、围压、轴力和温度；差压传感器和轴向位移测量单元分别与双压力室连接，差压传感器和参照管连接,对土样试验过程中的体积变化和轴向位移实时测量；数据采集单元分别与围压单元、轴力施加单元和温度控制单元连接，控制所施加的围压、轴力和温度值；吸力施加单元与数据采集单元连接，记录流入流出溶液的质量差值来反算土样中吸入或排出水的质量，同时判断对应这一级吸力土样是否达到平衡状态；差压传感器和轴向位移测量单元分别与数据采集单元连接，在试验过程中对体积变化和轴向位移进行实时采集。本试验装置的工作原理采用渗析法施加所需的吸力，其原理是利用PEG溶液的渗析力。因为不同浓度的PEG溶液通过半透膜的隔挡作用对膜另一侧的非饱和土样的水分产生不同大小的渗透吸力，而土样水分在变化过程中，只有在对水分有吸持作用的基质吸力与溶液的渗透吸力达到平衡了，土样水分才能保持不变。因此采用不同浓度的PEG溶液渗析土样也就达到了对土样施加和控制吸力的目的。通过围压单元和吸力施加单元分别施加围压、吸力，通过数据采集单元实现数据的实时采集，进行非饱和土不同围压下的脱吸湿试验；通过温度控制单元调节温度，进行不同温度下非饱和土的水力学试验和力学试验;通过差压传感器连接双压力室内室和参照管，在不排水剪切时，土样的体积变化会使双压力室中的溶液的液面升高或降低，通过与参照管的压差来反映土样体积的变化，通过与数据采集单元的连接来实时采集；通过轴向位移传感器与双压力室的上部相连，通过数据采集单元进行实时采集；整个过程实现了不同温度、吸力和围压条件下对非饱和土样力学和水力学行为的实时监控，以及测试不同水力学路径下非饱和土强度的差别。二、多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验方法(简称试验方法)本试验方法是基于上述的多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置，包括下列步骤①土样的安装将土样按设定的干密度和含水率采用静压法制成三轴土样(圆柱形土样，简称土 样)，将土样进行抽真空饱和，然后将不透水底板放入压力室底座上，将土样装入半透膜中，稍稍压实以排除膜内的空气，和不透水底板一起安装在压力室底座上，在土样的顶端放置有不透水盖板，然后再用橡皮绳将半透膜(半透膜上下两端长于土样的上下两端)的上下两端分别扎紧在压力室底座上的不透水底板和不透水盖板上；②采用渗析法施加所需要的吸力向双压力室内室充入一定浓度的PEG溶液，每一种浓度对应特定的吸力，使溶液达到内室的顶部稍微靠下的位置，然后在外室中注入一定的轻质油，使轻质油进入内室，达到两室液面平齐接触；③试验a、测试不同温度下非饱和土的土水特征曲线；b、测试不同围压下非饱和土的土水特征曲线；C、进行不同吸力下非饱和土的固结试验；d、进行不同吸力和不同围压下非饱和土的三轴排水和不排水剪切试验；e、进行不同水力路径下非饱和土的强度试验。本专利技术具有以下优点和积极效果①围压单元、吸力施加单元和温度控制单元可控，可预加设定的值；②能够对同一土样分别进行非饱和土的脱吸湿试验、固结试验、不排水剪切试验和排水剪切试验，并实现在不同温度下的非饱和土力学性质和水力学性质的联合测定；③能够准确量测和控制非饱和土样的吸力、围压、温度和试验过程中的体积变化和轴向位移；④不采用轴平移技术，能够再现现场状态下非饱和土的负孔压状态；⑤能够实现土样循环脱吸湿，进行不同水力学历史下非饱和土的强度测试；⑥实现所有试验数据的实时监测和自动采集，不需人工值守读数；⑦该装置测试原理直观、结构简单、精度高、稳定性好、无重型设备、易于操作、拆卸方便和造价低廉，对安装测试人员没有很高的技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多功能施加吸力的非饱和土三轴试验装置,包括围压单元(2)、轴力施加单元(3)和轴向位移测量单元(8)； 其特征在于 设置有吸力施加单元(I)、温度控制单元(4)、双压力室(5)、差压传感器(6)、参照管(7)和数据采集单元(9); 其连接关系是 吸力施加单元(I )、围压单元(2)、轴力施加单元(3)和温度控制单元(4)分别与双压力室(5 )连接，对土样(O )施加设定的吸力、围压、轴力和温度； 差压传感器(6 )和轴向位移测量单元(8 )分别与双压力室(5 )连接，差压传感器(6 )和参照管(7)连接，对土样(O)试验过程中的体积变化和轴向位移实时测量； 数据采集单元(9)分别与围压单元(2)、轴力施加单元(3)和温度控制单元(4)连接，控制所施加的围压、轴力和温度值； 吸力施加单元(I)与数据采集单元(9)连接，记录流入流出溶液的质量差值来反算土样(O)中吸入或排出水的质量，同时判断对应这一级吸力土样(O)是否达到平衡状态； 差压传感器(6 )和轴向位移测量单元(8 )分别与数据采集单元(9 )连接，在试验过程中对体积变化和轴向位移进行实时采集。2.按权利要求I所述的一种多功能施加吸力的非饱和土三轴试验装置，其特征在于 所述的吸力施加单元(I)包括半透膜(I. I)、不同浓度的PEG溶液(I. 2)和常流速泵(I. 3)； 半透膜(I. I)包裹土样(0)，向双压力室内室(5. I)充入一定浓度的PEG溶液(I. 2)，提供对应的吸力，常流速泵(I. 3)与双压力室内室(5. I)两侧相连，一侧循环提供流速恒定的PEG溶液(I. 2)，另一侧流出溶液并记录其质量变化，用于得出土样(O)中吸收或排出水的质量; 常流速泵I. 3通过信号传输线与数据采集单元(9)相连。3.按权利要求I所述的一种多功能施加吸力的非饱和土三轴试验装置，其特征在于 所述的温度控制单元(4)是一种通用的空调结构，包括电阻丝(4. I)、压缩机(4. 2)和温度控制器(4. 3)； 电阻丝(4. I)内置于双压力室外室(5. 2)内壁，压缩机(4. 2)通过软管与双压力室外室(5.2)连通，温度控制器(4. 3)分别与电阻丝(4. I)和压缩机(4. 2)连接，控制温度。4.按权利要求I所述的一种多功能施加吸力的非饱和土三轴试验装置，其特征在于 所述的双压力室(5)包括内室(5. I)、外室(5.2)、围压孔道(5.3)、两个吸力孔道(5. 4)、排气通道(5. 5)、底座(5. 6)、不透水底板(5. 7)和不透水盖板(5. 8)； 内室(5. I)和外室(5. 2)分别安装在底座(5. 6)上，内室(5. I)的上端开口，与外室(5. 2)连通； 围压孔道(5. 3)设置在与外室(5. 2)连通的底座(5. 6)上，用来施加...
【专利技术属性】
技术研发人员：马田田，韦昌富，陈盼，魏厚振，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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