[发明专利]非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法

权利要求书

1.一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统，其特征在于：

包括三轴压力室(1)、围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)、轴向位移测量单元(7)和数据采集单元(8)；

其连接关系是：

在三轴压力室(1)内设置有土样(0)；

围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)和轴向位移测量单元(7)分别与三轴压力室(1)连接，实现对土样(0)施加设定的各项荷载；

数据采集单元(8)分别与围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)和轴向位移测量单元(7)连接，实现各项数据的采集；

所述的三轴压力室(1)包括压力室外罩(1.1)、排气通道(1.2)、围压孔道(1.3)、化学溶液孔道(1.4)、陶土板(1.5)、底座(1.6)、孔隙气孔道(1.7)、孔隙水孔道(1.8)和多孔板(1.9)；

其连接关系是：

压力室外罩(1.1)安装在底座(1.6)上，陶土板(1.5)放置在底座(1.6)中部，在陶土板(1.5)的上部放置有土样(0)，排气通道(1.2)设置在压力室外罩(1.1)上部，用来排除压力室内的空气；

围压孔道(1.3)设置在底座(1.6)的边缘上，用来施加围压；

化学溶液孔道(1.4)设置在底座(1.6)的边缘上，和土样(0)上部的多孔板(1.9)连接，用于化学溶液的循环渗透；

孔隙气孔道(1.7)设置在底座(1.6)的边缘上，和土样(0)上部的多孔板(1.9)连接，用来对土样(0)施加气压；

孔隙水孔道(1.8)设置在底座(1.6)的中心上，在陶土板(1.5)的下方，一个功能是对土样(0)施加孔隙水压力，另一个功能是用来对土样(0)进行化 学溶液的循环渗透；

所述的围压施加和体变监测单元(2)包括围压和体积控制器(2.1)和围压阀(2.2)；

其连接关系是：

围压和体积控制器(2.1)和围压阀(2.2)连接，围压阀(2.2)和三轴压力室(1)的围压孔道(1.3)连接；

围压和体积控制器(2.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的围压和体变进行采集；

所述的轴力施加单元(3)包括升降台(3.1)、手轮(3.2)、轴向测力计(3.3)和试验机(3.4)；

其连接关系是：

从下到上，试验机(3.4)、升降台(3.1)、三轴压力室(1)和轴向测力计(3.3)依次连接，给土样(0)施加轴力；

在试验机(3.4)上设置有手轮(3.2)，起卸载作用；

轴向测力计(3.3)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的轴力进行采集；

所述的基质吸力施加单元(4)包括气压控制器(4.1)、空压机(4.2)、孔隙气阀门(4.3)、孔压和体积控制器(4.4)和孔隙水阀门(4.5)；

其连接关系是：

空压机(4.2)、气压控制器(4.1)和孔隙气阀门(4.3)依次连接，孔隙气阀门(4.3)和三轴压力室(1)的孔隙气孔道(1.7)连接，对土样(0)施加孔隙气压力；

孔压和体积控制器(4.4)和孔隙水阀门(4.5)连接，孔隙水阀门(4.5)和三轴压力室(1)的孔隙水孔道(1.8)连接，对土样(0)施加孔隙水压力，并且同时监测土样(0)中吸入或排出孔隙溶液的流量，进而得出土样(0)含水量的变化情况；

气压控制器(4.1)和孔压和体积控制器通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的孔隙气压力、孔隙水压力以及含水量变化的采集；

所述的温度控制单元(5)包括电阻丝(5.1)、低温恒温冷浴(5.2)、冷浴 液循环铜管(5.3)和温度控制器(5.4)；

其连接关系是：

电阻丝(5.1)和冷浴液循环铜管(5.3)分别置于三轴压力室外罩(1.1)的内壁上，低温恒温冷浴(5.2)和冷浴液循环铜管(5.3)连接，电阻丝(5.1)和低温恒温冷浴(5.2)分别和温度控制器(5.4)连接，控制温度；

温度控制器(5.4)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的温度进行采集；

所述的化学溶液循环渗透单元(6)包括渗透压力和体积控制器(6.1)和化学溶液阀门(6.2)；

其连接关系是：

渗透压力和体积控制器(6.1)和化学溶液阀门(6.2)连接，化学溶液阀门(6.2)和三轴压力室(1)中的化学溶液孔道(1.4)连接；

渗透压力和体积控制器(6.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的渗透压力和流量进行采集；

所述的轴向位移测量单元(7)包括轴向位移百分表(7.1)和位移探测计(7.2)；

其连接关系是：

轴向位移百分表(7.1)和位移探测计(7.2)的上部连接，位移探测计(7.2)和三轴压力室(1)上部接触，轴向位移百分表(7.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的轴向位移进行采集；

所述的数据采集单元(8)包括围压传感器(8.1)、流量传感器(8.2)、化学溶液压力传感器(8.3)、化学溶液流量传感器(8.4)、轴力传感器(8.5)、孔隙气压力传感器(8.6)、孔隙水压力传感器(8.7)、孔隙水流量传感器(8.8)、温度传感器(8.9)、轴向位移传感器(8.10)、数据采集仪(8.11)和计算机(8.12)；

其连接关系是：

数据采集仪(8.11)上有10个通道分别和围压传感器(8.1)、流量传感器(8.2)、化学溶液压力传感器(8.3)、化学溶液流量传感器(8.4)、轴力传感器(8.5)、孔隙气压力传感器(8.6)、孔隙水压力传感器(8.7)、孔隙水流量传感器(8.8)、温度传感器(8.9)和轴向位移传感器(8.10)连接，数据采集仪(8.11)和计算机(8.12)连接；

围压传感器(8.1)和流量传感器(8.2)设置于围压施加和体变监测单元(2)的围压和体积控制器(2.1)上；

化学溶液压力传感器(8.3)和化学溶液流量传感器(8.4)设置于化学溶液循环渗透单元(6)的渗透压力和体积控制器(6.1)上；

轴力传感器(8.5)设置于轴向测力计(3.3)上；

孔隙气压力传感器(8.6)设置于气压控制器(4.1)上；

孔隙水压力传感器(8.7)和孔隙水流量传感器(8.8)设置于基质吸力施加单元(4)的孔压和体积控制器(4.3)上；

温度传感器(8.9)设置于温度控制器(5.4)上；

轴向位移传感器(8.10)设置于轴向位移百分表(7.1)上。

2.基于权利要求1所述三轴试验系统的试验方法，其特征在于包括下列步骤：

①土样的制备和安装

土样(0)可以采用原状样或重塑样，将三轴压力室(1)底座(1.6)上的陶土板(1.5)进行饱和；然后将制备好的土样(0)置入橡皮膜中，稍稍压实以排除膜内的空气，一起放在饱和的陶土板(1.5)上，土样(0)顶端放置多孔板(1.9)，然后用橡皮绳将橡皮膜的上下两端分别扎紧在三轴压力室(1)的底座(1.6)上和多孔板(1.9)上，橡皮膜上下两端长于土样的上下两端；

②配制化学溶液

按照试验要求，根据所需的浓度和组份配制化学溶液；启动化学溶液循环渗透单元(6)的渗透压力和体积控制器(6.1)将化学溶液注入控制器内；

③试验

a、测定不同化学溶液、不同温度、不同围压和轴压下非饱和土的土水特征曲线；

b、测定不同化学溶液、不同温度、不同基质吸力和围压下非饱和土的三轴排水和不排水剪切试验；

c、测定化学溶液循环变化以及温度循环变化下非饱和土的力学和水力学特性的改变；

d、不同应力和基质吸力作用下非饱和土对化学和温度的敏感性分析。