[发明专利]非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境荷载下的土工试验领域，尤其涉及一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法。

本发明涉及的非饱和土多场耦合是指非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合作用，可以实现非饱和土在不同浓度下的盐溶液、弱酸及弱碱等化学荷载作用下的力学和水力学实验，并且能够考虑温度的影响。涉及到核废料封存过程中膨润土在长期服役下的温度、水力、力学和化学耦合作用，以及由于自然条件变化引起的孔隙溶液的浓度及组份的变化，进而改变土体的强度以及变形特性等。

背景技术

在环境荷载(如力作用、渗流、温度和化学条件变化等)作用下，土体中孔隙溶液除了含量可发生变化外，其浓度和组份也会变化，使得孔隙水压力以及土颗粒之间的相互作用力发生改变，从而导致土体出现复杂的化学和力学耦合作用。例如在垃圾填埋场中，由于各种溶质的迁移，使得孔隙溶液的浓度及组份发生变化，进而改变土体的结构、强度及变形特性等，极易引发填埋场的沉降或坍塌。核废料处置库运营过程中，近场化学条件十分复杂。在扩散核辐射热和地下渗透作用下，膨润土遭受长期的干湿循环，导致地下水化学浓度反复变化，从而引发渗透和力学稳定性等重要性质的改变。因此，在分析核废料地质处置、污染土填埋、降雨诱发滑坡、地表开裂等重大工程问题时，关键难题之一在于如何有效地描述非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的影响。

目前，国内外主要是针对饱和土进行温度、水力、力学和化学耦合行为的研究，而涉及到非饱和土时，这方面的研究较少，主要是因为非饱和土在温度和化学荷载下的试验实施较为困难,且缺乏较为成熟的试验设备。目前关于非饱和土的试验设备，主要是针对基质吸力控制技术，以及体变测量技术进行开发，无法完成温度以及化学荷载作用下的非饱和土的力学和水力行为的测定。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

一、非饱和土多场耦合的三轴试验系统(简称试验系统)

本试验系统包括三轴压力室、围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元、轴向位移测量单元和数据采集单元；

其连接关系是：

在三轴压力室内设置有土样；

围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元分别与三轴压力室连接和，实现对土样施加设定的各项荷载；

数据采集单元分别与围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元连接，实现各项数据的采集。

本试验系统的工作原理：

化学溶液循环渗透单元，采用渗透压力和体积控制器和孔压和体积控制器分别置于土样的上下两端，可分别通过流量和压力来控制化学溶液在土样中的渗透置换过程；当采用流量控制时，化学溶液以一定的流量通过土样，渗透压力和体积控制器和孔压和体积控制器记录该渗透过程中土样上下两端的压力变化；当采用压力控制时，即控制土样上下两端的压力梯度，化学溶液在该压力梯度下通过土样，并且实时监测渗透过程中的流量；其中土样下端的孔压和体积控制器和基质吸力单元中施加孔隙水压力的孔压和体积控制器共用一个。

通过围压施加和体变监测单元来施加土样所需要的围压，并且监测土样在试验过程中的体积变化情况，通过数据采集单元实现数据的实时采集；该单元是采用围压和体积控制器和土样的三轴压力室连接，通过对三轴压力室中的水施加压力，从而实现对土样施加设定的围压，并且监测在试验过程中水在控制器内的流入流出，从而反算出土样的体积变化。

通过温度控制单元调节温度，进行不同温度下非饱和土的化学试验、水力学试验和力学试验；

通过轴力施加单元和三轴压力室的下部连接，对土样施加轴力；该单元采用应变控制，也就是说土样在设定的轴向位移加载速度下进行剪切，通过轴向测力计测定加载过程中的轴向力；