专利名称：多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置及其方法
技术领域：
本发明涉及土工试验领域，尤其涉及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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供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。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。本发明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。本发明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要求。本发明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。
图I为本试验装置的结构方框图；图2为本试验装置的结构示意图3为数据采集单元结构方框图；图4为计算机的工作流程图。图中0—土样；I 一吸力施加单元，I. I一半透膜， I. 2—不同浓度的PEG (聚乙二醇)溶液，I. 3一常流速栗；2—围压单元，
2. I-压力控制器， 2. 2-轻质油， 2. 3-压力表，2. 4—围压阀；3—轴力施加单元，3. I-升降台， 3. 2手轮，3. 3一轴向测力计， 3. 4一试验机；4-温度控制单元，4. I一电阻丝， 4. 2—压缩机， 4. 3—温度控制器；5—双压力室，5. I-内室， 5. 2-外室， 5. 3_围压孔道，5. 4一吸力孔道， 5.5—排气通道， 5.6—底座，5. 7-不透水底板， 5. 8-不透水盖板；6-差压传感器；7-参照管；8-轴向位移测量单元，8. I-轴向位移百分表， 8. 2位移探测计；9 一数据采集单元，9. 1一围压传感器， 9. 2—流速传感器， 9. 3—轴力传感器，9. 4一温度传感器， 9. 5—轴向位移传感器， 9. 6—数据采集仪，9. 7—计算机。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详细说明一、试验装置I、总体如图I，本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 ；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0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0中吸入或排出水的质量，同时判断对应这一级吸力土样0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、功能块I)吸力施加单元I如图2，吸力施加单元I包括半透膜I. I、不同浓度的PEG (聚乙二醇)溶液I. 2和 常流速泵I. 3 ;其连接关系是半透膜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0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。吸力施加单元I的工作原理是
采用渗析法施加吸力，在一定的温度下，每种浓度的PEG溶液I. 2都有一个对应的吸力值。半透膜I. I是一种只能透过小分子的材料，半透膜I. I的作用就是隔开PEG溶液
I.2与试验土样0，水分子可以通过，而大分子量的PEG分子无法通过。由于初始状态时土样0内的吸力和压力室内室5. I中的吸力不同，为了达到平衡，土样0中开始脱湿或吸湿，直至达到平衡。当土样0不再出水时，即土样0中的吸力和PEG溶液I. 2中的吸力达到平衡，从而实现了吸力的施加。为了保证渗析效果，压力室内室5. I中的PEG溶液I.2是通过常流速泵I. 3连续不断供应的。半透膜I. I可以采用透析袋，若其规格为MWCO值3500，表示分子量高于3500的大分子化合物无法穿过即能够被该种透析袋截留。PEG溶液I. 2为聚乙烯乙二醇的简称，应采用PEG6000溶液。不同温度时，在该种类型PEG溶液I. 2的浓度与吸力的率定曲线上可以查得对应不同浓度的吸力值。土样0采用周边排水或吸水，达到平衡所需的时间短，大大节约了整个试验的时间。吸力施加单元I的功能是对土样0施加设定的吸力，能够再现现场原位状态下非饱和土的负孔压状态，进行给定吸力下非饱和土的三轴试验，并通过常流速泵I. 3来测量土样0吸收或排出水的质量，同时能够测量三轴试验的体积变化。2)围压单元2所述的围压单元2 (是现有的《饱和土三轴试验设备》的一个功能单元)包括压力控制器2. I、轻质油2. 2、压力表2. 3和围压阀2. 4 ；其连接关系是在压力室外室5. 2中充满轻质油2. 2，压力控制器2. I、围压阀2. 4和轻质油2. 2依次连通，在压力控制器2. I上设置有压力表2. 3。围压单元2的工作原理是
压力控制器2. I对轻质油2. 2施加压力来产生设定的围压，围压阀2. 4和压力表
2.3分别用来设定和显示围压的数值，压力表2. 3通过信号传输线与数据采集单元9相连，进行控制和监测。围压单元2的功能是对土样0施加所需围压，进行不同围压下非饱和土的脱吸湿、固结和剪切试验。3)轴力施加单元3轴力施加单元3 (是现有的《饱和土三轴试验设备》的一个功能单元)包括升降台
3.I、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. I、双压力室5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。轴力施加单元3的工作原理是轴力施加是应变控制式，通过试验机3. 4以一定的速度驱动升降台3. I上升，土样0的轴向应变一直在增加，实现对土样0轴向力的施加,直至土样0破坏。通过轴向测力计3. 3来得到施加的轴力值，并通过与数据采集单元9连接进行实时采集。轴力施加单元3的功能是对土样0施加轴力，进行不同围压、温度和吸力条件下的三轴排水剪切和不排水剪切试验。升降台3. I、手轮3. 2、轴向测力计3. 3和试验机3. 4均为通用件。4)温度控制单元4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 ;其连接关系是电阻丝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。温度控制单元4的工作原理是通过温度控制器4. 3来设定所要达到的温度，若溶液中的温度比设定值低则反馈给内置的电阻丝4. I对液体进行加热，若溶液中的温度比设定值高则反馈给压缩机4. 2进行降温，并保持温度恒定。温度控制单元4的功能是可以设定所需要的温度，并保持恒温。5)双压力室5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 ；其连接关系是内室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，用来施加围压；
两个吸力孔道5. 4的一端头设置在与内室5. I连通的底座5. 6上，两个吸力孔道5. 4的另一端头与常流速泵I. 3连通，用来循环供应PEG溶液I. 2和测量土样0中水分含量的变化和三轴试验过程中的体积变化；排气通道5. 5设置在双压力室5的上部，用来排除室内的空气。双压力室5的工作原理是在内室5. I中注入PEG溶液I. 2，用于施加土样0的吸力；在外室5. 2中注入轻质油2. 2用于施加土样0的围压，土样0放置在内室底座5. 6上；在双压力室5中，内室5. I和外室5. 2的压力相等，抵消了内室5. I的变形，从而更能精确地测量土样0(非饱和土)的体积变化；在内室5. I的上部设置有刻度线，用于控制注入溶液的最大高度。双压力室5的功能是 放置土样0，实现土样0在不同温度和不同围压下的脱吸湿、固结及剪切试验。6)差压传感器6差压传感器6是一种通用件。—端与内室5. I相连,另一端与参照管7相连。在土样0 (非饱和土)的不排水剪切时，由于土样0体积变化会使内室5. I中的PEG溶液I. 2的液面发生变化，与参照管7中的压力差会产生相应的变化，通过此压力差可以换算试验中土样0 (非饱和土)的体积变化。同时通过与数据采集单元9相连，可以实时监测体变。7)参照管7参照管I是一个充满PEG溶液I. 2的玻璃管，PEG溶液I. 2的液面恒定，因此压力也恒定，起到了一个参照的作用。液面上有一层薄薄的轻质油，防止蒸发。内室5. I通过与差压传感器6相连，可以得到内室5. I和参照管7的压力差。8)轴向位移测量单元8轴向位移测量单元8 (是现有的《饱和土三轴试验设备》的一个功能单元)包括轴向位移百分表8. I和位移探测计8. 2 ；其连接关系是位移表8. I通过信号传输线与数据采集单元9相连，位移探测计8. 2与双压力室5上部接触。轴向位移测量单元8的功能是能够实时监测非饱和土脱吸湿、固结和剪切试验过程中发生的轴向位移。9)数据采集单元9如图3所示，数据采集单元9包括围压传感器9. I、流速传感器9. 2、轴力传感器9. 3、温度传感器9. 4、轴向位移传感器9. 5、数据采集仪9. 6和计算机9. 7 ；其连接关系是数据采集仪9. 6上有六个通道分别与围压传感器9. I、流速传感器9. 2、轴力传感器9. 3、温度传感器9. 4、轴向位移传感器9. 5和差压传感器6连接，数据采集仪9. 6与计算机9. 7连接；围压传感器9. I设置于压力表2. 3上；流速传感器9. 2设置于常流速泵I. 3上；轴力传感器9. 3设置于轴向测力计3. 3上；
温度传感器9. 4设置于温度控制器4. 3上；轴向位移传感器9. 5设置于百分表8. I上；分别通过信号传输线与数据采集仪9. 6相连接。数据采集单元9的功能是通过围压传感器9. I、温度传感器9. 4控制和量测双压力室5内的围压、温度；通过轴力传感器9. 3、轴向位移传感器9. 5分别可以得出土样0实时的轴向力和轴向位移；通过流速传感器9. 2可以得到土样0中吸收或排出水的质量，并能同时得到三轴试验的体积变化；通过差压传感器6可以得到不排水剪切过程中非饱和土的体积变化。(I)围压传感器9. I
围压传感器9. I是一种通用件，选用Senex生产，压力范围0 IMpa，精度0. I %FS0其功能是测量上样0的围压。(2)流速传感器9. 2流速传感器9. 2是一种通用件,选用Ponolflow-VA,测量范围_5m/s 6. 5m/s,分辨率lmm/s，精度0. 5%。其功能是测量溶液的流速、瞬时流量和累积流量。(3)轴力传感器9. 3轴力传感器9. 3是一种通用件，选用KAP-S型拉压力传感器，规格为5N 50kN。其功能是测量土样0的轴力。(4)温度传感器9. 4温度传感器9. 4是一种通用件，选用PtlOO型钼金电阻(北京，PtlOOAp 3)。其功能是测量土样0周围溶液的温度。(5)差压传感器6差压传感器6是一种通用件，选用Senex生产，压力范围0 IMpa，精度0. 1%F*S。其功能是测量双压力室内室和参照管的压差，从而可以得到土样0试验过程中的体积变化值。(6)轴向位移传感器9. 5轴向位移传感器9. 5是一种通用件，选用ZKL-W型位移传感器(LVDT)，量程0 800_，直径为(p 8。其功能是测量试验过程中土样0的轴向变形。(7)数据采集仪9. 6数据采集仪9. 6是一种通用件，选用南京生产的TSW-3。(8)计算机 9. 7计算机9. 7 的硬件配置是Intel (R) Celeron (R) CPU 42001. 6GHZ ；512MB 内存。其采集软件采用思明特公司开发的思明特数据采集软件SUPY1. O。数据可以设定，精确到0. 1，可以实时显示曲线数据。如图4,其工作流程是①启动采集软件A ;②设定数据保存路径B ;③设定采集间隔时间C ;④开启数据采集通道D ;⑤输入土样物性参数E ；
⑥数据清零F ;⑦开始试验G。二、试验方法本实施例以粉土为例，使用本发明进行循环施加吸力的非饱和土三轴试验的过程为①土样的安装
将土样0按设定的干密度和含水率采用静压法制成三轴土样0(圆柱形土样，简称土样)，将土样0进行抽真空饱和，称量饱和之后的质量，得出饱和含水量和孔隙率。然后将不透水底板5. 7放入压力室底座5. 6上，将土样0装入半透膜I. I中，稍稍压实以排除膜内的空气，和不透水底板5. 7 一起安装在压力室底座5. 6上，在土样0的顶端放置有不透水盖板5. 8，然后再用橡皮绳将半透膜5. I (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5. 6上的不透水底板5. 7和不透水盖板5. 8上；②采用渗析法施加所需要的吸力往双压力室内室5. I充入一定浓度的PEG溶液I. 2，每一种浓度对应特定的吸力，使溶液I. 2达到内室5. I的顶部稍微靠下的位置,然后在外室5. 2中注入一定的轻质油
2.2，使轻质油2. 2进入内室，使两室液面结合在一起；③试验a、测试不同温度下非饱和土的土水特征曲线通过温度控制单元4设定所需要的温度。在不同的温度下进行土样0的脱吸湿试验。每种温度都对应有PEG溶液的浓度与吸力的标定曲线。对应于所设定的每一级吸力值，配制好相应浓度的溶液I. 2。将双压力室5下部的一个吸力孔道5. 4打开，采用常流速泵I. 3将溶液I. 2充满双压力室5。等溶液I. 2充满之后，开启两个吸力孔道5. 4，常流速泵I. 3与内室5. I连接的一端不断地供应溶液，而另一端不断地流出。且流出量是可以实时监测的，这样就可以得到土样0中排出水的质量。当流出量不变时，则此级吸力达到平衡，通过饱和的含水量可以得到对应这一级吸力的含水量或饱和度。然后将双压力室5中的溶液排出，采用上述同样的方法注入下一级吸力所对应浓度的溶液I. 2。如此反复，试验不仅能得到主脱湿曲线和主吸湿曲线，同时还可以得到里面的扫描线。由于土样0周边排水或吸水，所需的平衡时间短，这样可以节省整个试验的时间。通过温度控制单元4，设定下一级温度，重复上述的试验过程，可以得到不同温度下完整的土水特征关系。b、测试不同围压下非饱和土的土水特征曲线对应于所设定的每一级吸力值，配制相应浓度的溶液I. 2。将双压力室5下部的一个吸力孔道5. 4打开，采用常流速泵I. 3将溶液注入双压力室内室5. I中。等达到内室5. I的最大刻度线时，停止注入。然后将双压力室5顶部的排气通道打开，往压力室5中充轻质油2. 2。轻质油2. 2和溶液I. 2在最大刻度线处有个接触面。通过围压单元2对压力室5施加所设定的围压。开启内室5. I中两个吸力孔道5. 4，常流速泵I. 3与内室5. I连接的一端不断地供应溶液，而另一端不断地流出。且流出量是可以实时监测的，这样就可以得到土样0中排出或吸收水的质量。当流出量不变时，则此级吸力达到平衡，通过饱和的含水量可以得到对应这一级吸力的含水量或饱和度。然后将双压力室5中的溶液I. 2和轻质油2.2排出，采用上述同样的方法进行下一级吸力的试验。如此反复，试验不仅能得到主脱湿曲线和主吸湿曲线，同时还可以得到里面的扫描线。由于土样O周边排水或吸水，所需的平衡时间短，这样可以节省整个试验的时间。通过围压单元2，设定下一级围压，重复上述的试验过程，可以得到不同围压下完整的土水特征关系。结合上面不同温度下非饱和土的脱吸湿试验，可以同时控制围压和温度，得到不同温度和不同围压下非饱和土完整的土水特征曲线。C、进行不同吸力下非饱和土的固结试验和b试验类似施加所设定的吸力，等平衡之后开始施加围压。常流速泵I. 3—直供应相应浓度的溶液I. 2，保持溶液I. 2和轻质油2. 2 一直在最大刻度线上接触。通过实时 监测常流速泵I. 3另一侧的流量变化可以得到土样0体积的变化。然后施加下一级围压，重复上面的过程，同时也可以做卸载回弹的试验。这样可以得到控制不同吸力下非饱和土的各向同性压缩试验。同时还可以通过温度控制单元4改变温度，得到不同温度下的压缩试验。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采用前面描述的方法施加所需要的围压和吸力，进行非饱和土的三轴排水和不排水试验。非饱和土的三轴不排水快剪当土样0在围压和吸力达到平衡时，轴向位移探测计8. 2与双压力室5接触，位移百分表8. I清零。启动试验机3. 4，升降台3. I上升，在不同围压下对土样0进行不排水快剪试验。剪切应变速率根据不同的土质选择，可参照常规三轴。通过差压传感器6测量内室5. I与参照管7的压力差，可以得到土样0的体变。通过数据采集单元9可以实时采集轴力、轴向位移和体变。非饱和土的三轴排水剪切试验当土样0在围压和吸力达到平衡时，轴向位移探测计8. 2与双压力室5接触，位移百分表8. I清零。启动试验机3. 4，升降台3. I上升，在不同围压下对土样0进行排水剪切试验。剪切应变速率根据不同的土质选择，可参照常规三轴。通过差压传感器6测量内室5. I与参照管7的压力差，可以得到土样0的体变。通过数据采集单元9可以实时采集轴力、轴向位移和体变。如上面所述，可以进行不同温度下的试验。e、进行不同水力路径下非饱和土的强度试验和饱和土不同，非饱和土的性质不光与应力历史有关，而且还与水力学历史有关。对于同一个吸力，达到此吸力的水力学路径不同，也会造成不同的力学性质。比如，分别经过脱湿和吸湿路径达到设定的吸力值，两种路径下非饱和土的强度和变形特性不同。因此本装置可以进行多次脱吸湿循环试验，得到不同水力路径下的强度参数，为以后非饱和土学科的发展提供一些试验基础。
权利要求
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，用来施加围压； 两个吸力孔道(5. 4)的一端头设置在与内室(5. I)连通的底座(5. 6上)，两个吸力孔道(5. 4)的另一端头与常流速泵(I. 3)连通，用来循环供应PEG溶液(I. 2)和测量土样(O)中水分含量的变化和三轴试验过程中的体积变化；排气通道(5.5)设置在双压力室(5)的上部，用来排除室内的空气。
5.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 所述的数据采集单元(9)包括围压传感器(9. I)、流速传感器(9. 2)、轴力传感器(9. 3)、温度传感器(9. 4)、轴向位移传感器(9. 5)、数据采集仪(9. 6)和计算机(9. 7)； 数据采集仪(9. 6)上有六个输入通道分别与围压传感器(9. I)、流速传感器(9. 2)、轴力传感器(9. 3)、温度传感器(9. 4)、轴向位移传感器(9. 5)和差压传感器(6)连接，数据采集仪(9. 6)的输出端与计算机9. 7连接； 围压传感器(9. I)设置于压力表(2. 3)上； 流速传感器(9. 2)设置于常流速泵(I. 3)上； 轴力传感器(9. 3)设置于轴向测力计(3. 3)上； 温度传感器(9. 4)设置于温度控制器(4. 3)上； 轴向位移传感器(9. 5)设置于百分表(8. I)上。
6.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 所述的计算机9. 7其采集软件采用思明特公司开发的思明特数据采集软件SUPY1. O,其工作流程是 ①启动采集软件(A); ②设定数据保存路径(B)； ③设定采集间隔时间(C)； ④开启数据采集通道(D); ⑤输入土样物性参数(E)； ⑥数据清零(F); ⑦开始试验(G)。
7.基于按权利要求I所述的一种多功能施加吸力的非饱和土三轴试验装置 的试验方法，其特征在于本试验方法包括下列步骤 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，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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N3/00GK102706728SQ20121015829
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者陈盼, 韦昌富, 马田田, 魏厚振 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所