专利名称：一种在水土化学作用下土的三轴试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及特殊环境下土的试验技术，尤其涉及一种在水土化学作用下土的
三轴试验装置。具体地说，本实用新型涉及到不同浓度酸、碱、盐等化学溶液化学作用下土的变形特征和强度的测试，涉及到海底水合物开采过程中水合物分解造成海水盐分浓度变化引起土体的变形、以及土体污染各离子浓度增大、极端气候下土体干旱/洪涝循环导致离子浓度循环等特殊情况下土体的变形特性和强度衰减规律的研究。
背景技术：
现代社会面临能源短缺和环境污染等重重问题，天然气水合物的发现为解决能源危机提供了一条新的途径，垃圾填埋也为环境污染防治提供了一个新的思路，但是这些也都涉及一个同样重要的科学问题——孔隙水与土体的化学作用下土体的力学特性变化规律。海底天然气水合物的分解释放的产生的水使附近海水淡化、垃圾分解产生的相关化学盐分向防渗层的渗透扩散，这些过程都会使原本水-土平衡状态发生改变，引起相关土层的力学特性的变化，以致发生一些工程事故和灾害；另外，在含矿物成为较为丰富土体中，极端气候下土体干旱和洪涝灾害循环的变化孔隙水矿物浓度，致使土体发生循环变形和疲劳破坏，以致发生开裂、滑坡等自然灾害。因此，研究水-土化学作用影响下土体的变形和强度特性的演变规律具有非常重要的理论意义和工程实践意义。目前关于水-土物理化学作用影响下土体的变形和强度特性研究尚处于起步阶段，很多试验都是在原有仪器上采用不同浓度的化学溶液饱和试样进行土工试验，这种方法很难模拟研究化学溶液渗流和扩散过程中土体的变形特征以及强度演化规律。经过检索，目前尚没有较为成熟的能有效模拟水-土化学作用影响下土体力学特性的试验装置和方法被公开或使用。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种在水土化学作用下土的三轴试验装置。本实用新型的目的是这样实现的:本试验装置能测试两类试验，一类是测定研究含不同化学物质和不同浓度孔隙水土体的三轴力学特性；二类是研究恒定受力条件下孔隙水溶液置换过程中土体的变形规律。第一类试验:通过试样和混合液液容器中的孔隙水溶液的缓慢循环置换作用，在一定时间(大概24h)内使试样孔隙水和混合液容器溶液的化学成分和浓度达到平衡，此时通过测定混合液容器中溶液的化学成分和浓度就可以对孔隙水的化学成分和浓度进行确定，从而可以在进行应变式剪切试验后分析孔隙水化学成分和浓度对土体试样力学强度特性影响规律；第二类试验:对于施加一定应力的土样通过缓慢循环改变孔隙水的化学成分和浓度，研究孔隙水化学成分和浓度改变情况下土体试样力学特性的变化规律。对于第一类试验，该装置能有效准确的测定孔隙水溶液的化学成分和浓度，保证了孔隙水化学成分和浓度对土体力学特性影响规律的准确分析；对于第二类试验，该试验装置和方法能有效模拟研究水溶液渗流对土体的变形、强度等力学特性的影响，并且结构相对简单，造价低廉，可以为大多数科研、勘察和环评单位装备。本实用新型提供的试验装置和方法，有效解决了孔隙水化学成分和浓度的准确测定问题，并且能够分析水溶液于土体渗流对土体力学特性造成的影响，为深入研究水-土化学作用对土体力学特性的影响提供的技术保证和支持，有力的推进了该项研究的深入发展。在本试验装置的基础上，形成了一套测试水-土化学作用影响下土体三轴力学参数的方法，该方法测的力学参数较为准确，能反映现实客观情况。具体地说:一、在水土化学作用下土的三轴试验装置(简称试验装置)本试验装置的结构是:顶架位于底架之上，用螺栓拧紧连接；三轴压力室置于装置框架的底架之上，底座位于底架中央，上盖与底座通过螺栓连接，可以装卸来实现装样卸样；活动杆穿过围压室罩上部与压帽接触，所测试样位于压帽和试样座之间，压帽上留有小孔并且通过耐压塑料管依次经过试样座、底座、第三阀门与混合液容器的上部连接；三轴压力室的底座上也留有小孔通过耐压塑料管连接平流泵，之后再连接混合容器的底部；从而，混合液容器、平流泵、底座、试样座、试样、压帽通过耐压塑料管形成一个循环回路，在回路上压力差分传感器通过耐压塑料管连接试样上下部分测得溶液循环时试样两端的压力差；三轴压力室的底座围压室部分留有小孔并且通过耐压塑料管与体变量测管底端连接，体变测量管顶端通过耐压塑料管与气体稳压罐上部连接，氮气瓶通过第一阀门、粗调阀和第二阀门、细调阀两条路径与气体稳压罐上部相连，气体压力表通过耐压塑料管与气体稳压罐上部相连，氮气瓶通过气体稳压罐给体变量测管内的水增压，为三轴压力室的围压室提供围压压力源，粗调阀和细调阀通过粗细两种调节模式实现压力的准确有效的控制；位移传感器固定于施压杆前端，位移传感器的触动杆接触三轴压力室上部，测量试样的轴向位移；施压装置位于装置框架的顶架之上，采用螺栓连接施压缸外部，施压活塞2置于施压缸内部，施压杆顶部与施压活塞连接且穿过施压缸，施压缸内部的液压油驱动施压活塞运动，并通过施压杆在信号采集反馈处理器的反馈控制下提供恒定压力或是恒定运动速率；施压装置的施压缸上部通过液压管与产压装置的产压缸的前端相连，产压活塞位于产压缸内部，产压活塞一端与液压油接触，一端连接连接杆穿过产压缸与步进电机相连，压力传感器通过液压管与产压缸前端连接测定产压缸的油压，并且通过电缆线连接信号采集反馈处理器把测试信号反馈过去进行处理，信号采集反馈处理器通过电缆线连接步进电机对步进电机进行控制；根据设定情况，信号采集反馈处理器控制步进电机的运转情况，实现应变式或应力式控制；数据处理器的数据处理器通过电缆线分别与压力差分传感器、压力传感器、位移传感器以及信号采集反馈处理器相连，再通过电缆线连接微机，对数据进行采集、反馈和分析。工作原理:[0018]本试验装置利用平流泵提供驱动动力，把混合液容器中的化学溶液循环置换试样中的孔隙水，循环时间足够长(大约24h)可以使孔隙水和混合液容器中的溶液的成分组成和浓度达到平衡，通过测定混合液容器中的化学溶液的成分和浓度即可得出试样中孔隙水的成分和溶度，同时，化学溶液的循环也可以模拟孔隙水的驱替过程。本试验装置的围压提供方法及体变的测量方法:采用高压氮气作为压力源，通过与围压室的水接触给予水相应的压力来提供围压，气体储存于气体稳压罐中，通过耐压塑料管连接体变测量管，继而连接围压室，氮气和水在体变量测管中接触。在气体稳压罐体积相对于试验体积足够大的时候(大约为20L)，试样的体积变化对气体稳压罐内部气体的压力影响可以忽略不计(大约为0.1%)，而试样体积的变化可以使氮气和水的接触面在体积量测管中上下的移动，通过观测体变量测管中液面的移动进行相应的计算就可以得出试样的体积变化了。本试验装置加载可以实现应力/应变式控制的转化，应力控制主要是在设定压力值后，压力传感器测定压力后反馈给信号采集反馈处理器，信号采集反馈处理器根据设定压力值控制步进电机的转到方向和速率来实现应力的控制；应变控制可以根据相关要求直接设定步进电机的运转速率来实现应变速率的加载控制。二、在水土化学作用下土的三轴试验方法(简称试验方法)1、第一种试验方法，测定研究不同孔隙水盐分种类和不同浓度下土体的三轴力学特性，包括下列步骤:①试样的压制，饱和；②调配化学溶液；③清洗装置，装样，充填化学溶液；④施加50 IOOkPa的围压，循环置换孔隙水溶液；⑤施加试验围压；⑥加载；⑦数据采集和处理。第二种试验方法，研究恒定受力条件下孔隙水成分和浓度变化土体的变形规律，包括下列步骤:①试样的压制，饱和；②调配化学溶液③清洗装置，装样，充填化学溶液；④施加试验围压；⑤加载；⑥循环置换孔隙水溶液；⑦数据采集和处理。本实用新型具有以下优点和积极效果:1、通过溶液循环保证了试样内部孔隙水溶液的成分和浓度的均匀；2、能模拟研究恒定应力下化学溶液渗流引起土体变形和强度的变化规律；3、改进了围压施加原理，实现了体变的精确测量；4、能实现应变控制和应力控制的转化。
图1为本装置的结构示意图；其中:00—试样；10—装置框架，11一底架，12—顶架；2O—三轴压力室，21—围压室罩，22—压帽,23—试样座,24—活动杆，25—底座；30—围压施加及体变测试装置，31—氮气瓶， 32—气体稳压装置， 33—粗调阀，34—细调阀， 35—体变量测管，36—气体压力表，Vl—第一阀门，V2—第二阀门；40一溶液循环置换装置，41 一混合液容器，42—平流泵，43—压力差分传感器，V3—第三阀门；
50—应力/应变式控制加载装置，51—施压装置:511—施压缸，512—施压活塞，513—施压杆；52—产压装置:521—连接杆，522—产压活塞，523—产压缸；53—步进电机，54—压力传感器，55—信号采集反馈处理器；60一位移传感器；70—数据采集处理装置，71—数据处理器，72—微机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明:一、试验装置1、总体如图1，本装置包括装置框架10、三轴压力室20、围压施加及体变测试装置30、溶液循环置换装置40、应力/应变式控制加载装置50、位移传感器60和数据采集处理装置70 ；所述的装置框架10包括由不锈钢材料制成的底架11和顶架12两部分，底架11用来放置三轴压力室20，顶架12安装应力/应变式控制加载装置50的施压装置51 ；所述的三轴压力室20包括围压室罩21、压帽22、试样座23、活动杆24、和底座25 ；所述的围压施加及体变测试装置30包括氮气瓶31、气体稳压罐32、粗调阀33、细调阀34、体变量测管35、第一阀门Vl和第二阀门V2 ；所述的溶液循环置换装置40包括混合液容器41、平流泵42、压力差分传感器43和第三阀门V3 ；所述的应力/应变式控制加载装置50包括施压装置51、产压装置52、步进电机53、压力传感器54、信号采集反馈处理器55 ;施压装置51由施压杆511、施压活塞512和施压缸513组成；产压装置52由连接杆521、产压活塞522和产压缸523组成；其位置和连接关系是:顶架12位于底架11之上，用螺栓拧紧连接；三轴压力室20置于装置框架10的底架11之上，底座25位于底架11中央，上盖21与底座25通过螺栓连接，可以装卸来实现装样卸样；活动杆24穿过围压室罩21上部与压帽22接触，所测试样00位于压帽22和试样座23之间，压帽22上留有小孔并且通过耐压塑料管依次经过试样座23、底座25、第三阀门V3与混合液容器41的上部连接；三轴压力室20的底座25上也留有小孔通过耐压塑料管连接平流泵42，之后再连接混合容器41的底部；从而，混合液容器41、平流泵42、底座25、试样座23、试样00、压帽22通过耐压塑料管形成一个循环回路，在回路上压力差分传感器43通过耐压塑料管连接试样00上下部分测得溶液循环时试样两端的压力差；三轴压力室20的底座25围压室部分留有小孔并且通过耐压塑料管与体变量测管35底端连接，体变测量管35顶端通过耐压塑料管与气体稳压罐32上部连接，氮气瓶31通过第一阀门V1、粗调阀33和第二阀门V2、细调阀34两条路径与气体稳压罐32上部相连,气体压力表36通过耐压塑料管与气体稳压罐32上部相连,氮气瓶31通过气体稳压罐32给体变量测管35内的水增压，为三轴压力室20的围压室提供围压压力源，粗调阀33和细调阀34通过粗细两种调节模式实现压力的准确有效的控制；位移传感器60固定于施压杆511前端,位移传感器60的触动杆接触三轴压力室20上部,测量试样的轴向位移；施压装置51位于装置框架10的顶架12之上，采用螺栓连接施压缸513外部，施压活塞512置于施压缸513内部，施压杆511顶部与施压活塞512连接且穿过施压缸513，施压缸513内部的液压油驱动施压活塞512运动，并通过施压杆511在信号采集反馈处理器55的反馈控制下提供恒定压力或是恒定运动速率；施压装置51的施压缸513上部通过液压管与产压装置52的产压缸523的前端相连，产压活塞522位于产压缸523内部，产压活塞522 —端与液压油接触，一端连接连接杆521穿过产压缸523与步进电机53相连，压力传感器54通过液压管与产压缸523前端连接测定产压缸523的油压，并且通过电缆线连接信号采集反馈处理器55把测试信号反馈过去进行处理，信号采集反馈处理器55通过电缆线连接步进电机53对步进电机53进行控制；根据设定情况，信号采集反馈处理器55控制步进电机53的运转情况，实现应变式或应力式控制；数据处理器70的数据处理器72通过电缆线分别与压力差分传感器43、压力传感器54、位移传感器60以及信号采集反馈处理器55相连，再通过电缆线连接微机71，对数据进行米集、反馈和分析。2、各部件I)装置框架10装置框架(海科仪制作，SffA-KJ) 10包括底架11和顶架12两个部件，都采用不锈钢材料压制而成后利用螺栓连接。2 )三轴压力室2O三轴压力室(海科仪制作，SWA-YLS) 20由围压室罩21、压帽22、试样座23、活动杆24、底座25组成；试样座23和底座25采用不锈钢材料一体制成，试样座23位于底座25之上；活动杆24采用不锈钢材料制成，下端穿过围压室罩21上端与压帽22接触，活动杆24上端与施压杆511相接触；压帽22采用耐压有机玻璃材料制成；试样放置于压帽和试样座之间；围压室罩21上端采用不锈钢制成，罩身采用耐压有机玻璃制成。3)围压施加及体变测试装置30围压施加及体变测试装置30由氮气瓶31、气体稳压罐32、粗调阀33、细调阀34、体变量测管35、阀门V1-V2组成；氮气瓶31为普通氮气瓶,提供氮气作为压力源；气体稳压罐(海科仪制作，SffA-WYG) 32由耐压有机玻璃材料制成，周身由隔热材料包裹(保证内部气体压力不受温度变化影响)，最高耐压1.5MPa,圆柱形，内部容积IOL左右，提供气体储存的场所，稳定压力作用；粗调阀33选用上海森托克调压阀有限公司生产产品，型号为161353400，能较大幅度地调节气体压力；细调阀34选用上海森托克调压阀有限公司生产产品，型号为161368004，能较为精确地小幅度地调节气体压力；体变量测管(海科仪制作，SWA-TBCLG) 35由耐压有机玻璃材料制成，内径为10mm，长度为500mm,最高耐压1.5MPa,可以通过气-水液面的升降计算试样体积的变化；第一阀门Vl和第二阀门V2为普通阀门，耐压1.5MPa，由不锈钢材料制成。4)溶液循环置换装置40溶液循环置换装置40由混合液容器41、平流泵42、压力差分传感器43、阀门V3组成；混合液容器(海科仪制作，SffA-HHYRQ) 41由耐压有机玻璃材料制成，圆柱形状，容积5L左右，提供循环化学溶液循环源；平流泵42选用普通耐腐蚀平流泵，上海浩运仪器设备有限公司生产，型号MP-0502，流量控制范围0.1-50.0ml/min,压力范围0_2MPa，为溶液循环提供动力；压力差分传感器43选用上海立格仪表有限公司，型号CFG376，精度为0.1%FS，测量试样两端的流体压力差；第三阀门V3为普通阀门，耐压1.5MPa，由不锈钢材料制成。5 )应力/应变式控制加载装置50应力/应变式控制加载装置50包括施压装置51、产压装置52、步进电机53、压力传感器54和信号采集反馈处理器55 ；施压装置51 (海科仪制作，SffA-SYZZ)由不锈钢材料和硅胶材料制成，由施压杆511、施压活塞512、施压缸513三部分组成，施压杆511和施压缸513由不锈钢材料材料制成，施压活塞512米用娃胶材料制成,施压活塞512 —面与施压杆511连接,一面与施压缸513顶端的液压油接触，施压活塞512在液压油压力的驱动下驱使施压杆511运动；产压装置52 (海科仪制作，SffA-CYZZ)由不锈钢材料和硅胶材料制成，由连接杆521、产压活塞522、产压缸523三部分组成，连接杆521和产压缸523由不锈钢材料制成，产压活塞522采用硅胶材料制成，产压活塞522 —面与产压缸523前端液压油相接触，一面通过连接杆511与步进电机53相连，在步进电机53的驱动下压缩液压油产生液压；步进电机53选用北京广兴凯数控设备有限公司生产的产品，型号为GXK10T，按照信号采集反馈处理器55释放的信号运转以保证试验的需求；压力传感器54选用上海立格仪表有限公司，型号CYQ589，精度为0.1%FS，产压装置52或施压装置51内部液压油的压力；信号采集反馈处理器55由北京广新科技有限公司研制，型号为XGCJFKQ，该装置可以根据软件设定信号控制步进电机以恒定速率的运转，并且还可以根据设定信号控制步进电机的停/运以及运转速率来保证产压装置52内部液压的恒定，来实现三轴剪切试验的应力控制加载。6)位移传感器60位移传感器60选用合肥市科宇传感器有限公司产品，型号为WY-DC，位移量程3cm,精度 0.05%。7)数据采集处理装置70数据采集处理装置70由数据处理器72和微机71组成；微机71为普通微机,米购于广西桂林；数据处理器72选用Campbell公司的数据采集器，型号为CR1000，通过采集器提供的通道连接相关传感器进行采集数据并且记录、处理；二、试验方法(共两种)1、第一种试验方法，测定研究不同孔隙水盐分种类和不同浓度下土体的三轴力学特性，包括下列步骤:①试样的压制，饱和将土样按照预设干密度(根据现场土层的干密度进行确定，一般为1.2 2.0 g/cm3)在最优含水率的情况下利用千斤顶模具压制试样，试样尺寸为091mm*8Omm，试样制备好后采用抽真空饱和对试样进行饱和；②调配化学溶液根据试验要求配置试验化学溶液，一般所采用的是NaCL溶液、KCL溶液或CaCL2溶液等，浓度配置根据具体环境溶液浓度设定。③清洗装置，装样，充填化学溶液先采用蒸馏水冲洗装置，之后再采用配置的试验化学溶液冲洗装置，保证试验化学溶液不会因为试验装置而改变溶液浓度；装样，连接装置，需要注意的是，采用的橡皮膜为防腐蚀橡皮膜，向混合液容器中灌注试验化学溶液；④施加50 IOOkPa的围压，循环置换孔隙水溶液；安装好试验装置，施加较小的围压(一般为50 IOOkPa),保证在孔隙水循环时试样的稳定，之后启动平流泵开始循环置换孔隙溶液；⑤施加试验围压；根据试验要求施加试验围压，一般为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，可以根据实际情况进行调节；⑥加载；根据试验要求施加试验围压，一般为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，可以根据
实际情况进行调节；⑦数据采集和处理。[0125]利用数据采集处理装置对实验过程的压力、位移等等一些参数进行采集、处理、分析。2、第二种试验方法，研究恒定受力条件下孔隙水化学成分和浓度变化土体的变形规律，包括下列步骤:①试样的压制，饱和将土样按照预设干密度(根据现场土层的干密度进行确定，一般为1.2 2.0 g/cm3)在最优含水率的情况下利用千斤顶模具压制试样，试样尺寸为，试样
制备好后采用抽真空饱和对试样进行饱和；②调配化学溶液根据试验要求配置试验化学溶液，一般所采用的是NaCL溶液、KCL溶液和0&(^2溶液等，浓度配置根据具体环境溶液浓度设定；③清洗装置，装样，充填化学溶液先采用蒸馏水冲洗装置，之后再采用配置的试验化学溶液冲洗装置，保证试验化学溶液不会因为试验装置而改变溶液浓度；装样，连接装置，需要注意的是，采用的橡皮膜为防腐蚀橡皮膜，向混合液容器中灌注试验化学溶液；④施加试验围压 根据试验要求施加试验围压，一般为100kPa、200kPa、300kPa或400kPa，可以根据实际情况进行调节；⑤加载；根据不同的工况背景，选择应力控制加载方式，进行相应的轴向压力进行加载，轴向压力一般为100 IOOOkPa ；⑥循环置换孔隙水溶液；在所受应力状态情况下等待试样稳定后，开启平流泵进行循环置换孔隙水溶液；⑦数据采集和处理；利用数据采集处理装置对实验过程的压力、位移等等一些参数进行采集、处理、分析。
权利要求1.一种在水土化学作用下土的三轴试验装置，其特征在于: 顶架(12 )位于底架(11)之上，用螺栓拧紧连接； 三轴压力室(20)置于装置框架(10)的底架(11)之上，底座(25)位于底架(11)中央，上盖(21)与底座(25)通过螺栓连接；活动杆(24)穿过围压室罩(21)上部与压帽(22)接触，所测试样(00)位于压帽(22)和试样座(23)之间，压帽(22)上留有小孔并且通过耐压塑料管依次经过试样座(23)、底座(25)、第三阀门(V3)与混合液容器(41)的上部连接；三轴压力室(20)的底座(25)上也留有小孔通过耐压塑料管连接平流泵(42)，之后再连接混合液容器(41)的底部；从而，混合液容器(41)、平流泵(42)、底座(25)、试样座(23)、试样(00)、压帽(22)通过耐压塑料管形成一个循环回路，在回路上压力差分传感器(43)通过耐压塑料管连接试样(00)上下部分；三轴压力室(20)的底座(25)围压室部分留有小孔并且通过耐压塑料管与体变测量管(35)底端连接，体变测量管(35)顶端通过耐压塑料管与气体稳压罐(32 )上部连接，氮气瓶(31)通过第一阀门(Vl)、粗调阀(33 )和第二阀门(V2 )、细调阀(34)两条路径与气体稳压罐(32)上部相连，气体压力表(36)通过耐压塑料管与气体稳压罐(32)上部相连；位移传感器(60)固定于施压杆(511)前端，位移传感器(60)的触动杆接触三轴压力室(20)上部； 施压装置(51)位于装置框架(10)的顶架(12)之上，采用螺栓连接施压缸(513)外部，施压活塞(512)置于施压缸(513)内部，施压杆(511)顶部与施压活塞(512)连接且穿过施压缸(513);施压装置(51)的施压缸(513)上部通过液压管与产压装置(52)的产压缸(523)的前端相连，产压活塞(522)位于产压缸(523)内部，产压活塞(522)—端与液压油接触，一端连接连接杆(521)穿过产压缸(523)与步进电机(53)相连； 数据采集处理装置(70)的数据处理器(72)通过电缆线分别与压力差分传感器(43)、压力传感器(54)、位移传感器(60)以及信号采集反馈处理器(55)相连，再通过电缆线连接微机(71)。
专利摘要本实用新型公开了一种在水土化学作用下土的三轴试验装置，涉及特殊环境下土的试验技术。本装置是顶架(12)位于底架(11)之上；三轴压力室(20)置于装置框架(10)的底架(11)之上；施压装置(51)位于装置框架(10)的顶架(12)之上；数据采集处理装置(70)的数据处理器(72)通过电缆线分别与压力差分传感器(43)、压力传感器(54)、位移传感器(60)以及信号采集反馈处理器(55)相连，再通过电缆线连接微机(71)。本实用新型通过溶液循环保证了试样内部孔隙水溶液的成分和浓度的均匀；能模拟研究恒定应力下化学溶液渗流引起土体变形和强度的变化规律；改进了围压施加原理，实现了体变的精确测量；能实现应变控制和应力控制的转化。
文档编号G01N3/12GK203069461SQ20132001780
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者颜荣涛, 韦昌富, 纪文栋, 王志兵 申请人:桂林理工大学