本发明涉及土工土体室内冻融试验研究领域，更具体的涉及大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统及方法。
背景技术：
季节性冻土为冬季冻结而夏季融化的土层，在我国季节冻土主要分布在贺兰山-哀牢山以西的地区，以及此线以东，秦岭-淮河以北地区，约占国土面积的53％，同时，在季节冻土范围中，分布着大面积的盐渍土的地带；季冻盐渍土地区存在的气温周期性变化的气象环境导致该类型地区土体发生严重的冻胀、融沉、盐胀、翻浆等多种病害，严重威胁着地基和路基等土体的安全和稳定性。虽然病害现象不同，但都可以归结为土体水分场、温度场、应力场、盐分场的综合作用结果，因此，研究土体的水-热-力-盐耦合作用机理，提出季冻盐渍土地区的土体病害防治对策，对提高季冻区盐渍土体安全性和稳定性具有重要意义。
目前关于土体的水-热-力-盐四场耦合作用试验研究主要集中在现场监测和室内试验，现场观测周期过长，花费大，环境条件难以控制，其监测结果难以用于对数据精度要求极高的科学研究，而已报道的相关土体水-热-力-盐四场耦合作用的室内试验多存在以下不足：试验土体多为小尺度土体(长宽高多小于50厘米)；用圆柱形刚性桶或方形箱填装土料，不能监测土体的侧向位移，不能施加侧向围压；使用保温材料进行保温，虽然保温材料具有一定的保温功能，但保温材料仍然是导热性材料，导致试验系统的温度损失不能得到有效控制。
由此可见，设计能够提供轴向荷载和侧向围压，具有良好保温性能并能监测土体侧向变形的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用的试验系统及方法，对科学研究和工程施工都具有重要意义。
技术实现要素：
本发明实施例提供大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统，该系统是能够1提供轴向荷载和侧向围压，具有良好保温性能并能监测土体侧向变形的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用的试验系统。
本发明实施例提供大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统，包括：加载框架，加载系统，补水系统，温控系统，数据采集与控制系统和成形系统；所述加载框架包括：支柱、第一反力板、第二反力板和第三反力板，第一高强螺杆和第二高强螺杆；所述第二反力板与所述第三反力板之间设置有至少一个第一高强螺杆，且所述第三反力板位于所述第二反力板上方，所述第二反力板的底面设置有至少一个所述支柱，所述第二高强螺杆的底端穿过所述第二反力板，且邻近底端部位被第一密封螺母固定在第二反力板上，所述第二高强螺杆的顶端穿过所述第一反力板，且邻近顶端部位被第二密封螺母固定在第一反力板上，所述第一反力板位于所述第二反力板上方，且位于所述第三反力板的下方；
所述加载系统包括：土体的轴向荷载加载设备和土体侧向围压加载设备；所述土体的轴向荷载加载设备包括置于所述第三反力板底面的液压千斤顶，置于液压千斤顶底面的荷载传感器；所述土体的轴向荷载加载设备还包括置于加载框架外部的伺服控制台，所述伺服控制台通过电连接线分别与液压千斤顶和荷载传感器连接，所述伺服控制台用于控制液压千斤顶对土体加卸载或者维持恒压，并采集和输出荷载传感器的监测荷载；所述土体侧向围压加载设备包括将土体密封在气体压力空间内的压力室，穿过第二反力板与压力室相连通的气体供应管，气体供应管一端与压力室相连通，另一端与空气压缩站相连通，通过空气压缩站提供土体侧向围压；所述压力室包括第一反力板底面和第二反力板顶面，还包括置于第一反力板底面和第二反力板顶面之间的钢制桶；所述第一反力板中部设置第一密封活塞套，所述第一密封活塞套中心设有传力轴；
所述补水系统包括：马氏瓶、入水管、第一透水石、第二透水石、出水管以及第一玻璃管；所述第一透水石、第二透水石分别设置在所述土体的底部，且所述第一透水石和第二透水石布置在同一水平面上，所述入水管的两端分别与所述马氏瓶的出水口及所述第一透水石连通，所述出水管的两端分别与所述第二透水石及所述第一玻璃管连通；所述马氏瓶由第二玻璃管，瓶身和橡胶塞构成，橡胶塞封堵瓶身，玻璃管穿过橡胶塞连通马氏瓶的内部和外部空间；
所述温控系统包括：供温设备和保温设备；所述供温设备包括与第一透水石和第一透水石的底面均相接触的下恒温板，与下恒温板相连通的底部冷却液循环管，与底部冷却液循环管相连通的底部恒温槽，所述下恒温板，底部冷却液循环管和底部恒温槽形成封闭循环系统；所述恒温系统还包括置于土体顶面的上恒温板，与上恒温板相连通的顶部冷却液循环管，与所述顶部冷却液循环管相连通的顶部恒温槽，所述上恒温板，顶部冷却液循环管和顶部恒温槽形成封闭循环系统；通过对底部恒温槽和顶部恒温槽设置不同工作温度实现对土体施加不同温度梯度的目的；所述供温设备还包括恒温箱、第一温度探针和第二温度探针，所述马氏瓶置于恒温箱内并且瓶身盘绕有底部冷却液循环管，恒温箱上布置有控制面板和第一温度探针；第一温度探针监测恒温箱的工作温度，所述恒温箱与所述底部恒温槽的工作温度设置为相同，第二温度探针设置在马氏瓶内；
所述保温设备：包括位于压力室上部的第一真空室，位于压力室下部的第二真空室，位于压力室侧面的第三真空室；
所述第一真空室，第二真空室和第三真空室通过多个连通管相连通，所述第一真空室与抽真空管相连通，所述抽真空管与抽真空泵相连通，通过开通真空泵制造第一真空室，第二真空室和第三真空室的真空环境；
所述数据采集与控制系统包括：传感器组、数据采集箱及工作站；所述传感器组包括监测土体整体变形的位移计，监测土体侧向变形的激光测距传感器，监测土体水分和盐分含量的水盐传感器，监测土体孔隙水压的孔隙水压力传感器，监测土体竖向应力场变化的土压力盒，监测压力室、第一真空室、第二真空室，第三真空室中气体压力的压力传感器；所述数据采集箱用于采集所述传感器组监测的数据，所述工作站用于对采集的数据进行分析处理，所述工作站包括微型计算机和数据处理软件；
所述成形系统包括：置于第二反力板上的第一成形保护桶，置于第一成形保护桶上部的第二成形保护桶，置于第二成形保护桶上部的第三成形保护桶，所述第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶内壁均紧贴有橡皮膜、外壁分别设置有法兰，所述法兰上设有螺杆固定槽，所述第二反力板上设置有螺杆固定孔，第三高强螺杆依次通过第二反力板上的螺杆固定孔，法兰上的螺杆固定槽实现所述第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶的固定；每一个螺杆固定槽与高强螺杆均是通过第一螺母固定，所述成形系统还包括对设计的土料进行击实进而制成土体的击实设备和橡皮膜侧面的勒紧橡皮套。
较佳地，所述第一钢制盖与第一反力板之间，第二反力板与第二钢制盖之间均布置有第二密封橡胶圈和支撑螺杆，且所述支撑螺杆为带有螺纹的高强钢制螺杆；
所述第二反力板与第一高强螺杆以及所述第三反力板与第一高强螺杆均是通过第二螺母固定；
所述第一反力板与第一钢制桶之间、所述第一反力板与第二钢制桶之间、所述第二反力板与第一钢制桶之间、所述第二反力板与第二钢制桶之间均布置有第三密封橡胶圈；
所述第一密封螺母与第二反力板之间、第二密封螺母与第一反力板之间、第三密封螺母与第一钢制盖之间、第四密封螺母与第二钢制盖之间均布置有第四密封橡胶圈。
较佳地，所述第二钢制盖、第二反力板和下恒温板上均设置有与密封螺杆吻合的螺纹穿孔，所述密封螺杆为中空螺杆，用于数据传输线、底部冷却液循环管，入水管和出水管穿过；
所述入水管上布置有控制马氏瓶流量的止水夹，所述第一透水石及所述第二透水石上覆有粉细砂层。
较佳地，所述土体为直径50cm，高100cm的圆柱土体；所述第一反力板，第二反力板和第三反力板为圆柱形钢板；
所述第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶都是由两个半月形的钢制桶拼合组成，使得制成土体后第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶容易摘掉；所述第一成形保护桶，第二成形保护桶和第三成形保护桶侧壁均设置有抽气孔。
较佳地，所述上恒温板和下恒温板都由圆柱形钢板组成，所述顶部冷却液循环管进入压力室的一部分穿过所述传力柱内部；所述上恒温板和下恒温板侧面都设置有凹槽，通过所述勒紧橡皮套，上恒温板和下恒温板上的凹槽将橡皮膜、上恒温板和下恒温板紧密贴合，防止试验期间土体的部分脱落和压力室内的气体侵入土体。
较佳地，所述气体压力传感器、激光测距传感器、土压力盒、孔隙水压力传感器，水盐传感器均为4个，所述激光测距传感器、土压力盒、孔隙水压力传感器，水盐传感器分别布置在同一竖直线上，竖向间隔为20cm，所述4个气体压力传感器分别布置在第一真空室、第二真空室，第三真空室和压力室内；所述第一真空室包括第一反力板顶面，置于第一反力板中心并与第一反力板和传力轴吻合接触的第一密封活塞套，置于第一反力板顶面上部的第一钢制盖，置于第一钢制盖中心并与钢制盖和传立轴均吻合接触的第二密封活塞套，置于第一密封活塞与第二密封活塞套之间的第一密封橡胶圈，第二高强螺杆的顶端穿过所述第一钢制盖，被第三密封螺母固定在第一钢制盖上；
所述第二真空室包括第二反力板底面，置于第二反力板底面下部的第二钢制盖，置于第二反力板和第二钢制盖中心的密封螺杆，所述密封螺杆与第二反力板和第二钢制盖吻合接触，接触处不漏气漏水；第二高强螺杆的底端穿过所述第二钢制盖，被第四密封螺母固定在第二钢制盖上；
所述第一钢制桶套设在第二钢制桶中，所述第一钢制桶外壁与所述第二钢制桶内壁形成的区间为所述第三真空室。
较佳地，所述气体压力传感器、激光测距传感器、土压力盒、孔隙水压力传感器，水盐传感器内部布置有温度传感器，起到温度矫正传感器数据作用的同时省去了单独埋设温度传感器到土体中的步骤。
较佳地，所述马氏瓶中用于承载纯水或预制的不同盐度的水，所述荷载传感器的底部与压力室的传力轴的顶面相接触，所述传力轴与上恒温板之间布置有传力钢板。
较佳地，所述加载系统中土体的轴向荷载加载设备还包括对传力轴进行定位的限位装置，所述传力轴上布置有限位孔，所述限位装置包括限位螺杆，组合螺母和旋进螺杆，所述限位螺杆通过螺纹竖直固定在第三反力板的底部，所述组合螺母套在限位螺杆上，并通过螺纹的旋转控制其位置的升降，所述组合螺母底部为通道水平的螺母，所述通道水平的螺母可以在水平方向上自由旋转，旋进螺杆可以在组合螺母底部的通道水平的螺母上自由旋进，直至与传力轴上预制的限位孔吻合接触。
本发明实施例提供一种基于大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统的土体水-热-力-盐四场耦合作用的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、开启数据采集与控制系统，开始采集土体内部的温度、水盐、应力、孔隙水压力信息，采集土体的侧向和竖向变形信息，采集第一真空室，第二真空室，第三真空室内的气体压力信息，采集液压千斤顶对土体的加卸载信息；
步骤2、保持入水管，出水管和玻璃管的畅通，开启加载系统，通过工作站设置伺服控制台的工作参数，使液压千斤顶工作直至传力轴与传力钢板相接触，调节空气压缩站的供气压力使压力室内的气体压力达到设计值，再次通过工作站设置伺服控制台的工作参数，使液压千斤顶对土体进行恒载固结，至土体的固结达到稳定；
步骤3、土体的固结完成后，通过对传力轴进行定位的限位装置固定传力轴，限定其位移，进而实现对土体冻胀的刚性约束；
步骤4、打开抽真空泵，通过抽真空作用将第一真空室，第二真空室和第三真空室抽为真空状态，真空状态以气体压力传感器的数据作为判断依据；
步骤5、打开底部恒温槽，按照设计要模拟的地下水补给温度，设置底部低温恒温槽和恒温箱的工作温度，当底部恒温槽达到工作温度后，开启底部恒温槽的外部循环泵，通过底部冷却液循环管和恒温箱对马氏瓶内的含盐水进行加热或降温，直至控制面板显示温度探针的温度达到设计值并稳定；
步骤6、打开入水管上的止水夹进行供水，使马氏瓶中的含盐水进入粉细砂层，气体由与粉细砂层连通的刻度玻璃管排出；当观察到气体排净后，调节马氏瓶位置，使马氏瓶内玻璃管底部与粉细砂层顶部在一个水平面上，模拟恒定地下水位补给土体；
步骤7、启动顶部恒温槽，待工作温度达到设计值时，开启顶部恒温槽的外部循环泵，使顶部恒温槽内的低温介质通过顶部冷却液循环管，上恒温板进行循环，对土体进行冻结，待土体内部的温度、水盐、应力，孔隙水压力及土体侧向的变形稳定后结束冻结；
步骤8、调节顶部恒温槽的工作温度，按照设计要求对土体进行融化的温度设置顶部恒温槽的工作温度，待工作温度达到设计值时，开启顶部恒温槽的外部循环泵，使顶部恒温槽内的低温介质通过顶部冷却液循环管，上恒温板进行循环，对土体进行融化，待土体内部的温度、水盐、应力，孔隙水压力及土体侧向的变形稳定后结束融化试验；
步骤9、如进行土体的冻融循环试验，重复第7步骤和第8步骤即可；
步骤10、数据采集与控制系统实时获取并储存土体内的温度、水盐、应力，孔隙水压力及土体侧向和竖向的变形信息，由工作站的数据处理软件对采集的数据进行分析成像处理，得到大尺度土体的冻融过程中的水-热-力-盐的动态耦合作用。
本发明提供的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统具有以下有益效果：
(1)、成形系统可以进行大尺度土体(直径50cm，高度100)的击实成形，满足埋设传感器的尺寸和间距要求，保证了监测数据的精度。
(2)、本发明可以模拟不同盐度的恒温恒水头的地下水对土体的补给，用于研究大尺度土体在四场耦合作用下的水盐运移规律。
(3)、设计了真空室作为压力室与试验环境的隔热边界，有效的减小了试验环境温度对试验数据侧影响。
(4)、设计了压力室作为土体的围压提供装置，压力室内气体导热性能差，有利于土体冻融过程温度梯度的形成。
(5)、温控系统，加载系统和供水系统的联合应用，更加真实的模拟了季冻盐渍土地区的地基或路基土体所处的冻融，应力和地下水补给环境，提供了更符合实际情况的水-热-力-盐耦合作用试验系统。
(6)、该系统可以实时获得土体竖向整体变形、侧向变形、土体内部的水分盐分含量分布、压力分布、温度分布、孔隙水压力分布信息，为大尺度土体的水-热-力-盐四场耦合作用研究提供了技术保证。
(7)通过工作站、数据采集箱、传感器组的联合应用，实现了试验数据的自动采集和处理，有效保证了数据采集的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的主体结构图；
图3为本发明透水石与入水管和出水管接触布置图；
图4为本发明密封螺杆结构图；
图5为本发明上恒温板结构图；
图6为本发明下恒温板结构图；
图7为本发明成形系统平面图；
图8为本发明成形系统截面图；
图9为本发明土体内传感器布置平面图。
附图中编号说明：
2-1～2-3.高强螺杆，3.支撑螺杆，4.第一真空室，5.第二真空室，6.第三真空室，7.压力传感器，8.压力室，9.激光测距传感器，10.土压力盒，12.孔隙水压力传感器，13.水盐传感器，14.连通管，15.橡皮膜，16.土体，17.顶部恒温板，17-1.下承压板，17-2.上承压板，17-3.封闭空腔，17-4.荷载支柱，18.底部恒温板，19.液压千斤顶，20.荷载传感器，21.位移计，22-1～22-2.透水石，23.粉细砂层，24.密封螺杆，24-1.外密封螺杆，24-2.内密封螺杆，25.入水管，26-1.底部冷却液循环管，26-2.顶部冷却液循环管，27.出水管，28.抽真空管，29.刻度玻璃管，30.马氏瓶，30-1.玻璃管，31-1～31-2.温度探针，32.恒温箱，33.控制面板，34.勒紧橡皮套，35.co2供应管，36-1～36-5.密封橡胶圈，37-1.第一反力板，37-2.第二反力板，37-3.第三反力板，38-1～38-2.钢制桶，39.传力钢板，40-1.第一密封活塞套，40-2.第二密封活塞套，41-1～42-2.钢制盖，42.支柱，43.传力轴，44.数据传输线连接头，45.管道接头，46.密封胶垫，47.密封胶，49.抽气孔，51.法兰，52.螺杆定位槽，53-1.第一成形保护桶，53-2.第二成形保护桶，53-3.第三成形保护桶，54.螺杆固定孔，55-1～55-2.螺母，56-2.限位螺杆，56-3.组合螺母，56-4旋进螺杆。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
图1示例性的示出了本发明实施例提供的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统的原理框图，具体如图1所示，该大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统包括：加载框架100，加载系统200，补水系统300，温控系统400，数据采集与控制系统500和成形系统600；该加载框架100用于承载加载系统200，补水系统300，温控系统400，数据采集与控制系统500和成形系统600；该加载系统200，用于对土体16施加轴向荷载和围压；该补水系统300，用于模拟不同含盐量和水头对土体16进行补给；该温控系统400，用于对土体16的冻融循环和补水系统的恒温供水，该数据采集与控制系统500，用于对土体16的温度及水盐含量、压力、孔隙水压力、侧向和竖向的变形信息，以及对加载系统200和该温控系统400的气体压力进行实时监测，并采集和处理土体16的温度及水盐含量、压力、孔隙水压力、侧向和竖向的变形信息，以及加载系统200和该温控系统400的气体压力；该成形系统600，用于对预先配置的土料进行击实并塑造为试验所用的土体16。
图2为本发明的主体结构图，如图2所示，该加载框架100包括：支柱42、第一反力板37-1、第二反力板37-2和第三反力板37-3，第一高强螺杆2-1和第二高强螺杆2-2；该第二反力板37-2与该第三反力板37-3之间设置有至少一个第一高强螺杆2-1，且该第三反力板37-3位于该第二反力板37-2上方，该第二反力板37-2的底面设置有至少一个该支柱42，该第二高强螺杆2-2的底端穿过该第二反力板37-2，且邻近底端部位被第一密封螺母固定在第二反力板37-2上，该第二高强螺杆2-2的顶端穿过该第一反力板37-1，且邻近顶端部位被第二密封螺母固定在第一反力板37-1上，该第一反力板37-1位于该第二反力板37-2上方，且位于该第三反力板37-3的下方。
本发明实例中，加载框架为加载系统提供反力和支撑，并且加载框架的组成部分也参与温控系统的构成，同时还连接着补水系统、数据采集与控制系统、成形系统，是整个试验系统的骨架。
本发明实施例中，土体16为直径50cm，高100cm的圆柱土体，第一反力板37-1，第二反力板37-2和第三反力板37-3为圆柱形钢板。
具体地，如图1所示，该加载系统200包括：土体16的轴向荷载加载设备和土体16侧向围压加载设备；该土体16的轴向荷载加载设备包括置于该第三反力板37-3底面的液压千斤顶19，置于液压千斤顶19底面的荷载传感器20；该土体16的轴向荷载加载设备还包括置于加载框架外部的伺服控制台，该伺服控制台通过电连接线分别与液压千斤顶19和荷载传感器20连接，该伺服控制台用于控制液压千斤顶19对土体16加卸载或者维持恒压，并采集和输出荷载传感器20的监测荷载；该土体16侧向围压加载设备包括将土体16密封在气体压力空间内的压力室8，穿过第二反力板37-2与压力室8相连通的气体供应管35，气体供应管35一端与压力室8相连通，另一端与空气压缩站相连通，通过空气压缩站提供土体16侧向围压；该压力室8包括第一反力板37-1底面和第二反力板37-2顶面，还包括置于第一反力板37-1底面和第二反力板37-2顶面之间的钢制桶38-1；该第一反力板37-1中部设置第一密封活塞套40-1，该第一密封活塞套40-1中心设有传力轴43。
图3为本发明透水石与入水管和出水管接触布置图，如图1和3所示，该补水系统300包括：马氏瓶30、入水管25、第一透水石22-1、第二透水石22-2、出水管27、第一玻璃管29；该第一透水石22-1、第二透水石22-2分别设置在该土体16的底部，且该第一透水石22-1和第二透水石22-2布置在同一水平面上，该入水管25的两端分别与该马氏瓶30的出水口及该第一透水石22-1连通，该出水管27的两端分别与该第二透水石22-2及该第一玻璃管29连通；由此，第一玻璃管29可以显示马氏瓶30对土体16的供水水头，并且试验过程中可以起到排水排气的作用。
其中，入水管25上布置有控制马氏瓶30流量的止水夹，该马氏瓶30由第二玻璃管30-1，瓶身和橡胶塞30-2构成，橡胶塞30-2封堵瓶身，第二玻璃管30-1穿过橡胶塞30-2连通马氏瓶30的内部和外部空间。马氏瓶30中的水可以是纯水或预制的不同盐度的水，实现补水系统的不同含盐量水的供应，马氏瓶30的马氏瓶原理可以实现恒水头供水。
另外，本发明实施例中，该第一透水石22-1及该第二透水石22-2上覆有粉细砂层23，粉细砂层23、第一透水石22-1和第二透水石22-2组成了土体16的补水腔，起到补水含水层的作用，同时起到了反滤层的作用，使得出水管27与第一玻璃管29进行排水排气时不因土体16内的粉细颗粒的进入而堵塞。
需要说明的是，第一玻璃管29带有刻度。
具体地，如图1所示，该温控系统400包括：供温设备和保温设备；该供温设备包括与第一透水石22-1和第一透水石22-2的底面均相接触的下恒温板18，与下恒温板18相连通的底部冷却液循环管26-1，与底部冷却液循环管26-1相连通的底部恒温槽，该下恒温板18，底部冷却液循环管26-1和底部恒温槽形成封闭循环系统；该恒温系统还包括置于土体16顶面的上恒温板17，与上恒温板17相连通的顶部冷却液循环管26-2，与该顶部冷却液循环管26-2相连通的顶部恒温槽，该上恒温板17，顶部冷却液循环管26-2和顶部恒温槽形成封闭循环系统；通过对底部恒温槽和顶部恒温槽设置不同工作温度实现对土体16施加不同温度梯度的目的；该供温设备还包括为该补水系统中马氏瓶30提供恒温环境的恒温箱32，该马氏瓶30置于恒温箱32内并且瓶身盘绕有底部冷却液循环管26-1，恒温箱32上布置有控制面板33和第一温度探针31-1；第一温度探针31-2监测恒温箱32的工作温度，该恒温箱32与该底部恒温槽的工作温度设置为相同，第二温度探针31-1用于监测马氏瓶30内水盐液体的温度，实现补水系统的恒温供水；该保温设备：包括位于压力室8上部的第一真空室4，位于压力室8下部的第二真空室5，位于压力室8侧面的第三真空室6；该第一真空室4，第二真空室5和第三真空室6通过多个连通管14相连通，该第一真空室4与抽真空管28相连通，该抽真空管28与抽真空泵相连通，通过开通真空泵制造第一真空室4，第二真空室5和第三真空室6的真空环境。
其中，该第一真空室4包括第一反力板37-1顶面，置于第一反力板37-1中心并与第一反力板37-1和传力轴43吻合接触的第一密封活塞套40-1，置于第一反力板37-1顶面上部的第一钢制盖41-1，置于第一钢制盖41-1中心并与钢制盖41-1和传立轴43均吻合接触的第二密封活塞套40-2，置于第一密封活塞40-1与第二密封活塞套40-2之间的第一密封橡胶圈36-4，第二高强螺杆2-2的顶端穿过该第一钢制盖41-1，被第三密封螺母固定在第一钢制盖41-1上；该第二真空室5包括第二反力板37-2底面，置于第二反力板37-2底面下部的第二钢制盖41-2，置于第二反力板37-2和第二钢制盖41-2中心的密封螺杆24，该密封螺杆24与第二反力板37-2和第二钢制盖41-2吻合接触，接触处不漏气漏水；第二高强螺杆2-2的底端穿过该第二钢制盖41-2，被第四密封螺母固定在第二钢制盖41-2上；该第一钢制桶38-1套设在第二钢制桶38-2中，该第一钢制桶38-1外壁与该第二钢制桶38-2内壁形成的区间为该第三真空室6。
其中，该第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3都是由两个半月形的钢制桶拼合组成，使得制成土体16后第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3容易摘掉；该第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3侧壁均设置有抽气孔49。
该数据采集与控制系统500包括：传感器组、数据采集箱及工作站；该传感器组包括监测土体16整体变形的位移计21，监测土体16侧向变形的激光测距传感器9，监测土体16水分和盐分含量的水盐传感器13，监测土体16孔隙水压的孔隙水压力传感器12，监测土体16竖向应力场变化的土压力盒10，监测压力室8、第一真空室4、第二真空室5，第三真空室6中气体压力的压力传感器7；该数据采集箱用于采集该传感器组监测的数据，该工作站用于对采集的数据进行分析处理，该工作站包括微型计算机和数据处理软件。
本发明实施例中，传感器组中的传感器通过数据传输线与数据采集箱相连，数据采集箱通过数据传输线与工作站相连，通过工作站控制数据采集箱的数据采集频率，数据采集箱采集由传感器监测和数据传输线传输的数据，由工作站的微型计算机和数据处理软件对采集的数据进行分析成像处理。
进一步的，如图2，图7和图8所示，该成形系统600包括：置于第二反力板37-2上的第一成形保护桶53-1，置于第一成形保护桶53-1上部的第二成形保护桶53-2，置于第二成形保护桶53-2上部的第三成形保护桶53-3，该第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3内壁均紧贴有橡皮膜15、外壁分别设置有法兰51，该法兰51上设有螺杆固定槽52，该第二反力板37-2上设置有螺杆固定孔54，第三高强螺杆2-3依次通过第二反力板37-2上的螺杆固定孔54，法兰51上的螺杆固定槽52实现该第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3的固定；每一个螺杆固定槽52与高强螺杆2-3均是通过第一螺母55-2固定，该成形系统600还包括对设计的土料进行击实进而制成土体16的击实设备和橡皮膜15侧面的勒紧橡皮套34。
本实施例中，击实设备为手动击实锤，分为2.5kg锤重和4.5kg锤重。
第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3都是由两个半月形的钢制桶拼合组成，使得制成土体16后第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3容易摘掉；第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3侧壁都设置有抽气孔49，通过抽气使得橡胶膜15可以和第一成形保护桶53-1，第二成形保护桶53-2和第三成形保护桶53-3紧密结合成形系统还包括制成土体16后使橡皮膜15与上恒温板17和下恒温板18紧密贴合的勒紧橡皮套34。
进一步地，该第一钢制盖41-1与第一反力板37-1之间，第二反力板37-2与第二钢制盖41-2之间均布置有第二密封橡胶圈36-3和支撑螺杆3，且该支撑螺杆3为带有螺纹的高强钢制螺杆；该第二反力板37-2与第一高强螺杆2-1以及该第三反力板37-3与第一高强螺杆2-1均是通过第二螺母55-1固定；该第一反力板37-1与第一钢制桶38-1之间、该第一反力板37-1与第二钢制桶38-2之间、该第二反力板37-2与第一钢制桶38-1之间、该第二反力板37-2与第二钢制桶38-2之间均布置有第三密封橡胶圈36-1；该第一密封螺母与第二反力板37-2之间、第二密封螺母与第一反力板37-1之间、第三密封螺母与第一钢制盖41-1之间、第四密封螺母与第二钢制盖41-2之间均布置有第四密封橡胶圈36-2。
进一步地，如图4所示，该第二钢制盖41-2、第二反力板37-2和下恒温板18上均设置有与密封螺杆24吻合的螺纹穿孔，该密封螺杆24为中空螺杆，用于数据传输线、底部冷却液循环管26-1，入水管25和出水管27穿过。
具体地，如图4所示，封螺杆24包括内部中空的外密封螺杆24-1和内密封螺杆24-2；外密封螺杆24-1的内径大于内密封螺杆24-2的外径，长度短于内密封螺杆24-2；内密封螺杆24-2和外密封螺杆24-1之间布置有底部冷却液循环管26-1、入水管25和出水管27，入水管25和出水管27管道的两端布置有管道接头45；内密封螺杆24-2内布置有数据传输线，数据传输线端布置有的数据传输线连接头44；内密封螺杆24-2和外密封螺杆24-1外部都布置有密封螺母48-2，并且螺母48-2上都带有密封胶垫46；外密封螺杆24-1和内密封螺杆24-2内部都由密封胶47进行密封；通过数据传输线连接头44、管道接头45、中空的外密封螺杆24-1和内密封螺杆24-2，还有密封胶47的使用，使得更换传感器和管道时不用重新密封，方便了系统的组装和密封。
进一步地，如图2和图5所示，该上恒温板17和下恒温板18都由圆柱形钢板组成，进入压力室8内的顶部冷却液循环管26-2的一部分穿过该传力柱43内部；该上恒温板17和下恒温板18侧面都设置有凹槽，通过该勒紧橡皮套34，上恒温板17和下恒温板18上的凹槽将橡皮膜15、上恒温板17和下恒温板18紧密贴合，防止试验期间土体16的部分脱落和压力室8内的气体侵入土体16。
本发明实施例中，顶部冷却液循环管26-2共分为六段，其中两段连接顶部恒温槽，两段穿过传力柱43内部，两段位于上恒温板17上并与上恒温板17的封闭空腔17-3相连通，冷却液循环管26-2的六段通过预制的连接头进行连通。
如图5所示，顶部恒温版17包括顺序固定的下承压板17-1、密封橡胶圈36-5、上承压板17-2，下承压板17-1与上承压板17-2中间形成封闭空腔13，下承压板17-1和上承压板17-2间还布置有荷载支柱17-4用于传递荷载。
进一步的，如图6所示，下恒温板18内设置有铜制盘管18-1，铜制盘管18-1与底部冷却液循环管26-1相连通，并且下恒温板18上布置有固定入水管25、出水管27、底部冷却液循环管26-1，内密封螺杆24-2的通道。
进一步的，如图2和图9所示，气体压力传感器7、激光测距传感器9、土压力盒10、孔隙水压力传感器12，水盐传感器13均为4个，且分别布置在同一竖直线上，竖向间隔为20cm，4个气体压力传感器7分别布置在第一真空室4、第二真空室5、第三真空室6和压力室8内。
本发明实施例中，气体压力传感器7、激光测距传感器9、土压力盒10、孔隙水压力传感器12，水盐传感器13内部布置有温度传感器，起到温度矫正传感器数据作用的同时省去了单独埋设温度传感器到土体16中的步骤，节省时间，提高了测试效率。
进一步地，该气体压力传感器7、激光测距传感器9、土压力盒10、孔隙水压力传感器12，水盐传感器13均为4个，该激光测距传感器9、土压力盒10、孔隙水压力传感器12，水盐传感器13分别布置在同一竖直线上，竖向间隔为20cm，该4个气体压力传感器7分别布置在第一真空室4、第二真空室5，第三真空室6和压力室8内。
进一步地，该荷载传感器20的底部与压力室8的传力轴43的顶面相接触，该传力轴43与上恒温板17之间布置有传力钢板39。
进一步地，该加载系统200中土体16的轴向荷载加载设备还包括对传力轴43进行定位的限位装置，该传力轴43上布置有限位孔，该限位装置包括限位螺杆56-2，组合螺母56-3和旋进螺杆56-4，该限位螺杆56-2通过螺纹竖直固定在第三反力板37-3的底部，该组合螺母56-3套在限位螺杆56-2上，并通过螺纹的旋转控制其位置的升降，该组合螺母56-3底部为通道水平的螺母，该通道水平的螺母可以在水平方向上自由旋转，旋进螺杆56-4可以在组合螺母56-3底部的通道水平的螺母上自由旋进，直至与传力轴43上预制的限位孔吻合接触，达到限定传力柱43位置的目的。
本实施例提供的基于大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统的成形系统的土体16的成形方法为：
s1、在第二反力板37-2上放置下恒温板18和透水石22-1～22-2。
s2、通过准备好的土体16内的传感器数据传输线连接内密封螺杆24-2内穿出的数据传输线连接头44。
s3、由高强螺杆2-3和螺母55-2通过法兰51上的螺杆定位槽52和第二反力板37-2上的螺杆固定孔54固定第一成形保护桶53-1和橡胶膜15；橡皮膜15长度120cm，将橡皮膜15多余的长度卷起套在第一成形保护桶53-1的外部，并利用抽气孔49和抽气设备使橡皮膜15和第一成形保护桶52-1紧密贴合.。
s4、加装厚度5cm粉细砂层23后，分层击实设计土料，在设计高度埋设相关传感器.。
s5、完成第一成形保护桶53-1的击实高度后，释放已经卷起的橡皮膜15的长度度至第二成形保护桶53-2，加装第二成形保护桶53-2，橡皮膜15的多余长度套在第二成形保护桶53-2的外部，并利用抽气孔49和抽气设备使橡皮膜15和第二成形保护桶53-2紧密贴合；加装土料，进行分层击实，埋设传感器.。
s6、完成第二成形保护桶53-2的击实高度后，释放已经卷起的橡皮膜15的所有长度，加装第三成形保护桶53-3，并利用抽气孔49和抽气设备使橡皮膜15和第三成形保护桶53-3紧密贴合，加装土料，继续分层击实并埋设传感器，直至击实高度距离第三成形保护桶53-3顶部10cm，加装上恒温板17，至此，完成了土体16的击实成形.。
s7、完成土体16的击实成形后，逐次拆掉螺母55-2、法兰51、高强螺杆2-3、第一成形保护桶53-1、第二成形保护桶53-2，第三成形保护桶53-3。
s8、用勒紧橡皮套34使橡皮膜15分别与上恒温板17和下恒温板18紧密贴合。
本实施例不对比较容易理解的大尺度土体冻融过程水-热-力-盐四场耦合作用试验系统的组装过程进行介绍。
本发明提供一种大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统的土体水-热-力-盐四场耦合作用的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、开启数据采集与控制系统，开始采集土体16内部的温度、水盐、应力、孔隙水压力信息，采集土体16的侧向和竖向变形信息，采集第一真空室4，第二真空室5，第三真空室6内的气体压力信息，采集液压千斤顶19对土体16的加卸载信息。
步骤2、保持入水管25，出水管27和刻度玻璃管29的畅通，开启加载系统，通过工作站设置伺服控制台的工作参数，使液压千斤顶19工作直至传力轴43与传力钢板39相接触，调节空气压缩站的供气压力使压力室8内的气体压力达到设计值，再次通过工作站设置伺服控制台的工作参数，使液压千斤顶19对土体16进行恒载固结，至土体16的固结达到稳定.
步骤3、土体16的固结完成后，通过对传力轴43进行定位的限位装置固定传力轴43，限定其位移，进而实现对土体16冻胀的刚性约束。
步骤4、打开抽真空泵，通过抽真空作用将第一真空室4，第二真空室5和第三真空室6抽为真空状态，真空状态以气体压力传感器7的数据作为判断依据。
步骤5、打开底部恒温槽，按照设计要模拟的地下水补给温度，设置底部低温恒温槽和恒温箱32的工作温度，当底部恒温槽达到工作温度后，开启底部恒温槽的外部循环泵，通过底部冷却液循环管26-1和恒温箱32对马氏瓶30内的含盐水进行加热或降温，直至控制面板33显示温度探针31-1的温度达到设计值并稳定。
注：在调节补水系统的补水温度时，应用了底部恒温槽的外部循环泵的功能，因为底部恒温槽，底部冷却液循环管26-1和下恒温板18形成了封闭循环系统，所以此步骤也设置了下恒温板18的工作温度，设置的下恒温板18的工作温度与马氏瓶30的供水温度相同。
步骤6、打开入水管25上的止水夹进行供水，使马氏瓶30中的含盐水进入粉细砂层23，气体由与粉细砂层23连通的刻度玻璃管29排出；当观察到气体排净后，调节马氏瓶30位置，使马氏瓶30内玻璃管30-1底部与粉细砂层23顶部在一个水平面上，模拟恒定地下水位补给土体16。
注：此时模拟的地下水水头补给高度相当于打开止水夹时马氏瓶30中的液面距离玻璃管30-1底部的高度。
步骤7、启动顶部恒温槽，待工作温度达到设计值时，开启顶部恒温槽的外部循环泵，使顶部恒温槽内的低温介质通过顶部冷却液循环管26-2，上恒温板17进行循环，对土体16进行冻结，待土体16内部的温度、水盐、应力，孔隙水压力及土体侧向的变形稳定后结束冻结。
步骤8、调节顶部恒温槽的工作温度，按照设计要求对土体16进行融化的温度设置顶部恒温槽的工作温度，待工作温度达到设计值时，开启顶部恒温槽的外部循环泵，使顶部恒温槽内的低温介质通过顶部冷却液循环管26-2，上恒温板17进行循环，对土体16进行融化，待土体16内部的温度、水盐、应力，孔隙水压力及土体侧向的变形稳定后结束融化试验。
步骤9、如进行土体16的冻融循环试验，重复第7步骤和第8步骤即可。
步骤10、数据采集与控制系统实时获取并储存土体16内的温度、水盐、应力，孔隙水压力及土体16侧向和竖向的变形信息，由工作站的数据处理软件对采集的数据进行分析成像处理，得到大尺度土体的冻融过程中的水-热-力-盐的动态耦合作用。
本发明提供的大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统及方法的有益效果为：(1)、成形系统可以进行大尺度土体(直径50cm，高度100)的击实成形，满足埋设传感器的尺寸和间距要求，保证了监测数据的精度；(2)、本发明可以模拟不同盐度的恒温恒水头的地下水对土体的补给，用于研究大尺度土体在四场耦合作用下的水盐运移规律；(3)、设计了真空室作为压力室与试验环境的隔热边界，有效的减小了试验环境温度对试验数据侧影响；(4)、设计了压力室作为土体的围压提供装置，压力室内气体导热性能差，有利于土体冻融过程温度梯度的形成；(5)、温控系统，加载系统和供水系统的联合应用，更加真实的模拟了季冻盐渍土地区的地基或路基土体所处的冻融，应力和地下水补给环境，提供了更符合实际情况的水-热-力-盐耦合作用试验系统；(6)、该系统可以实时获得土体竖向整体变形、侧向变形、土体内部的水分盐分含量分布、压力分布、温度分布、孔隙水压力分布信息，为大尺度土体的水-热-力-盐四场耦合作用研究提供了技术保证；(7)通过工作站、数据采集箱、传感器组的联合应用，实现了试验数据的自动采集和处理，有效保证了数据采集的可靠性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。