[实用新型]一种多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及土工试验领域，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。

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

本实用新型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。

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。

本实用新型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：