[发明专利]一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统

说明书

技术领域：

本发明属于环境岩土和能源岩土工程领域，具体涉及一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，主要应用于对环境岩土和能源岩土工程中测试不同应力状态的非饱和土在冷热循环条件下变形规律的试验研究。

背景技术：

近年来，由于可持续发展对环境保护、能源利用的要求，环境岩土和能源岩土工程日益受到重视，发展十分迅速，例如垃圾填埋场覆盖层和防渗层系统、能源桩工程等。这些环境岩土和能源岩土工程都涉及到非饱和土体在循环应力-渗流-温度作用下的变形规律的测量问题。

在自然界和工程界，土体大多处于非饱和状态。非饱和土的体变，除了水体积的变化外，还包括土样中气的体积变化。非饱和土体变的量测相较于饱和土而言，耗时更长，更容易受到实验装置微漏、土体蠕变等因素的影响。温度对于土体体积等有着重要的影响，主要体现在：随着温度的升高或降低，土颗粒自身会发生热胀冷缩，当土颗粒自身的热胀冷缩达到一定的程度将导致土颗粒的重新排列分布，进而导致土体总体积的收缩或膨胀。

目前，可控温度的非饱和土体积变化与弹性参数测量装置尚缺乏。现有技术CN104614256A提供了一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，包括加载台架、三轴压力室、压力控制系统、数据量测采集系统、温度控制系统，所述压力控制系统与所述数据量测采集系统相连，实现了对试验温度进行增温也可降温，扩大了温度控制范围。然而该温控式冷热循环非饱和土三轴仪不能对土体试样的小应变模量进行监测。

另外，CN102175539A提供了一种温控非饱和土三轴仪压力室系统，包括加载台架、压力罩，该压力罩固定设置于所述加载台架，该压力室系统还设有与所述压力罩连接的温度控制系统，所述压力罩包括顶盖和外壁，该外壁为夹层结构；所述温度控制系统包括电热板、导线、温度控制器和温度传感器，所述电热板设置于外壁夹层内，并通过导线与温度控制器相连接；所述温度传感器通过一固定螺帽固定于压力罩顶盖，且一端置于压力罩内，另一端通过导线与温度控制器相连接，实现了对实验温度的精确控制和量测，可以开展不同温度下的多种非饱和土试验。但是由于使用电热板为控温元件，该温控非饱和土三轴仪压力室系统只能实现室温以上温度的控制，对于低于室温温度的控制仍受到限制。此外，直接将电热板至于外壁夹层内的方法对于整套系统温度的均匀性有所影响，升温时靠近电热板的区域温度会相对较高。此外，该系统不能对土体试样的小应变模量进行监测。

发明内容：

针对工程中这些实际问题，迫切需要研发出适用于工程实际的可实现大范围(5℃到90℃)精确与稳定温度控制的非饱和土在不同应变范围(极小应变<0.001％；小应变0.001％-1％；大应变>1％)的土体变形规律测量装置来解决上述问题。

针对上述现有技术存在的问题，本发明的首要目的在于提供一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，包括内压力室和外压力室，内压力室置于外压力室内，通过底座支撑，以及：

(1)温度控制系统：主要由水浴、加热/冷却单元、温度自动调节器、泵、热电偶以及放置于内压力室和外压力室之间的螺旋式铜管组成。

加热/冷却单元可改变水浴中液体的温度，水浴与螺旋式铜管通过输水管道相连接，通过泵可实现热/冷水的循环以达到改变温度的目的。

热电偶置于内压力室的无气水中，用以实时量测内压力室内水的温度并反馈给温度自动调节器。

温度自动调节器可根据设定的目标温度和实测温度控制加热/冷却单元。可控制的目标温度范围是5℃到90℃。

所述的外压力室外侧有绝热材料包裹，以减少外界环境温度的影响与热量损失。所述的输水管道外有绝热材料包裹，以减少外界环境温度的影响与热量损失。

(2)吸力与应力控制系统：主要通过连接气压控制器、竖向加荷轴、孔气压管线组成。外压力室顶部开孔设有气压控制器；竖向加荷轴垂直贯穿内、外压力室，并在顶部与压力百分表连接；底座上还开孔设有孔气压管线。

气压控制器、竖向加荷轴、孔气压管线三者分别施加围压、轴压和孔隙水压力。

优选内室设计成开顶的，这能保证内外室围压总是相等，不存在滞后现象；另外，内压力室底部设有进水孔，优选给内室充水时，从底部进水，这样空气很容易从上部排出，因此气泡不易滞留在内压力室里。

内压力室腔体通过环形密封槽和O形圈与底座连接，并用密封螺母密封。

(3)双压力室体积量测系统：底座上设有排水孔，通过管线与外部的镇流管和滴定管相连接，用以监测非饱和土试样中水体积的变化(吸水和排水)以及用于排出装置中滞留的空气。