[发明专利]大尺度土体水-热-力-盐四场耦合作用试验系统及方法

说明书

本发明公开了大尺度土体水‑热‑力‑盐四场耦合作用试验系统及方法，涉及土工土体室内冻融试验研究领域，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，成形系统；加载系统对土体施加轴向荷载和围压，补水系统可以模拟不同含盐量和水头对土体进行补给，温控系统实现土体的冻融循环和补水系统的恒温供水，数据采集与控制系统对土体的温度及水盐分布、压力、孔隙水压力、竖向与横向变形，气体压力室的气体压力进行实时监测，控制数据采集和成像处理，成形系统对设计的土料进行击实并塑造为试验所用的土体。本发明实现了室内水‑热‑力‑盐四场耦合作用的土体冻融过程实验，为土体的冻融试验研究提供支持。

技术领域

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。

发明内容

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；