[发明专利]一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法

权利要求书

1.一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：包括装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统，所述装配系统与控温系统相连，所述控温系统分为环向控温模块和单向控温模块，补水系统和单向控温模块下部相连，补气系统与环向控温模块相连，冻胀力监测系统与单向控温系统上部相连，光纤数据采集系统与装配系统相连；

所述装配系统包括装配体支座（1）和四层环向控温土样环（10），每层所述环向控温土样环（10）包括控温环（11）和土样环（12），由两个共轴的空心圆筒构成，内外两筒之间通过上下两个环型盖拼接成一个整体结构，两个空心圆筒与上下两个环型盖围成的空腔为控温环（11），内筒所围成的空心环为土样环（12），且每个控温环（11）开有一个进气孔（21），各层环向控温土样环（10）两两之间通过螺栓组件（8）拼装，顶层的环向控温土样环（10）通过螺栓组件（8）与反力架（20）连接，底层的环向控温土样环（10）通过螺栓组件（8）与装配体支座（1）连接；

环向控温模块包括四个控温环（11）、四个进液导流孔（6）、四个出液导流孔（25）、四个进液导流管（35）、四个出液导流管（34）以及四个环向控温冷浴箱（36），单向控温模块包括下导温盘（4）、上导温盘（14）、下冷冻液流进端（2）、下冷冻液流出端（3）、上冷冻液流进端（15）、上冷冻液流出端（16）、控制下导温盘温度的冷浴箱（5）以及控制上导温盘温度的冷浴箱（13），上导温盘（14）与试验土样上部直接接触，下导温盘（4）与试验土样下部通过多孔底板（26）间接接触，下导温盘（4）顶面与多孔底板（26）之间存在储水室，且下导温盘（4）留有入水孔（27）；

所述补水系统包括马氏瓶支架（30）、马氏瓶（28）、导水管（29），马氏瓶（28）通过可调节高度的马氏瓶支架（30）固定，马氏瓶（28）中的水通过导水管（29）和入水孔（27）流入下导温盘（4）顶面与多孔底板（26）之间的储水室，进而通过多孔底板（26）对试验土样进行均匀补水；

所述补气系统包括气源瓶支撑台（31）、气源瓶（32）、缓冲通气孔（24）、导气管（22），气源瓶（32）中盛装压缩空气，气源瓶（32）放置在气源瓶支撑台（31）上，气源瓶（32）与缓冲通气孔（24）一端相连，缓冲通气孔（24）另一端通过四个导气管（22）分别与每个控温环（11）预留的进气孔（21）相连接，压缩空气先流入缓冲通气孔（24），再通过导气管（22）流入每个控温环上的进气孔（21），进而对试验土样进行补气作用，

所述冻胀力监测系统包括连杆（18）、测力计（19）、反力架（20）、反力杆（17），测力计（19）与连杆（18）相连并固定在反力架（20）上，连杆（18）的底端与反力杆（17）的顶端相连，反力杆（17）的底端与上导温盘（14）接触；

所述光纤数据采集系统包括光纤传感元件（9）、信号解调仪（23）、数据处理终端（33），信号解调仪（23）分别与光纤传感元件（9）和数据处理终端（33）相连接，光纤传感元件（9）竖向等间距布设在土样环（12）的轴线处。

2.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述冻胀力监测系统中反力架（20）的高度为可调节，测力计（19）为应变控制式测力环，试验时反力架（20）的高度满足使连杆（18）下端与反力杆（17）上端接触。

3.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述光纤数据采集系统中光纤传感元件（9）用于监测土样全断面的变形场、水分场和温度场的变化，信号解调仪（23）用于对光纤传感元件（9）监测得到的信号进行转换，数据处理终端（33）与信号解调仪（23）相连，用于多物理场监测信号的处理。

4.一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于包括以下试验步骤：

S1、完成整个试验装置的安装，将装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统对应相连；

S2、进行冻胀力监测系统和光纤数据采集系统的初始化设置；

S3、通过控温系统中的环向控温模块控制土样的初始温度场，当土样达到真实环境下的温度场后关闭环向控温模块；

S4、通过控温系统中的单向控温模块设置土样的上、下温度边界，同时打开补水系统和补气系统；

S5、通过冻胀力监测系统和光纤数据采集系统进行土样的应力场、变形场、温度场和水分场的实时数据监测；

S6、通过光纤数据采集系统中的数据处理终端进行监测数据的处理和分析。