[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

说明书

本发明提供一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法，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。装配系统包括四个上下分段螺栓连接的环向控温土样环和一个装配体支座。控温系统包括环向控温模块和单向控温模块，其中环向控温模块包括四个环向控温环，单向控温模块包括一个上导温盘和一个下导温盘，每个环向控温环和上、下导温盘各自利用两个导流接口与冷浴箱相连。本发明可实现非饱和土的水气热力耦合作用测试，环向控温缩短试验周期，冻胀力监测系统和光纤数据采集系统可对土样顶部的应力场以及土样全断面的变形场、水分场和温度场进行实时监测，测试结果精度较高，且结构精巧，设计合理。

技术领域

本发明涉及一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法，属于岩土工程中非饱和土水分迁移技术领域。

背景技术

随着交通运输工程的大力发展，公路和铁路等覆盖工程的大幅度修建明显改变了覆盖层下土体的水热交换条件，覆盖层的存在阻隔了天然土体与大气之间的水分交换，从而在温度梯度以及水势梯度的作用下导致覆盖层下水分聚集，形成覆盖效应。覆盖效应是指由于道面密闭导致道基上部水分不能排出而引起的道基浅层土体含水量增加，强度降低的现象。对于非饱和土，由固体土颗粒、液态水和气体组成，在温度和力学荷载的作用下，会产生热量传递、水-气迁移、冰-水相变、水-气相变和变形等过程，然而覆盖效应的形成内部机理即为典型的非饱和土的水气热力耦合过程。覆盖效应导致的工程病害频发如：机场跑道的开裂、输油站场混凝土面板的隆起、公路路面的翻浆开裂以及高铁路基面板的隆起等一系列病害。故研究冻结过程中非饱和土中水、气迁移过程对于这些具有上覆盖层的结构冻胀防治技术的提出具有重要的参考价值。现有的关于非饱和土水分迁移的室内试验装置主要涉及到非饱和土的水热耦合或者水热力的耦合，尚缺乏一套考虑非饱和土水气热力耦合作用的完整试验装置；已有的试验装置对于试验所设定的温度较为单一，温度控制与现场土体所处的实际外界温度环境具有较大差别；已有的试验装置对于试验土样在试验过程中的冻胀变形的监测较为少见。

鉴于此，设计一种耦合多物理场相互作用，温度控制系统合理、监测功能丰富、精度较高的非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法是十分必要的，这将提高室内模型试验对现场工程状况的模拟程度，对于岩土工程中非饱和土水分迁移技术领域的研究具有更高的参考价值。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术和方法的不足，提出一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法。

本发明的目的是这样实现的，一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法 ，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，控温系统包括单向控温模块和环向控温模块，补水系统与单向控温模块中的下导温盘相连，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模块中的上导温盘相连，光纤数据采集系统与装配系统相连。

所述装配系统主要包括装配体支座和四层环向控温土样环，每层环向控温土样环包括控温环和土样环，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，内筒所围成的空心环为土样环，相邻两层环向控温土样环通过螺栓组件相互固定，顶层的环向控温土样环与冻胀力监测系统中的反力架通过螺栓组件相连接，底层的环向控温土样环通过螺栓组件固定在装配体支座上。

所述控温系统中的环向控温模块包括四个控温环、四个进液导流孔、四个出液导流孔、四个进液导流管、四个出液导流管以及四个环向控温冷浴箱，且每个控温环预留有一个进气孔。控温系统中的单向控温模块包括控制土样底部温度的下导温盘、下冷冻液流进端、下冷冻液流出端、控制下导温盘温度的冷浴箱、控制土样顶部温度的上导温盘、上冷冻液流进端、上冷冻液流出端、控制上导温盘温度的冷浴箱，上导温盘与土样顶部直接接触，下导温盘与土样底部通过多孔底板间接接触，下导温盘顶面与多孔底板之间预留有储水室，且下导温盘预留有入水孔用于为试验土样底部补水。