[發明專利]多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置及其方法

有效

• 申請號: 201210158293.7
• 申請日: 2012-05-21
• 公開（公告）號: CN102706728A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 馬田田;韋昌富;陳盼;魏厚振
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 黃瑞棠

技術領域

本發明涉及土工試驗領域，尤其涉及一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置及其方法。

背景技術

在廣大的干旱和半干旱地區，大部分都是非飽和土；并且大量的地質災害是和非飽和土有關的。由于非飽和土的試驗技術和理論水平遠不如飽和土成熟，為了簡化，目前分析此類問題通常是采用飽和土理論。隨著研究人員對非飽和土的認識越來越深入，采用非飽和土理論解決此類問題更為合理。非飽和土與飽和土的本質差別在于飽和土具有應力歷史依賴性，非飽和土不光與應力歷史有關，而且和水力學歷史有關。與飽和土不同，非飽和土是三相多孔介質，包含固相、氣相和液相。由于氣相的存在，非飽和土中的孔隙水壓通常是負的。

由于非飽和土比飽和土多了氣相，因此多了一個應力變量，即吸力。吸力是土體內部固相的表面與孔隙內液相和氣相相互作用而產生的，會使土體的強度和剛度增加。因此飽和土的理論和試驗技術并不適用，往往低估了土體的安全系數。同時，由于存在毛細滯回作用，對于同一個基質吸力，分別經過脫濕和吸濕之后的土體的強度并不相同，還與飽和度有關，并且與干濕循環歷史有關。

在分析降雨誘發滑坡之類的非飽和土災害問題時，土體的強度指標是最重要的參數之一。而這些參數與吸力有關，因此吸力對強度的貢獻是亟需要解決的問題。同時與非飽和土有關的蒸發引起的地表開裂和垃圾填埋場的污染物遷移是和溫度有密切關系的，非飽和土的土水狀態也與溫度有關，目前很少有研究涉及到測試不同溫度下非飽和土的力學和水力學性質。不同的土水狀態會導致不同的強度參數，因此在分析此類非飽和土問題時，有必要研究溫度的影響。與非飽和土相反，飽和土的室內三軸試驗的測試精度與可控制性已經得到國內外巖土力學領域的公認。

目前針對非飽和土的試驗設備，國內外的研究人員進行了大量的研究。對非飽和土的吸力控制技術，大部分是通過軸平移技術來實現的。軸平移是將孔壓增大為正值，同時也增大氣壓，通過二者的差值來施加設定的基質吸力。但是推廣到現場狀態時，非飽和土中的孔壓都是負的，這種技術就不再適用了。不再需要施加氣壓力，真實再現土樣在現場時的負孔壓狀態時，能夠施加吸力是非飽和土研究中的一個難題。而且現有的方法只是土樣底部排水，或是土樣頂部和底部一起排水，平衡時間很長，并且精確度不高。同時研究在不同溫度下測試非飽和土行為的試驗裝置也不是很多。

發明內容

本發明的目的就在于克服現有技術存在缺點和不足，提供一種多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置及其方法。

本試驗裝置結構簡單，使用方便，能準確反映不同溫度下非飽和土的力學和水力學性質。

本試驗方法主要是采用滲析法來達到所需要的吸力，土樣中的負孔壓是接近于現場實際狀態的，并結合溫度控制單元來進行不同溫度下的試驗。采用土樣周圍脫吸濕，縮短了非飽和土平衡的時間。

本發明的目的是這樣實現的：

本試驗裝置是對現有的《飽和土三軸試驗設備》的改進，保留其中的圍壓單元、軸力施加單元和軸向位移測量單元，設置了吸力施加單元、溫度控制單元、雙壓力室、差壓傳感器、參照管和數據采集單元。

本試驗方法是：先將飽和的重塑土樣或原狀土樣置于三軸壓力室中，在壓力室中施加吸力，使其進入非飽和階段；然后施加圍壓對非飽和土進行剪切試驗，得到不同吸力和不同圍壓下的變形曲線及其強度參數。吸力可以循環變化，從而可以得到不同水力路徑的強度特征；同時通過溫度控制單元可以得到不同溫度下非飽和土的力學性質和水力學性質；而且其中非飽和土的負孔壓狀態接近現場原位模式。

一、多功能循環施加吸力的非飽和土三軸試驗裝置（簡稱試驗裝置）

本試驗裝置包括圍壓單元、軸力施加單元和軸向位移測量單元，設置了吸力施加單元、溫度控制單元、雙壓力室、差壓傳感器、參照管和數據采集單元。

其連接關系是：

吸力施加單元、圍壓單元、軸力施加單元和溫度控制單元分別與雙壓力室連接，對土樣施加設定的吸力、圍壓、軸力和溫度；

差壓傳感器和軸向位移測量單元分別與雙壓力室連接，差壓傳感器和參照管連接，對土樣試驗過程中的體積變化和軸向位移實時測量；

數據采集單元分別與圍壓單元、軸力施加單元和溫度控制單元連接，控制所施加的圍壓、軸力和溫度值；

吸力施加單元與數據采集單元連接，記錄流入流出溶液的質量差值來反算土樣中吸入或排出水的質量，同時判斷對應這一級吸力土樣是否達到平衡狀態；

差壓傳感器和軸向位移測量單元分別與數據采集單元連接，在試驗過程中對體積變化和軸向位移進行實時采集。

本試驗裝置的工作原理：