CN106596283A - 一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，主要用于测试不同状态条件下饱和土与非饱和土在循环应力‑渗流‑温度作用下的变形规律，属于环境岩土和能源岩土工程领域。本发明的温控非饱和土三轴系统主要由温度控制系统、吸力与应力控制系统、双压力室体积量测系统、土体小应变模量测量系统以及冲刷系统等五部分构成。本发明的测量系统实现了不同应变范围(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、大范围(5℃到90℃)温度的精确与稳定控制、土体压力和吸力的控制。

Description

一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统
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。
试样总体积的变化通过压差传感器测量内压力室内液面和参照管内液面差就行量测。内压力室呈瓶状，瓶状的内压力室的瓶颈部分的内径只比竖向加荷轴略大(过水截面只有314mm2)。
试验过程中，内压力室内的水位变化控制在瓶颈范围内使得由试样体积变化引起的水位变化更明显，以保证精确度。所采用的高精度双向压差传感器可以测量内压力室内的水位变化。该传感器的压差测量范围是从-1kPa到+1kPa(即-100mm到+100mm的水头变化)。其测量精度是0.1mm的水头变化，对于直径76mm，高度20mm的试样而言，该精度相当于0.03％的体积应变。
参照管与内压力室固定在一起，且参照管的内截面积等于内室瓶颈处的截面积，这样在试验过程中内室和参照管中的水份蒸发总是相等，不会因为水份蒸发而产生误差。
(4)土体小应变模量量测系统：内压力室内的底座上依次放置高进气值陶土板、试样、滤纸、透水石、试样帽，并安装弯曲-伸展元用以同时测定试样中S波和P波的波速，基于波动理论，进而计算出土的剪切模量G0和侧限模量M0。
通过弯曲-伸展元测得剪切波速和压缩波速，再通过计算得到土体的剪切模量和侧限模量等小应变动力特征参数，弯曲-伸展元晶片被包装固定在试样帽或底座的插入物中。
(5)冲刷系统：用于排出装置中滞留的空气。
本发明的另一目的在于提供所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统的使用方法，包括：
(1)试验前要先将高进气值陶土板饱和，然后将制备好的试样放置在饱和的陶土板上，安装弯曲-伸展元，试样上依次放置滤纸、透水石和试样帽；放置完成后，用中间夹有一层薄锡纸的双层橡皮膜包裹；
(2)安装内压力室、参照管和热电偶，往内压力室和参照管中注入无气水至适当位置，再安装螺旋式铜管和外压力室，螺旋式铜管需与温度控制系统中的水浴通过输水管道连接，外压力室内也要注入水至适当位置，外压力室和输水管道外均需要包裹绝热材料。
为了减少此锡纸对土样的加固作用，事先要在此锡纸上划开一系列纵向的缝和一条横向缝。
另外，往内压力室和参照管中注入无气水至适当位置，水面均加一薄层煤油，以减少空气扩散到水里并减少水分蒸发。
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。
本发明所述试样指的是非饱和土。
由于采用了以上技术方案，本发明的可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统的有益效果是：可以实现大范围(5℃到90℃)的温度的精确与稳定控制并可施加冷热循环、土体压力和吸力的准确控制，适合研究饱和土和非饱和土在不同温度条件下的不同应变范围(极小应变<0.001％；小应变0.001％-1％；大应变>1％)的土体变形规律。
附图说明：
图1，本发明试验装置的结构示意图。
图2，内压力室的及其部件示意图。
图3，本发明试验装置用于测量非饱和土变形规律的效果图。
具体实施方式：
下面结合附图详细介绍本发明方法的具体实施方式，但本发明不局限于此：
实施例1
如图1和2所示，一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，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；
(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；
(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以及用于排出装置中滞留的空气；
(4)土体小应变模量量测系统：内压力室内的底座上依次放置高进气值陶土板、试样、滤纸、透水石、试样帽，并安装弯曲-伸展元用以同时测定试样中S波和P波的波速；
(5)冲刷系统：用于排出装置中滞留的空气。
进一步的优选实施方案为内压力室设计成开顶的；内压力室底部设有进水孔；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；内压力室呈瓶状，瓶状的内压力室的瓶颈部分的内径只比竖向加荷轴略大，过水截面只有314mm2。
进一步的优选实施方案为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；其中，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；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。
进一步的优选实施方案为所述的外压力室外侧有绝热材料包裹；所述的输水管道外有绝热材料包裹。
进一步的优选实施方案为试样总体积的变化通过压差传感器测量内压力室内液面和参照管内液面差就行量测，参照管与内压力室固定在一起，且参照管的内截面积等于内室瓶颈处的截面积。
进一步的优选实施方案为通过弯曲-伸展元测得剪切波速和压缩波速，再通过计算得到土体的剪切模量和侧限模量等小应变动力特征参数。弯曲-伸展元晶片被包装固定在试样帽或底座的插入物中。
实施例2
所述实施例1系统的使用方法包括：
试验前要先将高进气值陶土板饱和，然后将制备好的试样放置在饱和的陶土板上，安装弯曲-伸展元，试样上依次放置滤纸、透水石和试样帽；放置完成后，用中间夹有一层薄锡纸的双层橡皮膜包裹；
此后，安装内压力室、参照管和热电偶，往内压力室和参照管中注入无气水至适当位置，再安装螺旋式铜管和外压力室，螺旋式铜管需与温度控制系统中的水浴通过输水管道连接，外压力室内也要注入水至适当位置，外压力室和输水管道外均需要包裹绝热材料。
进一步的优选实施方案为锡纸上划开一系列纵向的缝和一条横向缝。
进一步的优选实施方案为水面均加一薄层煤油。
进一步的优选实施方案为给内室充水时，从底部进水。
实施例3
试验目的：测量不同吸力状态下，重塑黄土和原状黄土在温度循环过程中的体积变化。
试验程序：第一步，施加50kPa的围压并达到稳定状态；第二步，分别施加100、0kPa的目标吸力并达到吸力平衡状态；第三步，改变温度，23-33-43-50-43-33-23-13-5-13-23℃，每级温度荷载均持续24h。
试验土样为陕西西安黄土，相对密度为2.69，含有0.1％砂土、71.9％粉土、28.0％粘土。液限为36％、塑限为19％、塑性指数为17，根据土壤统一分类法分类属于低塑性粘土。土样高度20mm、直径76mm，初始孔隙率为1.18，初始吸力值约为200kPa。
试验结果如图3所示。升温过程中，土样体积随温度升高逐渐减小。在50-13℃的降温过程中，土样体积继续减小，速率约为2×10-3％/℃。当温度由13℃降到5℃时，可观察到较大的塑形变形，速率约为2.5×10-2％/℃。对于重塑土和原状土而言，在5-50℃的范围内，0kPa吸力状态下的总体积变化均比100kPa吸力状态下的总体积变化平均大约5％。在相同系列状态下，原状黄土的总体积变化比重塑黄土的总体积变化大约25％。
从测试结果可见，本发明的装置可精确测量非饱和土变形规律，优于现有技术方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，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；
(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；
(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以及用于排出装置中滞留的空气；
(4)土体小应变模量量测系统：内压力室内的底座上依次放置高进气值陶土板、试样、滤纸、透水石、试样帽，并安装弯曲-伸展元用以同时测定试样中S波和P波的波速；
(5)冲刷系统：用于排出装置中滞留的空气。
2.根据权利要求1所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，内压力室设计成开顶的；内压力室底部设有进水孔；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；内压力室呈瓶状，瓶状的内压力室的瓶颈部分的内径只比竖向加荷轴略大，过水截面只有314mm2。
3.根据权利要求1所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，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；其中，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；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。
4.根据权利要求1所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，所述的外压力室外侧有绝热材料包裹；所述的输水管道外有绝热材料包裹。
5.根据权利要求1所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，试样总体积的变化通过压差传感器测量内压力室内液面和参照管内液面差就行量测，参照管与内压力室固定在一起，且参照管的内截面积等于内室瓶颈处的截面积。
6.根据权利要求1所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统，其特征在于，通过弯曲-伸展元测得剪切波速和压缩波速，再通过计算得到土体的剪切模量和侧限模量等小应变动力特征参数，弯曲-伸展元晶片被包装固定在试样帽或底座的插入物中。
7.根据权利要求1—6任一权利要求所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统的使用方法，其特征在于，包括：
(1)试验前要先将高进气值陶土板饱和，然后将制备好的试样放置在饱和的陶土板上，安装弯曲-伸展元，试样上依次放置滤纸、透水石和试样帽；放置完成后，用中间夹有一层薄锡纸的双层橡皮膜包裹；
(2)安装内压力室、参照管和热电偶，往内压力室和参照管中注入无气水至适当位置，再安装螺旋式铜管和外压力室，螺旋式铜管需与温度控制系统中的水浴通过输水管道连接，外压力室内也要注入水至适当位置，外压力室和输水管道外均需要包裹绝热材料。
8.根据权利要求7所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统的使用方法，其特征在于，锡纸上划开一系列纵向的缝和一条横向缝。
9.根据权利要求7所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统的使用方法，其特征在于，水面均加一薄层煤油。
10.根据权利要求7所述一种可精确测量非饱和土变形规律的温控三轴系统的使用方法，其特征在于，给内室充水时，从底部进水。
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