專利名稱：在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特殊環(huán)境下土的試驗技術(shù)，尤其涉及在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置及其方法。具體地說，本發(fā)明涉及到不同濃度酸、堿、鹽等化學(xué)溶液化學(xué)作用下土的變形特征和強度的測試，涉及到海底水合物開采過程中水合物分解造成海水鹽分濃度變化引起土體的變形、以及土體污染各離子濃度增大、極端氣候下土體干旱/洪澇循環(huán)導(dǎo)致離子濃度循環(huán)等特殊情況下土體的變形特性和強度衰減規(guī)律的研究。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會面臨能源短缺和環(huán)境污染等重重問題，天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)為解決能源危機提供了一條新的途徑，垃圾填埋也為環(huán)境污染防治提供了一個新的思路，但是這些也都涉及一個同樣重要的科學(xué)問題——孔隙水與土體的化學(xué)作用下土體的力學(xué)特性變化規(guī)律。海底天然氣水合物的分解釋放的產(chǎn)生的水使附近海水淡化、垃圾分解產(chǎn)生的相關(guān)化學(xué)鹽分向防滲層的滲透擴散，這些過程都會使原本水-土平衡狀態(tài)發(fā)生改變，引起相關(guān)土層的力學(xué)特性的變化，以致發(fā)生一些工程事故和災(zāi)害；另外，在含礦物成為較為豐富土體中，極端氣候下土體干旱和洪澇災(zāi)害循環(huán)的變化孔隙水礦物濃度，致使土體發(fā)生循環(huán)變形和疲勞破壞，以致發(fā)生開裂、滑坡等自然災(zāi)害。因此，研究水-土化學(xué)作用影響下土體的變形和強度特性的演變規(guī)律具有非常重要的理論意義和工程實踐意義。目前關(guān)于水-土物理化學(xué)作用影響下土體的變形和強度特性研究尚處于起步階段，很多試驗都是在原有儀器上采用不同濃度的化學(xué)溶液飽和試樣進行土工試驗，這種方法很難模擬研究化學(xué)溶液滲流和擴散過程中土體的變形特征以及強度演化規(guī)律。經(jīng)過檢索，目前尚沒有較為成熟的能有效模擬水-土化學(xué)作用影響下土體力學(xué)特性的試驗裝置和方法被公開或使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置及其方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
本試驗裝置能測試兩類試驗，一類是測定研究含不同化學(xué)物質(zhì)和不同濃度孔隙水土體的三軸力學(xué)特性；二類是研究恒定受力條件下孔隙水溶液置換過程中土體的變形規(guī)律。第一類試驗:通過試樣和混合液液容器中的孔隙水溶液的緩慢循環(huán)置換作用，在一定時間(大概24h)內(nèi)使試樣孔隙水和混合液容器溶液的化學(xué)成分和濃度達到平衡，此時通過測定混合液容器中溶液的化學(xué)成分和濃度就可以對孔隙水的化學(xué)成分和濃度進行確定，從而可以在進行應(yīng)變式剪切試驗后分析孔隙水化學(xué)成分和濃度對土體試樣力學(xué)強度特性影響規(guī)律；第二類試驗:對于施加一定應(yīng)力的土樣通過緩慢循環(huán)改變孔隙水的化學(xué)成分和濃度，研究孔隙水化學(xué)成分和濃度改變情況下土體試樣力學(xué)特性的變化規(guī)律。對于第一類試驗，該裝置能有效準確的測定孔隙水溶液的化學(xué)成分和濃度，保證了孔隙水化學(xué)成分和濃度對土體力學(xué)特性影響規(guī)律的準確分析；對于第二類試驗，該試驗裝置和方法能有效模擬研究水溶液滲流對土體的變形、強度等力學(xué)特性的影響，并且結(jié)構(gòu)相對簡單，造價低廉，可以為大多數(shù)科研、勘察和環(huán)評單位裝備。本發(fā)明提供的試驗裝置和方法，有效解決了孔隙水化學(xué)成分和濃度的準確測定問題，并且能夠分析水溶液于土體滲流對土體力學(xué)特性造成的影響，為深入研究水-土化學(xué)作用對土體力學(xué)特性的影響提供的技術(shù)保證和支持，有力的推進了該項研究的深入發(fā)展。在本試驗裝置的基礎(chǔ)上，形成了一套測試水-土化學(xué)作用影響下土體三軸力學(xué)參數(shù)的方法，該方法測的力學(xué)參數(shù)較為準確，能反映現(xiàn)實客觀情況。具體地說:
一、在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置(簡稱試驗裝置)
本試驗裝置的結(jié)構(gòu)是:
頂架位于底架之上，用螺栓擰緊連接；
三軸壓力室置于裝置框架的底架之上，底座位于底架中央，上蓋與底座通過螺栓連接，可以裝卸來實現(xiàn)裝樣卸樣；活動桿穿過圍壓室罩上部與壓帽接觸，所測試樣位于壓帽和試樣座之間，壓帽上留有小孔并且通過耐壓塑料管依次經(jīng)過試樣座、底座、第三閥門與混合液容器的上部連接；三軸壓力室的底座上也留有小孔通過耐壓塑料管連接平流泵，之后再連接混合容器的底部；從而，混合液容器、平流泵、底座、試樣座、試樣、壓帽通過耐壓塑料管形成一個循環(huán)回路，在回路上壓力差分傳感器通過耐壓塑料管連接試樣上下部分測得溶液循環(huán)時試樣兩端的壓力差；三軸壓力室的底座圍壓室部分留有小孔并且通過耐壓塑料管與體變量測管底端連接，體變測量管頂端通過耐壓塑料管與氣體穩(wěn)壓罐上部連接，氮氣瓶通過第一閥門、粗調(diào)閥和第二閥門、細調(diào)閥兩條路徑與氣體穩(wěn)壓罐上部相連，氣體壓力表通過耐壓塑料管與氣體穩(wěn)壓罐上部相連，氮氣瓶通過氣體穩(wěn)壓罐給體變量測管內(nèi)的水增壓，為三軸壓力室的圍壓室提供圍壓壓力源，粗調(diào)閥和細調(diào)閥通過粗細兩種調(diào)節(jié)模式實現(xiàn)壓力的準確有效的控制；位移傳感器固定于施壓桿前端，位移傳感器的觸動桿接觸三軸壓力室上部，測量試樣的軸向位移；
施壓裝置位于裝置框架的頂架之上，采用螺栓連接施壓缸外部，施壓活塞2置于施壓缸內(nèi)部，施壓桿頂部與施壓活塞連接且穿過施壓缸，施壓缸內(nèi)部的液壓油驅(qū)動施壓活塞運動，并通過施壓桿在信號采集反饋處理器的反饋控制下提供恒定壓力或是恒定運動速率；施壓裝置的施壓缸上部通過液壓管與產(chǎn)壓裝置的產(chǎn)壓缸的前端相連，產(chǎn)壓活塞位于產(chǎn)壓缸內(nèi)部，產(chǎn)壓活塞一端與液壓油接觸，一端連接連接桿穿過產(chǎn)壓缸與步進電機相連，壓力傳感器通過液壓管與產(chǎn)壓缸前端連接測定產(chǎn)壓缸的油壓，并且通過電纜線連接信號采集反饋處理器把測試信號反饋過去進行處理，信號采集反饋處理器通過電纜線連接步進電機對步進電機進行控制；根據(jù)設(shè)定情況，信號采集反饋處理器控制步進電機的運轉(zhuǎn)情況，實現(xiàn)應(yīng)變式或應(yīng)力式控制；
數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)處理器通過電纜線分別與壓力差分傳感器、壓力傳感器、位移傳感器以及信號采集反饋處理器相連，再通過電纜線連接微機，對數(shù)據(jù)進行采集、反饋和分析。工作原理:
本試驗裝置利用平流泵提供驅(qū)動動力，把混合液容器中的化學(xué)溶液循環(huán)置換試樣中的孔隙水，循環(huán)時間足夠長(大約24h)可以使孔隙水和混合液容器中的溶液的成分組成和濃度達到平衡，通過測定混合液容器中的化學(xué)溶液的成分和濃度即可得出試樣中孔隙水的成分和溶度，同時，化學(xué)溶液的循環(huán)也可以模擬孔隙水的驅(qū)替過程。本試驗裝置的圍壓提供方法及體變的測量方法:采用高壓氮氣作為壓力源，通過與圍壓室的水接觸給予水相應(yīng)的壓力來提供圍壓，氣體儲存于氣體穩(wěn)壓罐中，通過耐壓塑料管連接體變測量管，繼而連接圍壓室，氮氣和水在體變量測管中接觸。在氣體穩(wěn)壓罐體積相對于試驗體積足夠大的時候(大約為20L)，試樣的體積變化對氣體穩(wěn)壓罐內(nèi)部氣體的壓力影響可以忽略不計(大約為0.1%)，而試樣體積的變化可以使氮氣和水的接觸面在體積量測管中上下的移動，通過觀測體變量測管中液面的移動進行相應(yīng)的計算就可以得出試樣的體積變化了。本試驗裝置加載可以實現(xiàn)應(yīng)力/應(yīng)變式控制的轉(zhuǎn)化，應(yīng)力控制主要是在設(shè)定壓力值后，壓力傳感器測定壓力后反饋給信號采集反饋處理器，信號采集反饋處理器根據(jù)設(shè)定壓力值控制步進電機的轉(zhuǎn)到方向和速率來實現(xiàn)應(yīng)力的控制；應(yīng)變控制可以根據(jù)相關(guān)要求直接設(shè)定步進電機的運轉(zhuǎn)速率來實現(xiàn)應(yīng)變速率的加載控制。二、在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗方法(簡稱試驗方法)
1、第一種試驗方法，測定研究不同孔隙水鹽分種類和不同濃度下土體的三軸力學(xué)特性，包括下列步驟:
①試樣的壓制，飽和；
②調(diào)配化學(xué)溶液；
③清洗裝置，裝樣，充填化學(xué)溶液；
④施加50 IOOkPa的圍壓，循環(huán)置換孔隙水溶液；
⑤施加試驗圍壓；
⑥加載；
⑦數(shù)據(jù)采集和處理。第二種試驗方法，研究恒定受力條件下孔隙水成分和濃度變化土體的變形規(guī)律，包括下列步驟:
①試樣的壓制，飽和；
②調(diào)配化學(xué)溶液
③清洗裝置，裝樣，充填化學(xué)溶液；
④施加試驗圍壓；
⑤加載；
⑥循環(huán)置換孔隙水溶液；
⑦數(shù)據(jù)采集和處理。本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果:
1、通過溶液循環(huán)保證了試樣內(nèi)部孔隙水溶液的成分和濃度的均勻；
2、能模擬研究恒定應(yīng)力下化學(xué)溶液滲流弓I起土體變形和強度的變化規(guī)律；
3、改進了圍壓施加原理，實現(xiàn)了體變的精確測量；
4、能實現(xiàn)應(yīng)變控制和應(yīng)力控制的轉(zhuǎn)化。


圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)示意 其中:
00—試樣；
10—裝置框架，
11一底架，12一頂架；
20—三軸壓力室，
21—圍壓室罩,22一壓帽,23一試樣座,24一活動桿，25一底座；
30—圍壓施加及體變測試裝置，
31—氮氣瓶， 32—氣體穩(wěn)壓裝置， 33—粗調(diào)閥，
34—細調(diào)閥， 35—體變量測管， 36—氣體壓力表，
Vl—第一閥門，V2—第二閥門；
40—溶液循環(huán)置換裝置，
41一混合液容器，42—平流泵，43—壓力差分傳感器，V3—第三閥門；
50—應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置，
51—施壓裝置:511—施壓缸，512—施壓活塞，513—施壓桿；
52—產(chǎn)壓裝置:521—連接桿，522—產(chǎn)壓活塞，523—產(chǎn)壓缸；
53—步進電機，54—壓力傳感器，55—信號采集反饋處理器；
60一位移傳感器；
70—數(shù)據(jù)采集處理裝置，
71—數(shù)據(jù)處理器，72—微機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明:
一、試驗裝置
1、總體
如圖1，本裝置包括裝置框架10、三軸壓力室20、圍壓施加及體變測試裝置30、溶液循環(huán)置換裝置40、應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置50、位移傳感器60和數(shù)據(jù)采集處理裝置70 ；
所述的裝置框架10包括由不銹鋼材料制成的底架11和頂架12兩部分，底架11用來放置三軸壓力室20，頂架12安裝應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置50的施壓裝置51 ；
所述的三軸壓力室20包括圍壓室罩21、壓帽22、試樣座23、活動桿24、和底座25 ；所述的圍壓施加及體變測試裝置30包括氮氣瓶31、氣體穩(wěn)壓罐32、粗調(diào)閥33、細調(diào)閥34、體變量測管35、第一閥門Vl和第二閥門V2 ；
所述的溶液循環(huán)置換裝置40包括混合液容器41、平流泵42、壓力差分傳感器43和第三閥門V3 ；
所述的應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置50包括施壓裝置51、產(chǎn)壓裝置52、步進電機53、壓力傳感器54、信號采集反饋處理器55 ;施壓裝置51由施壓桿511、施壓活塞512和施壓缸513組成；產(chǎn)壓裝置52由連接桿521、產(chǎn)壓活塞522和產(chǎn)壓缸523組成；
其位置和連接關(guān)系是: 頂架12位于底架11之上，用螺栓擰緊連接；
三軸壓力室20置于裝置框架10的底架11之上，底座25位于底架11中央，上蓋21與底座25通過螺栓連接，可以裝卸來實現(xiàn)裝樣卸樣；活動桿24穿過圍壓室罩21上部與壓帽22接觸，所測試樣00位于壓帽22和試樣座23之間，壓帽22上留有小孔并且通過耐壓塑料管依次經(jīng)過試樣座23、底座25、第三閥門V3與混合液容器41的上部連接；三軸壓力室20的底座25上也留有小孔通過耐壓塑料管連接平流泵42，之后再連接混合容器41的底部；從而，混合液容器41、平流泵42、底座25、試樣座23、試樣00、壓帽22通過耐壓塑料管形成一個循環(huán)回路，在回路上壓力差分傳感器43通過耐壓塑料管連接試樣00上下部分測得溶液循環(huán)時試樣兩端的壓力差；三軸壓力室20的底座25圍壓室部分留有小孔并且通過耐壓塑料管與體變量測管35底端連接，體變測量管35頂端通過耐壓塑料管與氣體穩(wěn)壓罐32上部連接，氮氣瓶31通過第一閥門V1、粗調(diào)閥33和第二閥門V2、細調(diào)閥34兩條路徑與氣體穩(wěn)壓罐32上部相連，氣體壓力表36通過耐壓塑料管與氣體穩(wěn)壓罐32上部相連，氮氣瓶31通過氣體穩(wěn)壓罐32給體變量測管35內(nèi)的水增壓，為三軸壓力室20的圍壓室提供圍壓壓力源，粗調(diào)閥33和細調(diào)閥34通過粗細兩種調(diào)節(jié)模式實現(xiàn)壓力的準確有效的控制；位移傳感器60固定于施壓桿511前端,位移傳感器60的觸動桿接觸三軸壓力室20上部,測量試樣的軸向位移；
施壓裝置51位于裝置框架10的頂架12之上，采用螺栓連接施壓缸513外部，施壓活塞512置于施壓缸513內(nèi)部，施壓桿511頂部與施壓活塞512連接且穿過施壓缸513，施壓缸513內(nèi)部的液壓油驅(qū)動施壓活塞512運動，并通過施壓桿511在信號采集反饋處理器55的反饋控制下提供恒定壓力或是恒定運動速率；施壓裝置51的施壓缸513上部通過液壓管與產(chǎn)壓裝置52的產(chǎn)壓缸523的前端相連，產(chǎn)壓活塞522位于產(chǎn)壓缸523內(nèi)部，產(chǎn)壓活塞522一端與液壓油接觸，一端連接連接桿521穿過產(chǎn)壓缸523與步進電機53相連，壓力傳感器
54通過液壓管與產(chǎn)壓缸523前端連接測定產(chǎn)壓缸523的油壓，并且通過電纜線連接信號采集反饋處理器55把測試信號反饋過去進行處理，信號采集反饋處理器55通過電纜線連接步進電機53對步進電機53進行控制；根據(jù)設(shè)定情況，信號采集反饋處理器55控制步進電機53的運轉(zhuǎn)情況，實現(xiàn)應(yīng)變式或應(yīng)力式控制；
數(shù)據(jù)處理器70的數(shù)據(jù)處理器72通過電纜線分別與壓力差分傳感器43、壓力傳感器54、位移傳感器60以及信號采集反饋處理器55相連，再通過電纜線連接微機71，對數(shù)據(jù)進行米集、反饋和分析。2、各部件
I)裝置框架10
裝置框架(海科儀制作，SffA-KJ) 10包括底架11和頂架12兩個部件，都采用不銹鋼材料壓制而成后利用螺栓連接。2)三軸壓力室20
三軸壓力室(海科儀制作，SffA-YLS) 20由圍壓室罩21、壓帽22、試樣座23、活動桿24、底座25組成；
試樣座23和底座25采用不銹鋼材料一體制成，試樣座23位于底座25之上；活動桿24采用不銹鋼材料制成，下端穿過圍壓室罩21上端與壓帽22接觸，活動桿24上端與施壓桿511相接觸；壓帽22采用耐壓有機玻璃材料制成；試樣放置于壓帽和試樣座之間；圍壓室罩21上端采用不銹鋼制成，罩身采用耐壓有機玻璃制成。3)圍壓施加及體變測試裝置30
圍壓施加及體變測試裝置30由氮氣瓶31、氣體穩(wěn)壓罐32、粗調(diào)閥33、細調(diào)閥34、體變量測管35、閥門V1-V2組成；
氮氣瓶31為普通氮氣瓶,提供氮氣作為壓力源；
氣體穩(wěn)壓罐(海科儀制作，SWA-WYG)32由耐壓有機玻璃材料制成，周身由隔熱材料包裹(保證內(nèi)部氣體壓力不受溫度變化影響)，最高耐壓1.5MPa，圓柱形，內(nèi)部容積IOL左右，提供氣體儲存的場所，穩(wěn)定壓力作用；
粗調(diào)閥33選用上海森托克調(diào)壓閥有限公司生產(chǎn)產(chǎn)品，型號為161353400，能較大幅度地調(diào)節(jié)氣體壓力；
細調(diào)閥34選用上海森托克調(diào)壓閥有限公司生產(chǎn)產(chǎn)品，型號為161368004，能較為精確地小幅度地調(diào)節(jié)氣體壓力；
體變量測管(海科儀制作，SWA-TBCLG)35由耐壓有機玻璃材料制成，內(nèi)徑為10mm，長度為500mm,最高耐壓1.5MPa,可以通過氣-水液面的升降計算試樣體積的變化；
第一閥門Vl和第二閥門V2為普通閥門，耐壓1.5MPa，由不銹鋼材料制成。4)溶液循環(huán)置換裝置40
溶液循環(huán)置換裝置40由混合液容器41、平流泵42、壓力差分傳感器43、閥門V3組成；混合液容器(?？苾x制作，SWA-HHYRQ) 41由耐壓有機玻璃材料制成，圓柱形狀，容積5L左右，提供循環(huán)化學(xué)溶液循環(huán)源；
平流泵42選用普通耐腐蝕平流泵，上海浩運儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號MP-0502，流量控制范圍0.1-50.0ml/min,壓力范圍0_2MPa，為溶液循環(huán)提供動力；
壓力差分傳感器43選用上海立格儀表有限公司，型號CFG376，精度為0.1%FS，測量試樣兩端的流體壓力差；
第三閥門V3為普通閥門，耐壓1.5MPa，由不銹鋼材料制成。5 )應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置50
應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置50包括施壓裝置51、產(chǎn)壓裝置52、步進電機53、壓力傳感器54和信號采集反饋處理器55 ；
施壓裝置51 (海科儀制作，SWA-SYZZ)由不銹鋼材料和硅膠材料制成，由施壓桿511、施壓活塞512、施壓缸513三部分組成，施壓桿511和施壓缸513由不銹鋼材料材料制成，施壓活塞512采用硅膠材料制成，施壓活塞512 —面與施壓桿511連接，一面與施壓缸513頂端的液壓油接觸，施壓活塞512在液壓油壓力的驅(qū)動下驅(qū)使施壓桿511運動；
產(chǎn)壓裝置52 (海科儀制作，SWA-CYZZ)由不銹鋼材料和硅膠材料制成，由連接桿521、產(chǎn)壓活塞522、產(chǎn)壓缸523三部分組成，連接桿521和產(chǎn)壓缸523由不銹鋼材料制成，產(chǎn)壓活塞522采用硅膠材料制成，產(chǎn)壓活塞522 —面與產(chǎn)壓缸523前端液壓油相接觸，一面通過連接桿511與步進電機53相連，在步進電機53的驅(qū)動下壓縮液壓油產(chǎn)生液壓；
步進電機53選用北京廣興凱數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，型號為GXK10T，按照信號采集反饋處理器55釋放的信號運轉(zhuǎn)以保證試驗的需求；
壓力傳感器54選用上海立格儀表有限公司，型號CYQ589，精度為0.1%FS，產(chǎn)壓裝置52或施壓裝置51內(nèi)部液壓油的壓力；信號采集反饋處理器55由北京廣新科技有限公司研制，型號為XGCJFKQ，該裝置可以根據(jù)軟件設(shè)定信號控制步進電機以恒定速率的運轉(zhuǎn)，并且還可以根據(jù)設(shè)定信號控制步進電機的停/運以及運轉(zhuǎn)速率來保證產(chǎn)壓裝置52內(nèi)部液壓的恒定，來實現(xiàn)三軸剪切試驗的應(yīng)力控制加載。6)位移傳感器60
位移傳感器60選用合肥市科宇傳感器有限公司產(chǎn)品，型號為WY-DC，位移量程3cm，精度 0.05%。7 )數(shù)據(jù)采集處理裝置70
數(shù)據(jù)采集處理裝置70由數(shù)據(jù)處理器72和微機71組成；
微機71為普通微機,米購于廣西桂林；
數(shù)據(jù)處理器72選用Campbell公司的數(shù)據(jù)采集器，型號為CR1000，通過采集器提供的通道連接相關(guān)傳感器進行采集數(shù)據(jù)并且記錄、處理；
二、試驗方法(共兩種)
1、第一種試驗方法，測定研究不同孔隙水鹽分種類和不同濃度下土體的三軸力學(xué)特性，包括下列步驟:
①試樣的壓制，飽和
將土樣按照預(yù)設(shè)干密度(根據(jù)現(xiàn)場土層的干密度進行確定，一般為1.2
2.0 g/cm3)在最優(yōu)含水率的 情況下利用千斤頂模具壓制試樣，試樣尺寸為φ39Λπ^20^，試樣制備好后采用抽真空飽和對試樣進行飽和；
②調(diào)配化學(xué)溶液
根據(jù)試驗要求配置試驗化學(xué)溶液，一般所采用的是NaCL溶液、KCL溶液或CaCL2溶液等，濃度配置根據(jù)具體環(huán)境溶液濃度設(shè)定。③清洗裝置，裝樣，充填化學(xué)溶液
先采用蒸餾水沖洗裝置，之后再采用配置的試驗化學(xué)溶液沖洗裝置，保證試驗化學(xué)溶液不會因為試驗裝置而改變?nèi)芤簼舛?；裝樣，連接裝置，需要注意的是，采用的橡皮膜為防腐蝕橡皮膜，向混合液容器中灌注試驗化學(xué)溶液；
④施加50 IOOkPa的圍壓，循環(huán)置換孔隙水溶液；
安裝好試驗裝置，施加較小的圍壓(一般為50 IOOkPa),保證在孔隙水循環(huán)時試樣的穩(wěn)定，之后啟動平流泵開始循環(huán)置換孔隙溶液；
⑤施加試驗圍壓；
根據(jù)試驗要求施加試驗圍壓，一般為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，可以根據(jù)實際
情況進行調(diào)節(jié)；
⑥加載；
根據(jù)試驗要求施加試驗圍壓，一般為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，可以根據(jù)實際
情況進行調(diào)節(jié)；
⑦數(shù)據(jù)采集和處理。利用數(shù)據(jù)采集處理裝置對實驗過程的壓力、位移等等一些參數(shù)進行采集、處理、分析。2、第二種試驗方法，研究恒定受力條件下孔隙水化學(xué)成分和濃度變化土體的變形規(guī)律，包括下列步驟:
①試樣的壓制，飽和
將土樣按照預(yù)設(shè)干密度(根據(jù)現(xiàn)場土層的干密度進行確定，一般為1.2 2.0 g/cm3)在最優(yōu)含水率的情況下利用千斤頂模具壓制試樣，試樣尺寸為，試樣制備好后采用抽真空飽和對試樣進行飽和；
②調(diào)配化學(xué)溶液
根據(jù)試驗要求配置試驗化學(xué)溶液，一般所采用的是NaCL溶液、KCL溶液和CaCL2溶液等，濃度配置根據(jù)具體環(huán)境溶液濃度設(shè)定；
③清洗裝置，裝樣，充填化學(xué)溶液
先采用蒸餾水沖洗裝置，之后再采用配置的試驗化學(xué)溶液沖洗裝置，保證試驗化學(xué)溶液不會因為試驗裝置而改變?nèi)芤簼舛?；裝樣，連接裝置，需要注意的是，采用的橡皮膜為防腐蝕橡皮膜，向混合液容器中灌注試驗化學(xué)溶液；
④施加試驗圍壓
根據(jù)試驗要求施加試驗圍壓，一般為100kPa、200kPa、300kPa或400kPa，可以根據(jù)實際
情況進行調(diào)節(jié)；
⑤加載；
根據(jù)不同的工況背景，選擇應(yīng)力控制加載方式，進行相應(yīng)的軸向壓力進行加載，軸向壓力一般為100 IOOOkPa ；
⑥循環(huán)置換孔隙水溶液；
在所受應(yīng)力狀態(tài)情況下等待試樣穩(wěn)定后，開啟平流泵進行循環(huán)置換孔隙水溶液；
⑦數(shù)據(jù)采集和處理；
利用數(shù)據(jù)采集處理裝置對實驗過程的壓力、位移等等一些參數(shù)進行采集、處理、分析。
權(quán)利要求
1.一種在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置，其特征在于: 頂架(12 )位于底架(11)之上，用螺栓擰緊連接； 三軸壓力室(20)置于裝置框架(10)的底架(11)之上，底座(25)位于底架(11)中央，上蓋(21)與底座(25)通過螺栓連接，可以裝卸來實現(xiàn)裝樣卸樣；活動桿(24)穿過圍壓室罩(21)上部與壓帽(22)接觸，所測試樣(00)位于壓帽(22)和試樣座(23)之間，壓帽(22)上留有小孔并且通過耐壓 塑料管依次經(jīng)過試樣座(23)、底座(25)、第三閥門(V3)與混合液容器(41)的上部連接；三軸壓力室(20)的底座(25)上也留有小孔通過耐壓塑料管連接平流泵(42)，之后再連接混合容器(41)的底部；從而，混合液容器(41)、平流泵(42)、底座(25)、試樣座(23)、試樣(00)、壓帽(22)通過耐壓塑料管形成一個循環(huán)回路，在回路上壓力差分傳感器(43)通過耐壓塑料管連接試樣(00)上下部分測得溶液循環(huán)時試樣兩端的壓力差；三軸壓力室(20)的底座(25)圍壓室部分留有小孔并且通過耐壓塑料管與體變量測管(35)底端連接，體變測量管(35)頂端通過耐壓塑料管與氣體穩(wěn)壓罐(32)上部連接，氮氣瓶(31)通過第一閥門(Vl)、粗調(diào)閥(33)和第二閥門(V2)、細調(diào)閥(34)兩條路徑與氣體穩(wěn)壓罐(32 )上部相連，氣體壓力表(36 )通過耐壓塑料管與氣體穩(wěn)壓罐(32 )上部相連，氮氣瓶(31)通過氣體穩(wěn)壓罐(32)給體變量測管(35)內(nèi)的水增壓，為三軸壓力室(20)的圍壓室提供圍壓壓力源，粗調(diào)閥(33)和細調(diào)閥(34)通過粗細兩種調(diào)節(jié)模式實現(xiàn)壓力的準確有效的控制；位移傳感器(60 )固定于施壓桿(511)前端，位移傳感器(60 )的觸動桿接觸三軸壓力室(20 )上部，測量試樣的軸向位移； 施壓裝置(51)位于裝置框架(10)的頂架(12)之上，采用螺栓連接施壓缸(513)外部，施壓活塞(512)置于施壓缸(513)內(nèi)部，施壓桿(511)頂部與施壓活塞(512)連接且穿過施壓缸(513)，施壓缸(513)內(nèi)部的液壓油驅(qū)動施壓活塞(512)運動，并通過施壓桿(511)在信號采集反饋處理器(55)的反饋控制下提供恒定壓力或是恒定運動速率；施壓裝置(51)的施壓缸(513)上部通過液壓管與產(chǎn)壓裝置(52)的產(chǎn)壓缸(523)的前端相連，產(chǎn)壓活塞(522)位于產(chǎn)壓缸(523)內(nèi)部，產(chǎn)壓活塞(522) —端與液壓油接觸，一端連接連接桿(521)穿過產(chǎn)壓缸(523)與步進電機(53)相連，壓力傳感器(54)通過液壓管與產(chǎn)壓缸(523)前端連接測定產(chǎn)壓缸(523)的油壓，并且通過電纜線連接信號采集反饋處理器(55)把測試信號反饋過去進行處理，信號采集反饋處理器55通過電纜線連接步進電機(53 )對步進電機(53 )進行控制；根據(jù)設(shè)定情況，信號采集反饋處理器(55)控制步進電機(53)的運轉(zhuǎn)情況，實現(xiàn)應(yīng)變式或應(yīng)力式控制； 數(shù)據(jù)處理器(70)的數(shù)據(jù)處理器(72)通過電纜線分別與壓力差分傳感器(43)、壓力傳感器(54)、位移傳感器(60)以及信號采集反饋處理器(55)相連，再通過電纜線連接微機(71),對數(shù)據(jù)進行采集、反饋和分析。
2.關(guān)于權(quán)利要求1所述在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置的試驗方法，其特征在于: 測定研究不同孔隙水鹽分種類和不同濃度下土體的三軸力學(xué)特性，包括下列步驟: ①試樣的壓制，飽和； ②調(diào)配化學(xué)溶液； ③清洗裝置，裝樣，充填化學(xué)溶液； ④施加50 IOOkPa的圍壓，循環(huán)置換孔隙水溶液；⑤施加試驗圍壓； ⑥加載； ⑦數(shù)據(jù)采集和處理。
3.關(guān)于權(quán)利要求1所述在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置的試驗方法，其特征在于: 研究恒定受力條件下孔隙水成分和濃度變化土體的變形規(guī)律，包括下列步驟: ①試樣的壓制，飽和； ②調(diào)配化學(xué)溶液 ③清洗裝置，裝樣，充填化學(xué)溶液； ④施加試驗圍壓； ⑤加載； ⑥循環(huán)置換孔隙水溶液； ⑦數(shù)據(jù)采集和處理 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在水土化學(xué)作用下土的三軸試驗裝置及方法，涉及特殊環(huán)境下土的試驗技術(shù)。本裝置包括裝置框架(10)、三軸壓力室(20)、圍壓施加及體變測試裝置(30)、溶液循環(huán)置換裝置(40)、應(yīng)力/應(yīng)變式控制加載裝置(50)、位移傳感器(60)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(70)。本發(fā)明通過溶液循環(huán)保證了試樣內(nèi)部孔隙水溶液的成分和濃度的均勻；能模擬研究恒定應(yīng)力下化學(xué)溶液滲流引起土體變形和強度的變化規(guī)律；改進了圍壓施加原理，實現(xiàn)了體變的精確測量；能實現(xiàn)應(yīng)變控制和應(yīng)力控制的轉(zhuǎn)化。
文檔編號G01N3/12GK103091173SQ20131001230
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者顏榮濤, 韋昌富, 紀文棟, 王志兵 申請人:桂林理工大學(xué)