非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法

摘要

本发明公开了一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法，涉及环境荷载下的土工试验领域。本试验系统是：在三轴压力室内设置有土样；围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元分别与三轴压力室连接，实现对土样施加设定的各项荷载；数据采集单元分别与围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元连接，实现各项数据的采集。本发明适用于非饱和土在不同化学作用、不同温度下的脱吸湿、固结、不排水剪切和排水剪切试验，实现非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的联合测定。

权利要求

1.一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统，其特征在于：

包括三轴压力室(1)、围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)、轴向位移测量单元(7)和数据采集单元(8)；

其连接关系是：

在三轴压力室(1)内设置有土样(0)；

围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)和轴向位移测量单元(7)分别与三轴压力室(1)连接，实现对土样(0)施加设定的各项荷载；

数据采集单元(8)分别与围压施加和体变监测单元(2)、轴力施加单元(3)、基质吸力施加单元(4)、温度控制单元(5)、化学溶液循环渗透单元(6)和轴向位移测量单元(7)连接，实现各项数据的采集；

所述的三轴压力室(1)包括压力室外罩(1.1)、排气通道(1.2)、围压孔道(1.3)、化学溶液孔道(1.4)、陶土板(1.5)、底座(1.6)、孔隙气孔道(1.7)、孔隙水孔道(1.8)和多孔板(1.9)；

其连接关系是：

压力室外罩(1.1)安装在底座(1.6)上，陶土板(1.5)放置在底座(1.6)中部，在陶土板(1.5)的上部放置有土样(0)，排气通道(1.2)设置在压力室外罩(1.1)上部，用来排除压力室内的空气；

围压孔道(1.3)设置在底座(1.6)的边缘上，用来施加围压；

化学溶液孔道(1.4)设置在底座(1.6)的边缘上，和土样(0)上部的多孔板(1.9)连接，用于化学溶液的循环渗透；

孔隙气孔道(1.7)设置在底座(1.6)的边缘上，和土样(0)上部的多孔板(1.9)连接，用来对土样(0)施加气压；

孔隙水孔道(1.8)设置在底座(1.6)的中心上，在陶土板(1.5)的下方，一个功能是对土样(0)施加孔隙水压力，另一个功能是用来对土样(0)进行化 学溶液的循环渗透；

所述的围压施加和体变监测单元(2)包括围压和体积控制器(2.1)和围压阀(2.2)；

其连接关系是：

围压和体积控制器(2.1)和围压阀(2.2)连接，围压阀(2.2)和三轴压力室(1)的围压孔道(1.3)连接；

围压和体积控制器(2.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的围压和体变进行采集；

所述的轴力施加单元(3)包括升降台(3.1)、手轮(3.2)、轴向测力计(3.3)和试验机(3.4)；

其连接关系是：

从下到上，试验机(3.4)、升降台(3.1)、三轴压力室(1)和轴向测力计(3.3)依次连接，给土样(0)施加轴力；

在试验机(3.4)上设置有手轮(3.2)，起卸载作用；

轴向测力计(3.3)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的轴力进行采集；

所述的基质吸力施加单元(4)包括气压控制器(4.1)、空压机(4.2)、孔隙气阀门(4.3)、孔压和体积控制器(4.4)和孔隙水阀门(4.5)；

其连接关系是：

空压机(4.2)、气压控制器(4.1)和孔隙气阀门(4.3)依次连接，孔隙气阀门(4.3)和三轴压力室(1)的孔隙气孔道(1.7)连接，对土样(0)施加孔隙气压力；

孔压和体积控制器(4.4)和孔隙水阀门(4.5)连接，孔隙水阀门(4.5)和三轴压力室(1)的孔隙水孔道(1.8)连接，对土样(0)施加孔隙水压力，并且同时监测土样(0)中吸入或排出孔隙溶液的流量，进而得出土样(0)含水量的变化情况；

气压控制器(4.1)和孔压和体积控制器通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的孔隙气压力、孔隙水压力以及含水量变化的采集；

所述的温度控制单元(5)包括电阻丝(5.1)、低温恒温冷浴(5.2)、冷浴 液循环铜管(5.3)和温度控制器(5.4)；

其连接关系是：

电阻丝(5.1)和冷浴液循环铜管(5.3)分别置于三轴压力室外罩(1.1)的内壁上，低温恒温冷浴(5.2)和冷浴液循环铜管(5.3)连接，电阻丝(5.1)和低温恒温冷浴(5.2)分别和温度控制器(5.4)连接，控制温度；

温度控制器(5.4)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)在试验过程中的温度进行采集；

所述的化学溶液循环渗透单元(6)包括渗透压力和体积控制器(6.1)和化学溶液阀门(6.2)；

其连接关系是：

渗透压力和体积控制器(6.1)和化学溶液阀门(6.2)连接，化学溶液阀门(6.2)和三轴压力室(1)中的化学溶液孔道(1.4)连接；

渗透压力和体积控制器(6.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的渗透压力和流量进行采集；

所述的轴向位移测量单元(7)包括轴向位移百分表(7.1)和位移探测计(7.2)；

其连接关系是：

轴向位移百分表(7.1)和位移探测计(7.2)的上部连接，位移探测计(7.2)和三轴压力室(1)上部接触，轴向位移百分表(7.1)通过信号传输线和数据采集单元(8)连接，对土样(0)试验过程中的轴向位移进行采集；

所述的数据采集单元(8)包括围压传感器(8.1)、流量传感器(8.2)、化学溶液压力传感器(8.3)、化学溶液流量传感器(8.4)、轴力传感器(8.5)、孔隙气压力传感器(8.6)、孔隙水压力传感器(8.7)、孔隙水流量传感器(8.8)、温度传感器(8.9)、轴向位移传感器(8.10)、数据采集仪(8.11)和计算机(8.12)；

其连接关系是：

数据采集仪(8.11)上有10个通道分别和围压传感器(8.1)、流量传感器(8.2)、化学溶液压力传感器(8.3)、化学溶液流量传感器(8.4)、轴力传感器(8.5)、孔隙气压力传感器(8.6)、孔隙水压力传感器(8.7)、孔隙水流量传感器(8.8)、温度传感器(8.9)和轴向位移传感器(8.10)连接，数据采集仪(8.11)和计算机(8.12)连接；

围压传感器(8.1)和流量传感器(8.2)设置于围压施加和体变监测单元(2)的围压和体积控制器(2.1)上；

化学溶液压力传感器(8.3)和化学溶液流量传感器(8.4)设置于化学溶液循环渗透单元(6)的渗透压力和体积控制器(6.1)上；

轴力传感器(8.5)设置于轴向测力计(3.3)上；

孔隙气压力传感器(8.6)设置于气压控制器(4.1)上；

孔隙水压力传感器(8.7)和孔隙水流量传感器(8.8)设置于基质吸力施加单元(4)的孔压和体积控制器(4.3)上；

温度传感器(8.9)设置于温度控制器(5.4)上；

轴向位移传感器(8.10)设置于轴向位移百分表(7.1)上。

2.基于权利要求1所述三轴试验系统的试验方法，其特征在于包括下列步骤：①土样的制备和安装

土样(0)可以采用原状样或重塑样，将三轴压力室(1)底座(1.6)上的陶土板(1.5)进行饱和；然后将制备好的土样(0)置入橡皮膜中，稍稍压实以排除膜内的空气，一起放在饱和的陶土板(1.5)上，土样(0)顶端放置多孔板(1.9)，然后用橡皮绳将橡皮膜的上下两端分别扎紧在三轴压力室(1)的底座(1.6)上和多孔板(1.9)上，橡皮膜上下两端长于土样的上下两端；

②配制化学溶液

按照试验要求，根据所需的浓度和组份配制化学溶液；启动化学溶液循环渗透单元(6)的渗透压力和体积控制器(6.1)将化学溶液注入控制器内；

③试验

a、测定不同化学溶液、不同温度、不同围压和轴压下非饱和土的土水特征曲线；

b、测定不同化学溶液、不同温度、不同基质吸力和围压下非饱和土的三轴排水和不排水剪切试验；

c、测定化学溶液循环变化以及温度循环变化下非饱和土的力学和水力学特性的改变；

d、不同应力和基质吸力作用下非饱和土对化学和温度的敏感性分析。

说明书

非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及环境荷载下的土工试验领域，尤其涉及一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法。

[0002] 本发明涉及的非饱和土多场耦合是指非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合作用，可以实现非饱和土在不同浓度下的盐溶液、弱酸及弱碱等化学荷载作用下的力学和水力学实验，并且能够考虑温度的影响。涉及到核废料封存过程中膨润土在长期服役下的温度、水力、力学和化学耦合作用，以及由于自然条件变化引起的孔隙溶液的浓度及组份的变化，进而改变土体的强度以及变形特性等。

背景技术

[0003] 在环境荷载(如力作用、渗流、温度和化学条件变化等)作用下，土体中孔隙溶液除了含量可发生变化外，其浓度和组份也会变化，使得孔隙水压力以及土颗粒之间的相互作用力发生改变，从而导致土体出现复杂的化学和力学耦合作用。例如在垃圾填埋场中，由于各种溶质的迁移，使得孔隙溶液的浓度及组份发生变化，进而改变土体的结构、强度及变形特性等，极易引发填埋场的沉降或坍塌。核废料处置库运营过程中，近场化学条件十分复杂。在扩散核辐射热和地下渗透作用下，膨润土遭受长期的干湿循环，导致地下水化学浓度反复变化，从而引发渗透和力学稳定性等重要性质的改变。因此，在分析核废料地质处置、污染土填埋、降雨诱发滑坡、地表开裂等重大工程问题时，关键难题之一在于如何有效地描述非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的影响。

[0004] 目前，国内外主要是针对饱和土进行温度、水力、力学和化学耦合行为的研究，而涉及到非饱和土时，这方面的研究较少，主要是因为非饱和土在温度和化学荷载下的试验实施较为困难,且缺乏较为成熟的试验设备。目前关于非饱和土的试验设备，主要是针对基质吸力控制技术，以及体变测量技术进行开发，无法完成温度以及化学荷载作用下的非饱和土的力学和水力行为的测定。

发明内容

[0005] 本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 一、非饱和土多场耦合的三轴试验系统(简称试验系统)

[0008] 本试验系统包括三轴压力室、围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元、轴向位移测量单元和数据采集单元；

[0009] 其连接关系是：

[0010] 在三轴压力室内设置有土样；

[0011] 围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元分别与三轴压力室连接和，实现对土样施加设定的各项荷载；

[0012] 数据采集单元分别与围压施加和体变监测单元、轴力施加单元、基质吸力施加单元、温度控制单元、化学溶液循环渗透单元和轴向位移测量单元连接，实现各项数据的采集。

[0013] 本试验系统的工作原理：

[0014] 化学溶液循环渗透单元，采用渗透压力和体积控制器和孔压和体积控制器分别置于土样的上下两端，可分别通过流量和压力来控制化学溶液在土样中的渗透置换过程；当采用流量控制时，化学溶液以一定的流量通过土样，渗透压力和体积控制器和孔压和体积控制器记录该渗透过程中土样上下两端的压力变化；当采用压力控制时，即控制土样上下两端的压力梯度，化学溶液在该压力梯度下通过土样，并且实时监测渗透过程中的流量；其中土样下端的孔压和体积控制器和基质吸力单元中施加孔隙水压力的孔压和体积控制器共用一个。

[0015] 通过围压施加和体变监测单元来施加土样所需要的围压，并且监测土样在试验过程中的体积变化情况，通过数据采集单元实现数据的实时采集；该单元是采用围压和体积控制器和土样的三轴压力室连接，通过对三轴压力室中的水施加压力，从而实现对土样施加设定的围压，并且监测在试验过程中水在控制器内的流入流出，从而反算出土样的体积变化。

[0016] 通过温度控制单元调节温度，进行不同温度下非饱和土的化学试验、水力学试验和力学试验；

[0017] 通过轴力施加单元和三轴压力室的下部连接，对土样施加轴力；该单元采用应变控制，也就是说土样在设定的轴向位移加载速度下进行剪切，通过轴向测力计测定加载过程中的轴向力；

[0018] 通过基质吸力施加单元控制土样的基质吸力，基质吸力是指土样中孔隙气压力与孔隙水压力的差值；孔隙气压采用空压机提供，在土样上部施加，利用气压控制器进行压力控制；孔隙水压力就是指土样的孔隙水反压，是采用孔压和体积控制器在土样下部施加；土样底部连接有陶土板，陶土板下面和孔压和体积控制器连接；陶土板是透水不透气的，因此通过孔压和体积控制器对陶土板中的水施加压力从而实现对土样施加孔隙水反压。其中土样下端的孔压和体积控制器和化学溶液循环渗透单元中土样下端的孔压和体积控制器共用一个；

[0019] 通过轴向位移传感器和三轴压力室的上部连接，通过数据采集单元进行试验过程中土样轴向位移的实时采集；

[0020] 整个过程实现了温度、水力、力学和化学荷载的实时控制与测量，该四种作用的控制是相互独立的，可以单独施加，也可以同时施加，因此实现了对非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的各种特性进行测试。

[0021] 二、非饱和土多场耦合的三轴试验方法(简称试验方法)

[0022] 本试验方法是基于上述的非饱和土多场耦合的三轴试验系统，包括下列步骤：

[0023] ①土样的制备和安装

[0024] 土样可以采用原状样或重塑样，将三轴压力室底座上的陶土板进行饱和；然后将制备好的土样置入橡皮膜中，稍稍压实以排除膜内的空气，一起放在饱和的陶土板上，土样顶端放置多孔板，然后用橡皮绳将橡皮膜(橡皮膜上下两端长于土样的上下两端)的上下两端分别扎紧在三轴压力室的底座上和多孔板上；

[0025] ②配制化学溶液

[0026] 按照试验要求，根据所需的浓度和组份配制化学溶液(包括各种盐溶液、弱酸、弱碱等)；启动化学溶液循环渗透单元的渗透压力和体积控制器将化学溶液注入控制器内；

[0027] ③试验

[0028] a、测定不同化学溶液、不同温度、不同围压和轴压下非饱和土的土水特征曲线；

[0029] b、测定不同化学溶液、不同温度、不同基质吸力和围压下非饱和土的三轴排水和不排水剪切试验；

[0030] c、测定化学溶液循环变化以及温度循环变化下非饱和土的力学和水力学特性的改变；

[0031] d、不同应力和基质吸力作用下非饱和土对化学和温度的敏感性分析。

[0032] 本发明具有以下优点和积极效果：

[0033] ①化学加载、温度加载、力学和水力学加载可以分别单独控制，根据设定的试验路径进行试验，单独施加或者是同时施加；

[0034] ②化学溶液循环渗透单元，可使得溶液在土样中实现均匀渗透与分布，并且可分别通过控制流量和压力的方式进行加载；

[0035] ③能够对同一土样分别进行非饱和土的脱吸湿试验、固结试验、不排水剪切试验和排水剪切试验，并实现在不同温度和不同化学作用下的非饱和土力学性质和水力学性质的联合测定；

[0036] ④能够精测测量土样在试验过程中的体积变化和轴向位移；

[0037] ⑤实现所有试验数据的实时监测和自动采集，不需人工值守读数；

[0038] ⑥该装置测试原理直观、结构简单、无重型设备、造价低廉；并且精度高、稳定性好、易于操作、拆卸方便，对安装测试人员没有很高的技术要求。

[0039] 本发明适用于非饱和土在不同化学作用、不同温度下的脱吸湿、固结、不排水剪切和排水剪切试验，实现非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合行为的联合测定。

附图说明

[0040] 图1为本试验系统的结构方框图；

[0041] 图2为本试验系统的结构示意图；

[0042] 图3为三轴压力室1的底座1.6的俯视图；

[0043] 图4为数据采集单元结构方框图。

[0044] 图中：

[0045] 0—土样；

[0046] 1—三轴压力室，

[0047] 1.1—压力室外罩， 1.2—排气通道， 1.3—围压孔道，

[0048] 1.4—化学溶液孔道， 1.5—陶土板， 1.6—底座，

[0049] 1.7—孔隙气孔道， 1.8—孔隙水孔道， 1.9—多孔板；

[0050] 2—围压施加和体变监测单元，

[0051] 2.1—围压和体积控制器，2.2—围压阀；

[0052] 3—轴力施加单元，

[0053] 3.1—升降台， 3.2—手轮，

[0054] 3.3—轴向测力计，3.4—试验机；

[0055] 4—基质吸力施加单元，

[0056] 4.1—气压控制器， 4.2—空压机， 4.3—孔隙气阀门，

[0057] 4.4—孔压和体积控制器， 4.5—孔隙水阀门；

[0058] 5—温度控制单元，

[0059] 5.1—电阻丝， 5.2—低温恒温冷浴， 5.3—冷浴液循环铜管，

[0060] 5.4—温度控制器；

[0061] 6—化学溶液循环渗透单元，

[0062] 6.1—渗透压力和体积控制器， 6.2—化学溶液阀门；

[0063] 7—轴向位移测量单元，

[0064] 7.1—轴向位移百分表， 7.2—位移探测计；

[0065] 8—数据采集单元，

[0066] 8.1—围压传感器， 8.2—流量传感器， 8.3—化学溶液压力传感器，[0067] 8.4—化学溶液流量传感器， 8.5—轴力传感器， 8.6—孔隙气压力传感器，[0068] 8.7—孔隙水压力传感器， 8.8—孔隙水流量传感器， 8.9—温度传感器，[0069] 8.10—轴向位移传感器， 8.11—数据采集仪， 8.12—计算机。

具体实施方式

[0070] 下面结合附图和实施例详细说明：

[0071] 一、试验系统

[0072] 1、总体

[0073] 如图1、2，本试验系统包括三轴压力室1、围压施加和体变监测单元2、轴力施加单元3、基质吸力施加单元4、温度控制单元5、化学溶液循环渗透单元6、轴向位移测量单元7和数据采集单元8；

[0074] 其连接关系是：

[0075] 在三轴压力室1内设置有土样0；

[0076] 围压施加和体变监测单元2、轴力施加单元3、基质吸力施加单元4、温度控制单元5、化学溶液循环渗透单元6和轴向位移测量单元7分别与三轴压力室1连接，实现对土样0施加设定的各项荷载；

[0077] 具体地，围压施加和体变监测单元2和三轴压力室1连接，对土样0施加设定的围压，并实时测定土样0的体积变化；

[0078] 轴力施加单元3和三轴压力室1连接，对土样0施加设定的轴力；

[0079] 基质吸力施加单元4和三轴压力室1连接，对土样0施加设定的基质吸力(分别设定孔隙气压力和孔隙水压力)，并记录土样中吸入或排出溶液的流量，同时判断对应这一级基质吸力土样是否达到平衡状态；

[0080] 温度控制单元5和三轴压力室1连接，对土样0施加设定的温度；

[0081] 化学溶液循环渗透单元6和三轴压力室1连接，对土样0施加设定的化学荷载，并实时测定化学溶液渗透过程中流量的变化或压力的变化；

[0082] 轴向位移测量单元7和三轴压力室1连接，对土样0试验过程中的轴向位移实时测量；

[0083] 数据采集单元8分别与围压施加和体变监测单元2、轴力施加单元3、基质吸力施加单元4、温度控制单元5、化学溶液循环渗透单元6和轴向位移测量单元7连接，实现各项数据的采集：

[0084] 具体地，数据采集单元8和围压施加和体变监测单元2连接，采集土样0试验过程中的围压，并实时监测土样0的体积变化；

[0085] 数据采集单元8和轴力施加单元3连接，采集土样0试验过程中的轴力；

[0086] 数据采集单元8和基质吸力施加单元4连接，采集土样0试验过程中的基质吸力(分别采集孔隙气压力和孔隙水压力)，并实时监测土样0流入流出溶液的流量，同时判断对应这一级基质吸力土样0是否达到平衡状态，计算出土样0在该级基质吸力下的含水量；

[0087] 数据采集单元8和温度控制单元5连接，采集土样0试验过程中的温度；

[0088] 数据采集单元8和化学溶液循环渗透单元6连接，采集土样0试验过程中的化学荷载，实时监测化学溶液渗透过程中流量的变化或压力的变化；

[0089] 数据采集单元8和轴向位移测量单元7连接，采集土样0试验过程中的轴向位移。

[0090] 2、功能块

[0091] 0)土样0

[0092] 土样0采用原状样或重塑样；为三轴试验土样的标准尺寸：直径39.1cm，高度为8cm。

[0093] 1)三轴压力室1

[0094] 如图1、2、3，所述的三轴压力室1包括压力室外罩1.1、排气通道1.2、围压孔道1.3、化学溶液孔道1.4、陶土板1.5、底座1.6、孔隙气孔道1.7、孔隙水孔道1.8和多孔板1.9；

[0095] 其连接关系是：

[0096] 压力室外罩1.1安装在底座1.6上，陶土板1.5放置在底座1.6中部，在陶土板1.5的上部放置有土样0，排气通道1.2设置在压力室外罩1.1上部，用来排除压力室内的空气；

[0097] 围压孔道1.3设置在底座1.6的边缘上(图3左上)，用来施加围压；

[0098] 化学溶液孔道1.4设置在底座1.6的边缘上(图3下)，和土样0上部的多孔板1.9连接，用于化学溶液的循环渗透；

[0099] 孔隙气孔道1.7设置在底座1.6的边缘上(图3右上)，和土样0上部的多孔板1.9连接，用来对土样0施加气压；

[0100] 孔隙水孔道1.8设置在底座1.6的中心上(图3中心)，在陶土板1.5的下方，一个功能是对土样0施加孔隙水压力，另一个功能是用来对土样0进行化学溶液的循环渗透。

[0101] 三轴压力室1的功能是：

[0102] 放置土样0，实现土样0在多场(温度、水力、力学和化学)耦合特性的试验测定。

[0103] 三轴压力室1的工作原理是：

[0104] 将土样0放置在陶土板1.5上，往三轴压力室1中注满水，打开排气通道1.2进行排气；然后对水施加压力实现对土样0围压的施加，并且通过三轴压力室1中水的流入流出，进而反算土样0在试验过程中的体积变化。

[0105] 2)围压施加和体变监测单元2

[0106] 如图1、2，所述的围压施加和体变监测单元2包括围压和体积控制器2.1和围压阀2.2；

[0107] 其连接关系是：

[0108] 围压和体积控制器2.1和围压阀2.2连接，围压阀2.2和三轴压力室1的围压孔道1.3连接；

[0109] 围压和体积控制器2.1通过信号传输线和数据采集单元8连接，对土样0在试验过程中的围压和体变进行采集。

[0110] 围压和体积控制器2.1是一种通用件，即一种通用的水压源和体积变化测量装置，选用GDS公司生产，型号为：ELDPC；

[0111] 压力范围：0～1Mpa，压力精度：0.25％，压力分辨率：1kPa；

[0112] 体积范围：0～200cc，体积精度：0.4％，体积分辨率：1mm3(0.001cc)。

[0113] 围压施加和体变监测单元2的功能是：

[0114] 对土样0施加所需围压，进行不同围压下的非饱和土各项试验，并且实时监测试验过程中土样0的体积变化。

[0115] 围压施加和体变监测单元2的工作原理是：

[0116] 围压和体积控制器2.1按照设定的压力对三轴压力室1中的水施加围压，围压阀2.2用来控制水在三轴压力室1和围压和体积控制器2.1中的流入和流出；在试验过程中，围压和体积控制器2.1实时记录水的流量，进而计算土样0的体积变化。

[0117] 3)轴力施加单元3

[0118] 如图2，所述的轴力施加单元3包括升降台3.1、手轮3.2、轴向测力计3.3和试验机3.4；

[0119] 其连接关系是：

[0120] 从下到上，试验机3.4、升降台3.1、三轴压力室1和轴向测力计3.3依次连接，给土样0施加轴力；

[0121] 在试验机3.4上设置有手轮3.2，起卸载作用；

[0122] 轴向测力计3.3通过信号传输线和数据采集单元8连接，对土样0在试验过程中的轴力进行采集；

[0123] 升降台3.1、手轮3.2、轴向测力计3.3和试验机3.4均为通用件。

[0124] 轴力施加单元3的功能是：

[0125] 对土样0施加轴力，进行不同化学荷载、温度、围压和基质吸力作用下的三轴排水剪切和不排水剪切试验。

[0126] 轴力施加单元3的工作原理是：

[0127] 轴力施加是应变控制式，通过试验机3.4以一定的速度驱动升降台3.1上升，土样0的轴向应变一直在增加，实现对土样0轴向力的施加，直至土样0破坏；通过轴向测力计3.3得到施加的轴力值，并通过和数据采集单元8连接对轴力进行实时采集。

[0128] 4)基质吸力施加单元4

[0129] 如图1、2，所述的基质吸力施加单元4包括气压控制器4.1、空压机4.2、孔隙气阀门4.3、孔压和体积控制器4.4和孔隙水阀门4.5；

[0130] 其连接关系是：

[0131] 空压机4.2、气压控制器4.1和孔隙气阀门4.3依次连接，孔隙气阀门4.3和三轴压力室1的孔隙气孔道1.7连接，对土样0施加孔隙气压力；

[0132] 孔压和体积控制器4.4和孔隙水阀门4.5连接，孔隙水阀门4.5和三轴压力室1的孔隙水孔道1.8连接，对土样0施加孔隙水压力，并且同时监测土样0中吸入或排出孔隙溶液的流量，进而得出土样0含水量的变化情况；

[0133] 气压控制器4.1和孔压和体积控制器4.3通过信号传输线和数据采集单元8连接，对土样0试验过程中的孔隙气压力、孔隙水压力以及含水量变化的采集。

[0134] 孔压和体积控制器4.4是一种通用件，即一种通用的水压源和体积变化(流量)测量装置；选用GDS公司生产，型号为：ELDPC；

[0135] 压力范围：0～1Mpa，压力精度：0.25％，压力分辨率：1kPa；

[0136] 体积范围：0～200cc，体积精度：0.4％，体积分辨率：1mm3(0.001cc)。

[0137] 基质吸力施加单元4的功能是：

[0138] 对土样0施加设定的基质吸力，进行给定基质吸力下非饱和土的三轴试验，并通过孔压和体积控制器4.4来测量土样0吸入或排出孔隙溶液的质量，进而反算出土样0在该级基质吸力下对应的含水量。

[0139] 基质吸力施加单元4的工作原理是：

[0140] 土样0的基质吸力是指孔隙气压力和孔隙水压力的差值，该基质吸力施加单元4通过分别控制孔隙气压力和孔隙水压力的数值，从而达到对土样0施加特定的基质吸力；孔隙气压力在土样0的上部施加，孔隙水压力在土样0的下部施加；在给定的基质吸力作用下，土样0中的孔隙溶液通过陶土板1.5吸入或流出到孔压和体积控制器4.4中，孔压和体积控制器4.4实时记录该流入或流出量，进而计算出土样0在该设定的基质吸力下的含水量。

[0141] 5)温度控制单元5

[0142] 如图1、2，所述的温度控制单元5包括电阻丝5.1、低温恒温冷浴5.2、冷浴液循环铜管5.3和温度控制器5.4；

[0143] 其连接关系是：

[0144] 电阻丝5.1和冷浴液循环铜管5.3分别置于三轴压力室外罩1.1的内壁上，低温恒温冷浴5.2和冷浴液循环铜管5.3连接，电阻丝5.1和低温恒温冷浴5.2分别和温度控制器5.4连接，控制温度；

[0145] 温度控制器5.4通过信号传输线和数据采集单元8连接，对土样0在试验过程中的温度进行采集。

[0146] 温度控制单元5的功能是：

[0147] 设定所需要的温度，并保持恒温。

[0148] 温度控制单元5的工作原理是：

[0149] 通过温度控制单元5对三轴压力室1中的水进行温度控制，从而实现对土样的温度控制；通过温度控制器5.3来设定所要达到的温度，若水的温度比设定值低则反馈给内置的电阻丝5.1对三轴压力室1中的水进行加热，若水的温度比设定值高则反馈给低温恒温冷浴5.2进行降温，并保持温度恒定。

[0150] 6)化学溶液循环渗透单元6

[0151] 如图1、2，所述的化学溶液循环渗透单元6包括渗透压力和体积控制器6.1和化学溶液阀门6.2；

[0152] 其连接关系是：

[0153] 渗透压力和体积控制器6.1和化学溶液阀门6.2连接，化学溶液阀门6.2和三轴压力室1中的化学溶液孔道1.4连接；

[0154] 渗透压力和体积控制器6.1通过信号传输线和数据采集单元8连接，对土样0试验过程中的渗透压力和流量进行采集。

[0155] 渗透压力和体积控制器6.1是一种通用件，即一种通用的水压源和体积变化(流量)测量装置，选用GDS公司生产，型号为：ELDPC；

[0156] 压力范围：0～1Mpa，压力精度：0.25％，压力分辨率：1kPa；

[0157] 体积范围：0～200cc，体积精度：0.4％，体积分辨率：1mm3(0.001cc)。

[0158] 化学溶液循环渗透单元6的功能是：

[0159] 对土样0施加化学荷载，即不同浓度及组份的化学溶液以一定的速度或压力渗透到土样0中，并将土样0原有的孔隙溶液置换出来，实现土样0在不同化学荷载、不同温度条件下土样0的脱吸湿、固结及剪切试验。

[0160] 化学溶液循环渗透单元6的工作原理是：

[0161] 化学溶液循环渗透单元6与基质吸力施加单元4共用一个孔压和体积控制器4.4，用来在土样0的下部施加孔隙水压力或者是设定孔隙溶液的流量；在化学溶液循环渗透单元6的渗透压力和体积控制器6.1中充满配制好的化学溶液，设定好压力或者是流量，打开化学溶液阀门6.2，化学溶液根据设定的压力或流量从土样0的上部渗透到土样0中；打开基质吸力施加单元4的孔隙水阀门4.5，则土样0原有的孔隙溶液被置换出来，流入到基质吸力施加单元4的孔压和体积控制器4.4中；重复上述过程3次，取土样0流出的孔隙溶液进行化学分析，若成分与渗透压力和体积控制器6.1中化学溶液的成分是相同的，则完成了置换过程；当采用压力控制时，该化学溶液循环渗透单元6记录化学溶液流入和流出土样0的流量；当采用流量控制时，记录土样0上下两端的压力。

[0162] 7)轴向位移测量单元7

[0163] 如图1、2，所述的轴向位移测量单元7包括轴向位移百分表7.1和位移探测计7.2；

[0164] 其连接关系是：

[0165] 轴向位移百分表7.1和位移探测计7.2的上部连接，位移探测计7.2和三轴压力室1上部接触,轴向位移百分表7.1通过信号传输线和数据采集单元8连接，对土样0试验过程中的轴向位移进行采集。

[0166] 轴向位移测量单元7的功能是：

[0167] 能够实时监测非饱和土试验过程中土样0发生的轴向位移。

[0168] 8)数据采集单元8

[0169] 如图1、2、4，所述的数据采集单元8包括围压传感器8.1、流量传感器8.2、化学溶液压力传感器8.3、化学溶液流量传感器8.4、轴力传感器8.5、孔隙气压力传感器8.6、孔隙水压力传感器8.7、孔隙水流量传感器8.8、温度传感器8.9、轴向位移传感器8.10、数据采集仪8.11和计算机8.12；

[0170] 其连接关系是：

[0171] 数据采集仪8.11上有10个通道分别和围压传感器8.1、流量传感器8.2、化学溶液压力传感器8.3、化学溶液流量传感器8.4、轴力传感器8.5、孔隙气压力传感器8.6、孔隙水压力传感器8.7、孔隙水流量传感器8.8、温度传感器8.9和轴向位移传感器8.10连接，数据采集仪8.11和计算机8.12连接；

[0172] 围压传感器8.1和流量传感器8.2设置于围压施加和体变监测单元2的围压和体积控制器2.1上；

[0173] 化学溶液压力传感器8.3和化学溶液流量传感器8.4设置于化学溶液循环渗透单元6的渗透压力和体积控制器6.1上；

[0174] 轴力传感器8.5设置于轴向测力计3.3上；

[0175] 孔隙气压力传感器8.6设置于气压控制器4.1上；

[0176] 孔隙水压力传感器8.7和孔隙水流量传感器8.8设置于基质吸力施加单元4的孔压和体积控制器4.3上；

[0177] 温度传感器8.9设置于温度控制器5.4上；

[0178] 轴向位移传感器8.10设置于轴向位移百分表7.1上；

[0179] 数据采集单元8的功能是：

[0180] 通过围压传感器8.1和流量传感器8.2量测三轴压力室1内的围压和流入和流出三轴压力室1的水的流量，进而得出土样0的体积变化；

[0181] 通过化学溶液压力传感器8.3和化学溶液流量传感器8.4量测经过土样0的化学溶液的压力和流量；

[0182] 通过轴力传感器8.5和轴向位移传感器8.10分别得出土样0实时的轴向力和轴向位移；

[0183] 通过孔隙气压力传感器8.6、孔隙水压力传感器8.7和孔隙水流量传感器8.8量测土样0的孔隙气压力、孔隙水压力以及进出土样的孔隙溶液的流量；

[0184] 通过温度传感器8.9量测三轴压力室1内的温度。

[0185] (1)围压传感器8.1

[0186] 围压传感器8.1是一种通用件，选用Senex公司生产，压力范围：0～1Mpa，精度：0.1％。

[0187] 其功能是：测量土样0的围压。

[0188] (2)流量传感器8.2

[0189] 流量传感器8.2是一种通用件，选用Ponolflow-VA，测量范围：0～250ml，精度：0.5％。

[0190] 其功能是：测量三轴压力室0中水的流入和流出量,从而得到土样0试验过程中的体积变化量。

[0191] (3)化学溶液压力传感器8.3

[0192] 化学溶液压力传感器8.3是一种通用件，选用Senex公司生产，压力范围：0～1Mpa，精度：0.1％。

[0193] 其功能是：测量土样0上端化学溶液的压力。

[0194] (4)化学溶液流量传感器8.4

[0195] 化学溶液流量传感器8.4是一种通用件，选用Ponolflow-VA，测量范围：0～250ml，精度：0.5％。

[0196] 其功能是：测量土样0上端溶液的流速、瞬时流量和累积流量。

[0197] (5)轴力传感器8.5

[0198] 轴力传感器8.5是一种通用件，选用KAP-S型拉压力传感器，规格为：5N～50kN，精度为：0.5％。

[0199] 其功能是：测量土样0的轴力。

[0200] (6)孔隙气压力传感器8.6

[0201] 孔隙气压力传感器8.6是一种通用件，选用Senex公司生产，压力范围：0～2Mpa，精度：0.1％。

[0202] 其功能是：测量土样0的孔隙气压力。

[0203] (7)孔隙水压力传感器8.7

[0204] 孔隙水压力传感器8.7是一种通用件，选用Senex公司生产，压力范围：0～1Mpa，精度：0.1％。

[0205] 其功能是：测量土样0下端孔隙溶液的压力。

[0206] (8)孔隙水流量传感器8.8

[0207] 孔隙水流量传感器8.8是一种通用件，选用Ponolflow-VA，测量范围：0～250ml，精度：0.5％。

[0208] 其功能是：测量土样0下端溶液的流速、瞬时流量和累积流量。

[0209] (9)温度传感器8.9

[0210] 温度传感器8.9是一种通用件，选用Pt100型铂金电阻(北京，Pt100和 )，测量范围：-40～150℃，精度：0.5℃。

[0211] 其功能是：测量土样0的温度。

[0212] (10)轴向位移传感器8.10

[0213] 轴向位移传感器8.10是一种通用件，选用ZKL-W型位移传感器(LVDT)，量程0～800mm，直径为 精度为0.1％。

[0214] 其功能是：测量试验过程中土样0的轴向变形。

[0215] (11)数据采集仪8.11

[0216] 数据采集仪8.11是一种通用件，选用南京生产的TSW-3。

[0217] 其功能是：连接传感器对数据进行采集。

[0218] (12)计算机8.12

[0219] 计算机8.12的硬件配置是：Intel i3-4160CPU@3.6GHZ；4GB内存。

[0220] 其功能是：输出采集的数据。

[0221] 二、试验方法

[0222] 本实施例以粘土为例，化学溶液采用0.1mol和L的NaCl溶液，使用本发明进行非饱和土的温度、水力、力学和化学耦合三轴试验的过程为：

[0223] ①土样的制备与安装

[0224] 土样0可以采用原状样或重塑样，为三轴试验土样的标准尺寸：直径39.1cm，高度为8cm；将三轴压力室1底座1.6上的陶土板1.5以及管路进行饱和；然后将制备好的土样0置入橡皮膜中，稍稍压实以排除膜内的空气，一起放在饱和的陶土板1.5上，土样0顶端放置多孔板1.9，然后用橡皮绳将橡皮膜(橡皮膜上下两端长于土样的上下两端)的上下两端分别扎紧在三轴压力室的底座1.6上和多孔板1.9上；然后将压力室外罩1.1固定在底座1.6上，往三轴压力室1中注水直至充满，期间打开排气孔道1.2排除室内的空气；当水完全充满三轴压力室时，关闭排气孔道1.2；

[0225] ②配制化学溶液

[0226] 按照试验要求，采用蒸馏水和分析纯NaCl配制浓度为0.1mol和l的NaCl溶液；启动化学溶液循环渗透单元6的渗透压力和体积控制器6.1将化学溶液注入控制器内；

[0227] ③试验

[0228] a、测定不同化学溶液、不同温度、不同围压和轴压下非饱和土的土水特征曲线[0229] 启动化学溶液循环渗透单元6，打开化学溶液阀门6.2，启动渗透压力和体积控制器6.1将控制器内的化学溶液按设定的压力或流量值注入到土样0内；然后打开基质吸力施加单元4的孔隙水阀门4.5，启动孔压和体积控制器4.4，将化学溶液置换出的土样0中的孔隙溶液流入到基质吸力施加单元4的孔压和体积控制器4.4中；重复上述过程3次，然后取流出土样的化学溶液进行水质分析，当浓度为0.1mol和l时，即认为化学溶液的置换过程完成，然后关闭化学溶液循环渗透单元6；

[0230] 通过温度控制单元5设定所需要的温度，通过围压施加和体变监测单元2、轴力施加单元3施加设定的围压和轴压；将基质吸力施加单元4的孔压和体积控制器4.4设置所需要的孔隙水压力值，然后启动气压控制器4.1施加所需要的孔隙气压力值；土样0中的孔隙溶液在气压的作用下流出到孔压和体积控制器4.4中，当流出量不变时，即认为在该级基质吸力(孔隙气压力减去孔隙水压力)作用下，土样0达到平衡状态，通过土样0的初始含水量以及流出量得到对应这一级基质吸力的含水量；然后施加下一级气压，重复上述试验，得出非饱和土的脱湿土水特征曲线；当土样0的基质吸力较大时，逐级减小气压，则土样0从孔压和体积控制器4.4中吸入化学溶液，得出吸湿土水特征曲线；重复上述脱吸湿试验，则得到土水特征曲线滞回圈内的扫描线；同时该设备通过围压施加和体变监测单元2得到土样0在整个试验过程中的体变；

[0231] 通过化学溶液循环渗透单元6、温度控制单元5、围压施加和体变监测单元2和轴力施加单元3，设定下一级的化学荷载、温度、围压以及轴压，重复上述的试验过程，得出土样0在化学、温度和力学耦合作用下完整的土水特征曲线。

[0232] b、测定不同化学溶液、不同温度、不同基质吸力和围压下非饱和土的三轴排水和不排水剪切试验

[0233] 首先和a试验类似施加设定的化学荷载，等化学溶液置换完成后，施加设定的围压和温度；然后施加设定的基质吸力，当土样0在该基质吸力下达到平衡状态后，进行非饱和土的三轴排水和不排水试验；

[0234] 非饱和土的三轴不排水快剪：当土样0在围压和基质吸力达到平衡时，轴向位移探测计7.2和三轴压力室1上部接触，位移百分表7.1清零；关闭孔隙水阀门4.5，则土样0不排水；启动试验机3.4，升降台3.1上升，对土样0进行不排水快剪试验；剪切应变速率根据不同的土质设定，可参照常规三轴；通过围压施加和体变监测单元2得到土样0在试验过程中的体积变化，通过基质吸力施加单元4的孔压和体积控制器4.4上的孔隙水压力传感器8.7测量试验过程中孔隙水压力的变化情况；通过数据采集单元8实时采集轴力、轴向位移、体变和孔隙水压力；然后施加下一级围压，重复上面的过程，得到4个围压下非饱和土的不排水抗剪强度曲线；

[0235] 非饱和土的三轴排水剪切试验：当土样0在设定的围压和基质吸力作用下达到平衡时，轴向位移探测计7.2和三轴压力室1上部接触，位移百分表7.1清零；启动试验机3.4，升降台3.1上升，对土样0进行排水剪切试验；剪切应变速率根据不同的土质设定，可参照常规三轴；通过围压施加和体变监测单元2得到土样0在试验过程中的体积变化，通过基质吸力施加单元4的孔压和体积控制器4.4上的孔隙水流量传感器8.8测量试验过程中土样0内孔隙溶液的吸入和排出；通过数据采集单元8实时采集轴力、轴向位移、体变和土样0内孔隙溶液的流量；然后施加下一级围压，重复上面的过程，得到4个围压下非饱和土的排水抗剪强度曲线；

[0236] 通过化学溶液循环渗透单元6、温度控制单元5、基质吸力施加单元4，设定下一级的化学荷载、温度、基质吸力，重复上述的试验过程，得到化学、温度和水力耦合作用下非饱和土的变形和强度特征。

[0237] c、测定化学溶液循环变化以及温度循环变化下非饱和土的力学和水力学特性的改变

[0238] 类似a试验和b试验，在恒定的温度下，土样0经历化学溶液的循环变化，然后进行土水特征曲线试验和三轴剪切试验，测出化学荷载对非饱和土力学和水力学特性的影响规律；

[0239] 类似a试验和b试验，在恒定的化学荷载作用下，土样0经历温度的循环变化，然后进行土水特征曲线试验和三轴剪切试验，测出温度对非饱和土力学和水力学特性的影响规律；

[0240] 因为温度控制单元5和化学溶液循环渗透单元6可以独立控制，因此可以实现温度和化学荷载交替作用下，非饱和土的力学和水力学特性的变化情况。

[0241] d、不同应力和基质吸力作用下的化学敏感性分析

[0242] 类似a试验和b试验，土样0在经历设定的应力和基质吸力加载路径之后，施加化学荷载，然后在进行三轴剪切试验，得出在不同应力和基质吸力作用下强度随化学作用的变化规律。

[0243] 本装置温度、水力、力学和化学荷载均可以独立控制和施加，因此可以任意组合上述四种荷载，进行非饱和土温度、水力、力学和化学耦合行为特性的测试。