应力-干湿-冻融耦合作用的非饱和土试验装置

摘要

本发明涉及应力‑干湿‑冻融耦合作用的非饱和土试验装置，包括压力室，压力室内设有底座，底座上方设有竖向加载机构以实现对试样施加荷载，还包括用于放置在试样顶面的试样帽，试样帽和底座用于朝向试验的表面设有液体槽，且覆盖有半透膜，试样帽和底座的液体槽接入干湿循环系统中以实现试样的干湿循环，压力室内部空间接入冻融循环系统中以实现试样的冻融循环，本发明实现了应力‑干湿‑冻融耦合作用下的试验。

说明书

技术领域

本发明涉及室内土工试验技术领域，具体涉及应力-干湿-冻融耦合作用的非饱和土试验装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

非饱和土在自然界广泛地存在，尤其在干旱与半干旱地区，其内部孔隙由水和空气填充，对环境中的温(温度)、湿(含水量)变化极为敏感，温、湿条件随季节的周期性变化，使得非饱和土经历周期的干湿和冻融作用，相应影响非饱和土的力学性质，危害工程结构的长期安全与稳定。但目前，考虑气候的周期性变化及土体实际应力状态，关于应力-干湿-冻融耦合条件下的膨胀土变形、持水、强度问题的研究却罕见报道。

目前，实验室土工真三轴测试系统主要用于非饱和土在不同应力路径下的变形、强度等指标测量。为了研究温度、湿度、应力等因素的影响，一方面，通过增加温控箱改造升级非饱和土真三轴测试系统，使其具备了应力-冻融耦合作用下试样力学性质的测量功能，但未能考虑干湿对力学性质的影响。另一方面，多数非饱和土真三轴试验考虑了应力-干湿-冻融多因素影响，采用预先干湿以及冻融试验，之后再对试样进行真三轴力学性质测试，很显然该路径未能真正实现应力-干湿-冻融的耦合，同时测量结果仍与土样实际应力状态存在差距。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供应力-干湿-冻融耦合作用的非饱和土试验装置，实现了应力-干湿-冻融耦合作用下非饱和土强度等指标参数的测量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了应力-干湿-冻融耦合作用的非饱和土试验装置，包括压力室，压力室内设有底座，底座上方设有竖向加载机构以实现对试样施加荷载，还包括用于放置在试样顶面的试样帽，试样帽和底座用于朝向试验的表面设有液体槽，且覆盖有半透膜，试样帽和底座的液体槽接入干湿循环系统中以实现试样的干湿循环，压力室内部空间接入冻融循环系统中以实现试样的冻融循环。

可选的，所述干湿循环系统包括存液罐，存液罐放置在称重元件上，利用称重元件进行支撑，存液罐和底座、试样帽的液体槽均接入第一循环管路中，第一循环管路设有驱动泵以驱动存液罐内存储的液体流动。

可选的，所述冻融循环系统包括液压油源，液压油源及压力室内部空间均接入第二循环管路中，第二循环管路设置有开关阀和换热元件。

可选的，所述液压油源设有调压阀以调节其输出的液体压力。

可选的，所述试样帽和底座用于朝向试样的表面与半透膜之间设置有筛网。

可选的，所述压力室内部设置有压力检测元件以检测冻融循环系统通入压力室的液体的压力。

可选的，所述压力室顶部还设置有排气管，排气管上安装有排气阀。

可选的，所述压力室的顶部室壁安装有竖向加载机构以对试样施加竖向荷载，所述压力室的两个相对的侧室壁均安装有横向加载机构以对试样施加水平向荷载。

可选的，所述底座的顶面设置有第一凸起，所述竖向加载机构的加载部分设有与第一凸起配合的第一凹槽，第一凸起嵌入第一凹槽中，所述底座的底面设有与第一凸起同轴的第二凸起，第二凸起嵌入支撑架的第二凹槽中，底座与支撑架固定，支撑架固定在压力室内部对底座进行支撑。

可选的，所述底座和试样帽的液体槽设置多个，液体槽采用螺旋形状，且多个液体槽同心设置。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的试验装置，具有竖向加载机构，能够对试样施加荷载以对试样施加应力，同时底座及试样帽设有液体槽，液体槽接入干湿循环系统中，干湿循环系统循环流动的液体与试样之间能够利用半透膜进行水交换，实现试样吸水或排水，实现干湿循环，同时压力室和冻融循环系统能够对试样进行冻融循环，进而实现了试样在应力-干湿-冻融耦合作用下的试验，测量出非饱和土样应力-干湿-冻融复杂路径下的强度指标等参数，解决了现有试验仪器未能实现的问题，即应力-干湿-冻融耦合复杂加载条件下非饱和土应力试验，更符合土体实际受力状态。

2.本发明的试验装置，压力室的两个侧部室壁设有横向加载机构，使得整个试验即可进行单轴试验也可进行三轴试验，提高了整个试验装置的适用性。

3.本发明的试验装置，干湿循环系统中的存液罐放置在称重元件上，通过称重元件的读数可以判定干湿循环用液体是否与试样达到吸力平衡，使用方便。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1整体结构示意图；

图2是本发明实施例1干湿循环系统示意图；

其中，1.压力室，2.底部腔壁，3.底座，4.竖向加载机构，5.试样帽，6.液体槽，7.筛网，8.半透膜，9.存液罐，10.第一循环管道，11.驱动泵，12.电子秤，13.高分子溶液，14.液压油源，15.第二循环管路，16.调压阀，17.管路换热器，18.温度传感器，19.温度数显模块，20.第一开关阀，21.第二开关阀，22.控制系统，23.压力传感器，24.液压数显模块，25.横向加载机构，26.排气阀，27.试样，28.橡胶膜，29.位移数显模块，30.压力数显模块。

具体实施方式

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供了应力-干湿-冻融耦合作用的非饱和土试验装置，如图1-图2所示，包括压力室1，压力室1采用腔体结构，内部具有用于放置非饱和土试样的空腔，压力室1的一侧侧部腔壁为可拆卸，方便将试样放入压力室内部。

所述压力室1的底部腔壁2上表面设置有支撑架，支撑架底端与底部腔壁固定，顶端设置有底座3，底座3用于对试样进行支撑。

底座3的正上方设置有竖向加载机构4，竖向加载机构4用于对试样施加竖向荷载。

本实施例中，竖向加载机构4的加载部底端通过试样帽5对试样施加荷载，试样帽用于放置在试样的顶面。

为了使得底座3与试样帽5的安装位置对中，所述试样帽5的顶端设置有第一凸起，相应的，竖向加载机构4的加载部的底端设有与第一凸起相匹配的第一凹槽，第一凸起能够嵌入第一凹槽中，实现了试样帽5与加载部的定位。

所述底座3的底面设有与第一凸起同轴的第二凸起，相应的，所述支撑架的顶部设置有与所述第二凸起相匹配的第二凹槽，第二凸起嵌入第二凹槽中，实现了底座3与支撑架的定位，由于第一凸起和第二凸起同轴设置，因此能够保证试样帽5和底座3的位置对中。

所述试样帽5的顶端用于与竖向加载机构4的加载部配合，其用于朝向试样的表面即底面与待试验的试样相匹配。

所述试样帽5的底面设置有液体槽6，本实施例中，试样帽5的底面设置有两个液体槽6，液体槽6沿螺旋分布，两个液体槽同心设置，且试样帽5设置有与液体槽6连通的通道。

所述底座3用于靠近试样的表面即底座的顶面也设置有液体槽6，液体槽6的设置方式与试样帽5的液体槽6的设置方式相同，也设置两个液体槽6，液体槽6沿螺旋分布，两个液体槽6同心设置，且底座3设置有与液体槽6连通的通道。

所述试样帽5的底面覆盖固定有筛网7，筛网7下方覆盖有半透膜8，相应的，所述底座3的顶面覆盖固定有筛网7，筛网7的上方覆盖有半透膜8。

本实施例中，所半透膜8采用透水石材料制成。

所述试样帽5和底座3的液体槽6均接入干湿循环系统中，以实现试样的干湿循环。

所述干湿循环系统包括存液罐9、称重元件、第一循环管道10和驱动泵11。

所述存液罐9用于盛放高分子溶液13，优选的，所述高分子溶液采用乙二醇溶液，其在低温也具有较好的流动性，满足冻融的环境需求并且乙二醇不能透过半透膜，所述称重元件采用电子秤12，存液罐放置在电子秤上，电子秤用于测量高分子溶液的质量变化。通过电子秤12的读数可以判定干湿循环用液体是否与试样达到吸力平衡，使用方便。

所述第一循环管道10的进液端伸入至存液罐9的底部，第一循环管道10依次经过底座3的液体槽6、试样帽5的液体槽6后其出液端伸入至存液罐9的顶部。

所述第一循环管道10的进液端与底座3的液体槽6之间的管段上安装有驱动泵11，驱动泵11能够驱动高分子溶液13从存液罐6中流出，依次经过底座3的液体槽6、试样帽5的液体槽6后又流回存液罐9。

本实施例中，所述第一循环管道10通过试样帽5的通道与试样帽5的液体槽6连通，通过底座3的通道与底座3的液体槽6连通。

所述压力室1内部空间接入冻融循环系统。

所述冻融循环系统包括液压油源14、第二循环管路15、换热元件和开关阀。

所述液压油源14采用液压站，液压站设置有调压阀16以调节输出的液压油压力。

所述第二循环管路15包括第一管道和第二管道，其中第一管道的进液端与液压油源14的输出端连接，第一管道的出液端与压力室1内部空间连通，第二管道的进液端与压力室1内部空间连通，第二管道的出液端连接至液压油源14的进液端。

所述第一管道上安装有换热元件，换热元件采用管路换热器17，管路换热器17的下游安装有温度传感器18，用于检测换热后的液压油温度，所述温度传感器18与控制系统22连接，能够将采集的温度信息传递给控制系统22，控制系统22与温度数显模块19连接，能够将温度进行显示。

所述管路换热器17采用现有设备即可，在此不进行详细叙述，所述管路换热器17与压力室1之间的第一管道管段上设置有第一开关阀20，用于控制第一管道的导通和断开，所述第二管道上安装有第二开关阀21，用于控制第二管道的导通和关闭。

所述压力室内部安装有压力检测元件，所述压力检测元件采用压力传感器23，用于检测压力室内液压油的压力。

所述压力传感器23与控制系统连接22，能够将检测得到的压力信息传递给控制系统22，控制系统22与液压数显模块24连接，液压数显模块24用于对检测得到的液压油压力信息进行显示。

所述压力室1相对的两个侧部腔壁上均设置有横向加载机构25，用于对试样施加水平荷载。使得整个试验即可进行单轴试验也可进行三轴试验，提高了整个试验装置的适用性。

所述横向加载机构25的结构和竖向加载机构4的结构相同，均采用现有配置有油压传感器和活塞杆位移传感器的加载液压缸即可，横向加载机构的活塞杆端部与刚性帽连接，通过刚性帽对试样施加横向荷载，所述油压传感器与控制系统22连接，能够将检测到的加载液压缸内油压信息传递给控制系统，并且在压力数显模块30上进行显示，所述活塞杆位移传感器与控制系统22连接，能够将检测到的加载液压缸的活塞杆位移信息传递给控制系统，并且在位移数显模块29上进行显示。

所压力室1的顶部腔壁设置有排气管，排气管安装有排气阀26，以将压力室1内的气体排出，方便冻融循环系统的液压油注入压力室内部。

本实施例的试验装置的工作方法为：

步骤1：底座3设置液体槽的表面朝上，然后在底座上表面铺设半透膜8，按照试验方法国标《GBT50123—1999》制备非饱和土试样，在试样27的侧部套橡胶膜28，然后将试样放置在底座3上，并将橡胶膜28底端套在底座3外周并进行固定密封。在试样27的顶面放置试样帽5，试样27顶面与试样帽5底面的半透膜8接触，将装配好的底座3、试样帽5和试样27放置入压力室1内，底座3通过第二凸起和第二凹槽与压力室1底部腔壁的支撑架配合。竖向加载机构4的加载部下降，将其加载部的第一凹槽与试样帽5的第一凸起配合，横向加载机构25工作，使得横向加载机构25的加载部与试样的侧面的橡胶膜28接触，连接冻融循环系统和干湿循环系统的管路，安装完毕后，关闭压力室1。

步骤2：打开液压站以及第一开关阀20，打开压力室顶部的排气阀26，开始向压力室1内部注入液压油，但不加压。

步骤3：当压力室1内部空气排出，充满液压油后，关闭排气阀26，打开管路换热器17和第二开关阀21，通过管路换热器17使得液压油达到试验设定的初始温度，可根据温度传感器18采集的温度数据判断液压油是否达到设定的初始温度。

步骤4：当液压油达到设定的初始温度后，打开驱动泵11，排出第一循环管路10中的空气。

步骤5：试验准备工作完成后，通过控制系统启动竖向加载机构4和横向加载机构25，并控制液压站开始加压，根据试验方案设定的应力加载路径进行应力加载。

步骤6：试验过程中，通过管路换热器17调节压力室1内液压油温度实现对试样27的温度控制，进行冻融循环，启动驱动泵11，试样帽5和底座3的液体槽6内流过高分子溶液，高分子溶液与试样27被半透膜8隔开，由于半透膜8两侧溶液存在浓度差，试样27与高分子溶液进行水交换，试样吸水或排水，实现干湿循环。

电子秤12测量高分子溶液质量变化，电子秤12读数稳定时则高分子溶液与非饱和土试样达到吸力平衡；通过控制高分子溶液的浓度大小可控制试样27吸力大小，通过电子秤12的读数，计算试样27吸力大小。

步骤7：读取位移数显模块29和压力数显模块30的数据，得到相关的物理力学参数，测量完毕。

采用本实施例的装置，实现了试样在应力-干湿-冻融耦合作用下的试验，测量出非饱和土样应力-干湿-冻融复杂路径下的强度指标等参数，解决了现有试验仪器未能实现的问题，即应力-干湿-冻融耦合复杂加载条件下非饱和土应力试验，更符合土体实际受力状态。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。