[发明专利]一种适用于测试土体在水循环渗透作用下力学特性的三轴装置及使用方法

权利要求书

1.一种适用于测试土体在水循环渗透作用下力学特性的三轴装置，包括三轴压力室、上部横梁(2)、水平仪(1)、底座(10)、底部控制器(11)及螺纹支撑杆(39)；所述的上部横梁(2)上设有水平仪(1)，所述的上部横梁(2)通过螺纹支撑杆(39)与底部控制器(11)固定连接；所述的上部横梁(2)可根据水平仪(1)通过调节螺纹支撑杆(39)来控制平衡与接触；所述的底部控制器(11)上设有底座(10)，所述的底部控制器(11)可控制底座(10)的升降；其特征在于：所述的三轴压力室由两端开口内部中空的压力室外筒(8)、压力室底板(9)和压力室顶盖(7)构成，所述的压力室顶盖(7)上设有排气口一19，所述的压力室底板(9)上设有进液口一(18)；所述的三轴压力室内对称布置有上试样帽(12)和下试样帽(17)，所述的上试样帽(12)和下试样帽(17)之间构成待测土样(32)的容置空间；所述的上试样帽(12)与所述的待测土样(32)之间布置有滤网一(14)，所述的下试样帽(17)与所述的待测土样(32)之间布置有滤网二(15)，所述的滤网一(14)和滤网二(15)的孔径小于待测土样(32)的直径；所述的上试样帽(12)上设有进水口一(20)和流通通道一(37)，所述的下试样帽(17)上设有进水口二(21)和流通通道二(38)，所述的上试样帽(12)和下试样帽(17)相对的端面分别设有喷孔一(13)和喷孔二(16)；所述的喷孔一(13)通过流通通道一(37)与进水口一(20)连通，所述的进水口一(20)通过外接上水管(22)与上水箱(24)连通，所述的上水箱(24)底部设有出液口二(26)，顶部设有排气口二(27)；所述的喷孔二(16)通过流通通道二(38)与进水口二(21)连通，所述的进水口二(21)通过外接下水管(23)与下水箱(25)连通，所述的下水管(23)与所述的下水箱(25)之间依次设有流量阀门(36)、抽水泵(30)及流量计(35)，所述的下水箱(25)底部设有进液口三(28)，所述的下水箱(25)顶部设有排气口三(29)，所述的排气口三(29)外接抽气泵(31)；所述的上试样帽(12)上设有试样盖(33)，所述的上部横梁(2)和所述的上试样帽(12)之间设有压力传感器(34)，所述的上部横梁(2)底部自上而下依次固定有垫块(3)和顶珠(4)，所述的压力传感器(34)与所述的顶珠(4)对中接触，所述的压力传感器(34)贯穿所述的压力室顶盖(7)和试样盖(33)与所述的上试样帽(12)接触；所述的上部横梁(2)与所述的压力传感器(34)之间设有位移传感器(5)，所述的位移传感器(5)一端固定在所述的上部横梁(2)上，另一端与所述的压力传感器(34)固接；所述的三轴压力室整体呈气密闭。

2.一种适用于测试土体在水循环渗透作用下力学特性的三轴装置的使用方法，其特征在于：所述的使用方法按照如下步骤进行：

S1：在所述的三轴压力室中自下而上依次布置有滤网二(15)、下试样帽(17)、用橡胶膜包裹的待测土样(32)、滤网一(14)及上试样帽(12)，并保证所述上试样帽(12)的喷孔一(13)与所述下试样帽(17)的喷孔二(16)相对，且通过橡胶膜将上试样膜及下试样膜构成的整体密封，绑好牛筋；然后安装好整个三轴装置，确保三轴压力室整体呈气密闭，并通过水平仪(1)进行调平；

S2：打开下水箱(25)的排气口三(29)，通过进液口三(28)向所述的下水箱(25)中注满水，然后关闭进液口三(28)；关闭上水箱(24)的出液口二(26)，打开排气口二(27)；

S3：开启抽水泵(30)，调节流量阀门(36)控制水流量至所需实验参数值，水通过下试样帽(17)从待测土样(32)下部流向土样上部并进入上水箱(24)中；待下水箱(25)的水抽完，关闭抽水泵(30)，打开抽气泵(31)，水从上水箱(24)中流出依次通过上试样帽(12)和下试样帽(17)流入到下水箱(25)中直至下水箱(25)的水位不再增加即完成待测土样(32)的1次水循环；

S4：重复步骤S3的操作n次即完成n+1次循环，然后关闭三轴压力室的所有阀门，保证整体呈气密闭，然后打开进液口一(18)，向所述的三轴压力室内通水至实验要求的围压，然后通过底部控制器(11)设定底座(10)的应变速率，底座(10)就会上移会给土样施加竖向的荷载，当压力传感器(34)监测到的力满足要求时，手动暂停；最后在围压和竖向力的作用下，产生剪切应变，计算机可以绘制出摩尔圆，测出水循环后土的粘聚力和摩擦角，就可以得到土体的强度；

即：①通过计算机改变不同的围压，测出单元体在空间应力状态下的轴向应力σ₁，轴向应变ε，即可得到弹性模量E，公式如下：

σ₁＝Eε

得到不同围压下弹性模量的曲线拟合，得到土体的轴向弹性模量；

②排水条件下，通过排水量，可以知道土体的体应变，就可以知道土体是体胀还是体缩；

③通过测出的单元体三个方向的应力σ₁，σ₂,σ₃。根据这三个应力，可以画出摩尔应力圆，圆的半径为这三个应力中最大应力与最小应力差值的一半；即可得到最大剪应力τ_max，根据不同的围压画出的摩尔应力圆，画出圆上切线，切线斜率即是摩擦角与剪应力坐标轴相交的数值即是粘聚力C；