[发明专利]一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统

说明书

本发明公开了一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统，包括三轴加载装置、吸力和围压控制装置，加载组件上端通过第一连通管连通外部，压力室通过第二连通管连通外部，样品台具有存水仓，存水仓底部通过第三连通管、第四连通管连通外部；吸力和围压控制装置包括气压监测控制组件和水压监测控制组件。本发明属于一种微型实验系统，可用于CT原位扫描，可以独立和连续地在净法向应力(p‑u_a)‑偏差压力(q)‑基质吸力(s)空间中控制非饱和样品的加载状态和大范围基质吸力，同时对该样品进行原位的扫描成像以显现其三维微观结构演化，使得在复杂加载条件下非饱和土样的微观‑宏观跨尺度水‑力机理研究成为可能。

技术领域

本发明涉及土力学实验设备技术领域，具体而言，涉及一种能够用于CT原位扫描的吸力可控非饱和三轴实验系统，属于一种用于X射线CT进行原位扫描并且可以在扫描过程中同步大范围控制土壤基质吸力的多应力路径加载非饱和三轴加载微型实验系统。

背景技术

在水-力(Hydro-mechanical,H-M)耦合加载中，土壤的宏观性质和宏观参数行为依赖于应力路径和应力状态。土壤的存水性质可以由该土壤的土水特征曲线(Soil WaterRetention Curve,SWRC)来刻画，该性质与土壤状态(如：孔隙率和孔径分布)和应力状态相关。具有相同初始状态的土壤，其抗剪强度可能会由于其在受剪切之前的饱和度(或者基质吸力)的不同而不同。作为一种颗粒材料，土壤的宏观水-力(H-M)性质受到其微观结构的影响，包括固体颗粒的强度、颗粒粒径分布、颗粒形状、孔隙率、孔隙大小方向和分布、孔隙水含量、以及孔隙气含量等。研究土壤的微观结构和土壤固体颗粒、孔隙水、孔隙气三者之间的相互作用及其对孔隙大小和方向等细观结构的演化是一种探究土壤宏观水-力(H-M)行为的先进手段。因此，探索可用于研究微观结构和宏观水-力行为之间关系的方法十分必要。

微观-宏观相结合的实验方法是一种先进的研究方法，该方法可以在不同的尺度下研究土壤样品的性质。所获得的结果可以直接反映土样的微观结构特征演化和土样的宏观响应之间的关系。该种实验研究的研究兴趣主要为：土壤孔隙率、孔隙大小和方向分布、以及颗粒形状对土壤压缩特性和固结特性的影响、粒径分布和颗粒形状对土壤剪切特性和存水特性的影响，土壤颗粒间的弯液面(或土壤吸力)对土壤抗剪强度的影响，水力干燥-增湿路径和力学加载-卸载路径对土壤体积改变和剪切行为的影响，初始组构各向异性和应力各项异性对土壤剪切特性和存水特性的影响，土壤干燥-增湿循环中的回滞现象，以及土壤存水特性的应力依赖效应。为了正确地研究以上这些跨尺度问题，十分有必要开发设计相应的仪器，该仪器需要能够自由地控制加载路径和监测相关的参数，同时能够在该加载过程中获取土样的清晰的微观结构特征。

目前已经存在很多方法用于在加载过程中或者加载以后获取土样的微观结构特征及其变化。通常，所采用的方法包括：(1)采用扫描电镜(SEM)或压汞(MIP)技术获取土样在水力加载之后的微观信息，该方法需要预先干燥样品；(2)采用核磁共振(MRI)技术获取水力加载过程中样品内部的孔隙水分布，受核磁共振技术原理限制，该方法的扫描范围局限于样品中含有水分子的部分；(3)采用环境扫描电镜(ESEM)技术捕捉样品在水力学加载过程中的微观结构，该方法是一种原位方法，能够直接观察和测量颗粒、微孔隙以及孔隙水分，结果能够直接反映样品表面(二维)的详细信息。