溼度和滲透吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的製作方法

2023-09-17 08:32:25 1

專利名稱：溼度和滲透吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及飽和與非飽和土體的力學特性和土水特性的測量，尤其涉及一種有助於這些測量的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的設計和使用。
背景技術：
精確測試和測量飽和與非飽和土體的力學特性和土水特性在各種工程中十分重要，這些工程可包括各種巖土工程和環境巖土工程，諸如自然邊坡的穩定性評估、地基或路基的設計、土工建築物的特性的確定、垃圾填埋場覆蓋屏障的有效性評估和圍海造陸等。這些工程需要四項關鍵的土體特性剪切強度、應力相關土水特徵曲線(表徵土體在給定吸力處的持水能力)、固結特徵、體變特徵(例如收縮和膨脹)。目前，沒有任何一套儀器可以在從0到IOOOMPa的吸力範圍內通過單個試樣測量這四項關鍵的土體特性。相反，這些特性存在獨立的測試裝置，各需要不同的土樣。因此， 為了獲得所需的四項關鍵土體特性，必須測試四個不同的土樣。由於不同土樣間存在天然差異性和制樣差異性，使得使用四個不同試樣是不可靠的，不能夠獲得一致的結果和參數。 此外，使用四個不同試樣和四個測試步驟耗時且不經濟。上文分析了傳統非飽和土實驗儀器的缺點和不足，但其目的不是窮舉，而是對現有技術存在的一些問題的簡單概述。現有技術的其他不足和本發明的多個非限制性實施例中的一些相應優點，通過對下文詳細描述的了解將會變得進一步顯而易見。

發明內容
下面將進行簡單總結，以提供對在本發明中描述的一些方面的基本了解。該總結不是對所公開的主題進行詳細的概述，也不是意圖對所公開的主題確定關鍵環節或決定要素，也不是劃定所公開主題的範圍。唯一的目的是作為對下文詳細描述的前序而以簡化的形式呈現所公開主題的一些概念。為了克服上文提及的現有土體測試儀器的不足和其他缺陷，本發明提供了一種裝置，其可提供一種一體式測試平臺。該平臺通過一套儀器一個試樣獲得土體在完整吸力範圍內(例如從0到IOOOMPa)的至少四種特性，包括剪切強度、應力相關土水特徵曲線、固結特徵、體變特徵(例如收縮和膨脹)。在一個實施例中，提供了一種吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，所述吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可通過一個試樣獲得土體在完整吸力範圍內(例如從0到IOOOMPa) 的至少四種特性，包括剪切強度、應力相關土水特徵曲線、固結特徵、體變特徵(例如收縮2/10 頁
和膨脹)、以及其他的力學特性和土水特性。所述吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可包括吸力控制部分和力學加載部分。該吸力控制部分可採用不同的組件從而使得該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可在完整範圍的吸力(從0到IOOOMPa)操作以控制所述土樣的吸力。所述不同的組件可包括用於低吸力(從0到大約500kPa)的軸平移組件、用於中等吸力(從大約5001tfa到大約IOMPa)的滲透控制組件和用於高吸力(大於大約IOMPa)的溼度控制組件。力學加載部分可採用水平加載組件、豎直加載組件、水平位移組件和豎直位移組件， 以測試土體的多種力學特性。吸力控制部分和力學加載部分的特點允許吸力控制的非飽和土綜合試驗儀在各種應力狀態和吸力狀態下測量土體的特性。在另一個實施例中，提供了一種吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，所述吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可提供一種一體式測試裝置。該裝置通過一個試樣獲得土體在完整吸力範圍內(例如從0到1，OOOMPa)的至少四種特性，包括剪切強度、應力相關土水特徵曲線、固結特徵、體變特徵(例如收縮和膨脹)、以及其他的力學特性和土水特性。所述吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可包括吸力控制部分和力學加載部分。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀還可包括螺旋狀水室或基座。該螺旋狀水室將通過擴散而聚集的氣泡衝刷出該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀。這可有利於更加精確地獲得單個土樣在各種應力狀態和吸力狀態下的測試結果，而沒有外部氣泡帶來的問題。根據另一個實施例，提供了一種實驗方法，其可通過使用一個試樣測量土體在完整吸力範圍內(例如從0到IOOOMPa)的多種土體特性。例如，本文所描述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可以實現該方法，然而也可以採用其他儀器來實現該方法。下文及附圖詳細描述所公開主題的某些方面。其這些方面僅是示例性的，僅示出了本發明原理可實施的一些途徑。本發明所公開的主題意圖包括所有這樣的方面及其等價。本發明所公開主題的其他優點和特徵從下文詳細的描述並結合附圖將會更顯而易見。


下面結合附圖描述所公開主題的實施例，所述實施例是非限制性和非窮舉的，除特別說明外，整份說明書中相同的參考數字對應的相同的部件。圖1為一種示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的示意框圖。圖2為一種示例性吸力控制的綜合試驗儀的吸力控制部分的示意框圖。圖3為軸平移技術的原理示意圖。圖4為滲透技術的原理示意圖。圖5是溼度控制技術的原理示意圖。圖6為吸力控制的綜合試驗儀的示例性力學加載部分的示意框圖。圖7為另一種示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的示意框圖。圖8為一種示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的結構布置的示意框圖。圖9為一種示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的示意平面圖。圖10為圖9中的示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的A-A剖面的示意平面圖。圖11為圖9中的示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的B-B剖面的示意平面圖。
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圖12為一種非飽和土實驗方法的流程示意圖。圖13為非飽和土實驗方法的吸力控制環節的示意框圖。圖14為非飽和土實驗方法的流程示意圖。
具體實施例方式下文將通過對諸多特定細節的描述對實施例提供完整的理解。然而相關領域的技術人員將認識到，本文所描述的技術可脫離一個或多個特定細節，或以其他的方法、組件等來實施。另一方面，眾所周知的結構、材料和步驟均不再示出或詳細描述，以避免混淆。本文描述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的多種實施例可用於巖土工程和環境巖土工程的領域。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的多種實施例可包括一體式溼度和滲透吸力控制非飽和土綜合試驗儀(或HosmoBox)。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的多種實施例可測試或測量非飽和土體的多種力學特性和土水特性，包括剪切強度、應力相關土水特徵曲線(SDSWCC)、間接滲透係數方程、固結特徵(包括沉降)、體變特徵(包括收縮和膨脹)和含水量等。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的多種實施例能提供單個一體式系統，該系統可通過單個非飽和土樣測試這些力學和土水特徵和特性。此外，該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的多種實施例可控制完整範圍內的吸力(例如從0到IOOOMPa)。在本說明書中，當提及「多種實施例」、「一個實施例」、「實施例」或「一種實施例」 時，表示結合一個實施例所描述的具體特徵、結構和功能可用於至少一個實施例中。因此， 本說明書中多處出現的「一個實施例」或「一種實施例」等詞不必限於某一個具體的實施例。 此外，具體的特徵、結構和功能可以在一個或多個實施例中以任何適當的方式結合。本說明書用到的「例如」、「示例性」等詞表示用作實例、舉例或說明。而非通過所述實例對本發明作出限制。此外本文以「實例」方式所描述的任何方面或設計也不應理解為比其他的方面或設計更加優選或有利，也不應理解為本領域技術人員所知的等價結構和技術。此外，當說明書或權利要求書中提及「包含」、「包括」、「具有」等詞語時，其與「包括」 表示一致，均是作為開放式理解，不排除任何附加或其他的元件。現參照圖1，是一個示例性裝置或儀器的示意系統框圖。在一個實施例中，該儀器可以是吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100，該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可包括兩個主要的部分，包括吸力控制部分102和力學加載部分104。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可稱為一體式溼度和滲透吸力控制的非飽和土綜合試驗儀或HosmoBox。吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可測試或測量單個土樣的重要特性，這些重要特性可包括剪切強度、應力相關土水特徵曲線、固結特徵、體變特徵(例如收縮和膨脹) 等。這些重要特性可包括任何對研究土體特性有用的特性。吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可在較大範圍內的吸力下操作以控制土樣吸力。例如吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可在完整範圍的吸力(例如從0到 IOOOMPa)中操作以測試或測量單個土樣的特性。為確保在各吸力範圍內的性能，該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可包含吸力控制部分102。圖2示意性示出了吸力控制部分102，該吸力控制部分102可包括軸平移組件 202、滲透控制組件204和溼度控制組件206，這三個組件通過採用不同的吸力控制技術來控制完整吸力範圍(例如從0到IOOOMPa)內的某一段吸力。軸平移組件202可在低吸力(例如小於大約500kPa)處採用軸平移控制技術段的吸力。滲透控制組件204可在中等吸力(例如從大約5001tfa到大約IOMPa)處採用滲透控制技術。溼度控制組件204在高吸力 (大於大約IOMPa)處採用溼度控制技術。通過在單個吸力控制的非飽和土綜合試驗儀10 中結合軸平移組件202、滲透控制組件204和溼度控制組件206，能夠施加完整範圍(例如從0到IOOOMPa)內的吸力。通常情況下，土體在自然狀態下為非飽和的。使得孔隙中既填充有液體(例如水)，又有氣體(例如空氣)，這兩項的共存可導致土體吸力。一般認為土體吸力控制非飽和土體的力學特性和土水特徵。土體吸力通常指的是土體水的勢，其能夠從土體水的平衡蒸汽分壓計算出。根據熱動力學理論，總土體吸力可根據土體水的自由能或土體水的相對蒸汽壓(相對溼度)來限定。根據Kelvin公式，總吸力與相對溼度之間的關係可用下式表示
/
U、,
RT \n(RH)(1)
RTΨ =--—In一
υ^ων)^woiyV式(1)中，Ψ是總吸力(kPa)，R是通用(摩爾)氣體常數(8. 31432J/(mol -K)), T是絕對溫度，Vwo是水的比體積，Tov是水蒸氣的分子量(18. 016kg/kmol)，Uv是孔隙水的蒸汽分壓(kPa)，Uvtl是水蒸汽在同一溫度下純水平面上方的飽和蒸汽壓(kPa)，RH是相對溼度(uv/uv0)。土體水的總吸力同時也被稱為土體水的自由能，從吸力角度，其等價於對土中水的平衡蒸汽分壓與自由純水的平衡蒸汽分壓進行計算而得到的吸力。總吸力可基於基質吸力(孔隙氣壓力(Ua)-孔隙水壓力(Uw))和滲透吸力π計算。Ψ = (Ua-Uw) + π (2)基質吸力，或土體水自由能的毛細組分，表示經由土體水和土體基質互相作用而產生液體張力，並被定義為孔隙水壓力和孔隙氣壓力的差值。從熱力學角度，其為通過對土中水的平衡分蒸汽壓與具有與土體水相同的成分的溶液的平衡水蒸汽的分壓進行計算而得到的等值吸力。滲透吸力，或土體水自由能的溶質部分，同水溶質的勢聯繫。從吸力角度， 其等價於對溶液(具有與土體水相同的成分)的平衡蒸汽分壓與自由純水的平衡蒸汽分壓進行計算而確定的等值壓力。基質吸力和滲透吸力均可由土體蒸汽的相對溼度差引起。控制或測量非飽和土樣中的吸力是重要的。一般來說，可使用溼度控制技術來控制總吸力。可使用軸平移技術來控制基質吸力，可使用由半透膜分開的不同溶質濃度的溶液來控制滲透吸力。在低吸力段(例如小於大約500kPa)，軸平移組件202可採用軸平移技術控制非飽和土體吸力。圖3通過示意框圖說明了軸平移技術的基本原理。通過軸平移技術可提升孔隙氣壓(Ua)來使孔隙水壓增加達到正值，以避免排水系統中的氣化現象。總應力(ο)隨著所述氣壓提高相同的數值以保持淨應力(o-ua)不變。通過這種方法，淨應力(Q-Ua)在提升孔隙氣壓(Ua)之前和之後保持不變。同樣，基質吸力(Ua-Uw)也保持不變，因為孔隙氣壓的提升(ΔιΟ和孔隙水壓(Auw)的提升是一樣的。軸平移是通過使用帶有高進氣值陶瓷板來使土樣中的孔隙氣和一般位於所述土樣下方的孔隙水壓測量系統中的水相隔離。在飽和狀態下，高進氣值陶瓷板允許水通過， 但防止自由氣體通過而進入孔隙水壓測量系統，只要所施加的基質吸力不超過陶瓷板的進氣值。例如對於燒結的陶瓷，其進氣值可達500kPa，對於特製纖維膜，其進氣值可高達 1500kPao在軸平移技術中，孔隙氣壓和孔隙水壓兩者是獨立控制和測量的。所述軸平移技術的一個局限是可施加的最大吸力值，其受限於所述多孔材料所允許的最大的進氣值，同時受限於系統所能施加和承受的氣壓值。因此，軸平移技術通常用於控制數百千帕(kPa) 量級的吸力。對於中等吸力範圍(例如從大約500kP到大約IOMPa)，滲透控制組件204可採用滲透控制技術測量或控制非飽和土體的吸力。圖4通過示意框圖說明了滲透控制技術的基本原理。只要溶劑和溶液由半透膜分開即可觀察到滲透現象，半透膜僅允許溶劑分子的擴散。在本情形中，溶劑分子為水分子。在滲透技術中，試樣和滲透溶液通過半透膜隔開。例如土樣中的滲透控制可基於纖維半透膜，溶液在半透膜下循環。半透膜對水和土體中的離子是可透的，而對大溶質分子和土體顆粒是不可透的。這導致試樣和溶液之間存在溶質濃度差，也使得半透膜兩側的滲透勢不同。在平衡狀態下，所述半透膜兩側相等的水能量可表明土樣中的基質吸力等於溶液的滲透吸力(滲透勢)。當溶液的滲透吸力高於試樣中的基質吸力時，水由土體吸到溶液中，增加試樣中的吸力以實現平衡。在平衡狀態下，滲透吸力涉及土體鹽份的分量在半透膜的兩側相同，且滲透吸力涉及大分子溶質的分量在土樣中為零。因此滲透吸力在所述半透膜的兩側的差值等於滲透吸力涉及大分子溶質的分量。土體中的孔隙空氣壓力(Ua)為大氣壓，與現場的自然條件類似。半透膜兩側的水交換達到平衡時，土體水中的勢和溶液水的勢相等，也就是說土體中的總吸力等於溶液中的總吸力。因此，半透膜兩側的滲透吸力差值等於半透膜兩側基質吸力的差值。因為溶液中的基質吸力為零，所以土體中的基質吸力(ua2_uw2)等於半透膜兩側滲透吸力的差值(也等於滲透吸力涉及大分子溶質的分量)。滲透技術可基於聚氧乙烯(PEG)溶液或其等價物以產生用於土體測試的吸力。聚氧乙烯由於其安全和簡單是最常用的。滲透吸力的大小取決於溶液濃度濃度越高，滲透吸力越大。大分子溶液的最大吸力值受限於半透膜的性能以及溶液的最大滲透勢(或飽和濃度)。聚氧乙烯溶液的最大滲透吸力值可為超過大約lOMPa。在高吸力段(例如高於大約IOMPa)，溼度控制組件206可採用溼度控制技術(有時也稱蒸汽平衡技術)。該技術通過選擇不同的飽和鹽溶液提供不同的相對溼度以用於控制各種期望的總吸力，圖5通過示意框圖說明了溼度控制技術的原理。熱力學關係式(1) 表明可通過控制土體孔隙內的相對溼度來控制施加到非飽和土的總吸力。可以使用水溶液或通過採用反饋系統混合飽和蒸汽氣體和乾燥空氣來控制溼度。採用溼度控制技術時，可在一個熱力學密閉環境中放置某種化合物的水溶液，並將土樣放入該封閉環境。根據化合物的物理化學特徵，化合物水溶液能在密閉環境中產生一定的相對溼度。土樣與溶液之間以水蒸氣的形式進行水份交換，直至實現吸力平衡，這樣土樣的吸力被控制在某個值。該水溶液可以是各種濃度的同一產品，就像諸如硫酸溶液和氯化鈉溶液的非飽和溶液，也可以是各種飽和的鹽溶液。飽和鹽溶液相比非飽和溶液的實際優勢在於能夠釋放或吸收相對大量的水，而不會顯著影響平衡相對溼度。
通過結合軸平移組件202，滲透控制組件204和溼度控制組件206，吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100的吸力控制部分102能夠實現從0到IOOOMPa的完整範圍的吸力。吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100還可在各種力學加載條件下操作。為了實現不同的加載條件，吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可包括力學加載部分104，該力學加載部分104如圖6示意性示出，該力學加載部分104可包括水平加載組件602、豎直加載組件604、水平位移組件606和豎直位移組件608。這可實現不同的力學加載條件。組件602、 604、606、608的一個或多個組件可完成諸如剪切強度、應力相關土水特徵曲線、固結特徵和體變特徵等特性的測量。通過吸力控制部分102和力學加載部分104，吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可在各種應力狀態和吸力狀態下操作。圖7示出了吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100的另一個實施例的示意性系統方框圖。如前所述，吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可包括吸力控制部分102和力學加載部分104。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100還可包括螺旋狀水室702。在操作吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100期間，可發生空氣擴散。儘管空氣擴散了，擴散但未溶解的氣泡會在吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100中累積。螺旋狀水室 702可為一個腔室，附加地或備選地，該螺旋狀水室702可為底座。圖8示出的是一種示例性吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100的結構布置示意圖。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀100可包括1、量管；2、壓力腔；3、水平向位移傳感器；4、加載帽；5、上剪切盒；6、水平加載杆；7、中剪切盒；8、下剪切盒；9、豎直向位移傳感器；10、豎直加載杆；11、用於控制壓縮氣體的氣路閥門；12、第一螺旋狀水腔室；13、第一篩網；14、第一半透膜或多孔石；15、水平向荷載傳感器；16、反應支承；17、土樣；18、第二半透膜或高進氣值陶瓷板；19、第二篩網；20、第二螺旋狀水腔室；21、四通閥門；22、衝刷系統和擴散空氣容積指示器；23、孔隙水壓傳感器；24、三通閥門；25、聚氧乙烯溶液/加溼空氣入口 ；26、蠕動泵；27、聚氧乙烯溶液/加溼空氣出口 ；28、燒杯的第一腔室；29、聚氧乙烯溶液；30、中間分隔件；31、燒杯的第二腔室；32、飽和鹽溶液；33、電子天平；34、壓力腔頂蓋； 35、壓力腔腔體；36、壓力腔底座；37、反應杆；38、蓋螺栓；39、橡膠密封圈；40、空氣出口 ； 41、加載帽蓋。吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可包括三種吸力控制方法。可利用壓力腔2和用於控制壓縮氣體的氣路閥門11來應用軸平移技術，其可被應用於小於大約500kPa的吸力。 可利用充滿聚氧乙烯溶液四的燒杯的第一腔室觀來應用滲透控制技術，其可被應用於從大約500kPa到大約IOMPa之間的吸力。可利用充滿飽和鹽溶液32的燒杯的第二腔室32 來應用溼度控制技術，其可被應用於超過大約IOMPa的吸力。在低吸力段(例如低於500kPa)，可採用軸平移技術。可經由氣路閥門11向壓力腔2施加高壓氣壓，以控制氣壓(Ua)。為了防止壓縮空氣進入土樣17底部的第二螺旋狀水腔室20，土樣17的底部配置了高進氣值陶瓷板18。可通過使用孔隙水壓傳感器23經由三通閥門M測量第二螺旋狀水腔室20的水壓(uw)。ua和測得的uw之間的差值被稱為基質吸力。軸平移技術限於用於低於大約500kPa的吸力。基於滲透的原理，滲透控制技術可應用於從大約500kPa到大約IOMPa之間的吸力。各種不同濃度的聚氧乙烯(PEG)溶液四可用於滲透控制技術。為了實現在大約500kPa 和大約IOMI^a之間的吸力，可在燒杯的第一腔室28內存儲標定濃度的聚氧乙烯溶液四，該
9聚氧乙烯溶液四由蠕動泵沈泵送到位於土樣17頂部的第一半透膜14且還被泵送到位於土樣底部的第二半透膜18。這兩個半透膜14、18允許水和土樣17中的離子通過，但不允許大溶質分子和土體顆粒通過。這導致了土樣17和聚氧乙烯溶液四之間的溶質濃度差， 從而引起半透膜兩側滲透勢不同。聚氧乙烯溶液四的滲透勢使得土樣17排水，其最終由土樣17中的負孔隙水壓差平衡。在平衡狀態下，土樣17中的土樣吸力等於聚氧乙烯溶液四的滲透吸力(滲透勢)。當聚氧乙烯溶液四的滲透吸力高於土樣17的吸力時，水從土樣17中吸走，並由四通閥門21調節，以及由量管1測量。由於土樣17周圍的氣壓保持為大氣壓，使用滲透技術更優地模擬了現場條件。在超過大約IOMPa的高吸力段，滲透技術不甚理想，因此在此高吸力段採用溼度控制技術。根據方程式(1)，可通過土體孔隙內的相對溼度來控制土體總吸力，而溼度控制技術控制該相對溼度。飽和鹽溶液32可存儲在燒杯的第二腔室31內。該存儲的鹽溶液 32可產生一定的相對溼度的潮溼空氣，之後其可通過蠕動泵沈泵送以循環至整個系統而到達在上盒5和中盒7中的土樣17並與之均化，之後該潮溼空氣回到燒杯的第二腔室31。 在給定的吸力處，流出或流進土樣17的任意過量體積的水蒸汽將由燒杯的第二腔室31收集或提供，而該量由電子天平33測量。通過結合軸平移技術、滲透控制技術和溼度控制技術，吸力控制的非飽和土綜合試驗儀能夠實現從0到IOOOMI^的完整範圍內的吸力。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀還能夠獨立或同步實現各種應力加載。吸力控制的非飽和土綜合試驗儀包括力學加載部分，該力學加載部分包括水平加載系統和豎直加載系統。該力學加載部分6還包括豎直位移測量設備和水平方向位移量測設備。在吸力控制的非飽和土綜合試驗儀中，可通過豎直加載杆10實現豎直加載，可通過豎直位移傳感器9測量土樣17的豎直位移。如需要剪切力，可通過水平加載杆6向土樣 17的底部施加水平力，且該力可由載荷單元15測量。加載系統6的水平移動可由水平位移傳感器3測量。在吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的操作期間，空氣擴散發生。擴散但未溶解的空氣可聚集在較低的第二半透膜或高進氣值陶瓷板18下方。這些空氣可經由第二螺旋狀水腔室20衝刷走。現參照圖9，示出了圖10中的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的平面圖。為了便於描述，圖9中的A-A剖面在圖10中展開，而圖9中的B-B剖面在圖11中展開。圖9示出的是6、水平加載杆；8、下剪切盒；20、第二螺旋狀水腔室；25、聚氧乙烯溶液/加溼空氣入口 ；27、聚氧乙烯溶液/加溼空氣出口 ；36、壓力腔底座；以及37、反應杆。 在圖8中示出並在圖10中展開的元件A包括4、加載帽；5、上剪切盒；6、水平加載杆；7、 中剪切盒；8、下剪切盒；10、豎直加載杆；11、用於控制壓縮氣體的氣路閥門；17、土樣；25、 聚氧乙烯溶液/加溼空氣入口 ；27、聚氧乙烯溶液/加溼器空氣出口 ；34、壓力腔腔蓋；35、 壓力腔腔體；36、壓力腔底座；37、反應杆；38、蓋螺栓；39、橡膠密封圈；40、空氣出口 ；以及 41、加載帽蓋。圖8中示出並在圖11中展開的元件B包括10、豎直加載杆；11、用於控制壓縮氣體的氣路閥門；12、第一螺旋狀水腔室；13、第一篩網；14、第一半透膜或多孔石；17、土樣；18、第二半透膜或高進氣值陶瓷板；19、第二篩網；20、第二螺旋狀水腔室；25、聚氧乙烯溶液/加溼空氣入口 ；27、聚氧乙烯溶液/加溼器空氣出口 ；以及40、空氣出口。圖9、10和 11所示的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的功能可與圖8所示的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的功能一樣。以圖12至14說明了例如可與圖8至11所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀聯合使用的方法或規則。為了簡單說明，該方法或規則作為一系列操作來描繪或描述，其目的既不是對實驗操作進行窮舉，也不是對實驗操作的次序加以限制。例如，實驗操作可以各種次序進行和/或同時進行，並包括其他再次沒有描述的實驗操作。此外，所述的步驟不都是在此描述的方法和算法所必備的。本領域技術人員可以認識和理解，這些方法和算法可通過狀態圖或項目表示為一系列不相關的狀態。。現參照圖12，示出的是用於測試、測量或確定單個土樣的各種特性的方法1200的示意性步驟流程圖，土樣可以是非飽和狀態。在整個方法1200中可使用同一土樣。該方法在1202部分處開始，其中可確定土樣的第一特性。在1204部分中，可在同一裝置上確定同一土樣的第二特性。該裝置可為例如如圖8-11所示的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀。在1206部分中，可在同一裝置上確定同一土樣的第三特性。在1208部分中，可在同一裝置上測量土樣的第四特性。第一特性、第二特性、第三特性和第四特性可包括重要的土工特性，諸如剪切強度、應力相關土水特徵曲線、間接滲透係數方程、固結特徵(包括沉降)、體變特徵(包括收縮和膨脹)和含水量等。這些特性可為土樣的任何力學或土水特性。該裝置可以是吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其可提供單個的一體式系統，能夠從單個土樣測試這些力學和水土特徵和特性，同時控制完整的吸力範圍(例如從0到IOOOMPa)。現參照圖13，示出的是用於控制土樣在從0到IOOOMPa的吸力範圍的方法1300的示意性步驟流程圖。土樣可以是非飽和的。在整個方法1300中可使用同一個土樣。完整範圍內的吸力能夠通過吸力控制的非飽和土綜合試驗儀實現，該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可提供能夠在完整吸力範圍通過單個土樣測試土體的力學特性和土水特徵的一體式系統。在1302部分處，該裝置可使用軸平移技術來控制低於大約500kPa的吸力。使用軸平移技術時，可提升土體孔隙氣壓力以增加土體孔隙水壓(Uw)達到正值，以避免排水系統中的氣化現象。總應力(O)隨著氣壓提高相同的數值，以保持淨應力(O-Ua)不變。通過這種方法，淨應力(σ-ιΟ在提升孔隙氣壓(Aua)之前和之後保持不變。類似地，基質吸力(Ua-Uw)也保持不變，因為孔隙氣壓(Aua)的提升和孔隙水壓(Auw)的增加一樣。軸平移技術通過使用高進氣值陶瓷板來隔離土樣中的孔隙氣和通常位於土樣的下方的孔隙水壓測量系統中的水相來實現。在飽和狀態下，該陶瓷板允許水通過，但防止自由氣體通過而流入孔隙水壓量測系統，只要所施加的基質吸力不超過多孔板的進氣值。該軸平移技術受限於系統所能施加和承受的最大氣壓值，以及多孔材料的進氣值(在數百kPa量級)。在1304部分處，該裝置可使用滲透控制技術控制大約500kPa到大約IOMPa之間的吸力。在滲透技術中，試樣和滲透溶液由半透膜隔開。例如土樣中的吸力控制可基於纖維半透膜。溶液在半透膜下部循環。該膜對水和土體中的離子是可透的，而對大溶質分子和土體顆粒是不可透的。因此，溶液和試樣之間的溶質濃度不同，導致了半透膜兩側的滲透勢不同。溶液和土體水的滲透勢的不同導致土樣的排水或進水，而該勢最終由試樣中的負孔隙水壓平衡。該膜兩側的水能量可表明如果溶液在平衡狀態，土樣中的基質吸力等於滲透吸力(滲透勢)。當溶液的滲透吸力大於試樣的基質吸力，水從土體吸取向溶液，增加試樣中的吸力以實現平衡。在平衡狀態，滲透吸力涉及土體鹽分的分量在半透膜兩側相同，且滲透吸力涉及大分子溶質的分量在土體中為零。半透膜兩側的滲透吸力差值等於滲透吸力涉及大分子溶質的分量。土體中孔隙氣壓(Ua)處於大氣壓，與現場的自然條件類似。當經由半透膜的水交換達到平衡時，土體水的勢等於溶液水的勢，也就是說土體中的總吸力等於溶液中的總吸力。因此，半透膜兩側的滲透吸力差值等於半透膜兩側基質吸力的差值。因為溶液中的基質吸力為零，土體水的基質吸力(ua2_uw2)等於半透膜兩側滲透吸力的差值(或等於滲透吸力的涉及溶質的分量)。滲透技術可基於聚氧乙烯(PEG)溶液或其等價物以產生吸力用於土體測試。聚氧乙烯由於其安全和簡單是最常用的溶質。滲透吸力的值取決於溶液濃度濃度越高，滲透吸力越大。最大吸力值受限於半透膜的性能以及溶液的最大滲透吸力勢(也即濃度)(可達大約 IOMPa)。在1306部分處，所述裝置可使用溼度控制技術控制超過大約IOMPa的吸力。採用溼度控制技術時，可在一個熱力學密閉環境中放置某種化合物的水溶液，並將土樣放入該封閉環境。根據化合物的物理化學特徵，化合物水溶液能在密閉環境中產生一定的相對溼度。土樣與溶液之間以水蒸氣的形式進行水份交換，直至實現吸力平衡，現參照圖14，示出的是用於測量或測試單個土樣的各種力學特性和土水特徵的方法1400的示意性步驟流程圖。土樣可以是非飽和土樣。在整個方法1400中可使用同一土樣。各種力學和土水特徵和特性可包括重要的土工特性，諸如剪切強度、應力相關土水特徵曲線、間接滲透係數方程、固結特徵(包括沉降)、體變特徵(包括收縮和膨脹)和含水量寸。在1402部分處，土樣被控制在吸力範圍在從0到IOOOMPa之間。對於從0到大約 500kPa範圍的吸力時，使用軸平移技術。對於從大約500kPa到IOMPa範圍的吸力時，使用滲透控制技術。對於從大約IOMI^a到大約IOOOMI3a範圍的吸力時，使用溼度控制技術。這些技術的結合允許控制土樣的吸力在從0到IOOOMPa的範圍中。在1404部分處，對所述土樣提供各種力學加載條件，所述加載包括水平加載和豎直加載，且同時進行水平和豎直位移的測量。所述加載條件可實現諸如剪切強度、應力相關土水特徵曲線、固結特徵及體變特徵的特性的測試或測量。在1406部分處，擴散的氣泡被從土樣衝刷走。在裝置用於各種吸力條件和力學加載條件的操作期間，發生空氣擴散。儘管空氣擴散了，擴散的未溶解的氣泡可聚集在土樣附近。這些聚集的氣泡可由裝置的專門設計的部分(例如底座或腔室)衝刷走。上文描述的本發明實施例的其目的不是對本發明的具體實施例進行窮舉，也不是將本發明局限於所公開的形式。列舉實施例的目的只是對本發明的基本精神進行解釋和說明。參照公開的具體實施例，本領域的技術人員可在這些實施例的範圍內對本發明進行多種修改。在此，儘管本發明結合了多個實施例及相應附圖進行描述。應當理解可不脫離本發明而應用相似的實施例或可對所述實施例進行修改或增加以實現與本發明相同、相似、備選或替換的功能。因此本發明不應限制於所描述的任一單個實施例，而應結合所附權利要求的範圍而理解。
權利要求
1.一種吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，包括 吸力控制部分；和力學加載部分，其特徵在於所述吸力控制的非飽和土綜合試驗儀確定單個土樣的至少四種土體特性。
2.根據權利要求1所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述至少四種特性包括剪切強度。
3.根據權利要求1所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述至少四種特性包括應力相關土水特徵曲線。
4.根據權利要求1所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述至少四種特性包括固結特徵。
5.根據權利要求1所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述至少四種特性包括體變特徵。
6.根據權利要求1所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述吸力控制部分可在從OkPa到IOOOMPa的吸力範圍中操作以控制所述土樣的吸力。
7.根據權利要求1所述的吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述吸力控制部分包括軸平移組件，其可在小於大約500kPa的吸力範圍內操作以控制所述土樣的吸力； 滲透控制組件，其可在從大約5001tfa到大約IOMI^a的吸力範圍內操作以控制所述土樣的吸力；相對溼度控制組件，其可在高於大約IOMPa的吸力範圍內操作以控制所述土樣的吸力。
8.根據權利要求1所述的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述力學加載部分包括 水平加載組件，以及用於測量土體在加載條件下水平方向變形的水平位移組件；和豎直加載系統，以及用於測量土體在加載條件下豎直方向變形的豎直位移組件。
9.根據權利要求1所述的非飽和土綜合試驗儀，其特徵在於所述土樣為非飽和土樣。
10.一種非飽和土實驗方法，包括 在單個設備上確定單一土樣的第一特性； 在所述單個設備上確定所述單一土樣的第二特性； 在所述單個設備上確定所述單一土樣的第三特性；以及在所述單個設備上確定所述單一土樣的第四特性。
11.根據權利要求10所述的非飽和土實驗方法，進一步包括在所述單個設備上控制所述土樣的吸力在0和大約IOOOMPa之間。
12.根據權利要求11所述的非飽和土實驗方法，進一步包括根據軸平移技術在所述單個設備上控制所述土樣的吸力在小於大約500kPa。
13.根據權利要求11所述的非飽和土實驗方法，進一步包括根據滲透技術在所述單個設備上控制所述土樣的吸力在大約500kPa和大約IOMI^a之間。
14.根據權利要求13所述的非飽和土實驗方法，其特徵在於所述滲透技術進一步包括採用聚氧乙烯(PEG)溶液或其等價物產生5001tfa和IOMI^a之間的吸力。
15.根據權利要求11所述的非飽和土實驗方法，進一步包括根據溼度控制技術在所述單個設備上控制所述土樣的吸力在大於大約lOMPa。
16.根據權利要求11所述的非飽和土實驗方法，進一步包括結合用於小於大約500kPa 的吸力的軸平移技術、用於在大約5001tfa和IOMI^a之間的吸力的滲透技術、以及用於大於大約IOMPa的吸力的溼度控制技術。
17.根據權利要求10所述的非飽和土實驗方法，進一步包括控制土樣豎直方向的應力並測量豎直方向的位移。
18.根據權利要求10所述的非飽和土實驗方法，進一步包括控制土樣水平方向的應力並測量水平方向的位移。
19.根據權利要求10所述的非飽和土實驗方法，進一步包括將擴散而聚集的氣泡從所述設備衝刷走。
20.一種吸力控制的非飽和土綜合試驗儀，包括用於控制土樣在從0到IOOOMPa的吸力的工具；用於實現多種應力加載條件的工具；以及用於將擴散的氣泡從所述吸力控制的非飽和土綜合試驗儀衝刷走的工具。
全文摘要
本發明公開了一種吸力控制的非飽和土綜合試驗儀的系統、裝置以及設計和使用，其特徵是通過一個試樣即可獲得非飽和土在完整吸力範圍內的各種力學特徵和土水特徵。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀可包括吸力控制部分和力學加載部分，可提供多種吸力控制方法和力學加載條件，從而可測試土樣在多種應力狀態和吸力狀態下的特性。該吸力控制的非飽和土綜合試驗儀還可包括螺旋狀水室，其可衝刷通過擴散而聚集的氣泡。
文檔編號G01N15/08GK102445528SQ201110282739
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月9日 優先權日2010年9月10日
發明者吳宏偉 申請人:香港科技大學