一種可控制豎向應力的土水特徵曲線實驗儀的製作方法

2023-09-17 08:40:10

本實用新型涉及應用於土水特徵曲線的實驗設備，尤其是一種可控制豎向應力的土水特徵曲線實驗儀。

背景技術：

土水特徵曲線在非飽和土力學中扮演著非常重要的角色，它已在巖土工程和環境工程得到廣泛應用。根據土水特徵曲線可以確定非飽和土的強度，體應變和滲透係數，甚至可以確定地下水面以上水份分布。

目前土水特徵曲線的確定方法大致分為兩類。一類是直接測量法：以壓力板儀和張力計為主。另一類是間接測量法：通常採用熱傳導吸力探頭，熱耦吸力計和濾紙法。

目前已有的傳統實驗儀器在進行土水特徵曲線測量時存在以下弊端：無法避免溶解在水中孔隙氣體經過高進氣值陶土板向外擴散，甚至停留在儀器中無法排出這一現象對實驗結果的影響；無法在施加應力的條件下進行土水特徵曲線的測量；沒有考慮體積變化對實驗數據的影響；市場上該類型的實驗儀的價位普遍偏高。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種可控制豎向應力的土水特徵曲線實驗儀，可對試樣加載豎向應力，解決擴散的氣泡對實驗結果產生影響的問題，同時可以測得試樣的體積變化提高測量結果的精度。

為解決上述技術問題，本實用新型所採用的技術方案是：

一種可控制豎向應力的土水特徵曲線實驗儀，包括試樣室, 試樣室上設有應力加載模塊、氣壓控制模塊及排水測量模塊；所述試樣室包括底座和密封室，密封室內放置有陶土板；所述應力加載模塊包括穿過試樣室的傳力杆，傳力杆上方正對設有施壓杆，施壓杆安裝在支撐杆上，支撐杆垂直穿過實驗臺、且與稱重裝置連接；所述氣壓控制模塊包括進氣孔，進氣孔通過進氣管與空壓機連接；所述排水測量模塊包括排水孔，排水孔通過排水管道與滴定管連通。

所述陶土板是進氣值為5Bar的多孔陶土板。

所述進氣管上安裝有連接成整體的壓力表和調壓閥。

所述支撐杆上安裝有位移傳感器，位移傳感器的位移探頭和試樣室頂部相接觸。

所述排水孔為兩個、且分別設置在試樣室底部兩側，兩個排水孔分別與各自的滴定管連接，構成兩套排水測量機構。

所述滴定管最下方刻度線平行或低於試樣室的底座。

本實用新型一種可控制豎向應力的土水特徵曲線實驗儀，具有以下技術效果：

1）、可對試樣施加豎向應力，從而得到土體在荷載狀態下的持水性能，實現外部應力和內部吸力對土體的同時作用，並在此基礎上進行實驗操作，從而使試樣的實驗環境更接近與工程實踐。

2）、通過在應力加載過程中設置位移傳感器，可以測出試樣的高度變化從而測得試樣的體積變化，修正由於體積改變而導致的測量結果偏差。使實驗數據更準確。

3）、通過兩個排水管和兩個滴定管組成的排水系統可以有效避免氣泡擴散在儀器排水系統內對排水量產生的影響。由於兩套排水系統相互連通，實驗過程中可以用洗耳球對試管中的水施加一定氣壓力，讓水在兩個試管內來回衝刷，從而排出氣泡。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明：

圖1為本實用新型中的試樣室的截面圖。

圖2為本實用新型的側視圖。

圖3為本實用新型中的試樣室的正視圖。

圖中：1.空壓機，2.調壓閥，3.傳力杆，4.試樣室，5.滴定管,6.鋼珠,7.傳壓板,8.排水管,9.環刀,10.試樣,11.陶土板,12.橫杆,13.支撐杆,14.施壓杆,15.位移傳感器,16.排水孔,17.進氣孔,18.進氣管,19.實驗臺,20.砝碼盤。

具體實施方式

如圖1-3所示，一種可控制豎向應力的土水特徵曲線實驗儀包括實驗臺19，實驗臺19上安裝有試樣室4, 試樣室4放置於實驗臺19上，是一個圓柱形密閉空間，試樣室4包括底座和配套使用的密封室，底座內嵌有一塊進氣值為5Bar的多孔陶土板11，試樣9放置在陶土板11上，試樣上方加一塊透水石，透水石上方放上傳壓板7和鋼珠6。鋼珠6和傳力杆3一端相接觸，傳力杆3另一端位於試樣室4上部且穿過頂蓋，傳力杆3位於施壓杆14正下方，施壓杆14安裝在支撐杆13上，支撐杆13垂直穿過實驗臺19（垂直設置使得加載在試驗試樣上的豎向應力大小和換算出的力相等）、且與砝碼盤20連接，當加入適當數量的砝碼時，可依靠砝碼的重量再通過橫杆12和支撐杆13的傳遞，可使施壓杆14與傳力杆3良好接觸，從而達到對試樣施加豎向壓力的目的。試樣室4側壁設置進氣孔17，進氣孔通過進氣管18與空壓機1連接。另外，壓力表和調壓閥2為一個整體安裝在進氣管18上，可對氣壓進行粗調和細調，保證氣壓調節的精度。當需要施壓氣壓，可先向兩個滴定管中加入一定量的水。根據實驗需要對試樣逐級施加氣壓力或者逐級減少氣壓力。在外加基質吸力的作用下，土樣吸水或排水，以達到土樣內部的吸力平衡。所述底座兩側設置排水孔16，兩排水孔16分別與排水管8、滴定管5連通。兩套排水測量裝置在後期可排出擴散的氣泡，提高實驗精度。

所述支撐杆13上安裝有位移傳感器15，位移傳感器15的位移探頭和試樣室頂部相接觸。由此可以測出試樣的高度變化從而測得試樣的體積變化，修正由於體積改變而導致的測量結果偏差。使實驗數據更準確。

所述滴定管5最下方刻度線平行或低於試樣室4的底座。在陶土板飽和過程中滴定管內需要加入一定水。在後期固結過程中，可防止水回流進入試樣室。

操作過程及原理：

1）、 進行試驗前要先將高進氣值陶土板進行飽和，飽和時在試樣室內加一定量的水然後蓋上試樣缸使試樣室密閉，施加約1Bar的氣壓，等待約24小時左右水在氣壓的作用下壓入陶土板使陶土板飽和。

陶土板飽和過程中，酸式滴定管內加入一定水，但水位要略低於底座。其目的是在之後的固結過程中防止水回流進入試樣室。

實驗用的試樣為環刀樣，完成制樣後將試樣放在試樣室內，調整試樣位置放於陶土板正中央（即試樣室正中央）。試樣上方加一塊透水石，透水石上方放上傳壓板和鋼珠。鋼珠和傳壓杆相接觸。

2）、接下來可根據實驗需求對試樣進行固結，根據實驗設計對試樣進行逐級加載，每級壓力可以以持續24小時為標準或者根據百分表的讀數在1小時內不大於0.005mm為標準視為當前壓力狀態下固結完成。接下來以以上標準加載每一級應力直至試樣固結完成。

3）、固結完成後（若實驗方案沒有固結階段可以跳過固結階段），進入施壓氣壓階段。利用飽和的高進氣值陶土板，採用軸平移技術控制土樣的基質吸力。孔隙水壓力保持為零，通過氣壓力控制系統對試樣施加氣壓，通過壓力表控制氣壓大小。壓力表上所顯示的氣壓大小即為基質吸力大小。此時在兩個酸式滴定管中加入一定量的水。根據實驗需要對試樣施加逐級氣壓力或者逐級減少氣壓力。在外加基質吸力的作用下，土樣吸水或排水，以達到土樣內部的吸力平衡。當試管中的水位不再發生變化時，證明土樣中的水體積不再變化，表明土樣內部的基質吸力和所施加的氣壓力達到平衡。壓力表上顯示的氣壓力值即為土樣當前的基質吸力值，同時可以根據水體積變化計算出此時土樣的含水量。然後施加下一級氣壓，重複以上步驟。多次重複以上步驟後，可以得到一系列的基質吸力值以及相對應的土樣含水量的值。將這些數據進行處理換算可以得到想要的數據，同時可以畫出和實驗方案相關的土水特徵曲線。

試驗過程中，對試樣進行施壓後，施壓杆會隨著試樣的體積的變化而發生位移。位移傳感器安裝於支撐杆上，施壓杆是在支撐杆的帶動下移動的，所以當試樣發生體積變化時，位移傳感器也將隨著支撐杆移動。位移傳感器所顯示出的讀數即為軸向位移，通過測量出的軸向體變換算出試樣的體積變化。通過該措施考慮了試樣體積變化對試驗結果的影響，從而提高了實驗的精度。

由於兩套排水系統相連通，實驗過程中，可以對試管中的水施加一定大小的氣壓。將其中一個酸式滴定管內一定量的水通過管道和陶土板壓入另一個試管中，然後對另一個重複上述操作，多次往復使得水在兩個試管中來回衝刷，從而排出擴散的氣泡。通過該措施解決了擴散的氣泡對排水量的影響，提高實驗數據的精確度。

該儀器和同類型儀器相比，經濟實惠，操作簡單，實驗數據直觀也便於觀測。上述方案中位移傳感器其優點在於可以自動記錄位移量，但是整套設施價格偏高，安裝繁瑣。可以根據實驗需要將位移傳感器更換為百分表，百分表無法自動記錄位移量，但是其優點是價格經濟實惠，安裝起來方便快捷，也可以達到實驗所需求的標準。可以根據自身條件自行選擇。