負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置的製作方法

2023-05-08 18:39:11

專利名稱：負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種土木工程土工試驗裝置，特別是一種非飽和土體吸力控制及其量測的裝置，應用於巖土工程的土工試驗。
背景技術：
巖土工程中的非飽和土比比皆是，在地基工程、邊坡工程和洞室工程中尤為常見，主要是自然乾燥土和壓實土，土壩的建造與運行、環境條件變化情況下的天然土坡、豎直挖方的邊坡穩定、膨脹土造成的地面隆起及其溼陷土中的許多問題，均涉及到非飽和土的滲透、強度和變形特性，因此對於非飽和土性質的研究顯的非常必要。非飽和土與飽和土的最大的差別在於非飽和土不僅存在固相和液相併且存在氣相，非飽和土的液相與氣相之間的水氣交界面上存在孔隙氣壓力和孔隙水壓力之間的壓力差稱為吸力，因此對於吸力控制及其量測技術顯得尤其重要。現有土工試驗中研究非飽和土水力-力學特徵中，吸力控制和量測吸力常用的試驗方法有:軸平移技術、濾紙法、蒸汽平衡法、張力計法等。目前在室內土工試驗中軸平移技術是最常用的吸力控制及量測方法，軸平移法是同時增加孔隙氣壓力和孔隙水壓力，使試樣中的淨應力狀態變量保持不變進而可以解決負孔隙水壓力量測的氣蝕問題，但不能真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態。Toll通過大量的試驗發現:控制吸力相等時，用軸平移技術控制吸力的土體含水量大於土體自然情況下的含水量。同時使用軸平移技術對受荷載測定十分困難，且容易使試樣因受力狀態的改變而引起擾動或歪曲測定的結果。對於非飽和土三軸試驗中，人為地提高氣壓使得阻止試樣內的氣體通過橡皮膜向外滲漏成為一個困難問題，Bishop曾在橡皮膜外包一層鋁箔或在壓力室內充滿水銀代替水，但又給試驗操作帶來許多麻煩。同時使用通水不通氣的高進氣值陶瓷板來分別控制孔隙氣壓力及孔隙水壓力達到控制吸力，控制吸力的範圍受陶瓷板進氣值的限制，當陶土板進氣值較高時，陶土板滲水性低造成吸力平衡時間長。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，並提供一種負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，裝樣器的壓力室內氣壓與大氣壓相等，其吸力值等於孔隙水壓力的絕對值，克服了採用軸平移技術時土體的吸力狀態與天然土體不一樣的缺點，解決陶土板高流量與高進氣值的矛盾，在控制吸力時能真實地再現非飽和土體的自然狀態，真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態，即試驗時土體吸力狀態與地表附近非飽和土體的狀態相同，裝置構造簡單，操作方便，易於掌握。為達到上述發明創造目的，本發明採用下述技術方案:
一種負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，主要包括非飽和土固結儀，非飽和土固結儀的壓力室由壓力壁、壓力室頂蓋和壓力室底板組裝連接形成，通過螺絲杆穿過螺絲孔，將壓力室頂蓋與壓力室底板安裝連接在一起，在壓力壁和壓力室底板連接處設有橡膠圈，透水不透氣的陶土板固 定安裝壓力室底板上，與陶土板直接接觸的壓力室底板上表面設有螺旋槽，螺旋槽與貫穿壓力室底板的水孔連通，試樣和環刀放在陶土板上，還包括土體含水量變化的測量系統和正負壓力轉換系統，具體為:土體含水量變化的測量系統由是乾燥器、盛水容器、重量傳感器和控制系統組成，在乾燥器內的底部設置墊層，在墊層上設置重量傳感器，重量傳感器上載有盛水容器，乾燥器的上口通過三孔塞密封，穿過三孔塞的導管一端直接通入盛水容器內，其另一端與水孔連通，在導管上設有排水閥門，穿過三孔塞的數據線一端與控制系統的數據接收端連接，其另一端與重量傳感器的輸出段連接；正負壓力轉換系統由正壓力控制表、負壓力控制表、壓力轉換器和空壓機組成，另外一支導管也穿過三孔塞，此導管的一端與乾燥器內部導氣連通，其另一端與空壓機的送氣口連通，壓力轉換器控制此導管內的氣體壓力，負壓力控制表和正壓力控制表分別設於壓力轉換器兩側的此導管上；在壓力室頂蓋上設有排氣孔，使壓力室與大氣連通，排氣孔口用通氣不通水的濾紙密封住。上述控制系統優選採用計算機。作為本發明技術方案的改進，與上述空壓機相連的導管的伸入乾燥器的端部也用通氣不通水的濾紙密封。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
1.本發明負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置保持裝樣器的壓力室內氣壓與大氣壓相等，其吸力值等於孔隙水壓力的絕對值，真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態，即試驗時土體吸力狀態與地 表附近非飽和土體的狀態相同，克服了採用軸平移技術時土體試樣的吸力狀態與天然土體不一樣的缺點；通氣不通水的聚氟乙烯濾紙可以有效防止土體試樣的蒸發。2.本發明負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置吸力平衡過程中土體含水量的變化通過重量傳感器實時地進行量測，精確度高，便於數據記錄和存儲，自動化程度高；
3.本發明負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置進行非飽和土壓力板試驗豎向加載時，可避免氣壓對荷載的影響，能更加真實反映實驗結果；
4.本發明的裝樣器構造簡單，操作方便，易於掌握。


圖1是本發明負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置總體結構示意圖。圖2是本發明的非飽和土壓力板儀系統的結構示意圖。圖3是本發明的土體含水量變化的測量系統的結構示意圖。圖4是本發明的正負壓力裝換系統的結構示意圖。圖5是本發明的壓力室罩的結構示意圖。圖6是本發明的壓力室底板的結構示意圖。圖7是本發明的螺絲杆示意圖。圖8是本發明的壓力室底板立面圖。圖9是本發明的壓力室立面圖。圖10是本發明的土體含水量變化的測量系統的乾燥器結構示意圖。圖11是本發明的重量傳感器和燒杯的結構示意圖。圖12是本發明的三孔塞子及其計算機的示意圖。
具體實施例方式本發明的優選實施例結合

如下:
在本實施例中，參見圖1 圖12，一種負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，主要包括非飽和土固結儀，非飽和土固結儀的壓力室I由壓力壁2、壓力室頂蓋3和壓力室底板4組裝連接形成，通過螺絲杆5穿過螺絲孔14，將壓力室頂蓋3與壓力室底板4安裝連接在一起，通過改變壓力室的直徑和高度能滿足不同尺寸的試驗土樣試樣7，在壓力壁2和壓力室底板4連接處設有橡膠圈13，透水不透氣的陶土板6固定安裝壓力室底板4上，與陶土板6直接接觸的壓力室底板4上表面設有螺旋槽12，螺旋槽12與貫穿壓力室底板4的水孔11連通，試樣7和環刀8放在陶土板6上，其特徵在於，還包括土體含水量變化的測量系統和正負壓力轉換系統，具體為:土體含水量變化的測量系統由是乾燥器15、盛水容器17、重量傳感器18和控制系統27組成，在乾燥器15內的底部設置墊層19，在墊層19上設置重量傳感器18，重量傳感器18上載有盛水容器17，乾燥器15的上口通過三孔塞16密封，穿過三孔塞16的導管20 —端直接通入盛水容器17內，其另一端與水孔11連通，在導管20上設有排水閥門24，穿過三孔塞16的數據線21 —端與控制系統27的數據接收端連接，控制系統27為計算機，本實施例重量量測系統可以實時量測土體含水量變化情況，其另一端與重量傳感器18的輸出段連接；正負壓力轉換系統由正壓力控制表22、負壓力控制表23、壓力轉換器26和空壓機25組成，另外一支導管20也穿過三孔塞16,此導管20的一端與乾燥器15內部導氣連通，其另一端與空壓機25的送氣口連通，壓力轉換器26控制此導管20內的氣體壓力，負壓力控制表23和正壓力控制表22分別設於壓力轉換器26兩側的此導管20上，通過控制不同負孔隙水壓力控制土樣的吸力，負壓力控制表23和正壓力控制表22的控制量程分別為(TlMpa和_12(T0kPa，壓力轉換器26作為真空產生器，利用文氏管原理壓縮空氣轉換成低流量的真空，真空範圍為(Γ89.6kPa，最大供應壓力為137.9kPa，空壓機25能夠提供氣壓(TlMPa ;在壓力室頂蓋3上設有排氣孔9，使壓力室I與大氣連通，排氣孔口9用通氣不通水的濾紙10密封住，最好為聚氟乙烯濾紙，與空壓機25相連的導管20的伸入乾燥器15的端部也用通氣不通水的濾紙10密封，聚氟乙烯濾紙具有通氣不通水的功能，能避免試樣含水量受到大氣蒸發的影響，並使其重`量傳感器測量土樣含水量更加準確。本實施例非飽和土壓力板儀壓力室內氣壓通道與大氣連通，壓力室內氣壓孔口用通氣不通水的聚氟乙烯濾紙密封，壓力板儀底部是透水不透氣的陶土板，陶土板底部接出來塑膠管與土體含水量變化的測量系統相連接，高進氣值的陶土板又能使土樣的氣壓與孔隙水壓分別控制。本實施例的裝樣器的壓力室內氣壓與大氣壓相等，其吸力值等於孔隙水壓力的絕對值，在控制吸力時能真實地再現非飽和土體的自然狀態，真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態。在本實施例中，壓力室(1)，其內徑107.46mm、高度101.06mm ;壓力壁(2)，其厚度 6.52mm,高度 101.06mm,內徑 IO7.46mm ;壓力蓋(3)，直徑 1δ0.78,高度 21.62mm ;壓力室底板(4)，直徑160mm，高度29.28mm ;螺絲杆(5)，直徑12.58mm,總長度138.44mm ;陶土板(6),直徑89mm,高度10.84mm,其進氣值5bar ;試樣(7)和環刀(8),直徑61.80mm,高度20mm;分別是排氣孔(9)和水孔(11)，孔徑10.54mm ;橡膠圈(13)，內徑112.62mm，外徑116.36mm ;螺絲孔(14),孔徑12.60mm ;乾燥器(15),下直徑250mm,上直徑300mm,高度300mm ;三孔塞(16)，塞子直徑47 65mm，孔徑6mm ;盛水容器17，200cc ;導管(20)，外徑6mm，內徑4mm。使用本實施例負孔隙水壓力控制吸力的壓力試驗的具體過程如下:
a.先用脫氣水把壓力室底板4的陶土板6進行完全飽和；
b.把預先製作好的試樣7、環刀8放在壓力室底板4的陶土板6上；
c.把排氣孔9用聚氟乙烯濾紙10密封；把橡膠圈13放置在壓力壁2與壓力底板4接觸地方。用螺絲杆5把壓力室頂蓋3與壓力室底板4安裝連接好，保證具有良好的密封性；
d.安裝配置好土體含水量變化的測量系統，即重量測量系統，把排水孔11到燒杯17的導管20及燒杯17充滿脫氣水，把重量傳感器18打開、調試好，把數據線21連接到計算機上，把乾燥器15用三孔塞16塞緊保證具有良好的密封性；
e.把正壓力控制表22、負壓力控制表23、壓力轉換器26和空壓機25用導管20連通；打開正壓力控制表22、負壓力控制表23、和空壓機25，撥動正壓力控制表22和負壓力控制表23、設定目標負孔隙水壓力值；
f.打開排水閥門24，打開計算機實時採集土樣含水量變化數據；
g.實時觀測土樣含水量變化數據來判斷吸力是否平衡，吸力平衡後所設定目標負孔隙水壓力值就是土樣吸力，達到吸力控制的目的；
h.關閉排水閥門，用正壓力控制表2 2和負壓力控制表23把負孔隙水壓回到0，拆除壓力室，測量土樣重量，再根據土樣初始含水量計算出試樣目前的含水量；
1.或者根據重量傳感器所測量的土樣含水量變化值和土樣初始含水量計算試樣目前含水量；
j.控制另一個吸力，用正壓力控制表22和負壓力控制表23將負孔隙水力值調到目標值，再打開排水閥門24，吸力平衡后土樣含水量的測量與上述步驟h和步驟i相同。本實施例壓力室內氣壓與大氣壓相等，其吸力值等於孔隙水壓力的絕對值。試驗裝置能真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態，即試驗時土體吸力狀態與地表附近非飽和土體的狀態相同。克服了採用軸平移技術時土體的吸力狀態與天然土體不一樣的缺點，且吸力平衡過程中土體含水量的變化通過重量傳感器實時地進行量測。此裝置用正負壓力裝換系統能夠精確的控制負孔隙水壓。本發明負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置的裝樣器構造簡單，操作方便，易於掌握。上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限於上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合用於本發明負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置的結構和構造原理，都屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，主要包括非飽和土固結儀，所述非飽和土固結儀的壓力室(I)由壓力壁(2)、壓力室頂蓋(3)和壓力室底板(4)組裝連接形成，通過螺絲杆(5)穿過螺絲孔(14)，將所述壓力室頂蓋(3)與壓力室底板(4)安裝連接在一起，在所述壓力壁(2)和所述壓力室底板(4)連接處設有橡膠圈(13)，透水不透氣的陶土板(6)固定安裝所述壓力室底板(4)上，與所述陶土板(6)直接接觸的壓力室底板(4)上表面設有螺旋槽(12)，螺旋槽(12)與貫穿所述壓力室底板(4)的水孔(11)連通，試樣(7)和環刀(8)放在所述陶土板(6)上，其特徵在於，還包括土體含水量變化的測量系統和正負壓力轉換系統，具體為: 所述土體含水量變化的測量系統由是乾燥器(15)、盛水容器(17)、重量傳感器(18)和控制系統(27 )組成，在所述乾燥器(15 )內的底部設置墊層(19 )，在墊層(19 )上設置所述重量傳感器(18 )，所述重量傳感器(18 )上載有所述盛水容器(17 )，所述乾燥器(15 )的上口通過三孔塞(16)密封，穿過所述三孔塞(16)的導管(20) —端直接通入盛水容器(17)內，其另一端與所述水孔(11)連通，在所述導管(20 )上設有排水閥門(24 )，穿過所述三孔塞(16 )的數據線(21) —端與控制系統(27)的數據接收端連接，其另一端與所述重量傳感器(18)的輸出段連接； 所述正負壓力轉換系統由正壓力控制表(22)、負壓力控制表(23)、壓力轉換器(26)和空壓機(25)組成，另外一支導管(20)也穿過所述三孔塞(16)，此導管(20)的一端與所述乾燥器(15)內部導氣連 通，其另一端與所述空壓機(25)的送氣口連通，所述壓力轉換器(26)控制此導管(20)內的氣體壓力，所述負壓力控制表(23)和正壓力控制表(22)分別設於所述壓力轉換器(26)兩側的此導管(20)上； 在壓力室頂蓋(3 )上設有排氣孔(9 )，使所述壓力室(I)與大氣連通，所述排氣孔口( 9 )用通氣不通水的濾紙(10)密封住。
2.根據權利要求1所述的負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，其特徵在於:所述控制系統(27)為計算機。
3.根據權利要求1或2所述的負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，其特徵在於:與所述空壓機(25)相連的導管(20)的伸入所述乾燥器(15)的端部也用所述通氣不通水的濾紙(10)密封。
全文摘要
本發明公開了一種負孔隙水壓力控制吸力的壓力板試驗裝置，包括非飽和土固結儀、土體含水量變化的測量系統和正負壓力轉換系統，土體含水量變化的測量系統由是乾燥器、盛水容器、重量傳感器和控制系統組成，正負壓力轉換系統由正壓力控制表、負壓力控制表、壓力轉換器和空壓機組成，在壓力室頂蓋上設有排氣孔，使壓力室與大氣連通，排氣孔口用通氣不通水的濾紙密封住。本發明的裝樣器的壓力室內氣壓與大氣壓相等，其吸力值等於孔隙水壓力的絕對值，在控制吸力時能真實地再現非飽和土體的自然狀態，真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態，克服了軸平移技術的缺點，並且裝置構造簡單，操作方便，易於掌握。
文檔編號G01N33/24GK103235107SQ201310149139
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月26日 優先權日2013年4月26日
發明者孫德安, 張俊然, 吳義高, 劉文捷, 賈磊 申請人:上海大學