非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置及測定方法

2023-05-22 13:31:51

專利名稱：非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置及測定方法
技術領域：
本發明是一種土工測試儀器，主要應用於巖土工程領域的非飽和土力學特性參數測試研究，屬於土工測試儀器製造的技術領域。
背景技術：
非飽和土力學是當今巖土工程領域中最活躍的研究分支，但由於測試設備不能滿足研究的需要，嚴重製約了非飽和土力學理論的發展，現行的土工測試設備主要用於飽和土的測試，不適用於非飽和土的情況。因此必須另行設計適合於非飽和土的測試設備。現行的非飽和土固結儀和水分特徵曲線測定儀基本上均為進口，國產的非飽和土固結儀是由原來的飽和土固結儀改制的不能控制吸力，另外也沒有排水測量裝置等；進口的水分特徵曲線測定儀只能進行脫溼過程的測定，吸溼過程尚無法測定，有荷狀態的水分特徵曲線也不能測定，本聯合測定儀均有這些功能。

發明內容
技術問題本發明目的是提供一種非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置及測定方法，解決非飽和土的固結測試，同時又可用於非飽和土的水分特徵曲線的測試。
技術方案本發明的非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置為一個密封的壓力室，其組成是密封壓力容器蓋蓋在密封壓力容器底座上由螺栓固定，在密封壓力容器底座內的空腔中設有一個定位圈，在定位圈內的空腔中是試樣，在試樣的下部設有陶土板，在試樣的上部設有透水石，在透水石的上部設有傳壓帽，在透水石和傳壓帽的外周為環刀；在密封壓力容器蓋頂部的通孔中設有軸承座，在軸承座上設有直線軸承，在軸承座的下部為滾動隔膜；垂向傳壓軸的上部與垂向位移傳感器相接，下部穿過直線軸承、軸承座、滾動隔膜、密封壓力容器蓋位於傳壓帽的上部；在密封壓力容器蓋和密封壓力容器底座上分別設有與外部管道相連接的通孔。
將加壓泵的輸出分三路，第一路通過水壓控制閥和孔壓傳感器與密封壓力容器底座上與外部管道相連接的通孔相連通，第二路通過第二氣壓控制閥與密封壓力容器蓋上與外部管道相連接的通孔相連通，第三路與第一氣壓控制閥相連通；第一氣壓控制閥與排水測量管及密封壓力容器底部陶土板和外部管道相連接的通孔相連通，在排水測量管的兩端並接有差壓計。
測定方法分為固結壓縮測定和水份特徵曲線測定兩部分，1)固結壓縮測定a.首先讓陶土板預先飽和，將製備的土樣安放到密封容器內並讓容器密封；b.安置好垂向位移傳感器，設定初始值，c.按設定的吸力控制施加氣壓和水壓，穩定24～48小時；吸力為氣壓與水壓的差值，d.按要求對垂向傳壓軸施加垂向荷載，測讀垂向位移，e.測讀排水測量管的排水量，垂向位移穩定後，逐級增加垂向荷載，重複以上步驟d～e循環直到試驗結束，整理試驗數據，得到壓縮係數和固結係數；2)水份特徵曲線測定f.首先讓陶土板預先飽和，將製備的土樣安放到密封容器內並讓容器密封；g.根據具體要求，確定固定的垂向荷載值；h.按設定的初始吸力值控制施加氣壓和水壓；i.測讀排水測量管的排水量；密封壓力室內放置所測試的試樣，通過加壓泵分別施加氣壓和孔壓，氣壓與水壓的差值為吸力。在吸力作用下若干時間後沒有水排出，排水穩定後，再施加一個吸力增量，步驟h～i循環直到試驗結束，整理數據，得到水分特徵曲線。
上述f～I步驟測得水分特徵曲線為脫溼的水分特徵曲線，水分特徵曲線還有吸溼曲線。吸溼水分特徵曲線測量與脫溼水分特徵曲線測量相類似。測量吸溼水分特徵曲線時，f步的土樣不是飽和樣而是幹土樣，吸力控制由大逐步減小，在每級吸力作用下測讀排水測量管的水量減小值(i步)，此水量減小值是被土樣吸收的水分，土樣吸水穩定後，再減小吸力(負增量)，步驟h～i循環直到試驗結束，整理數據，得到吸溼水分特徵曲線。
有益效果通過這一儀器設備可以實現控制吸力方式下測定非飽和土的壓縮係數、固結係數和水份特徵曲線，從而研究非飽和土的力學特性，進行相關工程(包括基坑工程、邊坡工程等)設計和科學研究。
對於非飽和土力學的理論研究，由於沒有相應的試驗設備(其中包括非飽和土壓縮固結儀和水分特徵曲線測定儀)，制約了非飽和土本構模型的研究，也就無法將非飽和土力學理論進一步完善並應用到實際工程的設計和工程實踐中。本儀器的發明將有助於非飽和土力學理論的發展和工程應用。


圖1是非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定儀結構示意圖。其中有第一氣壓控制閥1、垂向位移傳感器2、垂向傳壓軸3、直線軸承4、第二氣壓控制閥5、軸承座6、密封壓力容器蓋7、螺栓8、滾動隔膜9、環刀10、定位圈11、傳壓帽12、透水石13、試樣14、密封壓力容器底座15、差壓計16、排水測量管17、陶土板18、孔壓傳感器19、水壓控制閥20、加壓泵21。
具體實施例方式
非飽和土固結儀和水分特徵曲線聯合測定儀由密封的壓力室、吸力控制裝置、排水測量裝置、垂向加載裝置、非飽和土樣固結變形測量和加壓裝置組成。
1、密封的壓力室由密封壓力容器底座、密封壓力容器蓋並用「○」圈和螺栓進行密封，密封壓力室內放置所測試的土樣。其組成是密封壓力容器蓋7蓋在密封壓力容器底座15上由螺栓8固定，在密封壓力容器底座15內的空腔中設有一個定位圈11，在定位圈11內的空腔中是試樣14，在試樣14的下部設有陶土板18，在試樣14的上部設有透水石13，在透水石13的上部設有傳壓帽12，在透水石13和傳壓帽12的外周為環刀10；在密封壓力容器蓋7頂部的通孔中設有軸承座6，在軸承座6上設有直線軸承4，在軸承座6的下部為滾動隔膜9；垂向傳壓軸3的上部與垂向位移傳感器2相接，下部穿過直線軸承4、軸承座6、滾動隔膜9、密封壓力容器蓋7位於傳壓帽12的上部；在密封壓力容器蓋7和密封壓力容器底座15上分別設有與外部管道相連接的通孔。
2、吸力控制裝置吸力控制通過分別控制孔隙氣壓(氣壓控制閥2)和孔隙水壓來實現的，氣壓通過透水石施加於土樣，孔隙水壓通過陶土板施加。將加壓泵21的輸出分三路，第一路通過水壓控制閥20和孔壓傳感器19與密封壓力容器底座15上與外部管道相連接的通孔相連通，第二路通過第二氣壓控制閥5與密封壓力容器蓋7上與外部管道相連接的通孔相連通，第三路與第一氣壓控制閥1相連通；第一氣壓控制閥1與排水測量管17及密封壓力容器底部陶土板15和外部管道相連接的通孔相連通，在排水測量管17的兩端並接有差壓計16。
3、排水測量排水通過土樣底部的陶土板排到排水測量管中，為防止排水管中的水蒸發或汽化，通過氣壓控制閥1和差壓計進行調控。測定固結和水分特徵曲線測定過程中的排水情況，同時對吸溼過程的水分特徵曲線測定時，又可測定土樣吸水量的測量。
4、垂向加載裝置施加垂向壓力並通過傳壓帽對土樣施加壓力，壓力大小逐級控制。
5、非飽和土樣固結變形測量通過測定不同垂向壓力作用下土樣的變形，分析非飽和土的固結情況。
6、加壓裝置通過加壓泵分別施加孔隙氣壓和孔隙水壓，通常採用空壓機實現。
具體的測定方法分為固結壓縮測定和水份特徵曲線測定兩部分1)固結壓縮測定a.首先讓陶土板18預先飽和，將製備的土樣安放到密封容器內，並讓容器密封；b.安置好垂向位移傳感器2，設定初始值，c.按設定的吸力控制施加氣壓和水壓，穩定24～48小時；吸力為氣壓與水壓的差值，d.按要求對垂向傳壓軸3施加垂向荷載，測讀垂向位移，e.測讀排水測量管17的排水量，垂向位移穩定後，逐級增加垂向荷載，重複以上步驟d～e循環直到試驗結束，整理試驗數據，得到壓縮係數和固結係數；
2)水份特徵曲線測定f.首先讓陶土板18預先飽和，將製備的土樣安放到密封容器內，並讓容器密封；g.根據具體要求，確定固定的垂向荷載值；h.按設定的初始吸力值控制施加氣壓和水壓；i.測讀排水測量管17的排水量；密封壓力室內放置所測試的試樣14，通過加壓泵21分別施加氣壓和孔壓，氣壓與水壓的差值為吸力。在吸力作用下若干時間後沒有水排出，排水穩定後，再施加一個吸力增量，步驟b～i循環直到試驗結束，整理數據，得到水分特徵曲線。上述f～I步驟測得水分特徵曲線為脫溼的水分特徵曲線，水分特徵曲線還有吸溼曲線。吸溼水分特徵曲線測量與脫溼水分特徵曲線測量相類似。測量吸溼水分特徵曲線時，f步的土樣不是飽和樣而是幹土樣，吸力控制由大逐步減小，在每級吸力作用下測讀排水測量管的水量減小值(i步)，此水量減小值是被土樣吸收的水分，土樣吸水穩定後，再減小吸力(負增量)，步驟h～i循環直到試驗結束，整理數據，得到吸溼水分特徵曲線。
權利要求
1.一種非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置，其特徵在於該測定裝置為一個密封的壓力室，其組成是密封壓力容器蓋(7)蓋在密封壓力容器底座(15)上由螺栓(8)固定，在密封壓力容器底座(15)內的空腔中設有一個定位圈(11)，在定位圈(11)內的空腔中是試樣(14)，在試樣(14)的下部設有陶土板(18)，在試樣(14)的上部設有透水石(13)，在透水石(13)的上部設有傳壓帽(12)，在透水石(13)和傳壓帽(12)的外周為環刀(10)；在密封壓力容器蓋(7)頂部的通孔中設有軸承座(6)，在軸承座(6)上設有直線軸承(4)，在軸承座(6)的下部為滾動隔膜(9)；垂向傳壓軸(3)的上部與垂向位移傳感器(2)相接，下部穿過直線軸承(4)、軸承座(6)、滾動隔膜(9)、密封壓力容器蓋(7)位於傳壓帽(12)的上部；在密封壓力容器蓋(7)和密封壓力容器底座(15)上分別設有與外部管道相連接的通孔。
2.一種用於如權利要求1所述的非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置的測定方法，其特徵在於將加壓泵(21)的輸出分三路，第一路通過水壓控制閥(20)和孔壓傳感器(19)與密封壓力容器底座(15)上與外部管道相連接的通孔相連通，第二路通過第二氣壓控制閥(5)與密封壓力容器蓋(7)上與外部管道相連接的通孔相連通，第三路與第一氣壓控制閥(1)相連通；第一氣壓控制閥(1)與排水測量管(17)及密封壓力容器底部陶土板(15)和外部管道相連接的通孔相連通，在排水測量管(17)的兩端並接有差壓計(16)。
3.根據權利要求2所述的非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置的測定方法，其特徵在於測定方法分為固結壓縮測定和水份特徵曲線測定兩部分，1)固結壓縮測定a.首先讓陶土板(18)預先飽和，將製備的土樣安放到密封容器內，並讓容器密封；b.安置好垂向位移傳感器(2)，設定初始值，c.按設定的吸力控制施加氣壓和水壓，穩定24～48小時；吸力為氣壓與水壓的差值，d.按要求對垂向傳壓軸(3)施加垂向荷載，測讀垂向位移，e.測讀排水測量管(17)的排水量，垂向位移穩定後，逐級增加垂向荷載，重複以上步驟d～e循環直到試驗結束，整理試驗數據，得到壓縮係數和固結係數；2)水份特徵曲線測定f.首先讓陶土板(18)預先飽和，將製備完全飽和的土樣安放到密封容器內，並讓容器密封；g.根據具體要求，確定固定的垂向荷載值；h.按設定的初始吸力值控制施加氣壓和水壓；i.測讀排水測量管(17)的排水量；密封壓力室內放置所測試的試樣(14)，通過加壓泵(21)分別施加氣壓和孔壓，氣壓與水壓的差值為吸力，在吸力作用下若干時間後沒有水排出，排水穩定後，再施加一個吸力增量，步驟h～i循環直到試驗結束，整理數據，得到水分特徵曲線。
全文摘要
非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置應用於巖土工程領域的非飽和土力學特性參數測試研究，該測定裝置為一個密封的壓力室，非飽和土固結和水分特徵曲線聯合測定裝置的測定方法是將加壓泵(21)的輸出分三路，第一路通過水壓控制閥(20)和孔壓傳感器(19)與密封壓力容器底座(15)上與外部管道相連接的通孔相連通，第二路通過第二氣壓控制閥(5)與密封壓力容器蓋(7)上與外部管道相連接的通孔相連通，第三路與第一氣壓控制閥(1)相連通；第一氣壓控制閥(1)與排水測量管(17)及密封壓力容器底部陶土板(15)和外部管道相連接的通孔相連通，在排水測量管(17)的兩端並接有差壓計(16)。
文檔編號G01N33/00GK1645100SQ200510038210
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月24日 優先權日2005年1月24日
發明者繆林昌 申請人:東南大學