CN102221601B - 温控式非饱和土固结仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控式非饱和土固结仪，可用于岩土工程测量仪器制造。该装置包括带双向运动加载压力活塞的组合式压力腔室、导流系统、位移计和激光测量装置，在组合式压力腔室外侧和外层透明套筒之间的夹层腔室内注有导热油，并设有热电偶和加热棒，控制压力腔室内部的温度。使用该仪器可以用滤纸法测吸力技术测量非饱和试样在不同温度下的吸力；可进行吸力控制下的非饱和土干湿循环试验和恒定吸力下的压缩试验，得到温度对非饱和土土水特性及力学特性的影响规律；可进行不同温度下的浸水膨胀变形试验和膨胀压力试验，分别通过位移计或荷载传感器得到非饱和土的膨胀变形和膨胀力的变化规律。该装置功能齐全，构造简单，操作方便，测试精度高。

Description

温控式非饱和土固结仪

技术领域

本发明温控式非饱和土固结仪涉及一种岩土工程测量装置，属于岩土工程测量仪器制造技术领域。

背景技术

非饱和土的土水特性通常用土水特征曲线SWCC（Soil-water characteristic curve）来表示。土水特征曲线是描述非饱和土中基质吸力与饱和度或体积含水量之间关系的曲线，非饱和土中基质吸力即为土体内部的孔隙气压力和孔隙水压力的差值。通过土水特征曲线，可以反映出土体的许多重要性质，如：强度、体变、应力状态、渗透性等。对于某一特定土样来说，在不考虑温度影响时，孔隙比是影响土水特征曲线的主要因素。含水量相同，孔隙比不同的两种土样，孔隙比大的饱和度与吸力间关系曲线在下方。然而自然条件中非饱和土的温度是不断变化的，事实表明，温度对非饱和土的水力、力学性质的影响是不可忽略的。例如温度的变化引起天然状态下非饱和土含水率的变化，从而进一步引起导热性能以及应力场、位移场的分布变化；高放射性核废物深层地质处置工程中，作为缓冲/回填材料的非饱和膨润土受到来自于核废物持续衰变产生的温度荷载作用；地下电缆埋设过程中，电缆附近的土体由于电缆的长时间通电发热温度逐渐升高。温度的变化引起热源附近的非饱和土中的吸力、水汽分布等发生变化，进而引起非饱和土热-水-力特性的改变。

目前，测定温度影响下的非饱和土土水特征曲线的常规试验方法是通过水汽平衡法和渗析法控制吸力，将整个容器放置在大型烘箱中，进行不同温度下非饱和土土水特性的研究。使用这种方法每隔一段时间就要将试样取出称重，并且不能测得变形对土水特性的影响。同时，这种试验装置由于结构过于复杂，设计和制造成本较高，操作也很不方便，也不能研究非饱和土的热-水-力特性。

另外，目前常规的非饱和土固结仪可测量常温下试样的土水特征曲线及恒定吸力下的压缩曲线。其原理是利用饱和的高进气值陶土板，采用轴平移技术控制试样的基质吸力，即通过施加一定的气压控制孔隙气压力，使孔隙水压力保持为零，该气压即为当前所施加的基质吸力值。现有的非饱和土固结仪的活塞式密封压力腔室由顶盖、底座和不锈钢套筒组成，可以通过组装和拆卸各组装部分进行试样的装载或移出，压力腔室的各组装部分通过卡槽、密封条和紧固构件实现压力腔室的密封组装，紧固构件对压力腔室各个角度进行加固，压力腔室的顶盖设有内外相通的进气孔，压力腔室底座有与外部连通的进水孔和出水孔，活塞头部为端承板，活塞伸向压力腔室外部的加载端可以承载外来的压力，在加载端还设有测量活塞在压力腔室中竖向平移位移的位移传感器， 压力腔室底部安装一块高进气值陶土板，试样放置于陶土板之上进行土水特征参数测量。在外加的基质吸力作用下，试样吸水或排水，以达到试样内部的吸力平衡，即试样内部的基质吸力与所施加的基质吸力达到平衡。当试样的水体积不再变化，通过体变管中水头的变化计算得出此时试样的含水量。然后改变气压，等待吸力平衡后再计算含水量。多次重复这一操作，得到一系列的基质吸力以及与之相对应的试样含水量，从而得到基质吸力与含水量间的关系曲线。然而常规非饱和土固结仪不能实时测定试样的环向变形。对大多数膨胀性非饱和土来讲，在湿化过程中，土体产生膨胀变形，在干化过程中，试样产生明显的收缩变形。要想得到饱和度与吸力间的关系曲线，需要在每级吸力平衡时，测量试样的环向变形，这就要将吸力解除，从压力腔室取出试样测定试样的质量、体积，然后再重新装样、加载。这一过程，经过卸载、再加载过程，会产生一定的试验误差和人为误差，以致不能实时地得到准确的饱和度与吸力间关系曲线。

发明内容

本发明提供一种温控式非饱和土固结仪，可以用滤纸法测吸力技术精确测量不同温度下试样的初始吸力、温度对非饱和试样土水特征曲线的影响、温度对非饱和试样压缩特性的影响以及温度对非饱和土浸水膨胀特性的影响。该仪器较常规的非饱和土固结仪增加了温度控制功能、浸水试验功能和实时量测压力腔室试样体变的功能，具有较好的测试精度，装置构造简单，操作方便。

为达到上述发明目的，解决现有技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种温控式非饱和土固结仪，包括一个带双向运动加载压力活塞的组合式压力腔室，压力腔室包括顶盖、底座和刚性透明套筒，刚性透明套筒的上下两端分别与底座的上表面和顶盖的下表面密封连接，且刚性透明套筒的下端嵌入底座的上表面开设的套筒槽中，在圆柱体的压力腔室的两端侧设有轴向夹紧构件，轴向夹紧构件夹持顶盖和底座，使刚性透明套筒被夹紧并固定；位于压力腔室内并与试样直接接触的活塞头部为透气端承板，透气端承板将压力腔室分隔为后端气室和前端加载室，前端加载室内安放试样，透气端承板与竖向传力杆的一端固定连接，竖向传力杆另一端穿过顶盖的通孔与一个加载板固定连接，竖向传力杆与通孔动密封配合；组合式压力腔室还设有导流系统，导流系统包括导气装置和导水装置，导气装置包括后端气室和在顶盖上设置的进气孔，后端气室通过进气孔与大气相通，导水装置包括贯穿底座上设置的导水孔和在前端加载室内并设置于底座之上的集水装置，试样安放在集水装置上，导水孔与贯穿集水装置的输水道相连通；另外设有一个固定位移计，在试验过程中专门用于实时测量装入前端加载室内的试样的竖向位移；在刚性透明套筒外侧还设置激光测量装置，激光测量装置能对装入前端加载室内的试样的侧向变形进行实时测量；在刚性透明套筒外侧还套有一个外层透明套筒，外层透明套筒的上下两端也分别与底座的上表面和顶盖的下表面密封连接，且外层透明套筒下端也嵌入底座的上表面开设的外缘套筒槽中，通过轴向夹紧构件也使顶盖和底座夹紧并固定外层透明套筒，顶盖、底座、刚性透明套筒和外层透明套筒之间形成夹层腔室，夹层腔室内注有导热油，导热油能透射光线；夹层腔室中还安装热电偶和加热棒，热电偶能测试导热油的温度，加热棒能对导热油进行加热，热电偶和加热棒分别通过导线与外置的温度控制器相连。

上述集水装置包括平板和不锈钢板，不锈钢板安置在前端加载室内的底座的上表面上，不锈钢板上表面设有从其中心向其边缘均匀展开的螺旋形输水凹槽；导水孔包括在底座内设的排水孔和进水孔，输水道包括在不锈钢板内设的进水管道和排水管道，进水管道与进水孔紧密对应并连通，排水管道与排水孔紧密对应并连通，进水管道和排水管道分别贯通输水凹槽的底部，进水管道的开口位置设于不锈钢板中心的螺旋形输水凹槽的起点处，排水管道的开口位置另设于不锈钢板外缘的螺旋形输水凹槽的终点处。

上述刚性透明套筒为有视窗的组合套筒, 其主体为不锈钢套筒，在不锈钢套筒侧壁上开设有四个透明石英材质的观察窗口，相邻各观察窗口的周向间距相等；激光测量装置还包括围绕外层透明套筒的四个激光位移传感器，其中每个激光位移传感器的入射光束方向都正对装入前端加载室内的试样表面标注的测试点，且各激光位移传感器安装于与底座固定连接的四个竖向导杆上，激光位移传感器通过沿竖向导杆升降，并以竖向导杆为轴进行固定角度的水平摆动实现定位，各竖向导杆在底座平面上的投影相对于刚性透明套筒中轴线在底座平面上的投影集聚点呈中心对称形式分布，激光位移传感器的入射光束穿过外层透明套筒、导热油和刚性透明套筒上的观察窗口最终入射到试样表面上的测试点位置。

上述顶盖上方与一个不锈钢支架固定连接，不锈钢支架靠近加载板的外缘，不锈钢支架上设有一段通槽，一个短螺栓穿过通槽并与加载板外缘的沉孔相配合；固定位移计安装于不锈钢支架上，在初始化时，固定位移计测量端与加载板的上端面接触。

上述轴向夹紧构件包括四个螺栓，螺栓穿过顶盖的定位通孔，每个螺栓下端的螺纹分别和位于底座上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔相配合；各竖向导杆与压力室底座外伸的四个支架底座固定连接；外层透明套筒的材料为透明石英，刚性透明套筒和外层透明套筒的两端面上均垫有一层耐高温橡皮圈。

上述顶盖在外层透明套筒和刚性透明套筒之间的位置处设有一个注油孔，注油孔与一个密封塞形成配合，通过注油孔能导入橡皮管，并能向夹层腔室内注入导热油，注满后用密封塞密封夹层腔室。

上述热电偶为K型镍铬－镍硅热电偶。

作为本发明的改进，在用滤纸法测不同温度下的试样的吸力试验中，置于上述温控式非饱和土固结仪中的滤纸与试样间的隔片形状为网状。

上述集水装置中的平板为不锈钢平板、高进气值陶土板或透水石板。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出的实质性特点和优点：

这种温控式非饱和土固结仪，可以通过热电偶和加热棒进行压力腔室内部的温度控制，本发明压力腔室的温度上限为80℃。本发明通过更换集水装置上部的构件，可以进行多种功能的非饱和土试验，例如，更换为不锈钢平板可以用滤纸法测吸力技术测量非饱和试样在不同温度下的吸力；更换为高进气值陶土板可以进行吸力控制下的非饱和土干湿循环试验和常吸力的压缩试验，得到温度对非饱和土土水特性及力学特性的影响规律；更换为透水石可以进行不同温度下的浸水膨胀变形试验或膨胀压力试验，通过位移计或荷载传感器分别得到非饱和土的膨胀变形或膨胀力的变化规律。并且该仪器可以通过激光位移传感器实时监测压力腔室内部非饱和试样的侧向变形，进而准确地得到每级荷载下试样的孔隙比和饱和度的变化规律。

本发明的内层刚性透明套筒、外层透明套筒与压力腔室的底座和顶盖之间垫有耐高温的橡皮圈，并且压力腔室外围有四个螺栓固定，可以更加紧密地密封压力腔室，并且使用石英套筒增强了整个压力腔室的抗力。系统可以控制基质吸力从近似零值到2.5MPa。另外，本发明在进行吸力控制的非饱和土试验时可以定期冲刷和测量扩散到高进气值陶土板下方的气体，可以根据试验需求更换几个不同进气值的陶土板。该仪器设备功能齐全，装置构造简单，操作方便，具有较好的测试精度。

附图说明

图1是本发明温控式非饱和土固结仪的结构示意图。

图2是本发明温控式非饱和土固结仪的沿竖向导杆轴线和压力腔室中轴线的剖视图。

图3是本发明温控式非饱和土固结仪的沿螺栓轴线和压力腔室中轴线的剖视图。

图4是本发明温控式非饱和土固结仪的压力腔室底座的结构图。

图5是本发明温控式非饱和土固结仪的压力腔室顶盖的结构图。

图6是本发明温控式非饱和土固结仪的加载压力活塞构件的结构图。

图7是本发明温控式非饱和土固结仪的刚性透明套筒的结构图。

图8是本发明温控式非饱和土固结仪的外层透明套筒的结构图。

图9是本发明温控式非饱和土固结仪的在滤纸法测吸力试验中的隔片构造图。

具体实施方式

本发明的优选的实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1～6和图9，本发明温控式非饱和土固结仪，包括一个带双向运动加载压力活塞的组合式压力腔室，压力腔室包括顶盖1、底座4和刚性透明套筒3，刚性透明套筒3的上下两端分别与底座4的上表面和顶盖1的下表面密封连接，且刚性透明套筒3的下端嵌入底座4的上表面开设的套筒槽24中，在圆柱体的压力腔室的两端侧设有轴向夹紧构件，轴向夹紧构件夹持顶盖1和底座4，使刚性透明套筒3被夹紧并固定；位于压力腔室内并与试样19直接接触的活塞头部为透气端承板15，透气端承板15将压力腔室分隔为后端气室和前端加载室，前端加载室内安放试样19，透气端承板15与竖向传力杆14的一端固定连接，竖向传力杆14另一端穿过顶盖1的通孔27与一个加载板13固定连接，竖向传力杆14与通孔27动密封配合；组合式压力腔室还设有导流系统，导流系统包括导气装置和导水装置，导气装置包括后端气室和在顶盖1上设置的进气孔8，后端气室通过进气孔8与大气相通，导水装置包括贯穿底座4上设置的导水孔和在前端加载室内并设置于底座4之上的集水装置，试样19安放在集水装置上，导水孔与贯穿集水装置的输水道相连通；另外设有一个固定位移计17，在试验过程中专门用于实时测量装入前端加载室内的试样19的竖向位移；在刚性透明套筒3外侧还设置激光测量装置，激光测量装置能对装入前端加载室内的试样19的侧向变形进行实时测量；在刚性透明套筒3外侧还套有一个外层透明套筒2，外层透明套筒2的上下两端也分别与底座4的上表面和顶盖1的下表面密封连接，且外层透明套筒2下端也嵌入底座4的上表面开设的外缘套筒槽23中，通过轴向夹紧构件也使顶盖1和底座4夹紧并固定外层透明套筒2，顶盖1、底座4、刚性透明套筒3和外层透明套筒2之间形成夹层腔室，夹层腔室内注有导热油，导热油能透射光线；夹层腔室中还安装热电偶28和加热棒29，热电偶28能测试导热油的温度，加热棒29能对导热油进行加热，热电偶28和加热棒29分别通过导线与外置的温度控制器相连。压力腔室顶盖处的进气孔，向内通到后端气室，向外通过管路与外部气压源相连通，用来施加孔隙气压力。竖向传力杆的上端面加载板用来承受对试样施加的竖向荷载。下端面的透气端承板与前端加载室内的试样上端面相接触，可以传递压力。本发明温控式非饱和土固结仪适于测量直径为40mm，高为30-50mm的圆柱形试样，可进行多种功能的非饱和土试验。使用该仪器还可以用滤纸法测吸力技术测量非饱和试样在不同温度下的吸力；可以进行吸力控制下的非饱和土干湿循环试验和恒定吸力下的压缩试验，得到温度对非饱和土土水特性及力学特性的影响规律；可以进行不同温度下的浸水膨胀变形试验和膨胀压力试验，分别通过位移计或荷载传感器得到非饱和土的膨胀变形和膨胀力的变化规律。

参见图2和图3，本发明温控式非饱和土固结仪的集水装置包括平板21和不锈钢板6，不锈钢板6安置在前端加载室内的底座4的上表面上，不锈钢板6上表面设有从其中心向其边缘均匀展开的螺旋形输水凹槽20；导水孔包括在底座4内设的排水孔11和进水孔9，输水道包括在不锈钢板6内设的进水管道10和排水管道12，进水管道10与进水孔9紧密对应并连通，排水管道12与排水孔11紧密对应并连通，进水管道10和排水管道12分别贯通输水凹槽20的底部，进水管道10的开口位置设于不锈钢板6中心的螺旋形输水凹槽20的起点处，排水管道12的开口位置另设于不锈钢板6外缘的螺旋形输水凹槽20的终点处。顶盖1直径为160±1mm，厚度为20±1mm；底座4直径为160±1mm，厚度为25±1mm；外缘套筒槽23开口内径为120±1mm，凹进深度为1±0.5mm；套筒槽24开口内径为60±1mm，凹进深度为1±0.5mm；刚性透明套筒3的外径为60±1mm，内径为40±1mm，高度为85±1mm；外层透明套筒2的外径为120±1mm，内径为100±1mm，高度为85±1mm；竖向传力杆14上端的加载板13直径为80±1mm，厚度为10±1mm；竖向传力杆14下端的与试样19直接接触的透气端承板15直径为40±1mm，厚度为10±1mm；竖向传力杆14直径为10±1mm，长度为140±1mm；顶盖1的进气孔8直径为5±1mm，长度为65±1mm；底座4设有的排水孔11和进水孔9的直径均为5±1mm，进水孔9的长度为80±1mm，排水孔11的长度为60±1mm；不锈钢板6的直径与刚性透明套筒3的内径相同，为40±1mm，厚度为10±1mm；平板21的直径均为40±1mm，厚度均为10±1mm；位移计17的量程为0-30mm。

参见图1、图2，本发明温控式非饱和土固结仪的刚性透明套筒3为有视窗的组合套筒, 其主体为不锈钢套筒，在不锈钢套筒侧壁上开设有四个透明石英材质的观察窗口37，相邻各观察窗口37的周向间距相等；激光测量装置还包括围绕外层透明套筒2的四个激光位移传感器16，其中每个激光位移传感器16的入射光束方向都正对装入前端加载室内的试样19表面标注的测试点，且各激光位移传感器16安装于与底座4固定连接的四个竖向导杆18上，激光位移传感器16通过沿竖向导杆18升降，并以竖向导杆18为轴进行固定角度的水平摆动实现定位，各竖向导杆18在底座4平面上的投影相对于刚性透明套筒3中轴线在底座4平面上的投影集聚点呈中心对称形式分布，激光位移传感器16的入射光束穿过外层透明套筒2、导热油和刚性透明套筒3上的观察窗口37最终入射到试样19表面上的测试点位置。采用激光位移传感器16测量前端加载室内试样的侧向变形是一种非接触量测位移的方法，应用激光三角漫反射测量原理，即从光源发射一束光到被测试样表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出试样的变形。激光位移传感器16的分辨率为2 μm，与数据采集系统形成激光测量装置。激光位移传感器16的安装位置与前端加载室内层刚性透明套筒3的四个观察窗口位置相对应。试验过程中，根据前端加载室内试样高度的变化，可以上下移动激光位移传感器16的位置。试样表面涂抹无光白漆，或仅在试样与入射激光相对应的区域涂抹白漆，以增大试样表面的反射系数。同时标注测量点，以便在试验过程中，随着试样高度的变化，调整激光位移计16的位置，使激光束垂直入射到试样表面的测量点。相邻各观察窗口37的形状取为40mm×15mm长方形；竖向导杆18为圆柱形，直径为10±1mm，长度为110±5mm；激光位移传感器16尺寸为30mm×30mm×20mm，激光位移传感器16的探头距刚性透明套筒3外缘的距离为50±5mm。

参见图1、图2和图5，本发明温控式非饱和土固结仪的顶盖1上方与一个不锈钢支架30固定连接，不锈钢支架30靠近加载板13的外缘，不锈钢支架30上设有一段通槽32，一个短螺栓31穿过通槽32并与加载板13外缘的沉孔33相配合；固定位移计17安装于不锈钢支架30上，在初始化时，固定位移计17测量端与加载板13的上端面接触。这样设计起到固定活塞的作用。在浸水试验中，固定活塞，可进行等体积膨胀试验，通过荷载传感器量测非饱和试样膨胀力的变化规律。在不锈钢支架30上设计通槽的目的是可以根据前端加载室内的试样的高度调节活塞的固定高度。不锈钢支架30为圆柱形，直径为5±1mm，长度为130±5mm；初始化时，不锈钢支架30上的通槽32距离顶盖1上端面85±5mm，宽度为3±1mm，高度为25±5mm；加载板13外缘的沉孔33直径为3±1mm，深度为5±1mm；短螺栓31采用外六角螺栓，其螺杆直径为3±1mm，螺杆高度为12±1mm，螺帽外接圆直径为6±1mm，螺帽的高度为3±1mm。

参见图1～8，本发明温控式非饱和土固结仪的轴向夹紧构件包括四个螺栓22，螺栓22穿过顶盖1的定位通孔26，每个螺栓22下端的螺纹分别和位于底座4上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔25相配合；各竖向导杆18与压力室底座4外伸的四个支架底座5固定连接；外层透明套筒2的材料为透明石英，刚性透明套筒3和外层透明套筒2的两端面上均垫有一层耐高温橡皮圈7。外层透明套筒2和刚性透明套筒3上的透明观察窗口采用耐高温、膨胀系数低、化学稳定性和电绝缘性好、抗拉强度高的透明石英套筒，外层透明套筒2和刚性透明套筒3的两端面上均垫有一层耐高温的橡皮圈7。橡皮圈7分别嵌入套筒槽24和外缘套筒槽23中，主要起到密封的作用。螺栓22采用内六角螺栓，其螺杆直径为15±1mm，螺杆高度为120±1mm，其螺帽外径为18±1mm，螺帽的高度为8±1mm，螺帽内嵌六边形外接圆直径12±1mm,高度为5±1mm；底座4上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔25直径为15±1mm，深度为15±1mm；支架底座5的厚度为7±1mm，宽度为30±1mm，长度为60±5mm。

参见图3，本发明温控式非饱和土固结仪的顶盖1在外层透明套筒2和刚性透明套筒3之间的位置处设有一个注油孔36，注油孔36与一个密封塞35形成配合，通过注油孔36能导入橡皮管，并能向夹层腔室内注入导热油，注满后用密封塞35密封夹层腔室。注油孔36直径为8±1mm，深度为20±1mm；注油孔36设有内螺纹，密封塞35设有外螺纹，密封塞35采用内六角螺栓，其螺杆直径为8±1mm，螺杆高度为20±1mm；密封塞35的螺帽外径为12±1mm，螺帽的高度为5±1mm，螺帽内嵌六边形外接圆直径6±1mm，高度为3±1mm。

参见图3，本发明温控式非饱和土固结仪的热电偶28为K型镍铬－镍硅热电偶。热电偶28的线径为1.2mm，伸入高度为25±1mm；加热棒29伸入高度为35±1mm，直径为3mm。为了防止锈蚀，提高装置使用寿命，除外层透明套筒2、刚性透明套筒3的透明石英窗口、激光测量装置、高进气值陶土板和透水石板外，压力腔室及其外围支架、配件等均采用不锈钢材料。

实施例二：

本实施例与第一个实施例基本相同，不同之处在于：

参见图9，在用滤纸法测不同温度下的试样19的吸力试验中，置于本发明温控式非饱和土固结仪中的滤纸与试样19间的隔片34形状为网状。隔片34的直径为40±1mm，厚度为2±0.5mm。当进行吸力控制下的非饱和土干湿循环试验、常吸力下的压缩试验或浸水膨胀试验时，可以通过不锈钢板6上螺旋形输水凹槽20冲刷平板21下的气泡。压力腔室底座的进水孔9，可与不锈钢板6上表面的螺旋水槽20正中央的进水管道10相连，在压力腔室外侧通过管路与体变管相连，压力腔室底座的排水孔11，一端与不锈钢板上表面的螺旋水槽外缘的排水管道12相连，另一端通过设有开关阀门的管路通到压力腔室外部。设置这套通路的作用：一是可以在控制吸力的非饱和土试验中定期的冲刷和量测扩散到平板21下方的气体，确保平板21下部没有气泡，以免影响非饱和试样的吸水或排水。二是在浸水试验中，通过体变管与压力腔室内试样的水头差，体变管中的水透过平板21进入非饱和试样，进行试样的吸水膨胀变形试验或膨胀压力试验。三是在控制吸力的非饱和土试验和浸水膨胀试验过程中，可以通过体变管中水头的变化准确地计算出试样中含水量的变化情况。

参见图2和图3，本发明温控式非饱和土固结仪的平板21最好采用不锈钢平板、高进气值陶土板或透水石板。集水装置分为两部分，下部为不锈钢板，上部可根据试验功能不同，方便地更换为不锈钢平板、高进气值陶土板以及透水石，不锈钢板与上部的不锈钢平板、高进气值陶土板或透水石板下表面相接触。当应用滤纸法测吸力技术测量试样的吸力时，上部为不锈钢平板，保证刚性透明套筒内部密封；当进行吸力控制下的非饱和土压缩试验或测量土水特征曲线时，上部更换为高进气值陶土板；当进行自由浸水试验时，上部更换为透水石板，增大其透水性。

实施例三：

本实施例与第一个实施例和第二个实施例基本相同，不同之处在于：

本发明实验装置用于滤纸法测不同温度下试样吸力的试验，安装步骤结合附图2、图3和图8说明如下：

1．将不锈钢平板21与不锈钢板6组成进排水装置放置在压力腔室底座4上表面的中央，将三片Whatman No.42型滤纸放置在不锈钢平板21上，滤纸直径为40mm；

2．将击实好的试样19放在滤纸上，将网状隔片34放在试样19上，再将三片滤纸放在隔片34上，将刚性透明套筒3和外层透明套筒2分别嵌入已放好橡皮圈7的套筒槽24和外缘套筒槽23处固定，在刚性透明套筒3和外层透明套筒2顶部也固定好橡皮圈7，然后固定顶盖1；

3．轻按加载板13，使前端加载室的透气端承板15与最上层的滤纸贴紧，并有微小的竖向荷载，使滤纸、隔片、试样19、试样19下方的滤纸及不锈钢平板21之间没有缝隙；

4．将四个内六角螺栓22穿过压力腔室顶盖1的定位通孔26，插入底座4上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔25中，并将其拧紧；

5．关闭与顶盖1的进气孔8相连的阀门，关闭与底座4的进水孔9相连的阀门和与排水孔11相连的阀门，使前端加载室形成密闭空间；

6．通过顶盖1的通孔36向刚性透明套筒3和外层透明套筒2之间注入导热油，注满后拧紧螺栓35。

进行滤纸法测吸力试验时，试样19尽可能的充满该前端加载室的密闭空间，以确保试验精度。试样安装完毕后，通过热电偶28、加热棒29和压力腔室外部的温度控制器来控制温度，用滤纸法测吸力的方法测量不同温度下试样19的吸力值。

实施例四：

本实施例与第三个实施例的不同之处在于：

本发明实验装置用于吸力控制下的非饱和土试验时，安装步骤和试验方法结合附图2、图3说明如下：

1．将高进气值陶土板与不锈钢板6组成的进排水装置放置在压力腔室底座4上表面的中央，不锈钢板6的进水管道10对准底座4的进水孔9，不锈钢板6的排水管道12对准底座4的排水孔11，关闭与底座4排水孔11相连的阀门，打开与底座4进水孔9相连的阀门，使其与压力腔室外部的体变管相连，在水头压的作用下使高进气值陶土板饱和；

2．在试样19侧面曲面部分涂抹四条无光白漆，宽度约为15±5mm，高度为试样19的高度，并在白漆上标注激光测试点；

3．关闭与底座4进水孔9相连的阀门，将试样19放在高进气值陶土板的平板21上，将四个激光位移传感器16安装在四个竖向导杆18上，调整试样19的位置，使得激光位移传感器16的入射光对准试样19白漆上的四个激光测试点；

4．将与刚性透明套筒3和外层透明套筒2相匹配的橡皮圈7分别放入底座的套筒槽24和外缘套筒槽23中，然后把刚性透明套筒3和外层透明套筒2按先后分别插入套筒槽24和外缘套筒槽23中；

5．再取两条橡皮圈7放在刚性透明套筒3和外层透明套筒2的上面，然后安装压力腔室顶盖1，此时，竖向传力杆14已经穿过压力腔室顶盖1的通孔27，调节竖向传力杆14，使透气端承板15刚好与试样19上表面接触，通过顶盖1上不锈钢支架30上的通槽32、加载板13上的沉孔33以及短螺栓31固定活塞，将位移计17固定在不锈钢支架30上，并与加载板13的上端面接触，用来测量试验过程中前端加载室内部试样19的竖向位移；也可以根据试验需要，在加载板13中心处施加竖向荷载；

6．将四个内六角螺栓22穿过压力腔室顶盖1的定位通孔26，插入底座4上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔25中，并将其拧紧；通过顶盖1的通孔36向刚性透明套筒3和外层透明套筒2之间注入导热油，注满后拧紧螺栓35；

7．将压力腔室顶盖1的进气孔8与外部气压源相连，施加孔隙气压力；

8．打开与底座4进水孔9相连的阀门，记录体变管中水头、竖向位移计和激光位移传感器、温度控制器的初始读数，通过热电偶28、加热棒29和压力腔室外部的温度控制器来控制温度，根据试验需求，施加载荷，并记录试验数据；

9．试验过程中，要定期的对高进气值陶土板的平板21进行气泡冲刷，并测量扩散气泡量。

实施例五：

本实施例与第三个实施例和第四个实施例的不同之处在于：

本发明实验装置用于自由浸水试验时，安装步骤和试验方法结合附图2、图3说明如下：

1．将透水石与不锈钢板6组成的进排水装置放置在前端加载室底座4上表面的中央，不锈钢板6的进水管道10对准底座4的进水孔9，不锈钢板6的排水管道12对准底座4的排水孔11，关闭与底座4排水孔11相连的阀门，打开与底座4进水孔9相连的阀门，使其与压力腔室外部的体变管相连，饱和透水石板，饱和后关闭与底座4进水孔9相连的阀门，将试样19放在透水石板上；

2． 将与刚性透明套筒3和外层透明套筒2相匹配的橡皮圈7分别放入底座的套筒槽24和外缘套筒槽23中，然后把刚性透明套筒3和外层透明套筒2按先后分别插入套筒槽24和外缘套筒槽23中，再取两条橡皮圈7放在刚性透明套筒3和外层透明套筒2的上面，然后安装压力腔室顶盖1，将四个内六角螺栓22穿过压力腔室顶盖1的定位通孔26，插入底座4上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔25中，并将其拧紧；通过顶盖1的通孔36向刚性透明套筒3和外层透明套筒2之间注入导热油，注满后拧紧螺栓35；

3．调节竖向传力杆14，使透气端承板15刚好与试样19上表面接触，通过顶盖1上不锈钢支架30上的通槽32、加载板13上的沉孔33以及短螺栓31固定活塞，在进行等体积膨胀试验时，活塞保持装样时的高度，试样19吸水膨胀产生膨胀压力，该膨胀压力可通过荷载传感器得到；在进行等压力膨胀试验时，需将位移计17固定在不锈钢支架30上，并与加载板13的上端面接触，拧松短螺栓31，使活塞即竖向传力杆14可以自由活动，试样吸水膨胀产生膨胀变形，可用位移计17测量浸水试验过程中压力腔室内部试样19的竖向位移，膨胀变形试验示意图如图1和2所示，也可以根据试验需要，在加载板13中心处施加竖向荷载；

4．关闭与压力腔室顶盖1的进气孔8相连的阀门，确保水分不蒸发；记录体变管中水头、竖向位移计或荷载传感器的初始读数，通过热电偶28、加热棒29和压力腔室外部的温度控制器来控制温度，打开与底座4进水孔9相连的阀门，使体变管中的水在水头压的作用下透过透水石板进入试样19，记录浸水试验中体变管中水头、温度控制器和竖向位移计或荷载传感器的读数，也可根据试验需求，施加竖向荷载或温度荷载等。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种温控式非饱和土固结仪，包括一个带双向运动加载压力活塞的组合式压力腔室，所述压力腔室包括顶盖（1）、底座（4）和刚性透明套筒（3），所述刚性透明套筒（3）的上下两端分别与所述底座（4）的上表面和顶盖（1）的下表面密封连接，且所述刚性透明套筒（3）的下端嵌入所述底座（4）的上表面开设的套筒槽（24）中，在圆柱体的所述压力腔室的两端侧设有轴向夹紧构件，所述轴向夹紧构件夹持所述顶盖（1）和底座（4），使所述刚性透明套筒（3）被夹紧并固定；

位于所述压力腔室内并与试样（19）直接接触的活塞头部为透气端承板（15），所述透气端承板（15）将所述压力腔室分隔为后端气室和前端加载室，所述前端加载室内安放所述试样（19），所述透气端承板（15）与竖向传力杆（14）的一端固定连接，所述竖向传力杆（14）另一端穿过所述顶盖（1）的通孔（27）与一个加载板（13）固定连接，所述竖向传力杆（14）与通孔（27）动密封配合；

所述组合式压力腔室还设有导流系统，所述导流系统包括导气装置和导水装置，所述导气装置包括所述后端气室和在所述顶盖（1）上设置的进气孔（8），所述后端气室通过所述进气孔（8）与大气相通，所述导水装置包括贯穿所述底座（4）上设置的导水孔和在所述前端加载室内并设置于所述底座（4）之上的集水装置，所述试样（19）安放在所述集水装置上，所述导水孔与贯穿所述集水装置的输水道相连通；

另外设有一个固定位移计（17），在试验过程中专门用于实时测量装入所述前端加载室内的试样（19）的竖向位移；

其特征在于：在所述刚性透明套筒（3）外侧还设置激光测量装置，所述激光测量装置能对装入所述前端加载室内的试样（19）的侧向变形进行实时测量；

在所述刚性透明套筒（3）外侧还套有一个外层透明套筒（2），所述外层透明套筒（2）的上下两端也分别与所述底座（4）的上表面和顶盖（1）的下表面密封连接，且所述外层透明套筒（2）下端也嵌入所述底座（4）的上表面开设的外缘套筒槽（23）中，通过所述轴向夹紧构件也使所述顶盖（1）和底座（4）夹紧并固定所述外层透明套筒（2），所述顶盖（1）、底座（4）、刚性透明套筒（3）和外层透明套筒（2）之间形成夹层腔室，所述夹层腔室内注有导热油，所述导热油能透射光线；

所述夹层腔室中还安装热电偶（28）和加热棒（29），所述热电偶（28）能测试所述导热油的温度，所述加热棒（29）能对导热油进行加热，所述热电偶（28）和加热棒（29）分别通过导线与外置的温度控制器相连。

2.根据权利要求1所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述集水装置包括平板（21）和不锈钢板（6），所述不锈钢板（6）安置在前端加载室内的所述底座（4）的上表面上，所述不锈钢板（6）上表面设有从其中心向其边缘均匀展开的螺旋形输水凹槽（20）；

所述导水孔包括在所述底座（4）内设的排水孔（11）和进水孔（9），所述输水道包括在所述不锈钢板（6）内设的进水管道（10）和排水管道（12），所述进水管道（10）与进水孔（9）紧密对应并连通，所述排水管道（12）与排水孔（11）紧密对应并连通，所述进水管道（10）和排水管道（12）分别贯通所述输水凹槽（20）的底部，所述进水管道（10）的开口位置设于所述不锈钢板（6）中心的螺旋形输水凹槽（20）的起点处，所述排水管道（12）的开口位置另设于所述不锈钢板（6）外缘的螺旋形输水凹槽（20）的终点处。

3. 根据权利要求2所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述刚性透明套筒（3）为有视窗的组合套筒, 其主体为不锈钢套筒，在不锈钢套筒侧壁上开设有四个透明石英材质的观察窗口（37），相邻各观察窗口（37）的周向间距相等；

所述激光测量装置还包括围绕所述外层透明套筒（2）的四个激光位移传感器（16），其中每个激光位移传感器（16）的入射光束方向都正对装入所述前端加载室内的试样（19）表面标注的测试点，且各所述激光位移传感器（16）安装于与所述底座（4）固定连接的四个竖向导杆（18）上，所述激光位移传感器（16）通过沿所述竖向导杆（18）升降，并以所述竖向导杆（18）为轴进行固定角度的水平摆动实现定位，各所述竖向导杆（18）在所述底座（4）平面上的投影相对于所述刚性透明套筒（3）中轴线在所述底座（4）平面上的投影集聚点呈中心对称形式分布，所述激光位移传感器（16）的入射光束穿过外层透明套筒（2）、导热油和刚性透明套筒（3）上的观察窗口（37）最终入射到试样（19）表面上的测试点位置。

4. 根据权利要求3所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述顶盖（1）上方与一个不锈钢支架（30）固定连接，所述不锈钢支架（30）靠近所述加载板（13）的外缘，所述不锈钢支架（30）上设有一段通槽（32），一个短螺栓（31）穿过所述通槽（32）并与所述加载板（13）外缘的沉孔（33）相配合；

所述固定位移计（17）安装于所述不锈钢支架（30）上，在初始化时，所述固定位移计（17）测量端与加载板（13）的上端面接触。

5. 根据权利要求4所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述轴向夹紧构件包括四个螺栓（22），所述螺栓（22）穿过顶盖（1）的定位通孔（26），每个螺栓（22）下端的螺纹分别和位于底座（4）上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔（25）相配合；

各所述竖向导杆（18）与所述压力室底座（4）外伸的四个支架底座（5）固定连接；

所述外层透明套筒（2）的材料为透明石英，所述刚性透明套筒（3）和外层透明套筒（2）的两端面上均垫有一层耐高温橡皮圈（7）。

6．根据权利要求5所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述顶盖（1）在外层透明套筒（2）和刚性透明套筒（3）之间的位置处设有一个注油孔（36），所述注油孔（36）与一个密封塞（35）形成配合，通过所述注油孔（36）能导入橡皮管，并能向夹层腔室内注入导热油，注满后用所述密封塞（35）密封所述夹层腔室。

7. 根据权利要求6所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述热电偶（28）为K型镍铬－镍硅热电偶。

8．根据权利要求2～7中任意一项所述的温控式非饱和土固结仪，在用滤纸法测不同温度下的所述试样（19）的吸力试验中，置于所述温控式非饱和土固结仪中的所述滤纸与试样（19）间的隔片（34）形状为网状。

9. 根据权利要求8所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述平板（21）为不锈钢平板、高进气值陶土板或透水石板。

10．根据权利要求2所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述顶盖（1）直径为160±1mm，厚度为20±1mm；所述底座（4）直径为160±1mm，厚度为25±1mm；

所述外缘套筒槽（23）开口内径为120±1mm，凹进深度为1±0.5mm；

所述套筒槽（24）开口内径为60±1mm，凹进深度为1±0.5mm；

所述刚性透明套筒（3）的外径为60±1mm，内径为40±1mm，高度为85±1mm；

所述外层透明套筒（2）的外径为120±1mm，内径为100±1mm，高度为85±1mm；

所述竖向传力杆（14）上端的加载板（13）直径为80±1mm，厚度为10±1mm；

所述竖向传力杆（14）下端的与试样（19）直接接触的透气端承板（15）直径为40±1mm，厚度为10±1mm；

所述竖向传力杆（14）直径为10±1mm，长度为140±1mm；

所述顶盖（1）的进气孔（8）直径为5±1mm，长度为65±1mm；

所述底座（4）设有的排水孔（11）和进水孔（9）的直径均为5±1mm，进水孔（9）的长度为80±1mm，排水孔（11）的长度为60±1mm；

所述不锈钢板（6）的直径与刚性透明套筒（3）的内径相同，为40±1mm，厚度为10±1mm；

所述平板（21）的直径均为40±1mm，厚度均为10±1mm；

所述位移计（17）的量程为0-30mm。

11．根据权利要求3所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：相邻各所述观察窗口（37）的形状取为40mm×15mm长方形；

所述竖向导杆（18）为圆柱形，直径为10±1mm，长度为110±5mm；

所述激光位移传感器（16）尺寸为30mm×30mm×20mm，激光位移传感器（16）的探头距刚性透明套筒（3）外缘的距离为50±5mm。

12．根据权利要求4所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述不锈钢支架（30）为圆柱形，直径为5±1mm，长度为130±5mm；

初始化时，所述不锈钢支架（30）上的通槽（32）距离所述顶盖（1）上端面85±5mm，宽度为3±1mm，高度为25±5mm；

所述加载板（13）外缘的沉孔（33）直径为3±1mm，深度为5±1mm；

所述短螺栓（31）采用外六角螺栓，其螺杆直径为3±1mm，螺杆高度为12±1mm，螺帽外接圆直径为6±1mm，螺帽的高度为3±1mm。

13．根据权利要求5所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述螺栓（22）采用内六角螺栓，其螺杆直径为15±1mm，螺杆高度为120±1mm，其螺帽外径为18±1mm，螺帽的高度为8±1mm，螺帽内嵌六边形外接圆直径12±1mm,高度为5±1mm；

所述底座（4）上表面靠近外缘处的带有内螺纹的沉孔（25）直径为15±1mm，深度为15±1mm；

所述支架底座（5）的厚度为7±1mm，宽度为30±1mm，长度为60±5mm。

14．根据权利要求6所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于：所述注油孔（36）直径为8±1mm，深度为20±1mm；

所述注油孔（36）设有内螺纹，所述密封塞（35）设有外螺纹，所述密封塞（35）采用内六角螺栓，其螺杆直径为8±1mm，螺杆高度为20±1mm；

所述密封塞（35）的螺帽外径为12±1mm，螺帽的高度为5±1mm，螺帽内嵌六边形外接圆直径6±1mm，高度为3±1mm。

15．根据权利要求7所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于，所述热电偶（28）的线径为1.2mm，伸入高度为25±1mm；

所述加热棒（29）伸入高度为35±1mm，直径为3mm。

16.根据权利要求8所述的温控式非饱和土固结仪，其特征在于，所述隔片（34）的直径为40±1mm，厚度为2±0.5mm。

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