CN102445528A - 湿度和渗透吸力控制的非饱和土综合试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸力控制的非饱和土综合试验仪的系统、装置以及设计和使用，其特征是通过一个试样即可获得非饱和土在完整吸力范围内的各种力学特征和土水特征。该吸力控制的非饱和土综合试验仪可包括吸力控制部分和力学加载部分，可提供多种吸力控制方法和力学加载条件，从而可测试土样在多种应力状态和吸力状态下的特性。该吸力控制的非饱和土综合试验仪还可包括螺旋状水室，其可冲刷通过扩散而聚集的气泡。

Description

湿度和渗透吸力控制的非饱和土综合试验仪

相关申请

本专利申请要求美国临时专利申请的优先权。该美国临时专利申请的申请号为61/381645，申请日为2010年9月10日，发明名称为“湿度和渗透吸力控制的非饱和土综合试验仪”。该美国临时专利申请的全部公开内容作为引用结合入本申请文件中。

技术领域

本发明大体上涉及饱和与非饱和土体的力学特性和土水特性的测量，尤其涉及一种有助于这些测量的吸力控制的非饱和土综合试验仪的设计和使用。

背景技术

精确测试和测量饱和与非饱和土体的力学特性和土水特性在各种工程中十分重要，这些工程可包括各种岩土工程和环境岩土工程，诸如自然边坡的稳定性评估、地基或路基的设计、土工建筑物的特性的确定、垃圾填埋场覆盖屏障的有效性评估和围海造陆等。这些工程需要四项关键的土体特性：剪切强度、应力相关土水特征曲线(表征土体在给定吸力处的持水能力)、固结特征、体变特征(例如收缩和膨胀)。

目前，没有任何一套仪器可以在从0到1000MPa的吸力范围内通过单个试样测量这四项关键的土体特性。相反，这些特性存在独立的测试装置，各需要不同的土样。因此，为了获得所需的四项关键土体特性，必须测试四个不同的土样。由于不同土样间存在天然差异性和制样差异性，使得使用四个不同试样是不可靠的，不能够获得一致的结果和参数。此外，使用四个不同试样和四个测试步骤耗时且不经济。

上文分析了传统非饱和土实验仪器的缺点和不足，但其目的不是穷举，而是对现有技术存在的一些问题的简单概述。现有技术的其他不足和本发明的多个非限制性实施例中的一些相应优点，通过对下文详细描述的了解将会变得进一步显而易见。

发明内容

下面将进行简单总结，以提供对在本发明中描述的一些方面的基本了解。该总结不是对所公开的主题进行详细的概述，也不是意图对所公开的主题确定关键环节或决定要素，也不是划定所公开主题的范围。唯一的目的是作为对下文详细描述的前序而以简化的形式呈现所公开主题的一些概念。

为了克服上文提及的现有土体测试仪器的不足和其他缺陷，本发明提供了一种装置，其可提供一种一体式测试平台。该平台通过一套仪器一个试样获得土体在完整吸力范围内(例如从0到1000MPa)的至少四种特性，包括剪切强度、应力相关土水特征曲线、固结特征、体变特征(例如收缩和膨胀)。

在一个实施例中，提供了一种吸力控制的非饱和土综合试验仪，所述吸力控制的非饱和土综合试验仪可通过一个试样获得土体在完整吸力范围内(例如从0到1000MPa)的至少四种特性，包括剪切强度、应力相关土水特征曲线、固结特征、体变特征(例如收缩和膨胀)、以及其他的力学特性和土水特性。所述吸力控制的非饱和土综合试验仪可包括吸力控制部分和力学加载部分。该吸力控制部分可采用不同的组件从而使得该吸力控制的非饱和土综合试验仪可在完整范围的吸力(从0到1000MPa)操作以控制所述土样的吸力。所述不同的组件可包括用于低吸力(从0到大约500kPa)的轴平移组件、用于中等吸力(从大约500kPa到大约10MPa)的渗透控制组件和用于高吸力(大于大约10MPa)的湿度控制组件。力学加载部分可采用水平加载组件、竖直加载组件、水平位移组件和竖直位移组件，以测试土体的多种力学特性。吸力控制部分和力学加载部分的特点允许吸力控制的非饱和土综合试验仪在各种应力状态和吸力状态下测量土体的特性。

在另一个实施例中，提供了一种吸力控制的非饱和土综合试验仪，所述吸力控制的非饱和土综合试验仪可提供一种一体式测试装置。该装置通过一个试样获得土体在完整吸力范围内(例如从0到1,000MPa)的至少四种特性，包括剪切强度、应力相关土水特征曲线、固结特征、体变特征(例如收缩和膨胀)、以及其他的力学特性和土水特性。所述吸力控制的非饱和土综合试验仪可包括吸力控制部分和力学加载部分。该吸力控制的非饱和土综合试验仪还可包括螺旋状水室或基座。该螺旋状水室将通过扩散而聚集的气泡冲刷出该吸力控制的非饱和土综合试验仪。这可有利于更加精确地获得单个土样在各种应力状态和吸力状态下的测试结果，而没有外部气泡带来的问题。

根据另一个实施例，提供了一种实验方法，其可通过使用一个试样测量土体在完整吸力范围内(例如从0到1000MPa)的多种土体特性。例如，本文所描述的吸力控制的非饱和土综合试验仪可以实现该方法，然而也可以采用其他仪器来实现该方法。

下文及附图详细描述所公开主题的某些方面。其这些方面仅是示例性的，仅示出了本发明原理可实施的一些途径。本发明所公开的主题意图包括所有这样的方面及其等价。本发明所公开主题的其他优点和特征从下文详细的描述并结合附图将会更显而易见。

附图说明

下面结合附图描述所公开主题的实施例，所述实施例是非限制性和非穷举的，除特别说明外，整份说明书中相同的参考数字对应的相同的部件。

图1为一种示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪的示意框图。

图2为一种示例性吸力控制的综合试验仪的吸力控制部分的示意框图。

图3为轴平移技术的原理示意图。

图4为渗透技术的原理示意图。

图5是湿度控制技术的原理示意图。

图6为吸力控制的综合试验仪的示例性力学加载部分的示意框图。

图7为另一种示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪的示意框图。

图8为一种示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪的结构布置的示意框图。

图9为一种示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪的示意平面图。

图10为图9中的示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪的A-A剖面的示意平面图。

图11为图9中的示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪的B-B剖面的示意平面图。

图12为一种非饱和土实验方法的流程示意图。

图13为非饱和土实验方法的吸力控制环节的示意框图。

图14为非饱和土实验方法的流程示意图。

具体实施方式

下文将通过对诸多特定细节的描述对实施例提供完整的理解。然而相关领域的技术人员将认识到，本文所描述的技术可脱离一个或多个特定细节，或以其他的方法、组件等来实施。另一方面，众所周知的结构、材料和步骤均不再示出或详细描述，以避免混淆。

本文描述的吸力控制的非饱和土综合试验仪的多种实施例可用于岩土工程和环境岩土工程的领域。该吸力控制的非饱和土综合试验仪的多种实施例可包括一体式湿度和渗透吸力控制非饱和土综合试验仪(或HosmoBox)。该吸力控制的非饱和土综合试验仪的多种实施例可测试或测量非饱和土体的多种力学特性和土水特性，包括剪切强度、应力相关土水特征曲线(SDSWCC)、间接渗透系数方程、固结特征(包括沉降)、体变特征(包括收缩和膨胀)和含水量等。该吸力控制的非饱和土综合试验仪的多种实施例能提供单个一体式系统，该系统可通过单个非饱和土样测试这些力学和土水特征和特性。此外，该吸力控制的非饱和土综合试验仪的多种实施例可控制完整范围内的吸力(例如从0到1000MPa)。

在本说明书中，当提及“多种实施例”、“一个实施例”、“实施例”或“一种实施例”时，表示结合一个实施例所描述的具体特征、结构和功能可用于至少一个实施例中。因此，本说明书中多处出现的“一个实施例”或“一种实施例”等词不必限于某一个具体的实施例。此外，具体的特征、结构和功能可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式结合。

本说明书用到的“例如”、“示例性”等词表示用作实例、举例或说明。而非通过所述实例对本发明作出限制。此外本文以“实例”方式所描述的任何方面或设计也不应理解为比其他的方面或设计更加优选或有利，也不应理解为本领域技术人员所知的等价结构和技术。此外，当说明书或权利要求书中提及“包含”、“包括”、“具有”等词语时，其与“包括”表示一致，均是作为开放式理解，不排除任何附加或其他的元件。

现参照图1，是一个示例性装置或仪器的示意系统框图。在一个实施例中，该仪器可以是吸力控制的非饱和土综合试验仪100，该吸力控制的非饱和土综合试验仪可包括两个主要的部分，包括吸力控制部分102和力学加载部分104。该吸力控制的非饱和土综合试验仪100可称为一体式湿度和渗透吸力控制的非饱和土综合试验仪或HosmoBox。

吸力控制的非饱和土综合试验仪100可测试或测量单个土样的重要特性，这些重要特性可包括剪切强度、应力相关土水特征曲线、固结特征、体变特征(例如收缩和膨胀)等。这些重要特性可包括任何对研究土体特性有用的特性。

吸力控制的非饱和土综合试验仪100可在较大范围内的吸力下操作以控制土样吸力。例如吸力控制的非饱和土综合试验仪100可在完整范围的吸力(例如从0到1000MPa)中操作以测试或测量单个土样的特性。为确保在各吸力范围内的性能，该吸力控制的非饱和土综合试验仪100可包含吸力控制部分102。

图2示意性示出了吸力控制部分102，该吸力控制部分102可包括轴平移组件202、渗透控制组件204和湿度控制组件206，这三个组件通过采用不同的吸力控制技术来控制完整吸力范围(例如从0到1000MPa)内的某一段吸力。轴平移组件202可在低吸力(例如小于大约500kPa)处采用轴平移控制技术段的吸力。渗透控制组件204可在中等吸力(例如从大约500kPa到大约10MPa)处采用渗透控制技术。湿度控制组件204在高吸力(大于大约10MPa)处采用湿度控制技术。通过在单个吸力控制的非饱和土综合试验仪10中结合轴平移组件202、渗透控制组件204和湿度控制组件206，能够施加完整范围(例如从0到1000MPa)内的吸力。

通常情况下，土体在自然状态下为非饱和的。使得孔隙中既填充有液体(例如水)，又有气体(例如空气)，这两项的共存可导致土体吸力。一般认为土体吸力控制非饱和土体的力学特性和土水特征。

土体吸力通常指的是土体水的势，其能够从土体水的平衡蒸汽分压计算出。根据热动力学理论，总土体吸力可根据土体水的自由能或土体水的相对蒸汽压(相对湿度)来限定。根据Kelvin公式，总吸力与相对湿度之间的关系可用下式表示：

$\mathrm{\Ψ}=-\frac{\mathrm{RT}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{wo}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_v}\ln \left(\frac{u_v}{u_{v0}}\right)=-\frac{\mathrm{RT}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{wo}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_v}\ln \left(\mathrm{RH}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，Ψ是总吸力(kPa)，R是通用(摩尔)气体常数(8.31432J/(mol·K))，T是绝对温度，v_wo是水的比体积，

是水蒸气的分子量(18.016kg/kmol)，u_v是孔隙水的蒸汽分压(kPa)，u_v0是水蒸汽在同一温度下纯水平面上方的饱和蒸汽压(kPa)，RH是相对湿度(u_v/u_v0)。

土体水的总吸力同时也被称为土体水的自由能，从吸力角度，其等价于对土中水的平衡蒸汽分压与自由纯水的平衡蒸汽分压进行计算而得到的吸力。总吸力可基于基质吸力(孔隙气压力(u_a)-孔隙水压力(u_w))和渗透吸力π计算。

Ψ＝(u_a-u_w)+π    (2)

基质吸力，或土体水自由能的毛细组分，表示经由土体水和土体基质互相作用而产生液体张力，并被定义为孔隙水压力和孔隙气压力的差值。从热力学角度，其为通过对土中水的平衡分蒸汽压与具有与土体水相同的成分的溶液的平衡水蒸汽的分压进行计算而得到的等值吸力。渗透吸力，或土体水自由能的溶质部分，同水溶质的势联系。从吸力角度，其等价于对溶液(具有与土体水相同的成分)的平衡蒸汽分压与自由纯水的平衡蒸汽分压进行计算而确定的等值压力。基质吸力和渗透吸力均可由土体蒸汽的相对湿度差引起。

控制或测量非饱和土样中的吸力是重要的。一般来说，可使用湿度控制技术来控制总吸力。可使用轴平移技术来控制基质吸力，可使用由半透膜分开的不同溶质浓度的溶液来控制渗透吸力。

在低吸力段(例如小于大约500kPa)，轴平移组件202可采用轴平移技术控制非饱和土体吸力。图3通过示意框图说明了轴平移技术的基本原理。通过轴平移技术可提升孔隙气压(u_a)来使孔隙水压增加达到正值，以避免排水系统中的气化现象。总应力(σ)随着所述气压提高相同的数值以保持净应力(σ-u_a)不变。通过这种方法，净应力(σ-u_a)在提升孔隙气压(u_a)之前和之后保持不变。同样，基质吸力(u_a-u_w)也保持不变，因为孔隙气压的提升(Δu_a)和孔隙水压(Δu_w)的提升是一样的。

轴平移是通过使用带有高进气值陶瓷板来使土样中的孔隙气和一般位于所述土样下方的孔隙水压测量系统中的水相隔离。在饱和状态下，高进气值陶瓷板允许水通过，但防止自由气体通过而进入孔隙水压测量系统，只要所施加的基质吸力不超过陶瓷板的进气值。例如对于烧结的陶瓷，其进气值可达500kPa，对于特制纤维膜，其进气值可高达1500kPa。

在轴平移技术中，孔隙气压和孔隙水压两者是独立控制和测量的。所述轴平移技术的一个局限是可施加的最大吸力值，其受限于所述多孔材料所允许的最大的进气值，同时受限于系统所能施加和承受的气压值。因此，轴平移技术通常用于控制数百千帕(kPa)量级的吸力。

对于中等吸力范围(例如从大约500kP到大约10MPa)，渗透控制组件204可采用渗透控制技术测量或控制非饱和土体的吸力。图4通过示意框图说明了渗透控制技术的基本原理。只要溶剂和溶液由半透膜分开即可观察到渗透现象，半透膜仅允许溶剂分子的扩散。在本情形中，溶剂分子为水分子。

在渗透技术中，试样和渗透溶液通过半透膜隔开。例如土样中的渗透控制可基于纤维半透膜，溶液在半透膜下循环。半透膜对水和土体中的离子是可透的，而对大溶质分子和土体颗粒是不可透的。这导致试样和溶液之间存在溶质浓度差，也使得半透膜两侧的渗透势不同。在平衡状态下，所述半透膜两侧相等的水能量可表明土样中的基质吸力等于溶液的渗透吸力(渗透势)。当溶液的渗透吸力高于试样中的基质吸力时，水由土体吸到溶液中，增加试样中的吸力以实现平衡。

在平衡状态下，渗透吸力涉及土体盐份的分量在半透膜的两侧相同，且渗透吸力涉及大分子溶质的分量在土样中为零。因此渗透吸力在所述半透膜的两侧的差值等于渗透吸力涉及大分子溶质的分量。土体中的孔隙空气压力(u_a)为大气压，与现场的自然条件类似。

半透膜两侧的水交换达到平衡时，土体水中的势和溶液水的势相等，也就是说土体中的总吸力等于溶液中的总吸力。因此，半透膜两侧的渗透吸力差值等于半透膜两侧基质吸力的差值。因为溶液中的基质吸力为零，所以土体中的基质吸力(u_a ²-u_w ²)等于半透膜两侧渗透吸力的差值(也等于渗透吸力涉及大分子溶质的分量)。

渗透技术可基于聚氧乙烯(PEG)溶液或其等价物以产生用于土体测试的吸力。聚氧乙烯由于其安全和简单是最常用的。渗透吸力的大小取决于溶液浓度：浓度越高，渗透吸力越大。大分子溶液的最大吸力值受限于半透膜的性能以及溶液的最大渗透势(或饱和浓度)。聚氧乙烯溶液的最大渗透吸力值可为超过大约10MPa。

在高吸力段(例如高于大约10MPa)，湿度控制组件206可采用湿度控制技术(有时也称蒸汽平衡技术)。该技术通过选择不同的饱和盐溶液提供不同的相对湿度以用于控制各种期望的总吸力，图5通过示意框图说明了湿度控制技术的原理。热力学关系式(1)表明：可通过控制土体孔隙内的相对湿度来控制施加到非饱和土的总吸力。可以使用水溶液或通过采用反馈系统混合饱和蒸汽气体和干燥空气来控制湿度。

采用湿度控制技术时，可在一个热力学密闭环境中放置某种化合物的水溶液，并将土样放入该封闭环境。根据化合物的物理化学特征，化合物水溶液能在密闭环境中产生一定的相对湿度。土样与溶液之间以水蒸气的形式进行水份交换，直至实现吸力平衡，这样土样的吸力被控制在某个值。该水溶液可以是各种浓度的同一产品，就像诸如硫酸溶液和氯化钠溶液的非饱和溶液，也可以是各种饱和的盐溶液。饱和盐溶液相比非饱和溶液的实际优势在于能够释放或吸收相对大量的水，而不会显著影响平衡相对湿度。

通过结合轴平移组件202，渗透控制组件204和湿度控制组件206，吸力控制的非饱和土综合试验仪100的吸力控制部分102能够实现从0到1000MPa的完整范围的吸力。

吸力控制的非饱和土综合试验仪100还可在各种力学加载条件下操作。为了实现不同的加载条件，吸力控制的非饱和土综合试验仪100可包括力学加载部分104，该力学加载部分104如图6示意性示出，该力学加载部分104可包括水平加载组件602、竖直加载组件604、水平位移组件606和竖直位移组件608。这可实现不同的力学加载条件。组件602、604、606、608的一个或多个组件可完成诸如剪切强度、应力相关土水特征曲线、固结特征和体变特征等特性的测量。通过吸力控制部分102和力学加载部分104，吸力控制的非饱和土综合试验仪可在各种应力状态和吸力状态下操作。

图7示出了吸力控制的非饱和土综合试验仪100的另一个实施例的示意性系统方框图。如前所述，吸力控制的非饱和土综合试验仪100可包括吸力控制部分102和力学加载部分104。该吸力控制的非饱和土综合试验仪100还可包括螺旋状水室702。

在操作吸力控制的非饱和土综合试验仪100期间，可发生空气扩散。尽管空气扩散了，扩散但未溶解的气泡会在吸力控制的非饱和土综合试验仪100中累积。螺旋状水室702可为一个腔室，附加地或备选地，该螺旋状水室702可为底座。

图8示出的是一种示例性吸力控制的非饱和土综合试验仪100的结构布置示意图。该吸力控制的非饱和土综合试验仪100可包括：1、量管；2、压力腔；3、水平向位移传感器；4、加载帽；5、上剪切盒；6、水平加载杆；7、中剪切盒；8、下剪切盒；9、竖直向位移传感器；10、竖直加载杆；11、用于控制压缩气体的气路阀门；12、第一螺旋状水腔室；13、第一筛网；14、第一半透膜或多孔石；15、水平向荷载传感器；16、反应支承；17、土样；18、第二半透膜或高进气值陶瓷板；19、第二筛网；20、第二螺旋状水腔室；21、四通阀门；22、冲刷系统和扩散空气容积指示器；23、孔隙水压传感器；24、三通阀门；25、聚氧乙烯溶液/加湿空气入口；26、蠕动泵；27、聚氧乙烯溶液/加湿空气出口；28、烧杯的第一腔室；29、聚氧乙烯溶液；30、中间分隔件；31、烧杯的第二腔室；32、饱和盐溶液；33、电子天平；34、压力腔顶盖；35、压力腔腔体；36、压力腔底座；37、反应杆；38、盖螺栓；39、橡胶密封圈；40、空气出口；41、加载帽盖。

吸力控制的非饱和土综合试验仪可包括三种吸力控制方法。可利用压力腔2和用于控制压缩气体的气路阀门11来应用轴平移技术，其可被应用于小于大约500kPa的吸力。可利用充满聚氧乙烯溶液29的烧杯的第一腔室28来应用渗透控制技术，其可被应用于从大约500kPa到大约10MPa之间的吸力。可利用充满饱和盐溶液32的烧杯的第二腔室32来应用湿度控制技术，其可被应用于超过大约10MPa的吸力。

在低吸力段(例如低于500kPa)，可采用轴平移技术。可经由气路阀门11向压力腔2施加高压气压，以控制气压(u_a)。为了防止压缩空气进入土样17底部的第二螺旋状水腔室20，土样17的底部配置了高进气值陶瓷板18。可通过使用孔隙水压传感器23经由三通阀门24测量第二螺旋状水腔室20的水压(u_w)。u_a和测得的u_w之间的差值被称为基质吸力。轴平移技术限于用于低于大约500kPa的吸力。

基于渗透的原理，渗透控制技术可应用于从大约500kPa到大约10MPa之间的吸力。各种不同浓度的聚氧乙烯(PEG)溶液29可用于渗透控制技术。为了实现在大约500kPa和大约10MPa之间的吸力，可在烧杯的第一腔室28内存储标定浓度的聚氧乙烯溶液29，该聚氧乙烯溶液29由蠕动泵26泵送到位于土样17顶部的第一半透膜14且还被泵送到位于土样底部的第二半透膜18。这两个半透膜14、18允许水和土样17中的离子通过，但不允许大溶质分子和土体颗粒通过。这导致了土样17和聚氧乙烯溶液29之间的溶质浓度差，从而引起半透膜两侧渗透势不同。聚氧乙烯溶液29的渗透势使得土样17排水，其最终由土样17中的负孔隙水压差平衡。在平衡状态下，土样17中的土样吸力等于聚氧乙烯溶液29的渗透吸力(渗透势)。当聚氧乙烯溶液29的渗透吸力高于土样17的吸力时，水从土样17中吸走，并由四通阀门21调节，以及由量管1测量。由于土样17周围的气压保持为大气压，使用渗透技术更优地模拟了现场条件。

在超过大约10MPa的高吸力段，渗透技术不甚理想，因此在此高吸力段采用湿度控制技术。根据方程式(1)，可通过土体孔隙内的相对湿度来控制土体总吸力，而湿度控制技术控制该相对湿度。饱和盐溶液32可存储在烧杯的第二腔室31内。该存储的盐溶液32可产生一定的相对湿度的潮湿空气，之后其可通过蠕动泵26泵送以循环至整个系统而到达在上盒5和中盒7中的土样17并与之均化，之后该潮湿空气回到烧杯的第二腔室31。在给定的吸力处，流出或流进土样17的任意过量体积的水蒸汽将由烧杯的第二腔室31收集或提供，而该量由电子天平33测量。

通过结合轴平移技术、渗透控制技术和湿度控制技术，吸力控制的非饱和土综合试验仪能够实现从0到1000MPa的完整范围内的吸力。该吸力控制的非饱和土综合试验仪还能够独立或同步实现各种应力加载。

吸力控制的非饱和土综合试验仪包括力学加载部分，该力学加载部分包括水平加载系统和竖直加载系统。该力学加载部分6还包括竖直位移测量设备和水平方向位移量测设备。

在吸力控制的非饱和土综合试验仪中，可通过竖直加载杆10实现竖直加载，可通过竖直位移传感器9测量土样17的竖直位移。如需要剪切力，可通过水平加载杆6向土样17的底部施加水平力，且该力可由载荷单元15测量。加载系统6的水平移动可由水平位移传感器3测量。

在吸力控制的非饱和土综合试验仪的操作期间，空气扩散发生。扩散但未溶解的空气可聚集在较低的第二半透膜或高进气值陶瓷板18下方。这些空气可经由第二螺旋状水腔室20冲刷走。

现参照图9，示出了图10中的吸力控制的非饱和土综合试验仪的平面图。为了便于描述，图9中的A-A剖面在图10中展开，而图9中的B-B剖面在图11中展开。

图9示出的是6、水平加载杆；8、下剪切盒；20、第二螺旋状水腔室；25、聚氧乙烯溶液/加湿空气入口；27、聚氧乙烯溶液/加湿空气出口；36、压力腔底座；以及37、反应杆。在图8中示出并在图10中展开的元件A包括4、加载帽；5、上剪切盒；6、水平加载杆；7、中剪切盒；8、下剪切盒；10、竖直加载杆；11、用于控制压缩气体的气路阀门；17、土样；25、聚氧乙烯溶液/加湿空气入口；27、聚氧乙烯溶液/加湿器空气出口；34、压力腔腔盖；35、压力腔腔体；36、压力腔底座；37、反应杆；38、盖螺栓；39、橡胶密封圈；40、空气出口；以及41、加载帽盖。图8中示出并在图11中展开的元件B包括10、竖直加载杆；11、用于控制压缩气体的气路阀门；12、第一螺旋状水腔室；13、第一筛网；14、第一半透膜或多孔石；17、土样；18、第二半透膜或高进气值陶瓷板；19、第二筛网；20、第二螺旋状水腔室；25、聚氧乙烯溶液/加湿空气入口；27、聚氧乙烯溶液/加湿器空气出口；以及40、空气出口。图9、10和11所示的吸力控制的非饱和土综合试验仪的功能可与图8所示的吸力控制的非饱和土综合试验仪的功能一样。

以图12至14说明了例如可与图8至11所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪联合使用的方法或规则。为了简单说明，该方法或规则作为一系列操作来描绘或描述，其目的既不是对实验操作进行穷举，也不是对实验操作的次序加以限制。例如，实验操作可以各种次序进行和/或同时进行，并包括其他再次没有描述的实验操作。此外，所述的步骤不都是在此描述的方法和算法所必备的。本领域技术人员可以认识和理解，这些方法和算法可通过状态图或项目表示为一系列不相关的状态。。

现参照图12，示出的是用于测试、测量或确定单个土样的各种特性的方法1200的示意性步骤流程图，土样可以是非饱和状态。在整个方法1200中可使用同一土样。

该方法在1202部分处开始，其中可确定土样的第一特性。在1204部分中，可在同一装置上确定同一土样的第二特性。该装置可为例如如图8-11所示的吸力控制的非饱和土综合试验仪。在1206部分中，可在同一装置上确定同一土样的第三特性。在1208部分中，可在同一装置上测量土样的第四特性。

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，诸如剪切强度、应力相关土水特征曲线、间接渗透系数方程、固结特征(包括沉降)、体变特征(包括收缩和膨胀)和含水量等。这些特性可为土样的任何力学或土水特性。该装置可以是吸力控制的非饱和土综合试验仪，其可提供单个的一体式系统，能够从单个土样测试这些力学和水土特征和特性，同时控制完整的吸力范围(例如从0到1000MPa)。

现参照图13，示出的是用于控制土样在从0到1000MPa的吸力范围的方法1300的示意性步骤流程图。土样可以是非饱和的。在整个方法1300中可使用同一个土样。完整范围内的吸力能够通过吸力控制的非饱和土综合试验仪实现，该吸力控制的非饱和土综合试验仪可提供能够在完整吸力范围通过单个土样测试土体的力学特性和土水特征的一体式系统。

在1302部分处，该装置可使用轴平移技术来控制低于大约500kPa的吸力。使用轴平移技术时，可提升土体孔隙气压力以增加土体孔隙水压(u_w)达到正值，以避免排水系统中的气化现象。总应力(σ)随着气压提高相同的数值，以保持净应力(σ-u_a)不变。通过这种方法，净应力(σ-u_a)在提升孔隙气压(Δu_a)之前和之后保持不变。类似地，基质吸力(u_a-u_w)也保持不变，因为孔隙气压(Δu_a)的提升和孔隙水压(Δu_w)的增加一样。轴平移技术通过使用高进气值陶瓷板来隔离土样中的孔隙气和通常位于土样的下方的孔隙水压测量系统中的水相来实现。在饱和状态下，该陶瓷板允许水通过，但防止自由气体通过而流入孔隙水压量测系统，只要所施加的基质吸力不超过多孔板的进气值。该轴平移技术受限于系统所能施加和承受的最大气压值，以及多孔材料的进气值(在数百kPa量级)。

在1304部分处，该装置可使用渗透控制技术控制大约500kPa到大约10MPa之间的吸力。在渗透技术中，试样和渗透溶液由半透膜隔开。例如土样中的吸力控制可基于纤维半透膜。溶液在半透膜下部循环。该膜对水和土体中的离子是可透的，而对大溶质分子和土体颗粒是不可透的。因此，溶液和试样之间的溶质浓度不同，导致了半透膜两侧的渗透势不同。溶液和土体水的渗透势的不同导致土样的排水或进水，而该势最终由试样中的负孔隙水压平衡。该膜两侧的水能量可表明如果溶液在平衡状态，土样中的基质吸力等于渗透吸力(渗透势)。当溶液的渗透吸力大于试样的基质吸力，水从土体吸取向溶液，增加试样中的吸力以实现平衡。

在平衡状态，渗透吸力涉及土体盐分的分量在半透膜两侧相同，且渗透吸力涉及大分子溶质的分量在土体中为零。半透膜两侧的渗透吸力差值等于渗透吸力涉及大分子溶质的分量。土体中孔隙气压(u_a)处于大气压，与现场的自然条件类似。

当经由半透膜的水交换达到平衡时，土体水的势等于溶液水的势，也就是说土体中的总吸力等于溶液中的总吸力。因此，半透膜两侧的渗透吸力差值等于半透膜两侧基质吸力的差值。因为溶液中的基质吸力为零，土体水的基质吸力(u_a ²-u_w ²)等于半透膜两侧渗透吸力的差值(或等于渗透吸力的涉及溶质的分量)。

渗透技术可基于聚氧乙烯(PEG)溶液或其等价物以产生吸力用于土体测试。聚氧乙烯由于其安全和简单是最常用的溶质。渗透吸力的值取决于溶液浓度：浓度越高，渗透吸力越大。最大吸力值受限于半透膜的性能以及溶液的最大渗透吸力势(也即浓度)(可达大约10MPa)。

在1306部分处，所述装置可使用湿度控制技术控制超过大约10MPa的吸力。采用湿度控制技术时，可在一个热力学密闭环境中放置某种化合物的水溶液，并将土样放入该封闭环境。根据化合物的物理化学特征，化合物水溶液能在密闭环境中产生一定的相对湿度。土样与溶液之间以水蒸气的形式进行水份交换，直至实现吸力平衡，

现参照图14，示出的是用于测量或测试单个土样的各种力学特性和土水特征的方法1400的示意性步骤流程图。土样可以是非饱和土样。在整个方法1400中可使用同一土样。各种力学和土水特征和特性可包括重要的土工特性，诸如剪切强度、应力相关土水特征曲线、间接渗透系数方程、固结特征(包括沉降)、体变特征(包括收缩和膨胀)和含水量等。

在1402部分处，土样被控制在吸力范围在从0到1000MPa之间。对于从0到大约500kPa范围的吸力时，使用轴平移技术。对于从大约500kPa到10MPa范围的吸力时，使用渗透控制技术。对于从大约10MPa到大约1000MPa范围的吸力时，使用湿度控制技术。这些技术的结合允许控制土样的吸力在从0到1000MPa的范围中。

在1404部分处，对所述土样提供各种力学加载条件，所述加载包括水平加载和竖直加载，且同时进行水平和竖直位移的测量。所述加载条件可实现诸如剪切强度、应力相关土水特征曲线、固结特征及体变特征的特性的测试或测量。

在1406部分处，扩散的气泡被从土样冲刷走。在装置用于各种吸力条件和力学加载条件的操作期间，发生空气扩散。尽管空气扩散了，扩散的未溶解的气泡可聚集在土样附近。这些聚集的气泡可由装置的专门设计的部分(例如底座或腔室)冲刷走。

上文描述的本发明实施例的其目的不是对本发明的具体实施例进行穷举，也不是将本发明局限于所公开的形式。列举实施例的目的只是对本发明的基本精神进行解释和说明。参照公开的具体实施例，本领域的技术人员可在这些实施例的范围内对本发明进行多种修改。

在此，尽管本发明结合了多个实施例及相应附图进行描述。应当理解可不脱离本发明而应用相似的实施例或可对所述实施例进行修改或增加以实现与本发明相同、相似、备选或替换的功能。因此本发明不应限制于所描述的任一单个实施例，而应结合所附权利要求的范围而理解。

Claims (20)

1.一种吸力控制的非饱和土综合试验仪，包括：

吸力控制部分；和

力学加载部分，

其特征在于：所述吸力控制的非饱和土综合试验仪确定单个土样的至少四种土体特性。

2.根据权利要求1所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述至少四种特性包括剪切强度。

3.根据权利要求1所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述至少四种特性包括应力相关土水特征曲线。

4.根据权利要求1所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述至少四种特性包括固结特征。

5.根据权利要求1所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述至少四种特性包括体变特征。

6.根据权利要求1所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述吸力控制部分可在从0kPa到1000MPa的吸力范围中操作以控制所述土样的吸力。

7.根据权利要求1所述的吸力控制的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述吸力控制部分包括：

轴平移组件，其可在小于大约500kPa的吸力范围内操作以控制所述土样的吸力；

渗透控制组件，其可在从大约500kPa到大约10MPa的吸力范围内操作以控制所述土样的吸力；

相对湿度控制组件，其可在高于大约10MPa的吸力范围内操作以控制所述土样的吸力。

8.根据权利要求1所述的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述力学加载部分包括：

水平加载组件，以及用于测量土体在加载条件下水平方向变形的水平位移组件；和

竖直加载系统，以及用于测量土体在加载条件下竖直方向变形的竖直位移组件。

9.根据权利要求1所述的非饱和土综合试验仪，其特征在于所述土样为非饱和土样。

10.一种非饱和土实验方法，包括：

在单个设备上确定单一土样的第一特性；

在所述单个设备上确定所述单一土样的第二特性；

在所述单个设备上确定所述单一土样的第三特性；以及

在所述单个设备上确定所述单一土样的第四特性。

11.根据权利要求10所述的非饱和土实验方法，进一步包括在所述单个设备上控制所述土样的吸力在0和大约1000MPa之间。

12.根据权利要求11所述的非饱和土实验方法，进一步包括根据轴平移技术在所述单个设备上控制所述土样的吸力在小于大约500kPa。

13.根据权利要求11所述的非饱和土实验方法，进一步包括根据渗透技术在所述单个设备上控制所述土样的吸力在大约500kPa和大约10MPa之间。

14.根据权利要求13所述的非饱和土实验方法，其特征在于所述渗透技术进一步包括采用聚氧乙烯(PEG)溶液或其等价物产生500kPa和10MPa之间的吸力。

15.根据权利要求11所述的非饱和土实验方法，进一步包括根据湿度控制技术在所述单个设备上控制所述土样的吸力在大于大约10MPa。

16.根据权利要求11所述的非饱和土实验方法，进一步包括结合用于小于大约500kPa的吸力的轴平移技术、用于在大约500kPa和10MPa之间的吸力的渗透技术、以及用于大于大约10MPa的吸力的湿度控制技术。

17.根据权利要求10所述的非饱和土实验方法，进一步包括控制土样竖直方向的应力并测量竖直方向的位移。

18.根据权利要求10所述的非饱和土实验方法，进一步包括控制土样水平方向的应力并测量水平方向的位移。

19.根据权利要求10所述的非饱和土实验方法，进一步包括将扩散而聚集的气泡从所述设备冲刷走。

20.一种吸力控制的非饱和土综合试验仪，包括：

用于控制土样在从0到1000MPa的吸力的工具；

用于实现多种应力加载条件的工具；以及

用于将扩散的气泡从所述吸力控制的非饱和土综合试验仪冲刷走的工具。

Images