CN103235107A - 负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，包括非饱和土固结仪、土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，土体含水量变化的测量系统由是干燥器、盛水容器、重量传感器和控制系统组成，正负压力转换系统由正压力控制表、负压力控制表、压力转换器和空压机组成，在压力室顶盖上设有排气孔，使压力室与大气连通，排气孔口用通气不通水的滤纸密封住。本发明的装样器的压力室内气压与大气压相等，其吸力值等于孔隙水压力的绝对值，在控制吸力时能真实地再现非饱和土体的自然状态，真正模拟天然非饱和土体的吸力状态，克服了轴平移技术的缺点，并且装置构造简单，操作方便，易于掌握。

Description

负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程土工试验装置，特别是一种非饱和土体吸力控制及其量测的装置，应用于岩土工程的土工试验。

背景技术

岩土工程中的非饱和土比比皆是，在地基工程、边坡工程和洞室工程中尤为常见，主要是自然干燥土和压实土，土坝的建造与运行、环境条件变化情况下的天然土坡、竖直挖方的边坡稳定、膨胀土造成的地面隆起及其湿陷土中的许多问题，均涉及到非饱和土的渗透、强度和变形特性，因此对于非饱和土性质的研究显的非常必要。非饱和土与饱和土的最大的差别在于非饱和土不仅存在固相和液相并且存在气相，非饱和土的液相与气相之间的水气交界面上存在孔隙气压力和孔隙水压力之间的压力差称为吸力，因此对于吸力控制及其量测技术显得尤其重要。现有土工试验中研究非饱和土水力-力学特征中，吸力控制和量测吸力常用的试验方法有：轴平移技术、滤纸法、蒸汽平衡法、张力计法等。

目前在室内土工试验中轴平移技术是最常用的吸力控制及量测方法，轴平移法是同时增加孔隙气压力和孔隙水压力，使试样中的净应力状态变量保持不变进而可以解决负孔隙水压力量测的气蚀问题，但不能真正模拟天然非饱和土体的吸力状态。Toll通过大量的试验发现：控制吸力相等时，用轴平移技术控制吸力的土体含水量大于土体自然情况下的含水量。同时使用轴平移技术对受荷载测定十分困难，且容易使试样因受力状态的改变而引起扰动或歪曲测定的结果。对于非饱和土三轴试验中，人为地提高气压使得阻止试样内的气体通过橡皮膜向外渗漏成为一个困难问题，Bishop 曾在橡皮膜外包一层铝箔或在压力室内充满水银代替水，但又给试验操作带来许多麻烦。同时使用通水不通气的高进气值陶瓷板来分别控制孔隙气压力及孔隙水压力达到控制吸力，控制吸力的范围受陶瓷板进气值的限制，当陶土板进气值较高时，陶土板渗水性低造成吸力平衡时间长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，装样器的压力室内气压与大气压相等，其吸力值等于孔隙水压力的绝对值，克服了采用轴平移技术时土体的吸力状态与天然土体不一样的缺点，解决陶土板高流量与高进气值的矛盾，在控制吸力时能真实地再现非饱和土体的自然状态，真正模拟天然非饱和土体的吸力状态，即试验时土体吸力状态与地表附近非饱和土体的状态相同，装置构造简单，操作方便，易于掌握。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，主要包括非饱和土固结仪，非饱和土固结仪的压力室由压力壁、压力室顶盖和压力室底板组装连接形成，通过螺丝杆穿过螺丝孔，将压力室顶盖与压力室底板安装连接在一起，在压力壁和压力室底板连接处设有橡胶圈，透水不透气的陶土板固定安装压力室底板上，与陶土板直接接触的压力室底板上表面设有螺旋槽，螺旋槽与贯穿压力室底板的水孔连通，试样和环刀放在陶土板上，还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：土体含水量变化的测量系统由是干燥器、盛水容器、重量传感器和控制系统组成，在干燥器内的底部设置垫层，在垫层上设置重量传感器，重量传感器上载有盛水容器，干燥器的上口通过三孔塞密封，穿过三孔塞的导管一端直接通入盛水容器内，其另一端与水孔连通，在导管上设有排水阀门，穿过三孔塞的数据线一端与控制系统的数据接收端连接，其另一端与重量传感器的输出段连接；正负压力转换系统由正压力控制表、负压力控制表、压力转换器和空压机组成，另外一支导管也穿过三孔塞，此导管的一端与干燥器内部导气连通，其另一端与空压机的送气口连通，压力转换器控制此导管内的气体压力，负压力控制表和正压力控制表分别设于压力转换器两侧的此导管上；在压力室顶盖上设有排气孔，使压力室与大气连通，排气孔口用通气不通水的滤纸密封住。

上述控制系统优选采用计算机。

作为本发明技术方案的改进，与上述空压机相连的导管的伸入干燥器的端部也用通气不通水的滤纸密封。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置保持装样器的压力室内气压与大气压相等，其吸力值等于孔隙水压力的绝对值，真正模拟天然非饱和土体的吸力状态，即试验时土体吸力状态与地表附近非饱和土体的状态相同，克服了采用轴平移技术时土体试样的吸力状态与天然土体不一样的缺点；通气不通水的聚氟乙烯滤纸可以有效防止土体试样的蒸发。

2. 本发明负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置吸力平衡过程中土体含水量的变化通过重量传感器实时地进行量测，精确度高，便于数据记录和存储，自动化程度高；

3. 本发明负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置进行非饱和土压力板试验竖向加载时，可避免气压对荷载的影响，能更加真实反映实验结果；

4. 本发明的装样器构造简单，操作方便，易于掌握。

附图说明

图1是本发明负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置总体结构示意图。

图2是本发明的非饱和土压力板仪系统的结构示意图。

图3是本发明的土体含水量变化的测量系统的结构示意图。

图4是本发明的正负压力装换系统的结构示意图。

图5是本发明的压力室罩的结构示意图。

图6是本发明的压力室底板的结构示意图。

图7是本发明的螺丝杆示意图。

图8是本发明的压力室底板立面图。

图9是本发明的压力室立面图。

图10是本发明的土体含水量变化的测量系统的干燥器结构示意图。

图11是本发明的重量传感器和烧杯的结构示意图。

图12是本发明的三孔塞子及其计算机的示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

在本实施例中，参见图1～图12，一种负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，主要包括非饱和土固结仪，非饱和土固结仪的压力室1由压力壁2、压力室顶盖3和压力室底板4组装连接形成，通过螺丝杆5穿过螺丝孔14，将压力室顶盖3与压力室底板4安装连接在一起，通过改变压力室的直径和高度能满足不同尺寸的试验土样试样7，在压力壁2和压力室底板4连接处设有橡胶圈13，透水不透气的陶土板6固定安装压力室底板4上，与陶土板6直接接触的压力室底板4上表面设有螺旋槽12，螺旋槽12与贯穿压力室底板4的水孔11连通，试样7和环刀8放在陶土板6上，其特征在于，还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：土体含水量变化的测量系统由是干燥器15、盛水容器17、重量传感器18和控制系统27组成，在干燥器15内的底部设置垫层19，在垫层19上设置重量传感器18，重量传感器18上载有盛水容器17，干燥器15的上口通过三孔塞16密封，穿过三孔塞16的导管20一端直接通入盛水容器17内，其另一端与水孔11连通，在导管20上设有排水阀门24，穿过三孔塞16的数据线21一端与控制系统27的数据接收端连接，控制系统27为计算机，本实施例重量量测系统可以实时量测土体含水量变化情况，其另一端与重量传感器18的输出段连接；正负压力转换系统由正压力控制表22、负压力控制表23、压力转换器26和空压机25组成，另外一支导管20也穿过三孔塞16，此导管20的一端与干燥器15内部导气连通，其另一端与空压机25的送气口连通，压力转换器26控制此导管20内的气体压力，负压力控制表23和正压力控制表22分别设于压力转换器26两侧的此导管20上，通过控制不同负孔隙水压力控制土样的吸力，负压力控制表23和正压力控制表22的控制量程分别为0~1Mpa和-120~0kPa，压力转换器26作为真空产生器，利用文氏管原理压缩空气转换成低流量的真空，真空范围为0~89.6kPa，最大供应压力为137.9kPa，空压机25能够提供气压0~1MPa；在压力室顶盖3上设有排气孔9，使压力室1与大气连通，排气孔口9用通气不通水的滤纸10密封住，最好为聚氟乙烯滤纸，与空压机25相连的导管20的伸入干燥器15的端部也用通气不通水的滤纸10密封，聚氟乙烯滤纸具有通气不通水的功能，能避免试样含水量受到大气蒸发的影响，并使其重量传感器测量土样含水量更加准确。本实施例非饱和土压力板仪压力室内气压通道与大气连通，压力室内气压孔口用通气不通水的聚氟乙烯滤纸密封，压力板仪底部是透水不透气的陶土板，陶土板底部接出来塑胶管与土体含水量变化的测量系统相连接，高进气值的陶土板又能使土样的气压与孔隙水压分别控制。本实施例的装样器的压力室内气压与大气压相等，其吸力值等于孔隙水压力的绝对值，在控制吸力时能真实地再现非饱和土体的自然状态，真正模拟天然非饱和土体的吸力状态。

在本实施例中，压力室（1），其内径107.46mm、高度101.06mm；压力壁（2），其厚度6.52mm，高度101.06mm，内径107.46mm；压力盖（3），直径150.78，高度21.62mm；压力室底板（4），直径160mm,高度29.28mm；螺丝杆（5），直径12.58mm，总长度138.44mm；陶土板（6），直径89mm，高度10.84mm，其进气值5bar；试样（7）和环刀（8），直径61.80mm，高度20mm；分别是排气孔（9）和水孔（11），孔径10.54mm；橡胶圈（13），内径112.62mm，外径116.36mm；螺丝孔（14），孔径12.60mm；干燥器（15），下直径250mm，上直径300mm，高度300mm；三孔塞（16），塞子直径47~65mm，孔径6mm；盛水容器17，200cc；导管（20），外径6mm，内径4mm。

使用本实施例负孔隙水压力控制吸力的压力试验的具体过程如下：

a．先用脱气水把压力室底板4的陶土板6进行完全饱和；

b．把预先制作好的试样7、环刀8放在压力室底板4的陶土板6上；

c．把排气孔9用聚氟乙烯滤纸10密封；把橡胶圈13放置在压力壁2与压力底板4接触地方。用螺丝杆5把压力室顶盖3与压力室底板4安装连接好，保证具有良好的密封性； 

d．安装配置好土体含水量变化的测量系统，即重量测量系统，把排水孔11到烧杯17的导管20及烧杯17充满脱气水，把重量传感器18打开、调试好，把数据线21连接到计算机上，把干燥器15用三孔塞16塞紧保证具有良好的密封性；

e．把正压力控制表22、负压力控制表23、压力转换器26和空压机25用导管20连通；打开正压力控制表22、负压力控制表23、和空压机25，拨动正压力控制表22和负压力控制表23、设定目标负孔隙水压力值；

f．打开排水阀门24，打开计算机实时采集土样含水量变化数据；

g．实时观测土样含水量变化数据来判断吸力是否平衡，吸力平衡后所设定目标负孔隙水压力值就是土样吸力，达到吸力控制的目的；

h．关闭排水阀门，用正压力控制表22和负压力控制表23把负孔隙水压回到O，拆除压力室，测量土样重量，再根据土样初始含水量计算出试样目前的含水量；

i．或者根据重量传感器所测量的土样含水量变化值和土样初始含水量计算试样目前含水量；

j．控制另一个吸力，用正压力控制表22和负压力控制表23将负孔隙水力值调到目标值，再打开排水阀门24，吸力平衡后土样含水量的测量与上述步骤h和步骤i相同。

本实施例压力室内气压与大气压相等，其吸力值等于孔隙水压力的绝对值。试验装置能真正模拟天然非饱和土体的吸力状态，即试验时土体吸力状态与地表附近非饱和土体的状态相同。克服了采用轴平移技术时土体的吸力状态与天然土体不一样的缺点，且吸力平衡过程中土体含水量的变化通过重量传感器实时地进行量测。此装置用正负压力装换系统能够精确的控制负孔隙水压。本发明负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置的装样器构造简单，操作方便，易于掌握。

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，只要符合用于本发明负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置的结构和构造原理，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，主要包括非饱和土固结仪，所述非饱和土固结仪的压力室（1）由压力壁（2）、压力室顶盖（3）和压力室底板（4）组装连接形成，通过螺丝杆（5）穿过螺丝孔（14），将所述压力室顶盖（3）与压力室底板（4）安装连接在一起，在所述压力壁（2）和所述压力室底板（4）连接处设有橡胶圈（13），透水不透气的陶土板（6）固定安装所述压力室底板（4）上，与所述陶土板（6）直接接触的压力室底板（4）上表面设有螺旋槽（12），螺旋槽（12）与贯穿所述压力室底板（4）的水孔（11）连通，试样（7）和环刀（8）放在所述陶土板（6）上，其特征在于，还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：

所述土体含水量变化的测量系统由是干燥器（15）、盛水容器（17）、重量传感器（18）和控制系统（27）组成，在所述干燥器（15）内的底部设置垫层（19），在垫层（19）上设置所述重量传感器（18），所述重量传感器（18）上载有所述盛水容器（17），所述干燥器（15）的上口通过三孔塞（16）密封，穿过所述三孔塞（16）的导管（20）一端直接通入盛水容器（17）内，其另一端与所述水孔（11）连通，在所述导管（20）上设有排水阀门（24），穿过所述三孔塞（16）的数据线（21）一端与控制系统（27）的数据接收端连接，其另一端与所述重量传感器（18）的输出段连接；

所述正负压力转换系统由正压力控制表（22）、负压力控制表（23）、压力转换器（26）和空压机（25）组成，另外一支导管（20）也穿过所述三孔塞（16），此导管（20）的一端与所述干燥器（15）内部导气连通，其另一端与所述空压机（25）的送气口连通，所述压力转换器（26）控制此导管（20）内的气体压力，所述负压力控制表（23）和正压力控制表（22）分别设于所述压力转换器（26）两侧的此导管（20）上；

在压力室顶盖（3）上设有排气孔（9），使所述压力室（1）与大气连通，所述排气孔口（9）用通气不通水的滤纸（10）密封住。

2.根据权利要求1所述的负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，其特征在于：所述控制系统（27）为计算机。

3.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压力控制吸力的压力板试验装置，其特征在于：与所述空压机（25）相连的导管（20）的伸入所述干燥器（15）的端部也用所述通气不通水的滤纸（10）密封。

Images