CN103743883A - 一种测试非饱和土滞回曲线的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种测试非饱和土滞回曲线的装置与方法，所述装置包括盖板、压力室侧壁、陶土板、基座、定水头进水管、排水计量管和台架，所述盖板、压力室侧壁和基座组成封闭的测试空间，在盖板上设置进气管路，所述陶土板固定在基座上，在基座中心部位设置与定水头进水管连通的进水管路，在基座的一侧设置与排水计量管连通的出水管路，所述定水头进水管和排水计量管分别安装在两侧布置的两个台架上；测试包括准备、土样真空饱和、排水测试和浸水测试步骤。本发明为测定非饱和土滞回曲线提供了一种操作性良好的测试装置和方法，充分保证了测量结果的可靠性。

Description

一种测试非饱和土滞回曲线的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置及测试方法，尤其是一种适用于非饱和土滞回曲线测定的测试装置与测试方法，属于测试、测量技术领域。

背景技术

非饱和土的土-水特性曲线是表示基质吸力与体积含水量之间关系的曲线，其对于描述非饱和土的抗剪强度、体积变化、渗透系数等参数都有重要意义。然而，土-水特征曲线存在着明显的滞回现象，即脱水曲线要高于浸湿曲线，两者形成一个滞回圈。这就说明在相同的净压力与饱和度的情况下，基质吸力可能会存在不同，可能表现出不同的抗剪强度、渗透系数等，土的滞回问题广泛存在于工程实际中，如受库区水位变化影响，边坡必然经历多次脱水-浸湿-脱水过程。因此精确测试非饱和土的滞回现象对于研究非饱和土理论以及工程设计有着极为重要的价值。

压力板仪是测定土-水特征曲线的基本设备之一，常用的测试仪器如Fredlund SWCC土水特征曲线压力板仪，申请号为201120271620.0的中国专利也提供了一种土水特性曲线测试仪，这些仪器都基于轴平移技术，假设气水平衡后土样内部水压力为零，这样施加的气压即为基质吸力，但采用这些仪器进行非饱和土的土-水特性曲线测试时排水管或进水管都被固定在仪器台架上，管内初始液面的高度高于土样，这样会在土样内部产生水压，且浸湿与排水液面升降还会造成土中水压力的波动，这些都影响了基质吸力的精确控制；主要表现在两方面的不足：一是浸湿实验在低基质吸力下时，由于气压降低，受进水管水压作用，会在陶土板上汇集多余积水，出现土样泡软现象，造成进水量测试误差；二是进气值无法准确测试问题，由于土样进气值一般在5～20kPa之间居多，因此20～30cm高的水头造成的2～3kPa误差对于进气值测试影响就十分明显了。另外，非饱和土的土-水特征滞回曲线测试过程中无法中途终止实验取样测试，因此要求土样初始应为饱和状态，传统土样饱和一般采用压力室外水头饱和或者反压饱和，然后放置入压力室中进行测试，但是无论哪种方法都存在扰动土样的问题，饱和原状土样受震动后容易轻微液化，改变原状土的结构形式，影响土体的进气值，也改变的原状土的土水特性。因此，研制一种土样在脱水、浸湿过程中都处于零水压梯度状态，且能够直接在压力室内对试样进行饱和的装置和方法，对于精确测定非饱和土的土-水特性曲线滞回问题有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种测试非饱和土滞回曲线的装置与方法，它能使被测试土样在脱水、浸湿过程中都处于零水压状态、且能够直接在压力室内对试样进行饱和，以保证非饱和土滞回曲线测试结果的准确性。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种测试非饱和土滞回曲线的装置，它包括盖板、压力室侧壁、陶土板、基座、定水头进水管、排水计量管和台架，所述盖板、压力室侧壁和基座组成封闭的测试空间，在盖板上设置进气管路，所述陶土板固定在基座上，在基座中心部位设置与定水头进水管连通的进水管路，在基座的一侧设置与排水计量管连通的出水管路，所述定水头进水管和排水计量管分别安装在两侧布置的两个台架上。

上述测试非饱和土滞回曲线的装置，所述定水头进水管顶端设置密封胶塞，在定水头进水管底部设置进水控制阀门，在定水头进水管侧壁上设置与大气连通的弯管，所述弯管高度与陶土板顶面高度一致，弯管的末端为向上的敞口漏斗结构。

上述测试非饱和土滞回曲线的装置，所述排水计量管顶端为缩口结构，在排水计量管底部设置排水控制阀门，在排水计量管侧壁上设置与出水管连通的侧导入管，所述侧导入管与排水计量管夹角α=80°，侧导入管与排水计量管接合部位高度与陶土板顶面高度一致。

上述测试非饱和土滞回曲线的装置，所述出水管路上设置出水控制阀门。

上述测试非饱和土滞回曲线的装置，所述进气管路上设置进气控制阀门。

上述测试非饱和土滞回曲线的装置，所述陶土板外面设置陶土板保护钢圈，所述陶土板保护钢圈外径大于压力室内径，它与陶土板之间采用环氧树脂粘合，与基座之间通过O型圈密封。

一种测试非饱和土滞回曲线的方法，测试按如下步骤进行：

a、准备过程

将定水头进水管固定在台架上，保证定水头进水管侧壁上弯管与土样的底面中心等高，

关闭进水控制阀门，将进水管路与定水头进水管连接，在定水头进水管中注满水后加密封胶塞封口，

将排水计量管固定在台架上，保证侧导入管高度与陶土板顶面高度一致，将侧导入管与出水管路连接，

打开进水控制阀门，水流由出水管路中流出，形成稳定水流后关闭进水控制阀门，关闭出水控制阀门，打开排水控制阀门，排出多余水至合理水位高度；

b、土样真空饱和

在压力室中放置土样，加盖盖板后由紧固螺栓密封固定，

关闭进水控制阀门和出水控制阀门，将进气管路与真空泵连接后开启真空泵，开始对压力室抽真空作业，

打开进水控制阀门，在陶土板上下压力差作用下，水由陶土板下侧渗透至压力室中，通过定水头进水管上刻度读取进水量，

在进水量超过土样孔隙体积1.4倍后，关闭进水控制阀门，停止压力室抽真空作业，一小时后，压力室自由进气，

将进气管路与高压气源连接，打开出水控制阀门，观测排水管水位，稳定时表明压力室中多余水分已排完，土样饱和结束。

c、脱水曲线测试

保持进水控制阀门开启、出水控制阀门关闭，使陶土板与土样充分饱和，

关闭进水控制阀门，打开出水控制阀门，让压力室中多余水分流出，

调节给定气压，打开进气控制阀门，给土样施加基质吸力，等排水稳定后由排水计量管刻度读取并记录排水量，

然后使气压增高至下一测量级，重复上述排水测试步骤；

d、浸水曲线测试

保持气压不变，打开进水控制阀门，对基座进行冲刷，然后关闭出水控制阀门，关闭进水控制阀门，

打开定水头进水管上端的密封胶塞，注水至最大刻度处，盖上密封胶塞，打开进水控制阀门，稳定三小时，

逐级减小气压，在各级气压状态下，待浸水稳定后，由定水头进水管上刻度读取并记录该级气压下的浸水量。

上述测试非饱和土滞回曲线的方法，所述土样真空饱和步骤中真空泵工作压力为一个负大气压，真空泵持续工作时间为一小时。

上述测试非饱和土滞回曲线的方法，所述土样真空饱和步骤中与进气管路连接高压气源的压力级别为2、3、4、5、6、8、10、15、20、30、50、100、250、500kPa。

上述测试非饱和土滞回曲线的方法，所述排水测试步骤中陶土板与土样充分饱和持续时间为一至两天，压力室中多余水分流出时间保持一天。

上述测试非饱和土滞回曲线的方法，所述浸水测试步骤中读取各级气压下的浸水量读数时保证室内气压与气温处于恒定状态。

本发明的测试非饱和土滞回曲线的装置对现有技术中的马氏瓶进行了改进，优化设计了一种在侧壁上设置与大气连通弯管的定水头进水管，保证了进水压力为恒定值；考虑由于普通马氏瓶在室内气温与气压变化时，在弯管出会有水溢出问题，本发明在弯管出口出设置了敞口漏斗结构，用于储存外界条件变化时溢出的水，提高了对进水量测试的精度。

本发明的测试非饱和土滞回曲线的装置中排水计量管的侧导入管以及定水头进水管侧壁上弯管与陶土板顶面高度一致，使被测试土样在脱水、浸湿过程中水压梯度为零，保证了测试结果的准确性。

本发明的测试非饱和土滞回曲线的装置中排水计量管管口采用缩口设计，减少了排水计量管内水的蒸发，降低了测量误差；本发明将侧导入管与排水计量管夹角α设计为80°，既有利于水顺利排出，又避免了空气倒流进入基座中。

总之，本发明为测定非饱和土滞回曲线提供了一种操作性好的测试装置和方法，充分保证了测量结果的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是测试非饱和土滞回曲线的装置结构示意图；

图2是定水头进水管结构示意图；

图3是排水计量管结构示意图；

图4是陶土板保护钢圈与基座及压力室侧壁位置关系示意图。

图中各标号清单为：1、定水头进水管 ，1-1、弯管，1-2、敞口漏斗结构，1-3、密封胶塞，1-4、定水头进水管刻度，2、进水控制阀门，3、进水管路，4、基座，5、出水管路，6、出水控制阀门，7、排水计量管，7-1、缩口结构，7-2、侧导入管，7-3、排水计量管刻度，8、陶土板，9、土样，10、压力室侧壁，11、紧固螺栓，12、盖板，13、进气控制阀门，14、进气管路，15、台架，16、排水控制阀门，17、陶土板保护钢圈。

具体实施方式

参看图1，本发明包括盖板12、压力室侧壁10、陶土板8、基座4、定水头进水管1、排水计量管7和台架15，所述盖板12、压力室侧壁10和基座4组成封闭的测试空间，盖板12与基座4通过紧固螺栓11紧固连接，在盖板12上设置与压力气源连通的进气管路14，所述进气管路14上设置进气控制阀门13，所述陶土板8固定在基座4上，在基座4的中心部位设置与定水头进水管1连通的进水管路3，在基座4的一侧设置与排水计量管7连通的出水管路5，所述出水管路5上设置出水控制阀门6，所述定水头进水管1和排水计量管7分别安装在两侧布置的台架15上。

参看图2，本发明的定水头进水管1顶端设置密封胶塞1-3，在定水头进水管底部设置进水控制阀门2，在定水头进水管侧壁上设置与大气连通的弯管1-1，所述弯管1-1的高度与陶土板8顶面高度一致，弯管1-1的末端为向上的敞口漏斗结构1-2。

参看图3，本发明的排水计量管7顶端为缩口结构7-1，在排水计量管底部设置排水控制阀门16，在排水计量管侧壁上设置与出水管连通的侧导入管7-2，所述侧导入管7-2与排水计量管7夹角α=80°，侧导入管7-2与排水计量管接合部位高度与陶土板8顶面高度一致。

参看图4，本发明的陶土板8外面设置陶土板保护钢圈17，所述陶土板保护钢圈17的外径d2大于压力室内径d1，即d2＞d1，它与陶土板8之间采用环氧树脂粘合，与基座4之间通过O型圈密封。

本发明在进行非饱和土滞回曲线测定时的操作步骤为：

一 准备过程：

1）将定水头进水管1固定在台架15上，保证定水头进水管1侧壁上弯管1-1与土样9的底面中心（即陶土板8的顶面）等高；

2）将进水管路3与定水头进水管1连接并关闭进水控制阀门2，在定水头进水管1中注满水后加密封胶塞1-3封口；

3）将排水计量管7固定在台架15上，保证侧导入管7-2高度与陶土板8顶面高度一致，将侧导入管7-2与出水管路5连接；

4）打开进水控制阀门2，水流由出水管路5中流出，形成稳定水流后关闭进水控制阀门2，关闭出水控制阀门6，打开排水控制阀门16排出多余水至合理水位高度。

二、土样真空饱和

1）在压力室中放置土样（带环刀），并加盖盖板12并螺丝密封固定；

2）关闭阀门2阀门6，将气源管14与真空泵连接，开始抽气负的一个大气压一个小时；

3）打开阀门2，水由进水管进水经陶土板在上下水压力差下进水（注意该过程中进水管要及时补水），并记录进水量；

4）进水量超过土样孔隙体积1.4倍后，关闭阀门2，停止抽气，静止一小时后，压力室自由进气；

5）压力管路14与气压源连接，施加2kPa气压，打开排水阀门6，观测排水管水位，稳定时表明压力室中多余水分已排完，土样饱和结束。

三、排水实验步骤：1）保持进水控制阀门2开启、出水控制阀门6处于关闭状态，保持一至两天，以充分饱和陶土板8与土样9；

2）关闭进水控制阀门2，打开出水控制阀门6，保持一天，让压力室中多余水分流出；

3）调节给定气压，打开进气控制阀门13，给土样9施加基质吸力，等排水稳定后由排水计量管7刻度读取并记录排水量，然后使气压增高至下一测量级，气压一般按着如下规律增加，2、3、4、5、6、8、10、15、20、30、50、100、250、500（kPa），在开始阶段气压增加较慢是为了测试出土体的进气值。

四、浸水实验步骤：1）排水实验后，保持气压不变，打开进水控制阀门2，对基座4冲刷，然后关闭出水控制阀门6，关闭进水控制阀门2；

2）打开定水头进水管上端的密封胶塞1-3，注水至最大刻度处，盖上密封胶塞1-3，打开进水控制阀门2，稳定三小时；

3）逐级减小气压，在各级气压状态下，待浸水稳定后，由定水头进水管1上刻度读取并记录该级气压下的浸水量，读数时应保证室内气压与气温处于恒定状态。 

Claims (10)

1.一种测试非饱和土滞回曲线的装置，其特征是，它包括盖板（12）、压力室侧壁（10）、陶土板（8）、基座（4）、定水头进水管（1）、排水计量管（7）和台架（15）；所述盖板（12）、压力室侧壁（10）和基座（4）组成封闭的测试空间，在盖板（12）上设置进气管路（14），所述陶土板（8）固定在基座（4）上，在基座（4）的中心部位设置与定水头进水管（1）连通的进水管路（3），在基座（4）的一侧设置与排水计量管（7）连通的出水管路（5），所述定水头进水管（1）和排水计量管（7）分别安装在两侧布置的两个台架（15）上。

2. 根据权利要求1所述的一种测试非饱和土滞回曲线的装置，其特征是，所述定水头进水管（1）顶端设置密封胶塞（1-3），在定水头进水管底部设置进水控制阀门（2），在定水头进水管侧壁上设置与大气连通的弯管（1-1），所述弯管（1-1）的高度与陶土板（8）顶面高度一致，弯管（1-1）的末端为向上的敞口漏斗结构（1-2）。

3.根据权利要求2所述的一种测试非饱和土滞回曲线的装置，其特征是，所述排水计量管（7）顶端为缩口结构（7-1），在排水计量管底部设置排水控制阀门（16），在排水计量管侧壁上设置与出水管连通的侧导入管（7-2），所述侧导入管（7-2）与排水计量管（7）夹角α=80°，侧导入管（7-2）与排水计量管接合部位高度与陶土板（8）顶面高度一致。

4.根据权利要求3所述的一种测试非饱和土滞回曲线的装置，其特征是，所述出水管路（5）上设置出水控制阀门（6）。

5.根据权利要求4所述的一种测试非饱和土滞回曲线的装置，其特征是，所述进气管路（14）上设置进气控制阀门（13）。

6.根据权利要求 5 所述的一种测试非饱和土滞回曲线的装置，其特征是，所述陶土板（8）外面设置陶土板保护钢圈（17），所述陶土板保护钢圈（17）的外径d2大于压力室内径d1，它与陶土板（8）之间采用环氧树脂粘合，与基座（4）之间通过O型圈密封。

7.一种测试非饱和土滞回曲线的方法，其特征是，测试按如下步骤进行：

a、准备过程

将定水头进水管（1）固定在台架（15）上，保证定水头进水管（1）侧壁上弯管（1-1）与土样（9）的底面中心等高，

关闭进水控制阀门（2），将进水管路（3）与定水头进水管（1）连接，在定水头进水管（1）中注满水后加密封胶塞（1-3）封口，

将排水计量管（7）固定在台架（15）上，保证侧导入管（7-2）高度与陶土板（8）顶面高度一致，将侧导入管（7-2）与出水管路（5）连接，

打开进水控制阀门（2），水流由出水管路（5）中流出，形成稳定水流后关闭进水控制阀门（2），关闭出水控制阀门（6），打开排水控制阀门（16），排出多余水至合理水位高度；

b、土样真空饱和

在压力室中放置土样（9），加盖盖板（12）后由紧固螺栓（11）密封固定，

关闭进水控制阀门（2）和出水控制阀门（6），将进气管路（14）与真空泵连接后开启真空泵，开始对压力室抽真空作业，

打开进水控制阀门（2），在陶土板（8）上下压力差作用下，水由陶土板（8）下侧渗透至压力室中，通过定水头进水管刻度（1-4）读取进水量，

在进水量超过土样孔隙体积1.4倍后，关闭进水控制阀门（2），停止压力室抽真空作业，一小时后，压力室自由进气，

将进气管路（14）与高压气源连接，打开出水控制阀门（6），观测排水计量管（7）中水位，稳定时表明压力室中多余水分已排完，土样饱和结束；

c、排水测试

保持进水控制阀门（2）开启、出水控制阀门（6）关闭，使陶土板（8）与土样（9）充分饱和，

关闭进水控制阀门（2），打开出水控制阀门（6），让压力室中多余水分流出，

调节给定气压，打开进气控制阀门（13），给土样（9）施加基质吸力，等排水稳定后由排水计量管刻度（7-3）读取并记录排水量，

然后使气压增高至下一测量级，重复上述排水测试步骤；

d、浸水测试

保持气压不变，打开进水控制阀门（2），对基座（4）进行冲刷，然后关闭出水控制阀门（6），关闭进水控制阀门（2），

打开定水头进水管（1）上端的密封胶塞（1-4），注水至最大刻度处，盖上密封胶塞（1-4），打开进水控制阀门（2），稳定3小时，

逐级减小气压，在各级气压状态下，待浸水稳定后，由定水头进水管刻度（1-4）读取并记录该级气压下的浸水量。

8.根据权利要求7所述的一种测试非饱和土滞回曲线的方法，其特征是，所述土样真空饱和步骤中真空泵工作压力为一个负大气压，真空泵持续工作时间为一小时。

9.根据权利要求8所述的一种测试非饱和土滞回曲线的方法，其特征是，所述土样真空饱和步骤中与进气管路（14）连接的高压气源压力级别为2、3、4、5、6、8、10、15、20、30、50、100、250、500kPa。

10.根据权利要求9所述的一种测试非饱和土滞回曲线的方法，其特征是，所述排水测试步骤中陶土板（8）与土样（9）充分饱和持续时间为一至两天，压力室中多余水分流出时间保持一天；

所述浸水测试步骤中读取各级气压下的浸水量读数时保证室内气压与气温处于恒定状态。

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