CN106483993A - 一种全自动非饱和土固结仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动非饱和土固结仪，它包括控制柜(1)、与控制柜(1)相连的固结仪本体(2)，与固结仪本体(2)相连的扩散气泡冲刷装置(3)；固结仪本体(2)包括压力室(12)、压力加载装置、吸力控制装置、信息检测装置和数据采集装置。本发明结构设计合理，操作简单，自动化程度高，可适用于控制基质吸力或者竖向净应力的非饱和土固结试验研究，并可研究不同应力状态下非饱和土吸湿、脱湿过程的土‑水特征曲线及其滞后现象，可替代传统的土‑水特征曲线压力板仪，可实现对基质吸力的精确、长久、高效控制，能大大提高非饱和土实验的精确度，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种全自动非饱和土固结仪，尤其涉及一种研究控制基质吸力或者净竖向应力条件下，考虑不同应力状态的吸湿或者脱湿过程的土-水特征曲线及其滞后现象的全自动试验仪器。
背景技术
全自动非饱和土固结仪是用来检测非饱和土的土-水特性，即非饱和土的土-水特征曲线，而土-水特征曲线能够反映出非饱和土的强度、持水能力、渗透系数和收缩膜的滞后性等物理特性。对于同一特性的土体，不同应力状态下土体吸湿和脱湿过程表现出不同的土-水特征曲线，通常在相同的应力状态下，吸湿过程的土-水特征曲线位于脱湿过程的土-水特征曲线之下；同时，同一吸湿、脱湿过程，在不同的应力状态下非饱和土的土-水特征曲线也将表现出不同程度的差异，而由此得到的非饱和土体的强度、持水能力和渗透系数等物理特性将存在着较大的差异，这对于研究非饱和土的水力与力学特性有着决定性的作用。故研究具备进行不同工况下非饱和土体特性研究的固结试验系统，对于科学研究以及土木工程设计具有重要意义。
目前研究非饱和土的水力与力学特性的实验仪器主要有压力板仪、非饱和土三轴仪以及非饱和土固结仪等，但是这些仪器在模拟工程实际应力状态和吸湿脱湿方面或多或少均存在着一些弊端，如非饱和土三轴仪受限于其加载方式和自动化程度，只能模拟简单的应力状态；而现有的压力板仪和非饱和土固结仪由于仪器设计方面的缺陷，竖直向加载杆易受到所加气压作用，将影响竖向应力加载的精确度，且在试验过程中压力板仪多采用量管测量试样的含水量，而量管内的水会随温度的升高而蒸发，进而导致实测的含水量存在误差，降低了试验的可靠性。同时，大多数仪器未考虑非饱和试验时间的影响，当时间较长时，陶土板下方空腔内可能产生封闭气泡，这些气泡的产生将会影响非饱和土试验中对吸力的控制及其准确性。
经过专利文献检索，现有技术在应力状态和试验自动化方面对非饱和土固结仪做了一些有益的探索和改进，例如：一种多功能非饱和土固结仪(中国专利申请号为201420655972.X)，改进了仪器的加载装置，实现了一维(K0状态)固结试验，但是其未考虑施加气压过程中气压对加载杆的影响，这将降低加载杆所施加的竖向应力，且气压加载系统没有形成闭合环路，系统不能实现有效的伺服循环控制，这将影响试验的可靠度。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种高效、高精度的全自动非饱和土固结仪，本发明可用于研究分析非饱和土在控制基质吸力或者净竖向应力条件下，考虑不同应力状态时的吸湿或者脱湿过程土-水特征曲线及其滞后现象，可解决现有技术的不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全自动非饱和土固结仪，它包括控制柜、与控制柜相连的固结仪本体，与固结仪本体相连的扩散气泡冲刷装置；
所述的固结仪本体包括压力室、压力加载装置、吸力控制装置、信息检测装置和数据采集装置；
所述的控制柜与固结仪本体相连接，对固结仪本体中的压力室进行压力控制；所述的压力室位于压力加载装置之上，由压力加载装置对压力室施加竖向应力；所述的吸力控制装置位于压力室的内部，并与计算机相连，通过计算机控制吸力；
所述的信息检测装置通过传感器检测试样的压力、轴向变形和体积变化，并将检测到的信息传输给与信息检测装置相连的数据采集装置；
所述的扩散气泡冲刷装置与压力室相连，可消除由于试验时间较长而陶土板(24)下方空腔内产生气泡的影响。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的控制柜通过微控制单元MCU系统(嵌入式控制系统)与计算机相连。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的压力室包括底座、陶土板、陶瓷压片、环刀、试样、透水石、环刀尾圈、玻璃侧筒、中心杆、中心杆密封座、上盖和顶压盖；
所述的陶土板固定于压力室的底座上，陶土板的周边由环形的瓷板压片密封，在陶土板和瓷板压片之间安装有密封垫，环刀嵌于环形瓷板压片的内部；
所述的试样放置在环刀内部，试样的上方依次放置有透水石和顶压盖，并采用环刀尾环将透水石和环刀固定；
玻璃侧筒固定在底座上，上盖固定于玻璃侧筒上，中心杆穿过上盖，并通过中心杆密封座与上盖相连，在中心杆密封座的顶部与中心杆相接触的部位设置有O型密封圈；
所述的顶压盖通过顶压盖上部的凹槽与中心杆轻微相接触。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的中心杆的中上部设置有凸起，在凸起与中心杆密封座相接处的部位安装有O型密封圈，在中心杆的上部与中心杆密封座之间形成密闭区域A；密闭区域A和压力室之间通过通气管线相连通，使得区域A中的气压与压力室中的气压保持平衡，区域A中的气压对中心杆的作用力抵消压力室中气压对中心杆的作用力，实现固结仪的竖向净应力控制。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的压力加载装置包括依次相连的步进电机、减速器和法兰盘，通过步进电机和减速器推动法兰盘上下移动，控制试样的轴向位移和轴向加载。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的步进电机和减速器安装在钢架上，钢架固定在箱体的底板上。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的吸力控制装置包括陶土板，压力室上部与控制柜气压输出端相连，压力室下部与控制柜水压输出端相连，通过计算机控制压力室内的气压ua和水压uw，吸力为s＝ua-uw，实现对试样吸力的控制。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的信息检测装置包括荷重传感器和高精度数显位移传感器，荷重传感器上部连接有传感器连接头，传感器连接头与连接板相连，连接板与安装在支杆上的上底板相连，高精度数显位移传感器通过位移测量板和仪表夹固定在压力室的上盖上；
所述的荷重传感器下端连接有传感器加载头，传感器加载头与压力室的中心杆相接触。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的支杆固定在钢架上，上底板通过调节帽固定在支杆的顶部。
作为优选方案，以上所述的全自动非饱和土固结仪，所述的扩散气泡冲刷装置包括底座，安装在底座上的气泡收集器和常闭电子阀，气泡收集器内开设有漏斗空腔和与漏斗空腔底部相连的漏斗细管；所述的气泡收集器底部设有气泡收集器进排水口和传感器接口，传感器接口连接有精密水压传感器；所述的气泡收集器进排水口与常闭电子阀一端相连，常闭电子阀另一端与压力室中底座的进排水口相连；所述的传感器接口与排气泡阀门连接。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，所述的扩散气泡冲刷装置通过打开常闭电子阀，足量的水进入陶土板下方空腔内，从而可排除气泡，并进行气泡体积的测量，修正试样体变值。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用闭环控制的水/气压力体积控制系统，轴压和围压自身实现伺服/步进控制加载，而且整个系统又可实现闭环伺服/步进控制。
2、本发明采用计算机控制基质吸力或者净竖向应力，可实现非饱和土不同应力状态下的吸湿/脱湿过程的土水特征曲线及其滞后现象的研究。
3、本发明可进行非饱和土一维(K0状态)固结试验。
4、本发明采用高进气值陶土板和轴平移技术，可实现对基质吸力的精确、长久、高效控制。
5、本发明采用扩散气泡冲刷装置，可消除试验时间较长情况下气泡对吸力控制的影响，提高试验的精确度。
6、本发明结构设计合理，操作方便，自动化程度高，能大大提高非饱和土实验的精确度，取得了很好的技术效果。
附图说明
图1是本发明所述的全自动非饱和土固结仪结构示意图。
图2是本发明所述的固结仪本体的剖面结构示意图。
图3是本发明所述的压力室的剖面结构示意图。
图4是本发明所述的压力室顶压盖及中心杆的剖面结构示意图。
图5是本发明所述的扩散气泡冲刷装置的剖面结构示意图。
图6是本发明所述的全自动非饱和土固结仪运行原理图。
具体实施方式
如图1至图5所示，一种全自动非饱和土固结仪，它包括控制柜1、与控制柜1相连的固结仪本体2，与固结仪本体2相连的扩散气泡冲刷装置3；
所述的固结仪本体2包括压力室12、压力加载装置、吸力控制装置、信息检测装置和数据采集装置；
所述的控制柜1与固结仪本体2相连接，对固结仪本体2中的压力室12进行压力控制；所述的压力室12位于压力加载装置之上，由压力加载装置对压力室12施加竖向应力；所述的吸力控制装置位于压力室12的内部，并与计算机47相连，通过计算机47控制吸力；
所述的信息检测装置通过传感器检测试样的压力、轴向变形和体积变化，并将检测到的信息传输给与信息检测装置相连的数据采集装置；
所述的扩散气泡冲刷装置3与压力室12相连，可消除在陶土板24下方空腔内产生气泡的影响。
所述的全自动非饱和土固结仪，所述的控制柜1通过MCU系统嵌入式控制系统与计算机47相连。
所述的压力室12包括底座22、陶土板24、陶瓷压片25、环刀26、试样27、透水石28、环刀尾圈29、玻璃侧筒30、中心杆31、中心杆密封座32、上盖34和顶压盖35；
所述的陶土板24固定于压力室12的底座22上，陶土板24的周边由环形的瓷板压片25密封，在陶土板24和瓷板压片25之间安装有密封垫36，环刀26嵌于环形瓷板压片25的内部；
所述的试样27放置在环刀26内部，试样27的上方依次放置有透水石28和顶压盖35，并采用环刀尾环29将透水石28和环刀26固定；
玻璃侧筒30固定在底座22上，上盖34固定于玻璃侧筒30上，中心杆31穿过上盖34，并通过中心杆密封座32与上盖34相连，在中心杆密封座32的顶部与中心杆31相接触的部位设置有O型密封圈33；
所述的顶压盖35通过顶压盖35上部的凹槽与中心杆31相接触。
所述的中心杆31的中上部设置有凸起，在凸起与中心杆密封座32相接处的部位安装有O型密封圈33，在中心杆31的上部与中心杆密封座32之间形成密闭区域A；密闭区域A和压力室12之间通过通气管线37相连通，使得区域A中的气压与压力室12中的气压保持平衡，区域A中的气压对中心杆31的作用力抵消压力室12中气压对中心杆31的作用力，实现固结仪的竖向净应力控制。
压力室12的上部结构与底座22通过T型螺杆固定、密封连接。
所述的压力加载装置包括依次相连的步进电机8、减速器9和法兰盘10，通过步进电机8和减速器9推动法兰盘10上下移动，控制试样27的轴向位移和轴向加载。
所述的步进电机8和减速器9安装在钢架5上，钢架5固定在箱体4的底板上。
所述的吸力控制装置包括陶土板24，压力室12上部与控制柜1气压输出端相连，压力室12下部与控制柜1水压输出端相连，通过计算机47控制压力室12内的气压ua和水压uw，吸力为s＝ua-uw，实现对试样27吸力的控制。
所述的信息检测装置包括荷重传感器16和高精度数显位移传感器17，荷重传感器16上部连接有传感器连接头18，传感器连接头18与连接板19相连，连接板19与安装在支杆6上的上底板20相连，高精度数显位移传感器17通过位移测量板13和仪表夹15固定在压力室12的上盖34上；
所述的荷重传感器16下端连接有传感器加载头14，传感器加载头14与压力室12的中心杆31相接触。
所述的支杆6固定在钢架5上，上底板20通过调节帽21固定在支杆6的顶部。
所述的扩散气泡冲刷装置3包括底座42，安装在底座42上的气泡收集器39和常闭电子阀41，气泡收集器39内开设有漏斗空腔38和与漏斗空腔38底部相连的漏斗细管40；所述的气泡收集器39底部设有气泡收集器进排水口43和传感器接口44，传感器接口44连接有精密水压传感器45；所述的气泡收集器进排水口43与常闭电子阀41一端相连，常闭电子阀41另一端与压力室12中底座22的进排水口相连；所述的传感器接口44与排气泡阀门46连接。
所述的扩散气泡冲刷装置3通过打开常闭电子阀41，足量的水进入陶土板24下方空腔内，排除气泡，并进行气泡体积的测量，修正试样体变值。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，控制柜1的工作方式。计算机和控制柜1、固结仪本体2依次通过串口线进行串联，通过计算机或者控制柜1上的控制面板设定相应的孔隙水压力和孔隙气压力，使得陶土板两侧的孔隙水压力和孔隙气压力处于稳定状态，进而实现对基质吸力的控制。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，固结仪本体2的工作方式。固结仪本体2与控制柜1的管线和串口线对应相连，通过控制柜1实现对基质吸力的控制；并通过固结仪本体2上的面板或者计算机设定的竖向净应力，从串行接口获得电信号，通过启动步进电机8和减速器9，带动法兰盘10产生竖向应力，实现对竖向净应力的控制。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，扩散气泡冲刷装置3的工作方式。通过打开常闭电子阀41，水流以较快的速度进入陶土板24下方空腔内，带动陶土板24下方空腔内的气泡从压力室12底座22的排水口内排出，经过常闭电磁阀41进入气泡收集器39的漏斗空腔38，气泡上浮从漏斗空腔38中溢出，当漏斗空腔38中的液面上升达到一定的高度时，精密水压传感器45采集到水压力后反馈到计算机，由软件控制仪器达到目标状态。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，基质吸力控制的原理为：陶土板24表面存在着很多分布均匀的小孔，饱和后陶土板24的表面产生收缩膜将小孔连成一片形成贯通的水膜，使得陶土板只允许水分透过，通过控制柜1对陶土板的下面施加孔隙水压力uw，并对压力室内施加孔隙气压力ua，此时陶土板上面的孔隙气压力为ua，利用轴平移技术，试样中的基质吸力控制为s＝ua-uw。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，竖向净应力控制的原理为：中心杆31的中上部设置凸起，并在凸起与中心杆密封座32相接处的部位安装O型圈33，使得中心杆31的上部与中心杆密封座32之间形成了密闭区域A；通过通气管线37将区域A和压力室12相连通，使得区域A中的气压与压力室12中的气压保持平衡，并保持环形密闭区域A中的横截面积与中心杆的截面积一致，进而区域A中的气压对中心杆的作用力将抵消压力室12中气压对中心杆的作用力，实现固结仪的竖向净应力控制。
本发明所述的全自动非饱和土固结仪，如图6所示，工作运行指令加压、位移加载速率等通过计算机或者键盘输入MCU系统嵌入式微机控制系统，MCU系统嵌入式微机控制系统控制仪器相应电机的速度及转向，对试样施加孔隙气压力、孔隙水压力和竖向净应力，并通过信息检测装置孔隙气压力传感器、孔隙水压力传感器、荷重传感器等采集所输出的压力值，同时启动电机内部的A/D转换器模数转换器，A/D转换器将采集到的压力模拟信号转换成数字信号发送给MCU系统嵌入式微机控制系统，且将采集到的压力与设置的目标压力值进行不断比较，不断反馈逐渐向目标值逼近，最终将采集到的传感器值用LCD显示屏显示，进而实现仪器的循环控制。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种全自动非饱和土固结仪，其特征在于，它包括控制柜(1)、与控制柜(1)相连的固结仪本体(2)，与固结仪本体(2)相连的扩散气泡冲刷装置(3)；
所述的固结仪本体(2)包括压力室(12)、压力加载装置、吸力控制装置、信息检测装置和数据采集装置；
所述的控制柜(1)与固结仪本体(2)相连接，对固结仪本体(2)中的压力室(12)进行压力控制；所述的压力室(12)位于压力加载装置之上，由压力加载装置对压力室(12)施加竖向应力；所述的吸力控制装置位于压力室(12)的内部，并与计算机(47)相连，通过计算机(47)控制吸力；
所述的信息检测装置通过传感器检测试样的压力、轴向变形和体积变化，并将检测到的信息传输给与信息检测装置相连的数据采集装置；
所述的扩散气泡冲刷装置(3)与压力室(12)相连，可消除在陶土板(24)下方空腔内产生气泡的影响。
2.根据权利要求1所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的控制柜(1)通过MCU系统与计算机(47)相连。
3.根据权利要求1所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的压力室(12)包括底座(22)、陶土板(24)、陶瓷压片(25)、环刀(26)、试样(27)、透水石(28)、环刀尾圈(29)、玻璃侧筒(30)、中心杆(31)、中心杆密封座(32)、上盖(34)和顶压盖(35)；
所述的陶土板(24)固定于压力室(12)的底座(22)上，陶土板(24)的周边由环形的瓷板压片(25)密封，在陶土板(24)和瓷板压片(25)之间安装有密封垫(36)，环刀(26)嵌于环形瓷板压片(25)的内部；
所述的试样(27)放置在环刀(26)内部，试样(27)的上方依次放置有透水石(28)和顶压盖(35)，并采用环刀尾环(29)将透水石(28)和环刀(26)固定；
玻璃侧筒(30)固定在底座(22)上，上盖(34)固定于玻璃侧筒(30)上，中心杆(31)穿过上盖(34)，并通过中心杆密封座(32)与上盖(34)相连，在中心杆密封座(32)的顶部与中心杆(31)相接触的部位设置有O型密封圈(33)；
所述的顶压盖(35)通过顶压盖(35)上部的凹槽与中心杆(31)相接触。
4.根据权利要求3所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的中心杆(31)的中上部设置有凸起，在凸起与中心杆密封座(32)相接处的部位安装有O型密封圈(33)，在中心杆(31)的上部与中心杆密封座(32)之间形成密闭区域A；密闭区域A和压力室(12)之间通过通气管线(37)相连通，使得区域A中的气压与压力室(12)中的气压保持平衡，区域A中的气压对中心杆(31)的作用力抵消压力室(12)中气压对中心杆(31)的作用力，实现固结仪的竖向净应力控制。
5.根据权利要求1所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的压力加载装置包括依次相连的步进电机(8)、减速器(9)和法兰盘(10)，通过步进电机(8)和减速器(9)推动法兰盘(10)上下移动，控制试样(27)的轴向位移和轴向加载。
6.根据权利要求5所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的步进电机(8)和减速器(9)安装在钢架(5)上，钢架(5)固定在箱体(4)的底板上。
7.根据权利要求1所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的吸力控制装置包括陶土板(24)，压力室(12)上部与控制柜(1)气压输出端相连，压力室(12)下部与控制柜(1)水压输出端相连，通过计算机(4)控制压力室(12)内的气压ua和水压uw，吸力为s＝ua-uw，实现对试样(27)吸力的控制。
8.根据权利要求1所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的信息检测装置包括荷重传感器(16)和高精度数显位移传感器(17)，荷重传感器(16)上部连接有传感器连接头(18)，传感器连接头(18)与连接板(19)相连，连接板(19)与安装在支杆(6)上的上底板(20)相连，高精度数显位移传感器(17)通过位移测量板(13)和仪表夹(15)固定在压力室(12)的上盖(34)上；
所述的荷重传感器(16)下端连接有传感器加载头(14)，传感器加载头(14)与压力室(12)的中心杆(31)相接触。
9.根据权利要求8所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的支杆(6)固定在钢架(5)上，上底板(20)通过调节帽(21)固定在支杆(6)的顶部。
10.根据权利要求1所述的全自动非饱和土固结仪，其特征在于，所述的扩散气泡冲刷装置(3)包括底座(42)，安装在底座(42)上的气泡收集器(39)和常闭电子阀(41)，气泡收集器(39)内开设有漏斗空腔(38)和与漏斗空腔(38)底部相连的漏斗细管(40)；所述的气泡收集器(39)底部设有气泡收集器进排水口(43)和传感器接口(44)，传感器接口(44)连接有精密水压传感器(45)；所述的气泡收集器进排水口(43)与常闭电子阀(41)一端相连，常闭电子阀(41)另一端与压力室(12)中底座(22)的进排水口相连；所述的传感器接口(44)与排气泡阀门(46)连接。
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