CN106501093B - 一种全自动土-水特征曲线压力板仪及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动土‑水特征曲线压力板仪及其测试方法，它包括控制柜(1)、与控制柜(1)相连的轴向加载框架(2)和压力室(3)，压力室(3)和扩散气泡冲刷装置(4)相连；压力室(3)位于轴向加载框架(2)的底板上，通过轴向加载框架(2)上的气缸(7)对压力室(3)内的试样进行轴向加载；扩散气泡冲刷装置(4)通过管线与压力室(3)相连接,控制柜(1)通过微控制单元与计算机(36)相连。本发明结构设计合理，自动化程度高，可实现土‑水特征曲线测试的全过程自动化控制，能够提供竖向净正应力控制，避免压力室内气压对轴向加载的影响，同时轴向荷载采用气压施加，稳定性高，使用寿命长，精确度高，应用范围广泛。

Description

一种全自动土-水特征曲线压力板仪及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种全自动土-水特征曲线压力板仪，尤其涉及一种采用气压加载竖向力的土-水特征曲线压力板试验系统。
背景技术
土-水特征曲线的研究是非饱和土研究的一项重要内容，其主要是指非饱和土中形成的基质吸力与土中含水率或者饱和度之间的关系曲线，体现了在基质吸力作用下土体的持水能力。通过土水特征曲线能够有效的确定非饱和土的抗剪强度、渗透特性、扩散特性、体应变等，故在非饱和土力学中占有重要的地位。
研究发现，影响非饱和土土-水特征曲线的因素有很多，除土体自身的影响因素(土体类型、矿物成分、孔隙结构、初始含水率、初始孔隙比等)外，还包括外界因素的影响，如土体所处的应力状态、固结压力、温度等，这些因素的影响最终将反映在非饱和土的土-水特征曲线的进气值、减湿率和残余含水率等方面。而通常对非饱和土土-水特征曲线的试验研究多采用土-水特征曲线压力板仪，土-水特征曲线压力板仪主要是研究非饱和土的固结特性，以及土体在吸湿和脱湿过程中的土-水特征曲线及其滞后性。
因此，为了更精确、有效的进行非饱和土特性的研究，应在一定程度上提高土-水特征曲线压力板仪的各项指标的精确度。针对土体所处的应力状态和固结压力方面的作用，在试验仪器方面，则主要体现在试验过程中试验仪器对试样轴向力的加载方法和轴向力加载的稳定性方面。目前，在试验过程中，土-水特征曲线压力板仪对轴向力的加载主要是通过砝码加载和伺服电机控制的机械加载方式，而这些加载方式在一定程度上都存在有相应的弊端。如通过伺服电机控制的机械加载方式的土-水特征曲线压力板仪多为应变控制的方式，往往达到所设置的应力值将需要一定的加载时间，这将在一定程度上影响竖向轴力的控制，且机械加载的稳定性较难控制；而砝码加载易受到人为因素的影响产生加载杆和试样的偏心，且不能满足高压加载的需要。
经过专利文献检索，现有技术多集中在仪器精确度的提高和试验效率等方面的探索和改进，而忽略了土-水特征曲线试验自动化程度的改善，以及试验控制的难易程度等，例如：(1)一种可直接测定土样体积变化的压力板仪(中国专利申请号为201110083551.5)，考虑了试验过程中随吸力改变而土样发生的体积变化对其含水率的影响，提供了一种试验过程中测量土样体积变化的体积压力板仪装置，提高了试验的精确度，但是该装置未考虑土体应力状态的影响，无法实现应力状态下土-水特征曲线的测试；(2)一种可直接饱和土样的吸力精确控制型压力板仪(中国专利申请号为201210189656.3)，考虑了饱和度和吸力的精确度对土-水特征曲线试验准确度的影响，增加了压力板仪的饱和系统和温控保湿装置，并对吸力控制系统进行改进，提高了试验的准确性，但是其所使用的冲刷系统操作复杂，采用量管测量，需要人工肉眼读取排水量，精度低、误差大，需要留人值守，也没有涉及净法向应力加载方式及设计思想，无法考虑应力状态的影响。(3)一种测量土水特征曲线的双层压力板仪(中国专利申请号为201310425541.4)，考虑了试验中同步测试的环境(温度、湿度、干湿路径和吸力平衡时间等)等的影响，改进了同等条件下不同试样试验的准确性，提高了试验效率，但是该压力板仪主要采用体变管进行体积变化测量和气泡冲刷，且其自动化程度较低、操作复杂、需要留人值守、体变管测量精度低、体变管内部水分容易蒸发，这些都将在一定程度上将影响试验的精确度。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种新的土-水特征曲线压力板仪，能够实现轴向应力的稳定、精确施加，并能够实现试验过程的全自动控制，工作效率更高，测量准确度更高，可克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全自动土-水特征曲线压力板仪，它包括控制柜、与控制柜相连的轴向加载框架和压力室，压力室和扩散气泡冲刷装置相连；
所述的控制柜可对轴向加载框架和压力室进行控制；所述的压力室位于轴向加载框架的底板上，通过轴向加载框架上的气缸对压力室内的试样进行轴向加载；
所述的扩散气泡冲刷装置通过管线与压力室相连接；
所述的控制柜通过微控制单元(MCU嵌入式控制系统)与计算机相连。
控制柜控制扩散气泡冲刷装置对压力室底部的空腔进行冲刷，排掉空腔内的气泡。所述的控制柜在试验过程中既可单独控制轴向加载框架、压力室和扩散气泡冲刷装置，又可通过与其相连接的计算机进行试验控制。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的轴向加载框架包括气缸、荷重传感器和高精度数显位移传感器，对气缸施加一定的气压力，并通过荷重传感器和压力室上的中心杆依次将所施加的气压力传递到试样上；
所述的气缸安装在轴向加载框架的上底板上，上底板通过支杆固定于下底板上，且底板固定在下底板上；
所述的气缸下部安装有传感器连接头，传感器连接头与荷重传感器相连，荷重传感器和传感器加载头相连；
所述的支杆上安装有定位块，通过定位块可判断荷重传感器的位置。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的压力室位于轴向加载框架的底板上，压力室包括中心杆、中心杆密封座、上盖、玻璃侧筒、T型螺杆、底座、陶瓷压片、陶土板和空腔；
所述的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，中心杆上设有凸起，中心杆密封座与中心杆的凸出部位形成密封区域；
所述的陶土板位于压力室的底座上，并由陶瓷压片压紧固定，陶土板与压力室的底座间形成空腔；
所述的上盖、玻璃侧筒、中心杆和中心杆密封座组成的压力室上部结构与压力室的底座通过T型螺杆固定、密封。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的密封区域通过气压管与压力室的内部相连通，使得密封区域和压力室内的气压相等，可抵消压力室内气压对中心杆的作用力，从而了实现试验过程中竖向净正应力的控制，提高实验测量的精确度。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的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，即可得到吸力s＝ua-uw，从而可实现对试样吸力的控制。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的高精度数显位移传感器通过位移测量板和仪表夹固定在竖杆上，竖杆安装在压力室的上盖上，位移测量板固定在传感器加载头上。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的扩散气泡冲刷装置包括底座、气泡收集器、常闭电子阀、精密水压传感器和排气泡阀门；所述的气泡收集器、常闭电子阀和精密水压传感器安装在底座上，气泡收集器内开设有漏斗空腔和与漏斗空腔底部相连接的漏斗细管，漏斗细管的下部通过输水管线分别与常闭电子阀和精密水压传感器相连通。
作为优选方案，以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的扩散气泡冲刷装置与控制柜相连，通过控制柜打开常闭电子阀，使水通过压力室中陶土板下方的空腔进入扩散气泡冲刷装置的漏斗空腔内，进而排出空腔内的气泡，提高试验测量的精确度。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用轴向气压加载，可快速、有效地实现轴向应力的加载，从而可避免现有技术轴向砝码加载引起的偏心问题，并且可实现轴向的高压加载，实用性更强；
2、本发明采用计算机控制基质吸力和竖向净正应力控制，可精确、有效地实现不同应力路径下非饱和土的土-水特征曲线的试验研究；
3、本发明采用竖向净正应力控制，可避免现有技术压力室内气压对轴向荷载施加的影响，测量结果更加准确。
4、本发明采用扩散气泡冲刷装置，可避免长时间试验过程中水中产生的气体对试验测量精度的影响，测量结果更加准确。
5、本发明可实现土-水特征曲线测试的全过程自动化控制，能够提供竖向净正应力控制，避免压力室内气压对轴向加载的影响，同时，轴向荷载采用气压施加，稳定性更高，使用寿命长，精确度高。并可适用于控制基质吸力和竖向净正应力的非饱和土固结试验，并能够研究不同应力状态下非饱和土的吸湿、脱湿过程的土-水特征曲线及其滞后现象
附图说明
图1是本发明所述的全自动土-水特征曲线压力板仪的结构示意图。
图2是本发明所述的全自动土-水特征曲线压力板仪中轴向加载框架和压力室的结构示意图。
图3是本发明所述的压力室的剖面结构示意图。
图4是本发明所述的扩散气泡冲刷装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种全自动土-水特征曲线压力板仪，它包括控制柜1、与控制柜1相连的轴向加载框架2和压力室3，压力室3和扩散气泡冲刷装置4相连；
所述的控制柜1可对轴向加载框架2和压力室3进行控制；所述的压力室3位于轴向加载框架2的底板上，通过轴向加载框架2上的气缸7对压力室3内的试样进行轴向加载；
所述的扩散气泡冲刷装置4通过管线与压力室3相连接；
所述的控制柜1通过微控制单元MCU嵌入式控制系统与计算机36相连。
控制柜1控制扩散气泡冲刷装置4对压力室3底部的空腔27进行冲刷，排掉空腔27内的气泡。所述的控制柜1在试验过程中既可单独控制轴向加载框架2、压力室3和扩散气泡冲刷装置4，又可通过与其相连接的计算机进行试验控制。
以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的轴向加载框架2包括气缸7、荷重传感器9和高精度数显位移传感器10，对气缸7施加一定的气压力，并通过荷重传感器9和压力室3上的中心杆19依次将所施加的气压力传递到试样上；
所述的气缸7安装在轴向加载框架2的上底板5上，上底板5通过支杆6固定于下底板17上，且底板16固定在下底板17上；
所述的气缸7下部安装有传感器连接头8，传感器连接头8与荷重传感器9相连，荷重传感器9和传感器加载头14相连；
所述的支杆6上安装有定位块15，通过定位块15可判断荷重传感器9的位置。
以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的压力室3位于轴向加载框架2的底板16上，压力室3包括中心杆19、中心杆密封座20、上盖21、玻璃侧筒22、T型螺杆23、底座24、陶瓷压片25、陶土板26和空腔27；
所述的上盖21固定于玻璃侧筒22上，中心杆19穿过上盖21，并通过中心杆密封座20与上盖21相连，中心杆19上设有凸起，中心杆密封座20与中心杆19的凸出部位形成密封区域28；
所述的陶土板26位于压力室3的底座24上，并由陶瓷压片25固定，陶土板26与压力室3的底座24间形成空腔27；
所述的上盖21、玻璃侧筒22、中心杆19、中心杆密封座20组成的压力室3上部结构与压力室3的底座24通过T型螺杆23固定、密封。
以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的密封区域28通过气压管37与压力室3的内部相连通，使得密封区域28和压力室3内的气压相等，可抵消压力室3内气压对中心杆19的作用力，实现试验过程中竖向净正应力的控制。
以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的压力室3内的陶土板26通过饱和，可在陶土板26的表面形成一层水膜，使得陶土板26透水不透气，进而采用轴平移技术，实现试验过程中的吸力控制。所述的压力室3上部与控制柜1气压输出端相连，压力室3下部与控制柜1水压输出端相连，通过计算机(36)控制压力室3内的气压ua和水压uw，得到吸力s＝ua-uw，实现对试样27吸力的控制。
以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的高精度数显位移传感器10通过位移测量板11和仪表夹12固定在竖杆13上，竖杆13安装在压力室3的上盖21上，位移测量板11固定在传感器加载头14上。
以上所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，所述的扩散气泡冲刷装置4包括底座29、气泡收集器31、常闭电子阀33、精密水压传感器35和排气泡阀门34；所述的气泡收集器31、常闭电子阀33和精密水压传感器35安装在底座29上，气泡收集器31内开设有漏斗空腔30和与漏斗空腔30底部相连接的漏斗细管32，漏斗细管32的下部通过输水管线分别与常闭电子阀33和精密水压传感器35相连通。
以上所述的扩散气泡冲刷装置4，通过控制柜1或者计算机对其进行控制，当开始气泡冲刷时，常闭电子阀33将被打开，使足够量的水快速通过压力室3中陶土板26下方的空腔27内，带动陶土板26下方空腔27内的气泡从压力室3底座24的排水口内排出，经过常闭电磁阀33进入扩散气泡冲刷装置4的漏斗空腔30内，进而排出空腔27内的气泡，当漏斗空腔30中的液面上升达到一定的高度时，精密水压传感器35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，提高试验的精确度。
本发明提供的全自动土-水特征曲线压力板仪的测试方法如下：
步骤一：仪器管线排气：通过控制柜1反复对压力室(3)注排水操作，对仪器管线进行排气操作；
步骤二：饱和陶土板26：通过设置5kPa的水压力排出陶土板26下部空腔27内的气泡，并在陶瓷压片25内注入高出陶土板26表面10mm的水，将压力室3安装在轴向加载框架2的底板16上，在水面上施加约400kPa的气压力，静止放置2天，2天后卸载气压力，并排出管线内的水，重复以上操作步骤2次，完成陶土板26饱和；
步骤三：安装试样：按照要求将试样安装在饱和陶土板26上，试样安装完成后，通过T型螺杆23将压力室3上部结构与压力室3的底座24进行固定、密封；
步骤四：试验设置：根据试验方案通过计算机(36)对试验过程中的吸力、竖向净正应力及试验终止条件进行设置，完成设置后，开始进行试验，计算机将自动记录试验过程中的数据，并对数据进行初步处理；
步骤五：扩散气泡冲刷，通过控制柜1打开常闭电子阀33，使水通过压力室3中陶土板26下方的空腔27进入扩散气泡冲刷装置4的漏斗空腔30内，进而排出空腔27内的气泡，冲刷完成后，关闭扩散气泡冲刷装置(4)。
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 (5)

1.一种全自动土-水特征曲线压力板仪，其特征在于，它包括控制柜(1)、与控制柜(1)相连的轴向加载框架(2)和压力室(3)，压力室(3)和扩散气泡冲刷装置(4)相连；
所述的控制柜(1)可对轴向加载框架(2)和压力室(3)进行控制；所述的压力室(3)位于轴向加载框架(2)的底板上，通过轴向加载框架(2)上的气缸(7)对压力室(3)内的试样进行轴向加载；
所述的扩散气泡冲刷装置(4)通过管线与压力室(3)相连接；
所述的控制柜(1)通过微控制单元与计算机(36)相连；
所述的轴向加载框架(2)包括气缸(7)、荷重传感器(9)和高精度数显位移传感器(10)；
所述的气缸(7)安装在轴向加载框架(2)的上底板(5)上，上底板(5)通过支杆(6)固定于下底板(17)上，且底板(16)固定在下底板(17)上；
所述的气缸(7)下部安装有传感器连接头(8)，传感器连接头(8)与荷重传感器(9)相连，荷重传感器(9)和传感器加载头(14)相连；
所述的支杆(6)上安装有定位块(15)，通过定位块(15)可判断荷重传感器(9)的位置；
所述的压力室(3)位于轴向加载框架(2)的底板(16)上，压力室(3)包括中心杆(19)、中心杆密封座(20)、上盖(21)、玻璃侧筒(22)、T型螺杆(23)、第一底座(24)、陶瓷压片(25)、陶土板(26)和空腔(27)；
所述的上盖(21)固定于玻璃侧筒(22)上，中心杆(19)穿过上盖(21)，并通过中心杆密封座(20)与上盖(21)相连，中心杆(19)上设有凸起，中心杆密封座(20)与中心杆(19)的凸出部位形成密封区域(28)；
所述的陶土板(26)位于压力室(3)的第一底座(24)上，并由陶瓷压片(25)固定，陶土板(26)与压力室(3)的第一底座(24)间形成空腔(27)；
所述的上盖(21)、玻璃侧筒(22)、中心杆(19)、中心杆密封座(20)组成的压力室(3)上部结构与压力室(3)的第一底座(24)通过T型螺杆(23)固定、密封；
所述的密封区域(28)通过气压管(37)与压力室(3)的内部相连通，使得密封区域(28)和压力室(3)内的气压相等，可抵消压力室(3)内气压对中心杆(19)的作用力，实现试验过程中竖向净正应力的控制；
所述的压力室(3)上部与控制柜(1)气压输出端相连，压力室(3)下部与控制柜(1)水压输出端相连，通过计算机(36)控制压力室(3)内的气压ua和水压uw，得到吸力s＝ua-uw，实现对试样吸力的控制。
2.根据权利要求1所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，其特征在于，所述的高精度数显位移传感器(10)通过位移测量板(11)和仪表夹(12)固定在竖杆(13)上，竖杆(13)安装在压力室(3)的上盖(21)上，位移测量板(11)固定在传感器加载头(14)上。
3.根据权利要求1所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，其特征在于，所述的扩散气泡冲刷装置(4)包括第二底座(29)、气泡收集器(31)、常闭电子阀(33)、精密水压传感器(35)和排气泡阀门(34)；所述的气泡收集器(31)、常闭电子阀(33)和精密水压传感器(35)安装在第二底座(29)上，气泡收集器(31)内开设有漏斗空腔(30)和与漏斗空腔(30)底部相连接的漏斗细管(32)，漏斗细管(32)的下部通过输水管线分别与常闭电子阀(33)和精密水压传感器(35)相连通。
4.根据权利要求3所述的全自动土-水特征曲线压力板仪，其特征在于，所述的扩散气泡冲刷装置(4)与控制柜(1)相连，通过控制柜(1)打开常闭电子阀(33)，使水通过压力室(3)中陶土板(26)下方的空腔(27)进入扩散气泡冲刷装置(4)的漏斗空腔(30)内，进而排出空腔(27)内的气泡，提高试验测量的精确度。
5.权利要求1所述的全自动土-水特征曲线压力板仪的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：仪器管线排气：通过控制柜(1)反复对压力室(3)注排水操作，对仪器管线进行排气操作；
步骤二：饱和陶土板(26)：通过设置5kPa的水压力排出陶土板(26)下部空腔(27)内的气泡，并在陶瓷压片(25)内注入高出陶土板(26)表面10mm的水，将压力室(3)安装在轴向加载框架(2)的底板(16)上，在水面上施加400kPa的气压力，静止放置2天，2天后卸载气压力，并排出管线内的水，重复以上操作步骤2次，完成陶土板(26)饱和；
步骤三：安装试样：按照要求将试样安装在饱和陶土板(26)上，试样安装完成后，通过T型螺杆(23)将压力室(3)上部结构与压力室(3)的第一底座(24)进行固定、密封；
步骤四：试验设置：根据试验方案通过计算机(36)对试验过程中的吸力、竖向净正应力及试验终止条件进行设置，完成设置后，开始进行试验，计算机将自动记录试验过程中的数据，并对数据进行初步处理；
步骤五：扩散气泡冲刷，通过控制柜(1)打开常闭电子阀(33)，使水通过压力室(3)中陶土板(26)下方的空腔(27)进入扩散气泡冲刷装置(4)的漏斗空腔(30)内，进而排出空腔(27)内的气泡，冲刷完成后，关闭扩散气泡冲刷装置(4)。
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