CN109270116A - 量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置及方法，主要由贮水箱、水压力腔室、气压力腔室、陶土板、水压力传感器、控制器、气动式调节阀和热传感器等元件组成；其测试方法步骤为：首先将热传感器置于事先成孔的圆柱形土体试样内；其次将土体试样放入压力腔室，打开控制器，控制器根据水压力读数器接收的数据来控制气动式调节阀，确保陶土板下面的水压在±10kPa以内，热导率读数器记录热传感器的数据并保存；最后根据测量的气压、水压以及热传感器测量的数据，计算得出土体试样的基质吸力，该测试装置对非饱和土基质吸力的测量具有量程大、精确度高、自动化程度高等优点，所得的热导率还具有校核基质吸力的特点。

Description

量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程非饱和土基质吸力与热导率技术领域，具体涉及一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置及方法。

背景技术

自然状态下，绝大多数土体处于非饱和状态，非饱和土的基本工程性质与构筑物的稳定有着密切联系，在工程实践中值得密切关注。

基质吸力是评价非饱和土性质参数之一，对其强度特性、渗透特性和热传导特性等有着重要影响；对于非饱和土体而言，伴随着土体含水率的改变，基质吸力亦会产生相应改变。土体的基质吸力与含水率之间的关系曲线称之为土水特征曲线；土水特征曲线是研究非饱和土的纽带，其在非饱和土力学扮演着重要的角色，土水特征曲线能够很好的反映非饱和土的抗剪强度、渗透性及持水性能等基本性质，常用于室内外测量基质吸力的方法如下：张力计技术、轴平移技术、电/热传导传感器法和接触式滤纸法等，张力计技术利用高进气值陶瓷板作为量测系统，可以直接测量土中负孔隙水压力；轴平移技术是将非饱和土样放入封闭压力室内，用饱和高进气值陶瓷针头量测负孔隙水压力的直接测量法，该技术主要用于室内测定。传统的张力计广泛用于基质吸力的现场测量，使用传统张力计的吸力测量限于85kPa；轴平移技术测量时需要手动调整压力板的气压，控制精度低，测量过程繁琐。因此需要一种新的测量方式，来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的公开了一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置及方法，应用热导率测量基质吸力，并通过公式计算出土体基质吸力，具有测量量程大和自动化程度高等优点。

第一方面：

本发明提供了一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，包括贮水箱、控制器和压力腔室，所述压力腔室包括侧壁、固设于侧壁顶部的盖板及固设于侧壁底部的底板，所述盖板上设有泄气阀，所述底板内设有水压腔室，所述水压腔室底部通过管线连接所述贮水箱，所述水压腔室顶部覆盖有高进气值陶土板，所述高进气值陶土板上设有土体试样，所述土体试样顶部设有负重块且其中心处穿插有热传感器，一传输电缆一端连接所述热传感器，另一端依次穿过所述负重块和压力腔室侧壁后延伸至压力腔室外并连接一热导率读数器，所述底板侧边设有与所述水压腔室相连通的测压管，所述测压管上设有一水压力传感器，所述底板上穿插有一空气导管，所述空气导管一端位于压力腔室内，另一端延伸至压力腔室外，位于压力腔室外的所述空气导管上设有一气动式调节阀，所述水压力传感器通过数据线依次连接一水压力读数器、所述控制器和所述气动式调节阀，所述控制器接收水压力传感器的水压力值以控制气动式调节阀的开合，进而调节压力腔室内的空气压力。

进一步地，还包括基座，所述底座通过若干支座固定安装在所述基座上，相邻两所述支座距离相等。

进一步地，所述控制器为压力处理器和储存器连接构成的反馈控制器。

进一步地，所述热传感器包括不锈钢探头、陶瓷尖端和环氧树脂衬垫，所述不锈钢探头置于所述陶瓷尖端内，所述不锈钢探头顶部和陶瓷尖端的顶部平齐且共同连接所述环氧树脂衬垫。

进一步地，所述不锈钢探头内设有加热元件和温度传感器，所述加热元件连接电源用于通电加热，所述温度传感器通过传输电缆连接所述热导率读数器。

进一步地，所述传输电缆由五根导线螺旋缠绕而成，五根导线分别为保护线、铜线正极、康铜线负极、加热线正极和加热线负极。

进一步地，所述侧壁、盖板和底板横截面均为圆形，所述侧壁与盖板和底板均通过若干等间距设置的螺栓进行固定。

第二方面：

本发明提供了一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试方法，包括以下步骤：

步骤一，根据设定参数制作圆柱形的土体试样，在土体试样顶部中心处钻孔并放入热传感器，使热传感器与土体试样紧密贴合；

步骤二，将土体试样放入压力腔室内的高进气值陶土板上，并在土体试样顶部放置负重块，将压力腔室的盖板和底板与侧壁紧密固定，保证压力腔室内部空间的密封；

步骤三，打开阀门使贮水箱内的水经管线进入水压腔室以及测压管内，水压力传感器将测量的水压力值经水压力读数器传送至控制器，控制器接收水压力值并控制调节气动式调节阀，保证高进气值陶土板下面的水压在±10kPa以内；同时不锈钢探头内的加热元件通电产生热量，使土体试样的温度升高，直至温度恒定时，记录热导率读数器接收热传感器测量的温度数据并保存；

步骤四，打开泄气阀排出压力腔室内的压力，并关闭管线上的阀门，随后打开盖板取出压力腔室内的土体试样，完成测试；

步骤五，根据气动式调节阀测量的气压值、水压力传感器测量的水压值、热传感器测量的温度值，利用公式计算得出土体试样的基质吸力。

进一步地，计算基质吸力的公式如下所示：

ln(u_a-u_w)＝aΔT_A-b

其中u_a-u_w代表基质吸力，ΔT_A是温度达到恒定时升高的温度，a和b为经验参数，u_a是土体试样孔隙气压力，u_w是土体试样孔隙水压力。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明中贮水箱、水压腔室、高进气值陶土板、水压力传感器、控制器和气动式调节阀对土体试样进行水压力调节，保证高进气值陶土板下面的水压腔室的水压力在±10kPa以内，并利用热传感器和热导率读数器对土体试样进行温度测量，运用本联合测试装置来测量土体基质吸力，解决了传统张力计测量量程低的缺陷，本测试装置对环境无任何危害、节约测量成本、监测结果精确度高、自动化程度高、相互校核，具有广阔的应用前景和良好的社会经济效益和工程应用前景。

附图说明

图1是本发明一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置的结构图；

图2是图1中热传感器和热导率读数器的连接结构图；

图3是本发明实施例一测试的基质吸力与温度的关系图。

图中：贮水箱1，管线2，水压腔室3，高进气值陶土板4，水压力传感器5，数据线6，水压力读数器7，控制器8，气动式调节阀9，压力腔室10，土体试样11，热传感器12，传输电缆13，热导率读数器14，负重块15，盖板16，侧壁17，底板18，泄气阀19，测压管20，支座21，基座22，阀门23，空气导管24，不锈钢探头25，陶瓷尖端26，环氧树脂衬垫27，保护线28，铜线正极29，康铜线负极30，加热线正极31，加热线负极32。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例公开了一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，包括贮水箱、控制器和压力腔室，所述压力腔室包括侧壁、固设于侧壁顶部的盖板及固设于侧壁底部的底板，在本实施例中，所述侧壁采用有机玻璃侧壁，底板可采用不锈钢底板，盖板可采用不锈钢盖板，且不锈钢底板到不锈钢盖板的垂直高度为200mm，有机玻璃侧壁的内径为170mm，有机玻璃侧壁厚度为18mm，所述侧壁、盖板和底板横截面均设为圆形，所述侧壁顶部和底部分别设有与盖板和底板相配的法兰结构，不锈钢盖板与有机玻璃侧壁顶部的法兰结构可用六个等间距设置的蝶形螺栓固定，不锈钢底板与有机玻璃侧壁底部的法兰结构可用六个等间距设置的六角螺栓固定，以保证压力腔室密封，同时利用有机玻璃的透明特性，可以很清楚的观察压力腔室内的情形。

所述盖板上设有泄气阀，用于排放压力腔室内的空气压力；所述底板内设有水压腔室，所述水压腔室底部通过管线连接所述贮水箱，管线上设有的阀门，用于导通或关闭所述贮水箱向水压腔室供水，其中，管线上可以不设置水泵等动力抽水机构，只要保证所述贮水箱的高度高于水压腔室的高度，保证所述贮水箱内的水可以流入至水压腔室即可；

所述水压腔室的顶部覆盖有高进气值陶土板，可以将孔隙气和孔隙水分离以便维持一个压力差(即吸力)，所述高进气值陶土板上设有土体试样，所述土体试样采用和侧壁形状相同的圆形，所述土体试样顶部设有负重块且其中心处穿插有热传感器，所述负重块保证土体试样与高进气值陶土板紧密贴合，一传输电缆一端连接所述热传感器，另一端依次穿过所述负重块和压力腔室侧壁后延伸至压力腔室外并连接一热导率读数器，用于将热传感器测量的温度值传送至所述热导率读数器进行显示；

进一步地，所述热传感器为圆柱形，其中热传感器的高为50mm，外径为16mm，所述热传感器包括不锈钢探头、陶瓷尖端和环氧树脂衬垫，所述不锈钢探头置于所述陶瓷尖端内，所述不锈钢探头顶部和陶瓷尖端的顶部平齐且共同连接所述环氧树脂衬垫，所述不锈钢探头内设有加热元件和温度传感器，所述加热元件连接电源用于通电加热，可以为土体试样加热，所述温度传感器采用热电阻传感器，测量精度为0.18℃，可以记录测得的周围土体试样的温度并通过传输电缆传送至热导率读数器中进行显示，其中，所述传输电缆由五根导线螺旋缠绕而成，五根导线分别为保护线、铜线正极、康铜线负极、加热线正极和加热线负极，保证温度数据传输的稳定和精确。

所述底板侧边设有与所述水压腔室相连通的测压管，所述测压管上设有一水压力传感器，由此测压管内的水压和水压腔室内的水压大小均相同，即所述水压力传感器测量的水压值为水压腔室内的水压值，所述底板上穿插有一空气导管，所述空气导管一端位于压力腔室内，另一端延伸至压力腔室外，位于压力腔室外的所述空气导管上设有一气动式调节阀，通过气动式调节阀的开合，可以调节压力腔室内的压力值大小，所述水压力传感器通过数据线依次连接一水压力读数器、所述控制器和所述气动式调节阀，所述控制器为压力处理器和储存器连接构成的反馈控制器，所述控制器可接收水压力传感器的水压力值以控制气动式调节阀的开合，进而调节压力腔室内的空气压力，保证压力腔室内的压力值在设定的范围内。

进一步地，本联合测试装置还包括基座，所述基座的形状也为圆形，所述底座通过若干支座固定安装在所述基座上，相邻两所述支座距离相等，在本实施例中，所述支座的形状呈圆柱形，数量为六个，等间距圆形排列连接所述底座和基座，用于对压力腔室进行支撑。

本实施例还公开了一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试方法，包括以下步骤：

步骤一，根据设定参数制作圆柱形的土体试样，土体试样呈圆柱形且其体积小于压力腔室的体积，在土体试样顶部中心处钻孔并放入热传感器，所述钻孔和热传感器的规格均为高50mm、半径16mm，保证热传感器与土体试样的紧密贴合；

步骤二，将土体试样放入压力腔室内的高进气值陶土板上，并在土体试样顶部放置负重块，保证土体试样与高进气值陶土板之间的紧密贴合，随后将压力腔室的盖板和底板与侧壁紧密固定，保证压力腔室内部空间的密封；

步骤三，测压管一端密封，另一端与水压腔室想连通，打开阀门使贮水箱内的水经管线进入水压腔室以及测压管内，水压力传感器将测量的水压力值经水压力读数器传送至控制器，控制器接收水压力值并控制调节气动式调节阀，保证高进气值陶土板下面的水压在±10kPa以内；同时不锈钢探头内的加热元件通电产生热量，使土体试样的温度升高，直至温度恒定时，热传感器内的温度传感器将测量的温度传送至热导率读数器中进行显示，记录热导率读数器接收热传感器测量的温度数据并保存；

步骤四，打开泄气阀排出压力腔室内的压力，并关闭管线上的阀门，随后打开盖板取出压力腔室内的土体试样，完成测试；

步骤五，根据气动式调节阀测量的气压值、水压力传感器测量的水压值、热传感器测量的温度值，利用公式计算得出土体试样的基质吸力。

其中，上述计算基质吸力的公式如下所示：

ln(u_a-u_w)＝aΔT_A-b

其中u_a-u_w代表基质吸力，ΔT_A是温度达到恒定时升高的温度，a和b为经验参数，u_a是土体试样孔隙气压力，u_w是土体试样孔隙水压力。

本实施例中，经验参数a＝2.6801，b＝5.2641，请参考图3，基质吸力与温度变化的关系可为图中所示的线性关系，且可以看出本装置测量的基质吸力和热导率的精度较高。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：包括贮水箱、控制器和压力腔室，所述压力腔室包括侧壁、固设于侧壁顶部的盖板及固设于侧壁底部的底板，所述盖板上设有泄气阀，所述底板内设有水压腔室，所述水压腔室底部通过管线连接所述贮水箱，所述水压腔室顶部覆盖有高进气值陶土板，所述高进气值陶土板上设有土体试样，所述土体试样顶部设有负重块且其中心处穿插有热传感器，一传输电缆一端连接所述热传感器，另一端依次穿过所述负重块和压力腔室侧壁后延伸至压力腔室外并连接一热导率读数器，所述底板侧边设有与所述水压腔室相连通的测压管，所述测压管上设有一水压力传感器，所述底板上穿插有一空气导管，所述空气导管一端位于压力腔室内，另一端延伸至压力腔室外，位于压力腔室外的所述空气导管上设有一气动式调节阀，所述水压力传感器通过数据线依次连接一水压力读数器、所述控制器和所述气动式调节阀，所述控制器接收水压力传感器的水压力值以控制气动式调节阀的开合，进而调节压力腔室内的空气压力。

2.根据权利要求1所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：还包括基座，所述底座通过若干支座固定安装在所述基座上，相邻两所述支座距离相等。

3.根据权利要求1所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：所述控制器为压力处理器和储存器连接构成的反馈控制器。

4.根据权利要求1所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：所述热传感器包括不锈钢探头、陶瓷尖端和环氧树脂衬垫，所述不锈钢探头置于所述陶瓷尖端内，所述不锈钢探头顶部和陶瓷尖端的顶部平齐且共同连接所述环氧树脂衬垫。

5.根据权利要求4所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：所述不锈钢探头内设有加热元件和温度传感器，所述加热元件连接电源用于通电加热，所述温度传感器通过传输电缆连接所述热导率读数器。

6.根据权利要求4所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：所述传输电缆由五根导线螺旋缠绕而成，五根导线分别为保护线、铜线正极、康铜线负极、加热线正极和加热线负极。

7.根据权利要求1所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置，其特征在于：所述侧壁、盖板和底板横截面均为圆形，所述侧壁与盖板和底板均通过若干等间距设置的螺栓进行固定。

8.一种基于权利要求1所述的量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试装置的联合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据设定参数制作圆柱形的土体试样，在土体试样顶部中心处钻孔并放入热传感器，使热传感器与土体试样紧密贴合；

步骤二，将土体试样放入压力腔室内的高进气值陶土板上，并在土体试样顶部放置负重块，将压力腔室的盖板和底板与侧壁紧密固定，保证压力腔室内部空间的密封；

步骤三，打开阀门使贮水箱内的水经管线进入水压腔室以及测压管内，水压力传感器将测量的水压力值经水压力读数器传送至控制器，控制器接收水压力值并控制调节气动式调节阀，保证高进气值陶土板下面的水压在±10kPa以内；同时不锈钢探头内的加热元件通电产生热量，使土体试样的温度升高，直至温度恒定时，记录热导率读数器接收热传感器测量的温度数据并保存；

步骤四，打开泄气阀排出压力腔室内的压力，并关闭管线上的阀门，随后打开盖板取出压力腔室内的土体试样，完成测试；

步骤五，根据气动式调节阀测量的气压值、水压力传感器测量的水压值、热传感器测量的温度值，利用公式计算得出土体试样的基质吸力。

9.根据权利要求8所述的一种量测非饱和土基质吸力与热导率的联合测试方法，其特征在于，计算基质吸力的公式如下所示：

ln(u_a-u_w)＝aΔT_A-b

其中u_a-u_w代表基质吸力，ΔT_A是温度达到恒定时升高的温度，a和b为经验参数，u_a是土体试样孔隙气压力，u_w是土体试样孔隙水压力。