CN110031606A - 一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法 - Google Patents

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邵龙潭
郭晓霞
张钧达
陈之祥
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Abstract

本发明提供一种土的干燥收缩试验装置,包括土样放置与称重采集平台、环境支持与图像采集平台、位移采集平台等组成。通过将位移采集平台置于土样放置与称重采集平台上,将图像采集与环境支持平台和土样放置与称重采集平台相连接,将土样置于位移采集平台内,并将土样放置与称重采集平台与恒温水浴、水分雾化器和数据采集系统相连接,即形成本发明的一种土的干燥收缩试验装置。同时提供一种基于土的干燥收缩试验反演土水特征曲线的方法。本发明的效果是提供一种全新的测量土水特征曲线的方法。该方法操作简便,测量精度能够满足计算和工程需要,为非饱和土的应力变形问题研究提供基础支持。

Description

一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法
技术领域
本发明属于土工测试计算领域,涉及一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法,可用于评价土体随饱和度变化的孔隙率变化特征和绘制土水特征曲线。
背景技术
土体中的水分由于蒸发干燥或植物蒸腾作用而不断减少,降水及其他形式的水体入渗则不断对土体内的水分进行补充,土体在经历不同形式上的干湿作用。土体失水后其体积会发生一定量的收缩。收缩严重时会引起地面整体沉降或不均匀沉降;而对于黏粒含量较高的土体,还会在土中产生开裂现象。地面沉降、收缩裂隙的出现将降低地基、房屋、土工建筑物等的安全性与功能性。掌握土体在干燥收缩过程中的发展规律,对于土体材料在实际工程中的合理应用和土体工程的防灾减灾具有重要意义和工程价值。
发明内容
1、本发明的目的
本发明提供一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法,以实现土体干燥收缩过程中发展规律的观测,进而为旱区土体等非饱和土土水特征曲线的确定提供可能。
2、本发明所采用的技术方案
一种土的干燥收缩试验装置,包括土样放置与称重采集平台、环境支持与图像采集平台、位移采集平台,将位移采集平台置于土样放置与称重采集平台上,将环境支持与图像采集平台与土样放置与称重采集平台相连接,将土样置于位移采集平台内,并将土样放置与称重采集平台分别与恒温水浴、水分雾化器和数据采集系统相连接。
更进一步,所述的土样放置与称重采集平台的表面设置有数显屏,其上设有温度设置键、湿度设置键、启动键、复位键、开关键;
土样放置与称重采集平台的还设置有水分雾化器接口、恒温水浴接口、数据输出接口、相机连接接口和充电接口;在土样放置与称重采集平台的上表面的中心设置有称重台,在土样放置与称重采集平台的上表面还设置有温度采集探头和湿度采集探头。
更进一步,所述的环境支持与图像采集平台包括环境维护箱、环境维护箱门、数字相机;环境支持与图像采集平台的环境维护箱呈正方体形式,环境维护箱顶部设置有相机槽,环境维护箱侧面设置有磁力母坐,环境维护箱与环境维护箱门通过铰链连接;环境维护箱门内部边缘布置有密封胶垫和磁力公坐;将环境维护箱与环境维护箱门相连接,将数字相机与相机槽相连接,将相机数据线与土样放置与称重采集平台的相机连接接口相连接。
更进一步,所述的位移采集平台包括土样置样盒、位移采集立杆、千分表支撑杆、千分表、环刀、垫片;其中千分表具有无线传输数据功能,位移采集平台的千分表支撑杆设置有双环状的千分表槽,千分表支撑杆的外侧设置有位移紧固螺栓孔,将千分表安装在千分表支撑杆的千分表槽,将位移紧固螺栓安装在位移紧固螺栓孔,将位移采集立杆一端与千分表支撑杆相连接,将位移采集立杆另一端与土样置样盒相连接,将环刀置于土样置样盒内,将垫片置于千分表支撑杆下部。
本发明提出了一种土的干燥收缩试验装置的反演土水特征曲线的方法,骤如下:
1)依据上述所述的方法组装一种土的干燥收缩试验装置,将环境支持与图像采集平台的相机数据线与土样放置与称重采集平台的相机连接接口相连接,将土样放置与称重采集平台的数据线与数据采集系统相连接,将水分雾化器接口、恒温水浴接口分别与水分雾化器、恒温水浴相连接;
2)利用环刀制备饱和的土样,并将环刀及环刀内部所嵌的土样放置在土样置样盒内;
3)将千分表的探头通过垫片与土样的上表面接触;将数字相机探头对准土样的表面;
4)通过土样放置与称重采集平台的温度设置键和湿度设置键分别设置环境维护箱的温度和湿度,通过启动键开启一种土的干燥收缩试验装置记录ti时刻土样放置与称重采集平台的称重读数mi、千分表的读数hi和数字相机的图像数据,并将土样放置与称重采集平台开始时的称重读数记为m0,将土样放置与称重采集平台开始时的千分表的读数h0,当土样放置与称重采集平台的称重读数mi恒定后停止试验并将此时称重读数记为me,将此时千分表的读数he
5)ti时刻土样的有效饱和度Se依据公式(1)计算,公式(1)为:
式(1)中,Se为ti时刻土样的有效饱和度;Si为ti时刻土样的饱和度,可依据公式(2)计算;Sr为土样的残余饱和度,可通过停机时的称重读数和公式(3)计算,公式(2)和公式(3)分别为;
式(2)和式(3)中,Si为ti时刻土样的饱和度;ds为土样的相对密度;e为土样的初始孔隙比;mw为土样的初始含水质量;m0为土样的初始质量,即土样放置与称重采集平台(1)开始时的称重读数记为m0;mi为ti时刻土样的质量,即步骤4)ti时刻土样放置与称重采集平台的称重读数mi;me为土样的试验完成质量,即土样放置与称重采集平台的称重读数mi恒定后停机时称重读数记为me;ms为土样中的土颗粒质量;Sr为土样的残余饱和度;me为土样放置与称重采集平台的称重读数mi恒定后停止试验时的称重读数;
6)土样的基质吸力ua-uw可依据公式(4)计算,公式(4)为:
式(4)中,ua-uw为ti时刻土样的基质吸力;σ’为不含有孔隙流体压强作用的外力土骨架应力,可通过饱和土的三轴固结试验确定;σn为总法向应力,本方法的σn取值为0;ua、uw分别为孔隙气压强和孔隙水压强,ua取值为0;Se为ti时刻土样的有效饱和度;
7)将基质吸力ua-uw作为横轴,土样的饱和度Si作为竖轴绘制曲线,即为该土样所代表土体的土水特征曲线。
3、本发明的有益效果
本发明提供一种全新的测量土水特征曲线的方法,能为非饱和土基质吸力的量测提供借鉴。该方法操作简便,测量精度能够满足计算和工程需要,为非饱和土的应力变形问题研究提供基础支持。
附图说明
图1为本发明的一种土的干燥收缩试验装置效果图;
图2为本发明的一种土的干燥收缩试验装置后视图;
图中:
1.土样放置与称重采集平台 11.称重台 12.数显屏 13.温度设置键
14.湿度设置键 15.启动键 16.复位键 17.开关键 18.温度采集探头
19.湿度采集探头 110.数据线 111.水分雾化器接口
112.恒温水浴接口 113.数据输出接口 114.相机连接接口
115.充电接口 2.环境支持与图像采集平台 21.环境维护箱
211.相机槽 212.磁力母坐 22.环境维护箱门 221.密封胶垫
222.磁力公坐 23.数字相机 231.相机数据线 3.位移采集平台
31.土样置样盒 32.位移采集立杆 33.千分表支撑杆 34.千分表
35.环刀 36.垫片 331.千分表槽 332.位移紧固螺栓
333.位移紧固螺栓孔 4.土样
具体实施方式
结合附图对本发明的一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法加以说明。
本发明的一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法是基于:通过确定实验过程中土体表观图像收缩数据、轴向位移数据和水分蒸发重量,确定土样的土水特征曲线。
本发明的一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法是这样实现的:
提供了一种土的干燥收缩试验装置,该试验装置包括土样放置与称重采集平台1、环境支持与图像采集平台2、位移采集平台3、土样(4),将位移采集平台3置于土样放置与称重采集平台1上,将环境支持与图像采集平台2与土样放置与称重采集平台1相连接,将土样4置于位移采集平台3内,并将土样放置与称重采集平台1分别与恒温水浴、水分雾化器和数据采集系统相连接,即形成本发明的一种土的干燥收缩试验装置。如图1和图2所示,所述的土样放置与称重采集平台1,其特征为:所述土样放置与称重采集平台1包括称重台11、数显屏12、温度设置键13、湿度设置键14、启动键15、复位键16、开关键17、温度采集探头18、湿度采集探头19、数据线110、水分雾化器接口111、恒温水浴接口112、数据输出接口113、相机连接接口114和充电接口115;其中土样放置与称重采集平台1的前侧表面设置有长方形的数显屏12,正方形的温度设置键13、湿度设置键14、启动键15、复位键16、开关键17;土样放置与称重采集平台1的右侧表面设置有水分雾化器接口111、恒温水浴接口112,土样放置与称重采集平台1的后侧表面设置有数据输出接口113、相机连接接口114和充电接口115;在土样放置与称重采集平台1的上表面的中心设置有称重台11,在土样放置与称重采集平台1的上表面还设置有温度采集探头18和湿度采集探头19。所述的环境支持与图像采集平台2,其特征为:所述环境支持与图像采集平台2包括环境维护箱21、环境维护箱门22、数字相机23;环境支持与图像采集平台2的环境维护箱21呈正方体形式,环境维护箱21顶部设置有相机槽211,环境维护箱21侧面设置有磁力母坐212,环境维护箱21与环境维护箱门22通过铰链连接;环境维护箱门22内部边缘布置有密封胶垫221和磁力公坐222;将环境维护箱21与环境维护箱门22相连接,将数字相机23与相机槽211相连接,将相机数据线231与土样放置与称重采集平台(1)的相机连接接口114相连接,即形成所述的环境支持与图像采集平台2。所述的位移采集平台3,其特征为:所述位移采集平台3包括土样置样盒31、位移采集立杆32、千分表支撑杆33、千分表34、环刀35、垫片36;其中千分表34具有无线传输数据功能,位移采集平台3的千分表支撑杆33设置有双环状的千分表槽331,千分表支撑杆33的外侧设置有位移紧固螺栓孔333,将千分表34安装在千分表支撑杆33的千分表槽331,将位移紧固螺栓332安装在位移紧固螺栓孔333,将位移采集立杆32一端与千分表支撑杆33相连接,将位移采集立杆32另一端与土样置样盒31相连接,将环刀35置于土样置样盒31内,将垫片36置于千分表34支撑杆下部,即形成所述的位移采集平台(3);
一种土的干燥收缩试验装置的反演土水特征曲线的方法,该方法的实施步骤如下:
1)组装一种土的干燥收缩试验装置。将环境支持与图像采集平台2的相机数据线231与土样放置与称重采集平台1的相机连接接口114相连接,将土样放置与称重采集平台1的数据线110与数据采集系统相连接,将水分雾化器接口111、恒温水浴接口112分别与水分雾化器、恒温水浴相连接;
2)利用环刀35制备饱和的土样4,并将环刀35及环刀35内部所嵌的土样4放置在所述的一种土的干燥收缩试验装置的土样置样盒31内;
3)将千分表34的探头通过垫片36与土样4的上表面接触;将数字相机23探头对准土样4的表面;
4)通过土样放置与称重采集平台1的温度设置键13和湿度设置键14分别设置环境维护箱21的温度和湿度,通过启动键15开启一种土的干燥收缩试验装置记录ti时刻土样放置与称重采集平台1的称重读数mi、千分表(34)的读数hi和数字相机(23)的图像数据,并将土样放置与称重采集平台1开始时的称重读数记为m0,将土样放置与称重采集平台1开始时的千分表(34)的读数h0,当土样放置与称重采集平台1的称重读数mi恒定后停止试验并将此时称重读数记为me,将此时千分表34的读数he
5)ti时刻土样的有效饱和度Se依据公式(1)计算,公式(1)为:
式(1)中,Se为ti时刻土样的有效饱和度;Si为ti时刻土样的饱和度,可依据公式(2)计算;Sr为土样的残余饱和度,可通过停机时的称重读数和公式(3)计算,公式(2)和公式(3)分别为;
式(2)和式(3)中,Si为ti时刻土样的饱和度;ds为土样的相对密度;e为土样的初始孔隙比;mw为土样的初始含水质量;m0为土样的初始质量,即土样放置与称重采集平台1开始时的称重读数记为m0;mi为ti时刻土样的质量,即步骤4)ti时刻土样放置与称重采集平台1的称重读数mi;me为土样的试验完成质量,即土样放置与称重采集平台1的称重读数mi恒定后停机时称重读数记为me;ms为土样中的土颗粒质量;Sr为土样的残余饱和度;me为土样放置与称重采集平台1的称重读数mi恒定后停止试验时的称重读数;
6)土样的基质吸力(ua-uw)可依据公式(4)计算,公式(4)为:
式(4)中,ua-uw为ti时刻土样的基质吸力;σ’为不含有孔隙流体压强作用的外力土骨架应力,可通过饱和土的三轴固结试验确定;σn为总法向应力,本方法的σn取值为0;ua、uw分别为孔隙气压强和孔隙水压强,本方法的ua取值为0;Se为ti时刻土样的有效饱和度;
7)将基质吸力(ua-uw)作为横轴,土样的饱和度Si作为竖轴绘制曲线,即为该土样所代表土体的土水特征曲线。
以上所述仅为结合本次制作过程进行说明,对于本领域的实际应用来说,本发明可以有各种变化和更改。凡在本发明的精神和原则之内,所作的修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种土的干燥收缩试验装置,其特征在于:包括土样放置与称重采集平台(1)、环境支持与图像采集平台(2)、位移采集平台(3),将位移采集平台(3)置于土样放置与称重采集平台(1)上,将环境支持与图像采集平台(2)与土样放置与称重采集平台(1)相连接,将土样(4)置于位移采集平台(3)内,并将土样放置与称重采集平台(1)分别与恒温水浴、水分雾化器和数据采集系统相连接。
2.根据权利要求1所述的土的干燥收缩试验装置,其特征在于:所述的土样放置与称重采集平台(1)的表面设置有数显屏(12),其上设有温度设置键(13)、湿度设置键(14)、启动键(15)、复位键(16)、开关键(17);
土样放置与称重采集平台(1)的还设置有水分雾化器接口(111)、恒温水浴接口(112)、数据输出接口(113)、相机连接接口(114)和充电接口(115);在土样放置与称重采集平台(1)的上表面的中心设置有称重台(11),在土样放置与称重采集平台(1)的上表面还设置有温度采集探头(18)和湿度采集探头(19)。
3.根据权利要求1所述的土的干燥收缩试验装置,其特征在于:所述的环境支持与图像采集平台(2)包括环境维护箱(21)、环境维护箱门(22)、数字相机(23);环境支持与图像采集平台(2)的环境维护箱(21)呈正方体形式,环境维护箱(21)顶部设置有相机槽(211),环境维护箱(21)侧面设置有磁力母坐(212),环境维护箱(21)与环境维护箱门(22)通过铰链连接;环境维护箱门(22)内部边缘布置有密封胶垫(221)和磁力公坐(222);将环境维护箱(21)与环境维护箱门(22)相连接,将数字相机(23)与相机槽(211)相连接,将相机数据线(231)与土样放置与称重采集平台(1)的相机连接接口(114)相连接。
4.根据权利要求1所述的土的干燥收缩试验装置,其特征在于:所述的位移采集平台(3)包括土样置样盒(31)、位移采集立杆(32)、千分表支撑杆(33)、千分表(34)、环刀(35)、垫片(36);其中千分表(34)具有无线传输数据功能,位移采集平台(3)的千分表支撑杆(33)设置有双环状的千分表槽(331),千分表支撑杆(33)的外侧设置有位移紧固螺栓孔(333),将千分表(34)安装在千分表支撑杆(33)的千分表槽(331),将位移紧固螺栓(332)安装在位移紧固螺栓孔(333),将位移采集立杆(32)一端与千分表支撑杆(33)相连接,将位移采集立杆(32)另一端与土样置样盒(31)相连接,将环刀(35)置于土样置样盒(31)内,将垫片(36)置于千分表(34)支撑杆下部。
5.一种土的干燥收缩试验装置的反演土水特征曲线的方法,其特征在于步骤如下:
1)依据权利要求4所述的方法组装一种土的干燥收缩试验装置,将环境支持与图像采集平台(2)的相机数据线(231)与土样放置与称重采集平台(1)的相机连接接口(114)相连接,将土样放置与称重采集平台(1)的数据线(110)与数据采集系统相连接,将水分雾化器接口(111)、恒温水浴接口(112)分别与水分雾化器、恒温水浴相连接;
2)利用环刀(35)制备饱和的土样(4),并将环刀(35)及环刀(35)内部所嵌的土样(4)放置在土样置样盒(31)内;
3)将千分表(34)的探头通过垫片(36)与土样(4)的上表面接触;将数字相机(23)探头对准土样(4)的表面;
4)通过土样放置与称重采集平台(1)的温度设置键(13)和湿度设置键(14)分别设置环境维护箱(21)的温度和湿度,通过启动键(15)开启一种土的干燥收缩试验装置记录ti时刻土样放置与称重采集平台(1)的称重读数mi、千分表(34)的读数hi和数字相机(23)的图像数据,并将土样放置与称重采集平台(1)开始时的称重读数记为m0,将土样放置与称重采集平台(1)开始时的千分表(34)的读数h0,当土样放置与称重采集平台(1)的称重读数mi恒定后停止试验并将此时称重读数记为me,将此时千分表(34)的读数he
5)ti时刻土样的有效饱和度Se依据公式(1)计算,公式(1)为:
式(1)中,Se为ti时刻土样的有效饱和度;Si为ti时刻土样的饱和度,可依据公式(2)计算;Sr为土样的残余饱和度,可通过停机时的称重读数和公式(3)计算,公式(2)和公式(3)分别为;
式(2)和式(3)中,Si为ti时刻土样的饱和度;ds为土样的相对密度;e为土样的初始孔隙比;mw为土样的初始含水质量;m0为土样的初始质量,即土样放置与称重采集平台(1)开始时的称重读数记为m0;mi为ti时刻土样的质量,即步骤4)ti时刻土样放置与称重采集平台(1)的称重读数mi;me为土样的试验完成质量,即土样放置与称重采集平台(1)的称重读数mi恒定后停机时称重读数记为me;ms为土样中的土颗粒质量;Sr为土样的残余饱和度;me为土样放置与称重采集平台(1)的称重读数mi恒定后停止试验时的称重读数;
6)土样的基质吸力ua-uw可依据公式(4)计算,公式(4)为:
式(4)中,ua-uw为ti时刻土样的基质吸力;σ’为不含有孔隙流体压强作用的外力土骨架应力,可通过饱和土的三轴固结试验确定;σn为总法向应力,本方法的σn取值为0;ua、uw分别为孔隙气压强和孔隙水压强,ua取值为0;Se为ti时刻土样的有效饱和度;
7)将基质吸力ua-uw作为横轴,土样的饱和度Si作为竖轴绘制曲线,即为该土样所代表土体的土水特征曲线。
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