CN110196255B - 快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法，由压力室系统、压力控制系统、垂直气动加载系统、时域反射测量系统和多个水储存系统组成；压力控制系统的一个出气口与压力室系统的进气口连接，另一个出气口与垂直气动加载系统的进气口连接，控制压力室系统和垂直气动加载系统的气压；垂直气动加载系统的垂直加载端垂直作用压力室系统，控制土样吸水或脱水；时域反射测量系统检测端与压力室系统连接，测量土样含水率；水储存系统与压力室系统的出水端连接，存储土样脱除的水分。压力室系统包括冲刷凹槽底座、上底座、顶盖、螺杆、不锈钢试样室和多个土样加载模块。解决了测量土水特征曲线测量时间长、测量误差大的问题。

Description

快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法

技术领域

本发明属于高端装备制造技术领域，具体涉及一种估算轨道交通路基土的强度和渗透系数的快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法。

背景技术

土水特征曲线是指土壤基质吸力与土的含水率、饱和度或体积含水率之间的关系曲线。土水特征曲线是非饱和土壤的本构模型的重要组成部分，可用以估算轨道交通路基土的强度和渗透系数等，也是非饱和土力学中关键的参数和基本的测试内容。但目前测试技术当中存在实验时间很长、自动化水平不高、数据采集不够精确、吸力平衡条件不易判断等缺点。因此，快速测量土水特征曲线的测试设备是轨道交通路基性能预测的关键设备。

目前国内较为流行的测量土水特征曲线的实验方法是基于轴平移技术的压力板仪测量方法，该方法通过提高孔隙气压力，使孔隙水压力由自然状态时的负值达到某一正值，从而实现对基质吸力的测量，但是，一些空气通过高进气值陶土板扩散，并有聚集到陶土板下方的趋势，导致测量期间产生误差；而且陶土板对于水流的渗透性极低，约为1×10^-11，使用高进气值陶土板测量土水特征曲线(SWCC)时平衡土体试样基质吸力需要消耗大量的时间，在测量土水特征曲线时，每个试验点需要7天左右时间才能达到吸力的平衡，每条土水特征曲线通常需要1~2个月的试验时间，其试验平衡吸力的时间较为漫长。

微孔膜是主要由葡萄糖组成的纤维素膜，基本上是纤维素生物质，微孔膜是亲水性过滤器。利用微孔膜测量土样特征曲线，其最大进气值可达250kPa，基于其厚度优势它的渗透性远优于陶土板，使用微孔膜进行土样特征曲线测量所需的平衡时间远远短于使用高进气值陶土板进行测量所需的平衡时间。因此，如果能用微孔膜代替陶土板来改善达到吸力平衡所需的时间，将会很大程度上缩短整个试验的时间。

在土水特征曲线中，试件含水率作为最为重要的参数之一，目前大多数土水特征曲线试验中的试件含水率是通过滴定管系统进行量测的。其原理是，在土水特征曲线试验前通过滴定管管壁刻度线读取管内水面的初始值，随着所加气压的改变，滴定管内水体积不断改变，待液面不再变化时，记录此时水面刻度值；试验结束后需立即取出试样称重烘干，测量并计算试件最终的含水率，然后依次反算相对应其他吸力值下的试件含水率。此方法测量试件含水率过分依赖试验人员，不断读取并记录滴定管内水位的变化，无法直观的显示某个气压值所对应的试件含水率，自动化水平低；不同试验人员读取刻度的习惯也不同，导致实验结果误差大。

时域反射测量(TDR)是一种基于电磁波时域反射原理的远程遥感测试技术。时域反射法测量土壤水分的基础是测定土壤的表观介电常数；土体中固、液、气三相的介电常数差异很大，在大部分TDR的频率范围内，土中自由水的介电常数是81，固体颗粒的介电常数是3～7，空气的介电常数是1，因此混合土体的表观介电常数主要取决于土的含水率。研究表明，无论土体的成分与质地有何差异，土的含水率与水土混合物复介电常数的实部分量总是呈确定性的单值函数关系，这一结论表明通过测量土体表观介电常数即可推算土壤含水率。目前，时域反射测量系统鲜有应用于测量土水特征曲线试验，如能够将时域反射技术运用在土水特征曲线试验中含水量的测量，会大大提高试验的自动化水平。

同时，在测量与应力相关的土水特征曲线时，通常使用LVDT位移传感器来量测土样固结过程中产生竖向变形量，但是在使用LVDT位移传感器的过程中常常会出现一些故障和各种问题，如传感器显示的参数不正确、位移传感器输出不正常、安装条件较为苛刻等。

激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成。其原理采用的是激光三角测量法，一般适用于高精度、短距离的测量。相比于LVDT位移传感器，二者价格相当。但激光位移传感器的测量精度高于LVDT位移传感器。LVDT位移传感器属于接触式测量，受弹簧回复速度的影响，响应时间相对较慢。激光位移传感器最高线性度可达1um，分辨率更是可达到0.1um的水平，适应恶劣环境。LVDT位移传感器不能单独应用，一般需要配套的显示仪表，而激光位移传感器可直观显示处理。如能将激光三角测量技术应用于测量土水特征曲线中土体竖向变形的测量中，将会显著提高测量的精度与稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法，以解决目前测量土水特征曲线测量时间长、测量误差大的问题。

本发明采用的技术方案是，快速测量土水特征曲线的压力板仪，由压力室系统、压力控制系统、垂直气动加载系统、时域反射测量系统和多个水储存系统组成；压力控制系统用于控制压力室系统和垂直气动加载系统的气压，其一个出气口与压力室系统的进气口连接，另一个出气口与垂直气动加载系统的进气口连接；垂直气动加载系统的垂直加载端垂直作用压力室系统，控制压力室系统中的土样吸水或脱水；时域反射测量系统的检测端与压力室系统连接，测量压力室系统的土样含水率；水储存系统的进水端与压力室系统的出水端连接，存储土样脱除的水分。

进一步的，所述压力室系统包括冲刷凹槽底座、上底座、顶盖、螺杆、不锈钢试样室和多个土样加载模块；每个土样加载模块由加载杆、第一透水石、微孔膜、第二透水石、TDR室和激光位移传感器组成；上底座位于冲刷凹槽底座顶部并与冲刷凹槽底座固定连接，不锈钢试样室为内部中空的圆柱体，其两端内设有环状的第二密封胶圈，且其侧壁上设有进抽气口；不锈钢试样室一端经第二密封胶圈与顶盖密封连接，另一端经第二密封胶圈与上底座密封连接；压力控制系统的一个出气口与进抽气口密封连接；螺杆垂直设于顶盖与上底座之间，其一端与顶盖螺纹连接，另一端与上底座螺纹连接；冲刷凹槽底座内嵌有多个冲刷凹槽，冲刷凹槽内均设置有第一透水石，微孔膜位于冲刷凹槽底座上并与第一透水石上表面相接触；上底座底部设有多个环形的第一密封胶圈，每个第一密封胶圈密封包裹一个微孔膜；第二透水石位于上底座上，用于填充土样的TDR室嵌套于上底座内，每个TDR室底部与微孔膜上表面相接触、顶部与第二透水石下表面相接触；加载杆位于第二透水石上，加载杆顶端贯穿顶盖且在每个加载杆顶端端面固定有一个压力传感器，压力传感器与压力传感器电子数字显示器电性连接；激光位移传感器垂直固定在加载杆上；所有加载杆位于顶盖下方的部分，和所有第二透水石均位于不锈钢试样室内；

所述冲刷凹槽、第一密封胶圈和土样加载模块的数量相等。

进一步的，所述压力控制系统由高压压力表、高压调节器、压力表选择按钮、低压压力表、低压调节器、第二管道、第三管道和气源组成；高压压力表和高压调节器设于第二管道的第一支管道上，低压压力表与低压调节器设于第二管道的第二支管道上；压力表选择按钮设有一个进气口和两个出气口，第一支管道一端与压力表选择按钮的一个出气口连接，第二支管道一端与压力表选择按钮的另一个出气口连接；气源设有两个出气口，压力表选择按钮的进气口与气源的一个出气口连接，气源的另一个出气口经第三管道与垂直气动加载系统的进气口连接；第一支管道的另一端和第二支管道的另一端经一个三通管与压力室系统的进抽气口连接。

进一步的，所述垂直气动加载系统由多个垂直气动加载模块组成；每个垂直气动加载模块由双向运动加载气缸、加载监测压力表、加载控制调节器、加载气缸控制按钮和气动加载杆组成；双向运动加载气缸上设有第一进气口和第二进气口；加载气缸控制按钮设有一个进气口和两个出气口，其一个出气口经第一进气口与双向运动加载气缸的活塞上部气缸腔密封连通，另一个出气口依次经软管、第二进气口后与活塞下部气缸腔密封连通；压力控制系统的气源的另一个出气口经第三管道与加载气缸控制按钮的进气口连接；气动加载杆垂直固定于活塞底部；加载监测压力表和加载控制调节器设于第三管道上；每个气动加载杆作用一个位于其正下方的加载杆，且在气动加载杆不进行加载工作时，其底部不与加载杆顶端的压力传感器相接触。

进一步的，所述时域反射测量系统由计算机、多个探测结构和TDR信号脉冲发生器组成；每个探测结构由同轴电缆、TDR探杆和TDR探头组成；计算机输入端与TDR信号脉冲发生器反射信号输出端连接，TDR信号脉冲发生器信号脉冲输出端经每个探测结构的同轴电缆和TDR探头后与水平插设于土样中的TDR探杆连接；

所述水储存系统由第一管道、阀门和量筒组成；量筒经位于冲刷凹槽底座内的第一管道与一冲刷凹槽底部相通，阀门设于第一管道上；

所述水储存系统、时域反射测量系统的探测结构、气动加载系统的垂直气动加载模块、压力室系统的土样加载模块，这四者的数量相等，均大于等于1且小于等于4，且这四者一一对应连接。

进一步的，所述微孔膜材质为聚醚砜，厚度为0.13mm；

所述微孔膜与第一透水石的直径相等；

所述TDR室材质为聚酰胺，形状为空心圆柱体；

所述TDR探杆是圆形探杆，TDR探头材质为不锈钢，是弯曲的双杆探头；TDR探杆和TDR探头的弯曲曲率与TDR室内壁曲率相同，TDR探杆水平镶嵌在TDR室内壁表面；

所述高压压力表精度为20kPa，量程为10~1000kPa；所述低压压力表精度为5kPa，量程为3~200kPa；

所述压力表选择按钮和加载气缸控制按钮均为三位四通手扳阀；

所述加载监测压力表量程为1100kPa，加载控制调节器调节范围为0~1000kPa。

进一步的，所述螺杆一端贯穿顶盖并经螺母与顶盖顶部螺纹连接，另一端依次贯穿上底座和冲刷凹槽底座后经螺母与冲刷凹槽底座底部螺纹连接；

所述冲刷凹槽底座底部设有底座垫，底座垫的高度大于螺杆位于冲刷凹槽底座底部部分的高度；

所述激光位移传感器经支架垂直固定在加载杆上，且激光位移传感器自带数字显示器；

顶盖上固定有轴承盒，加载杆顶部均贯穿轴承盒；

所述上底座与冲刷凹槽底座通过螺丝固定连接。

本发明采用的另一技术方案是，快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，具体步骤如下：

步骤S1、安装微孔膜及第一透水石：将第一透水石放置在冲刷凹槽中，将微孔膜放置在第一透水石上方，然后将底部镶嵌有第一密封胶圈的上底座放置在微孔膜上，然后用螺丝密封固定上底座和冲刷凹槽底座；

步骤S2、饱和微孔膜和第一透水石：使阀门处于关闭状态，将不锈钢试样室放置在上底座上，从不锈钢试样室上部注入无气水淹没微孔膜，然后将顶盖放置在不锈钢试样室上，安装好螺杆并拧紧螺母使不锈钢试样室呈密封状态，打开阀门和气源，高压气体从进抽气口进入不锈钢试样室，动作压力表选择按钮选择高压压力表和高压调节器，并动作高压调节器施加气压至250kPa，保持气压不变进行排水，直到第一管道中观察不到气泡、量筒内无气水水位不发生变化时，关闭气源和阀门；

因采用的微孔膜的进气值为250kPa，故此处调节气压至250KPa。

步骤S3、安装压力室：松开螺母取下螺杆、顶盖和不锈钢试样室，清除无气水，向每个TDR室内填充饱和的土样，然后将饱和且无气的第二透水石置于每个饱和的土样上方，再次安装好不锈钢试样室、顶盖和螺杆，拧紧螺母使不锈钢试样室呈密封状态，记录每个压力传感器电子数字显示器和每个激光位移传感器的初始读数；

步骤S4、土样预固结：打开阀门和气源，根据试验方案缓慢拧动垂直气动加载系统的每个加载控制调节器，对每个土样施加一定竖向应力，并不断检查压力传感器电子数字显示器读数确保读数稳定，待每个土样对应的激光位移传感器上显示的数值不发生变化、第一管道中观察不到气泡、量筒内水位不发生变化时，预固结过程达到稳定状态；

步骤S5、控制吸力进行脱湿：预固结完成后，保持最后的竖向应力不变，记录每个激光位移传感器的读数，然后通过压力控制系统分阶段逐步向压力室系统施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个加压阶段，待计算机显示的每个土样的含水率、对应的量筒内的水位、对应的激光位移传感器所显示数值不发生变化时，即每个土样达到吸力平衡状态时，记录计算机显示的含水率，绘制每个土样每个阶段的基质吸力即气压与试件含水率之间的关系图即得到每个土样脱湿状态下的土水特征曲线；

步骤S6、控制吸力进行吸湿：脱湿完成后保持最后的竖向应力不变，记录每个激光传感器的读数，然后通过压力控制系统分阶段逐步降低向每个压力室系统施加的气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个阶段，待计算机显示的每个土样的含水率、对应的量筒内水位、对应的激光位移传感器显示的竖向位移不再发生变化时，即每个土样达到吸力平衡状态时，记录计算机显示的含水率，最后关闭气源，绘制每个土样每个阶段的基质吸力与土样含水率之间的关系图即得到每个土样吸湿状态下的土水特征曲线。

进一步的，所述步骤S5通过压力控制系统分阶段逐步向压力室系统施加气压，是动作压力表选择按钮，选择低压压力表和低压调节器精确控制气压，动作低压调节器，增加气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器读数不变，直至每个土样达到吸力平衡状态，记录计算机显示的含水率；然后继续动作低压调节器，增加气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率；当所需气压大于200kPa时，动作压力表选择按钮选择高压压力表和高压调节器控制气压；

所述步骤S6通过压力控制系统分阶段逐步降低向压力室系统施加的气压，是在脱湿完成后直接进入吸湿阶段，保持脱湿过程最后的竖向应力不变，动作高压调节器，降低气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器读数不变，直至达到吸力平衡状态，然后继续动作高压调节器，降低气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率，当所需气压小于200kPa时，动作压力表选择按钮选择低压压力表和低压调节器控制气压。

进一步的，所述步骤S4是对多个不同的土样分别施加不同的竖向应力，或是对多个相同的土样施加不同的竖向应力；

所述步骤S5和步骤S6是对多个相同的土样施加不同的竖向应力，或是对多个不同的土样施加相同的竖向应力。

对多个不同的土样分别施加不同的竖向应力，或对多个相同的土样施加不同的竖向应力，或对多个相同的土样施加不同的竖向应力，或是对多个不同的土样施加相同的竖向应力，均是通过动作加载控制调节器来实现的。

本发明的有益效果是：采用微孔膜代替传统的陶土板，实现了高进气值和高渗透率，进而改善了土样达到吸力平衡所需的时间，很大程度上缩短整个试验的时间；采用时域反射测量(TDR)系统代替传统的滴定管系统测量土样含水率，减少了人员记录误差，提高了试验的自动化水平；采用激光位移器测量土样的竖向变形量，显著提高了测量的精度与稳定性；扩大了压力室系统，一个加载系统同时配套多个加载杆和加载控制调节器，进而可以通过加载控制调节器控制不同加载杆作用力的大小，从而测试不同应力状态下的土样的土水特征曲线。有效解决了目前测量土水特征曲线测量时间长、测量误差大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光位移传感器的原理图。

图2为本发明的压力板仪整体结构示意图。

图3为本发明压力室系统的结构示意图。

图4为本发明上底座的俯视图。

图5为本发明上底座的主视图。

图6为本发明压力控制系统的结构示意图。

图7为本发明垂直加载系统的结构示意图。

图8为本发明压力室系统局部结构示意图。

图中，1.压力室系统，2.压力控制系统，3.垂直气动加载系统，4.时域反射测量系统，5.水储存系统，6.计算机，7.顶盖，8.螺杆，9.不锈钢试样室，10.加载杆，11.阀门，12.量筒，13.第一透水石，14.冲刷凹槽，15.底座垫，16.冲刷凹槽底座，17.螺丝，18.同轴电缆，19.第一密封胶圈，20.微孔膜，21.TDR探杆，22.第二透水石，23.TDR探头，24.TDR室，25.进抽气口，26.轴承盒，27.螺栓，28.第二密封胶圈，29.第一管道，30.螺母，31.高压压力表，32.高压调节器，33.压力表选择按钮，34.低压压力表，35.低压调节器，36.第二管道，36-1.第一支管道，36-2.第二支管道，37.支架，38.激光位移传感器，39.压力传感器电子数字显示器，40.第三管道，41.气源，42.土样，43.上底座，44.螺丝孔，45.螺杆孔，46.TDR信号脉冲发生器，47.加载监测压力表，48.加载控制调节器，49.加载气缸控制按钮，50.双向运动加载气缸，50-1.第一进气口，50-2.第二进气口，51.电缆，52.气动加载杆，53.压力控制面板，54.活塞，55.软管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

快速测量土水特征曲线的压力板仪，如图1所示，激光位移传感器38内部的激光发射器发出一束激光，在被测物体表面产生一个激光光斑，光斑在激光位移传感器内部的成像位置与基准位置的差△X和物体与基准面的距离△L有一定的算术关系，信号处理器（计算机）通过此关系式计算物体距离基准面的距离，并且转换成一定范围的电流输出△L即竖向位移。

快速测量土水特征曲线的压力板仪，如图2所示，由压力室系统1、压力控制系统2、垂直气动加载系统3、时域反射测量系统4和水储存系统5组成；

如图3~5所示，压力室系统1由顶盖7、螺杆8、不锈钢试样室9、冲刷凹槽底座16、上底座43和4个土样加载模块。每个土样加载模块由加载杆10、第一透水石13、微孔膜20、第二透水石22、TDR室24和激光位移传感器38组成。不锈钢试样室9为内部中空的圆柱体结构，其两端内设有环状的第二密封胶圈28；不锈钢试样室9一端经第二密封胶圈28与顶盖7密封连接，另一端经第二密封胶圈28与上底座43密封连接，且不锈钢试样室9侧壁上设有进抽气口25；螺杆8垂直设于顶盖7和上底座43之间，其一端经贯穿顶盖7后通过螺母30与顶盖7顶部螺纹连接，另一端经螺杆孔45并贯穿冲刷凹槽底座16后通过螺母30与冲刷凹槽底座16底部固定连接，螺杆8用于调节顶盖7和上底座43之间的距离，保证不锈钢试样室9呈密封状态。冲刷凹槽底座16内嵌有4个冲刷凹槽14，冲刷凹槽14内均设有第一透水石13，上底座43位于冲刷凹槽底座16顶部且经螺丝17、螺丝孔44与冲刷凹槽底座16固定连接，上底座43底部设有4个环形的第一密封胶圈19，第一密封胶圈19一对一密封包裹位于冲刷凹槽底座16顶部的材质为聚醚砜的微孔膜20，微孔膜20厚度为0.13mm，聚醚砜具有良好的亲水性和水通量、很好的化学稳定性和惰性，具有高导水率而且比较薄，本发明采用材质为聚醚砜的微孔膜20，显著缩短实验时间。微孔膜20底部与第一透水石13上表面相接触。第二透水石22位于上底座43上， TDR室24嵌套于上底座43内，每个TDR室24底部与微孔膜20上表面相接触、顶部与第二透水石22下表面相接触。TDR室24材质为聚酰胺，形状为空心圆柱体，其内填充有土样42，每个土样42内均插设有时域反射测量系统4的TDR探杆21。每个第二透水石22上设有与其相接触的加载杆10，加载杆10的顶部贯穿顶盖7且在加载杆10顶端端面固定有一个压力传感器，压力传感器通过电缆51与压力传感器电子数字显示器39连接，垂直气动加载系统3位于加载杆10的正上方，自然条件下即垂直气动加载系统3不动作时，其不与加载杆10顶端的压力传感器接触。加载杆10贯穿顶盖7的部分经螺栓27固定一个水平放置的支架37，激光位移传感器38垂直固定于支架37上。所有加载杆10位于顶盖7下方的部分，和所有第二透水石22均位于不锈钢试样室9内。冲刷凹槽14、第一密封胶圈19和土样加载模块的数量相等。微孔膜20与第一透水石13的直径相等，上底座43、不锈钢试样室9和顶盖7为整个压力室提供单独密闭空间。

顶盖7上固定有轴承盒26，轴承盒26起到减少加载杆10上下移动的摩擦的作用。冲刷凹槽底座16底部设有底座垫15，底座垫15的高度大于螺杆8位于冲刷凹槽底座16底部部分的高度。竖向位移最多为5mm，轴承盒26与支架37之间的距离远远大于5mm，因此轴承盒26的存在并不会影响支架37的移动，激光位移传感器38自带数字显示器。

TDR室24利用电磁波在不同介质中的传播速度的差异来测定土壤含水率，聚酰胺具有良好的电绝缘性能和力学性能，能以最小程度降低TDR测试期间电磁波干扰的影响。4个TDR室24镶嵌在上底座43中央位置，如图4所示。每个TDR室24可填充不同的土样，实现同时对多个土样进行测量。所有TDR室24也可填充相同的土样，通过垂直气动加载系统3对每个加载杆10施加不同的加载力，实现同一土样的快速测量。

如图6所示，压力控制系统2由压力表选择按钮33、第二管道36、第三管道40、气源41、高压压力表31、高压调节器32、低压压力表34和低压调节器35组成；高压压力表31与高压调节器32设于第二管道36的第一支管道36-1上，低压压力表34与低压调节器35设于第二管道36的第二支管道36-2上；压力表选择按钮33采用三位四通手动阀，其具有一个进气口，两个出气口和一个排气口；第一支管道36-1一端与压力表选择按钮33的一个出气口连接，第二支管道36-2一端与压力表选择按钮33的另一个出气口连接；气源41有两个出气口，压力表选择按钮33的进气口与气源41的一个出气口连接；第一支管道36-1和第二支管道36-2另一端经一个三通管与进抽气口25连接。

高压压力表31精度为20kPa，量程为10~1000kPa；低压压力表34精度为5kPa，量程为3~200kPa。本实施例压力表选择按钮33朝上采用高压压力表31，并采用高压调节器32调节气压；压力表选择按钮33朝下采用低压压力表34，并采用低压调节器35调节气压。气源41的另一个出气口通过第三管道40与垂直气动加载系统3连通。

如图7所示，垂直气动加载系统3由四个垂直气动加载模块组成。每个垂直气动加载模块由加载监测压力表47、加载控制调节器48、加载气缸控制按钮49和双向运动加载气缸50组成。双向运动加载气缸50上设有第一进气口50-1和第二进气口50-2，第一进气口50-1位于双向运动加载气缸50顶部并与双向运动加载气缸50的活塞54上部气缸腔密封连通，第二进气口50-2位于双向运动加载气缸50侧壁上，并与活塞54的下部气缸腔密封连通；加载气缸控制按钮49为三位四通手动阀，具有一个进气口、两个出气口和一个排气口，第一进气口50-1与加载气缸控制按钮49的一个出气口连通，第二进气口50-2经软管55与加载气缸控制按钮49的另一个出气口连通，加载气缸控制按钮49的进气口经第三管道40与压力控制系统2的气源41的另一个出气口连接；气动加载杆52垂直固定于活塞54底部；加载监测压力表47和加载控制调节器48设于第三管道40上，加载监测压力表47量程为1100kPa，加载控制调节器48调节范围为0~1000kPa。

加载气缸控制按钮49向上或向下控制双向运动加载气缸50的运动方向，通过加载控制调节器48和双向运动加载气缸50作用下部压力室系统1的四根加载杆10，进而对压力室系统1内的土样42进行轴向加载。四个加载控制调节器48可分别控制不同气压推动活塞54运动进而推动气动加载杆52运动；打开加载控制调节阀48输出气流，使加载气缸控制按钮49的按钮杆向上即可阻断气流从加载气缸控制按钮49进入软管55，使气流仅从第一进气口50-1进入活塞54上部气缸腔，活塞54下部气缸腔内的气流依次经软管55、加载气缸控制按钮49的排气口排出，推动活塞54和气动加载杆52向下运动；使加载气缸控制按钮49的按钮杆向下则使气流仅从软管55、第二进气口50-2进入到活塞54下部气缸腔，活塞54上部气缸腔内的气流依次经第一进气口50-1、加载气缸控制按钮49的排气口排出，推动活塞54和气动加载杆52向上运动。高压压力表31、高压调节器32、低压压力表34、低压调节器35、压力表选择按钮33和压力传感器电子数字显示器39均位于压力控制面板53上，方便读数和监控。

时域反射测量系统4由计算机6、多个探测结构和TDR信号脉冲发生器46组成；每个探测结构由同轴电缆18、TDR探杆21和TDR探头23组成。计算机6输入端与TDR信号脉冲发生器46反射信号输出端连接，TDR信号脉冲发生器46信号脉冲输出端经每个探测结构的同轴电缆18和TDR探头23后与水平插设于每个土样42中的TDR探杆21连接。TDR探杆21是圆形探杆，TDR探头23材质为不锈钢，是弯曲的双杆探头。TDR探杆21和TDR探头23的弯曲曲率与TDR室24内壁曲率相同，TDR探杆21水平镶嵌在TDR室24内壁表面，以减少在润湿和干燥过程中土壤扰动的影响，保持土样的完整性。TDR信号脉冲发生器46产生一个电磁脉冲沿同轴电缆18与TDR探头23后系统传递到TDR探杆21上用于土壤水分的测量，当电磁脉冲反射回到TDR信号脉冲发生46后，计算机6进行采样分析并保存波形的测量结果并快速准确确定土样42含水率。

本发明中，压力室系统1的上底座43、冲刷凹槽底座16、不锈钢试样室9、顶盖7都需要扩大到足以装下四个土样，将TDR时域反射测量系统和上底座43结合起来，即需要将同轴电缆18、TDR探头23、TDR探杆21、TDR室24嵌入上底座中并保持良好的密封性。

水储存系统5由第一管道29、阀门11和量筒12组成；量筒12经位于冲刷凹槽底座16内的第一管道29与冲刷凹槽14底部相通，阀门11设于第一管道29上；量筒12收集第一管道29内排出的气泡，并储存压力室系统1排出的水，量筒内水位变化作为判别达到平衡的标志之一。所述水储存系统5、时域反射测量系统4的探测结构、垂直气动加载系统3的垂直气动加载模块、压力室系统1的土样加载模块，这四者的数量相等，且一一对应连接。

快速测量土水特征曲线的压力板仪的测试方法，具体步骤如下：

步骤一、安装微孔膜20及第一透水石13：将第一透水石13放置在冲刷凹槽14中，将微孔膜20放置在第一透水石13上方，然后将底部带有第一密封胶圈19的上底座43放置在微孔膜20上方，四个土样的微孔膜20都按此步骤安装，然后用八颗螺丝17密封固定上底座43和冲刷凹槽底座16。

步骤二、饱和微孔膜20及第一透水石13：使阀门11处于关闭状态，将带有第二密封胶圈28的不锈钢试样室9安装于上底座43上，从不锈钢试样室9上部注入无气水淹没微孔膜20，然后将顶盖7放置在不锈钢试样室9上，安装好螺杆8并拧紧螺母30使不锈钢试样室9呈密封状态，如图8所示，以准确控制基质吸力大小，打开阀门11和气源41，高压气体从进抽气口25进入不锈钢试样室9，将压力控制系统2的压力表选择按钮33朝上，选择高压压力表31和高压调节器32并动作高压调节器32施加气压至250kPa，保持气压不变，排水约5分钟，利用高水力梯度驱除微孔膜20和第一透水石13内的空气，并利用高水压使微孔膜20和第一透水石13内的气泡溶解于无气水中，直到每个第一管道29中观察不到气泡、量筒12内无气水水位不发生变化时，关闭气源41和阀门11。

微孔膜20厚度只有0.13mm，厚度可忽略不计，其紧贴在第一透水石13上面，微孔膜20和第一透水石13直径一致，在不放置土样的情况下，顶盖7不覆盖不锈钢试样室9，直接倒入无气水淹没微孔膜20和第一透水石13，不锈钢试样室9底部的第二密封圈28既可密封空气，也可以防止无气水溢出。

步骤三：安装压力室：松开螺母30取下螺杆8、顶盖7和不锈钢试样室9，清除无气水，向每个上底座43中TDR室24内填充饱和的土样42，然后将饱和且无气的第二透水石22置于每个饱和的土样42上方，再次安装好不锈钢试样室9、顶盖7和螺杆8，拧紧螺母30使不锈钢试样室9呈密封状态，记录每个压力传感器电子数字显示器39和每个激光位移传感器38的初始读数；

步骤四：预固结土样：打开阀门11和气源41，根据试验方案缓慢拧动垂直气动加载系统3的每个加载控制调节器48，对每个土样施加一定竖向应力进行预固结，预固结过程中不断观察四个压力传感器电子数字显示器39读数确保读数稳定即确保竖向应力保持不变，待每个土样42对应的激光位移传感器38上显示的数值不发生变化即竖向位移不发生变化、第一管道29中观察不到气泡、量筒12内水位不发生变化时，预固结过程达到稳定状态。

步骤五：控制吸力进行脱湿：预固结完成后，保持最后的竖向应力不变，记录每个激光位移传感器38的读数，然后通过压力控制系统2分阶段逐步向压力室系统1施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个加压阶段，待每个土样42对应的计算机6显示的含水率、量筒12内水位和激光位移传感器38所显示数值不发生变化时，即每个土样42达到吸力平衡状态时，记录每个计算机6显示的含水率，绘制每个土样42每个阶段的基质吸力即气压与试件含水率之间的关系图即得到脱湿状态下的土水特征曲线。

通过压力控制系统2分阶段逐步向压力室系统1施加气压，是动作压力控制系统2的压力表选择按钮33朝下，选择低压压力表34和低压调节器35精确控制气压，顺时针拧动低压调节器35，增加气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器39读数不变，直至达到吸力平衡状态，记录计算机6显示的含水率；然后继续顺时针拧动低压调节器35，增加气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤即重复保持每个压力传感器电子数字显示器39读数不变，直至达到吸力平衡状态，记录每个计算机6显示的含水率，然后继续顺时针拧动低压调节器35，增加气压到下一阶段所需的基质吸力值，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率；当所需气压大于200kPa时，动作压力表选择按钮33朝上，选择高压压力表31和高压调节器32控制气压。

步骤六：控制吸力进行吸湿：脱湿完成后，保持最后的竖向应力不变，记录每个激光位移传感器38的读数，然后通过压力控制系统2分阶段逐步降低向压力室系统1施加的气压，达到每个土样42当前阶段所需基质吸力值，对于每个阶段，待计算机6显示的含水率、量筒12内水位和激光位移传感器38显示的竖向位移不再发生变化即达到吸力平衡状态时，记录每个计算机6显示的含水率，最后关闭气源41，绘制每个土样每个阶段的基质吸力与土样含水率之间的关系图即得到吸湿状态下的土水特征曲线。

通过压力控制系统2分阶段逐步降低向压力室系统1施加的气压，是在脱湿完成后直接进入吸湿阶段，保持脱湿过程最后的竖向应力不变，逆时针拧动高压调节器32，降低气压到每个土样当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器39读数不变，直至每个土样达到吸力平衡状态，记录计算机6显示的含水率，然后继续逆时针拧动高压调节器32，降低气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤即重复保持每个压力传感器电子数字显示器39读数不变，直至每个土样达到吸力平衡状态，记录计算机6显示的含水率，然后继续逆时针拧动高压调节器32，降低气压到下一阶段所需的基质吸力值，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率，当所需气压小于200kPa时，动作压力表选择按钮33朝下，选择低压压力表34和低压调节器35控制气压。

该设备由压力室系统、压力控制系统、垂直气动加载系统、时域反射测量系统和水储存系统组成。试验时，饱和土样放置在压力室系统上底座的微孔膜上，利用垂直气动加载系统给土样施加一定竖向应力并使其固结，施加的竖向应力由荷载传感器监测。固结完成后，采用轴平移技术控制土样的基质吸力，通过提高孔隙气压力，使孔隙水压力由自然状态时的负值达到某一正值，从而实现对基质吸力的测量。在外加的基质吸力的作用下，土样吸水或者失水，通过激光位移传感器和时域反射测量系统分别监测试样的竖向变形和含水率变化。然后改变气压值，使试样在下一级吸力状态下平衡，得到相应的含水率和饱和度，据此可得到一定应力状态下试样的土水特征曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，由压力室系统（1）、压力控制系统（2）、垂直气动加载系统（3）、时域反射测量系统（4）和多个水储存系统（5）组成；压力控制系统（2）用于控制压力室系统（1）和垂直气动加载系统（3）的气压，其一个出气口与压力室系统（1）的进气口连接，另一个出气口与垂直气动加载系统（3）的进气口连接；垂直气动加载系统（3）的垂直加载端垂直作用压力室系统（1），控制压力室系统（1）中的土样吸水或脱水；时域反射测量系统（4）的检测端与压力室系统（1）连接，测量压力室系统（1）的土样含水率；水储存系统（5）的进水端与压力室系统（1）的出水端连接，存储土样脱除的水分；

所述压力室系统（1）包括冲刷凹槽底座（16）、上底座（43）、顶盖（7）、螺杆（8）、不锈钢试样室（9）和多个土样加载模块；每个土样加载模块由加载杆（10）、第一透水石（13）、微孔膜（20）、第二透水石（22）、TDR室（24）和激光位移传感器（38）组成；上底座（43）位于冲刷凹槽底座（16）顶部并与冲刷凹槽底座（16）固定连接，不锈钢试样室（9）为内部中空的圆柱体，其两端内设有环状的第二密封胶圈（28），且其侧壁上设有进抽气口（25）；不锈钢试样室（9）一端经第二密封胶圈（28）与顶盖（7）密封连接，另一端经第二密封胶圈（28）与上底座（43）密封连接；压力控制系统（2）的一个出气口与进抽气口（25）密封连接；螺杆（8）垂直设于顶盖（7）与上底座（43）之间，其一端与顶盖（7）螺纹连接，另一端与上底座（43）螺纹连接；冲刷凹槽底座（16）内嵌有多个冲刷凹槽（14），冲刷凹槽（14）内均设有第一透水石（13），微孔膜（20）位于冲刷凹槽底座（16）上并与第一透水石（13）上表面相接触；上底座（43）底部设有多个环形的第一密封胶圈（19），每个第一密封胶圈（19）密封包裹一个微孔膜（20）；第二透水石（22）位于上底座（43）上，用于填充土样（42）的TDR室（24）嵌套于上底座（43）内，每个TDR室（24）底部与微孔膜（20）上表面相接触、顶部与第二透水石（22）下表面相接触；加载杆（10）位于第二透水石（22）上，加载杆（10）顶端贯穿顶盖（7）且在每个加载杆（10）顶端端面固定有一个压力传感器，压力传感器与压力传感器电子数字显示器（39）电性连接；激光位移传感器（38）垂直固定在加载杆（10）上；所述加载杆（10）位于顶盖（7）下方的部分，和所述第二透水石（22）均位于不锈钢试样室（9）内；

所述冲刷凹槽（14）、第一密封胶圈（19）和土样加载模块的数量相等。

2.根据权利要求1所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述压力控制系统（2）由高压压力表（31）、高压调节器（32）、压力表选择按钮（33）、低压压力表（34）、低压调节器（35）、第二管道（36）、第三管道（40）和气源（41）组成；高压压力表（31）和高压调节器（32）设于第二管道（36）的第一支管道（36-1）上，低压压力表（34）与低压调节器（35）设于第二管道（36）的第二支管道（36-2）上；压力表选择按钮（33）设有一个进气口和两个出气口，第一支管道（36-1）一端与压力表选择按钮（33）的一个出气口连接，第二支管道（36-2）一端与压力表选择按钮（33）的另一个出气口连接；气源（41）设有两个出气口，压力表选择按钮（33）的进气口与气源（41）的一个出气口连接，气源（41）的另一个出气口经第三管道（40）与垂直气动加载系统（3）的进气口连接；第一支管道（36-1）的另一端和第二支管道（36-2）另一端经一个三通管与压力室系统（1）的进抽气口（25）连接。

3.根据权利要求2所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述垂直气动加载系统（3）由多个垂直气动加载模块组成；每个垂直气动加载模块由双向运动加载气缸（50）、加载监测压力表（47）、加载控制调节器（48）、加载气缸控制按钮（49）和气动加载杆（52）组成；双向运动加载气缸（50）上设有第一进气口（50-1）和第二进气口（50-2）；加载气缸控制按钮（49）设有一个进气口和两个出气口，其一个出气口经第一进气口（50-1）与双向运动加载气缸（50）的活塞（54）上部气缸腔密封连通，另一个出气口依次经软管（55）、第二进气口（50-2）后与活塞（54）下部气缸腔密封连通；压力控制系统（2）的气源（41）的另一个出气口经第三管道（40）与加载气缸控制按钮（49）的进气口连接；气动加载杆（52）垂直固定于活塞（54）底部；加载监测压力表（47）和加载控制调节器（48）设于第三管道（40）上；每个气动加载杆（52）作用一个位于其正下方的加载杆（10），且在气动加载杆（52）不进行加载工作时，其底部不与加载杆（10）顶端的压力传感器相接触。

4.根据权利要求3所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述时域反射测量系统（4）由计算机（6）、多个探测结构和TDR信号脉冲发生器（46）组成；每个探测结构由同轴电缆（18）、TDR探杆（21）和TDR探头（23）组成；计算机（6）的输入端与TDR信号脉冲发生器（46）的反射信号输出端连接，TDR信号脉冲发生器（46）的信号脉冲输出端经每个探测结构的同轴电缆（18）和TDR探头（23）后与水平插设于土样（42）中的TDR探杆（21）连接；

所述水储存系统（5）由第一管道（29）、阀门（11）和量筒（12）组成；量筒（12）经位于冲刷凹槽底座（16）内的第一管道（29）与一个冲刷凹槽（14）底部相通，阀门（11）设于第一管道（29）上；

所述水储存系统（5）、时域反射测量系统（4）的探测结构、气动加载系统（3）的垂直气动加载模块、压力室系统（1）的土样加载模块，这四者的数量相等，均大于等于1且小于等于4，且这四者一一对应连接。

5.根据权利要求4所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述微孔膜（20）材质为聚醚砜，厚度为0.13mm；

所述微孔膜（20）与第一透水石（13）的直径相等；

所述TDR室（24）材质为聚酰胺，形状为空心圆柱体；

所述TDR探杆（21）是圆形探杆，TDR探头（23）材质为不锈钢，是弯曲的双杆探头；TDR探杆（21）和TDR探头（23）的弯曲曲率均与TDR室（24）内壁曲率相同，TDR探杆（21）水平镶嵌在TDR室（24）内壁表面；

所述高压压力表（31）精度为20kPa，量程为10~1000kPa；所述低压压力表（34）精度为5kPa，量程为3~200kPa；

所述压力表选择按钮（33）和加载气缸控制按钮（49）均为三位四通手扳阀；

所述加载监测压力表（47）量程为1100kPa，加载控制调节器（48）调节范围为0~1000kPa。

6.根据权利要求2~5任一项所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述螺杆（8）一端贯穿顶盖（7）并经螺母（30）与顶盖（7）顶部螺纹连接，另一端依次贯穿上底座（43）和冲刷凹槽底座（16）后经螺母（30）与冲刷凹槽底座（16）底部螺纹连接；

所述冲刷凹槽底座（16）底部设有底座垫（15），底座垫（15）的高度大于螺杆（8）位于冲刷凹槽底座（16）底部部分的高度；

顶盖（7）上固定有轴承盒（26），加载杆（10）顶部均贯穿轴承盒（26）；

所述激光位移传感器（38）经支架（37）垂直固定在加载杆（10）上，且激光位移传感器（38）自带数字显示器；

所述上底座（43）与冲刷凹槽底座（16）通过螺丝（17）固定连接。

7.如权利要求6所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1、安装微孔膜（20）及第一透水石（13）：将第一透水石（13）放置在冲刷凹槽（14）中，将微孔膜（20）放置在第一透水石（13）上方，然后将底部镶嵌有第一密封胶圈（19）的上底座（43）放置在微孔膜（20）上，然后用螺丝（17）密封固定上底座（43）和冲刷凹槽底座（16）；

步骤S2、饱和微孔膜（20）和第一透水石（13）：使阀门（11）处于关闭状态，将不锈钢试样室（9）放置在上底座（43）上，从不锈钢试样室（9）上部注入无气水淹没微孔膜（20），然后将顶盖（7）放置在不锈钢试样室（9）上，安装好螺杆（8）并拧紧螺母（30）使不锈钢试样室（9）呈密封状态，打开阀门（11）和气源（41），高压气体从进抽气口（25）进入不锈钢试样室（9），动作压力表选择按钮（33）选择高压压力表（31）和高压调节器（32），并动作高压调节器（32）施加气压至250kPa，保持气压不变进行排水，直到第一管道（29）中观察不到气泡、量筒（12）内无气水水位不发生变化时，关闭气源（41）和阀门（11）；

步骤S3、安装压力室：松开螺母（30）取下螺杆（8）、顶盖（7）和不锈钢试样室（9），清除无气水，向每个TDR室（24）内填充饱和的土样（42），然后将饱和且无气的第二透水石（22）置于每个饱和的土样（42）上方，再次安装好不锈钢试样室（9）、顶盖（7）和螺杆（8），拧紧螺母（30）使不锈钢试样室（9）呈密封状态，记录每个压力传感器电子数字显示器（39）和每个激光位移传感器（38）的初始读数；

步骤S4、土样预固结：打开阀门（11）和气源（41），根据试验方案缓慢拧动垂直气动加载系统（3）的每个加载控制调节器（48），对每个土样（42）施加一定竖向应力，并不断检查压力传感器电子数字显示器（39）读数确保读数稳定，待每个土样（42）对应的激光位移传感器（38）上显示的数值不发生变化、第一管道（29）中观察不到气泡、量筒（12）内水位不发生变化时，预固结过程达到稳定状态；

步骤S5、控制吸力进行脱湿：预固结完成后，保持最后的竖向应力不变，记录每个激光位移传感器（38）的读数，然后通过压力控制系统（2）分阶段逐步向压力室系统（1）施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个加压阶段，待计算机（6）显示的每个土样（42）的含水率、对应的量筒（12）内的水位、对应的激光位移传感器（38）所显示数值不发生变化时，即每个土样（42）达到吸力平衡状态，记录计算机（6）显示的含水率，绘制每个土样（42）每个阶段的基质吸力即气压与试件含水率之间的关系图即得到每个土样（42）脱湿状态下的土水特征曲线；

步骤S6、控制吸力进行吸湿：脱湿完成后保持最后的竖向应力不变，记录每个激光传感器（38）的读数，然后通过压力控制系统（2）分阶段逐步降低向每个压力室系统（1）施加的气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个阶段，待计算机（6）显示的每个土样（42）的含水率、对应的量筒（12）内水位、对应的激光位移传感器（38）显示的竖向位移不再发生变化时，即每个土样（42）达到吸力平衡状态时，记录计算机（6）显示的含水率，最后关闭气源（41），绘制每个土样（42）每个阶段的基质吸力与土样含水率之间的关系图即得到每个土样（42）吸湿状态下的土水特征曲线。

8.根据权利要求7所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S5通过压力控制系统（2）分阶段逐步向压力室系统（1）施加气压，是动作压力表选择按钮（33），选择低压压力表（34）和低压调节器（35）精确控制气压，动作低压调节器（35），增加气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器（39）读数不变，直至每个土样（42）达到吸力平衡状态，记录计算机（6）显示的含水率；然后继续动作低压调节器（35），增加气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率；当所需气压大于200kPa时，动作压力表选择按钮（33）选择高压压力表（31）和高压调节器（32）控制气压；

所述步骤S6通过压力控制系统（2）分阶段逐步降低向压力室系统（1）施加的气压，是在脱湿完成后直接进入吸湿阶段，保持脱湿过程最后的竖向应力不变，动作高压调节器（32），降低气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器（39）读数不变，直至达到吸力平衡状态，然后继续动作高压调节器（32），降低气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率，当所需气压小于200kPa时，动作压力表选择按钮（33）选择低压压力表（34）和低压调节器（35）控制气压。

9.根据权利要求7或8所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S4是对多个不同的土样（42）分别施加不同的竖向应力，或是对多个相同的土样（42）施加不同的竖向应力；

所述步骤S5和步骤S6是对多个相同的土样（42）施加不同的竖向应力，或是对多个不同的土样（42）施加相同的竖向应力。

Images