CN111238565A - 一种测试非饱和土工程特性联系的装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种测试非饱和土工程特性联系的装置及试验方法。该装置包括制样器组件、上游水头施加装置、万用表、排出水量测量装置和气瓶。所述制样器组件包括试样盒、陶土板和环刀。所述试样盒包括顶盖和底座。工作时，所述环刀内放置有试样。该装置的试验方法包括试样前期预处理、试样安装、计算饱和渗透系数、测量土水特征曲线和测量试样电阻率等步骤。该装置可通过一个试样测量饱和渗透系数、电阻率随含水率的变化规律、土水特征曲线等非饱和土性质。操作方便，测试精准，测试系统操作简单易行，可为非饱和土应用提供更可靠的实验数据。

Description

一种测试非饱和土工程特性联系的装置及试验方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种非饱和土土体渗透破坏参数测试装置及相应特性的测试方法。

背景技术

非饱和土是一种三相土，与饱和土不同，非饱和土中不仅有固相(土粒及部分胶结物质)和液相(水和水溶液)，而且还有气相(空气和水汽等)存在。气相的存在使土的性质大为复杂化，它的基本特性与饱和土有所不同，这些特性给非饱和土工程性状的研究带来了许多困难，以致目前对非饱和土基本性质的研究仍不很成熟，而非饱和土的理论原理和计算方法以及它们介入工程的程度则还处于初步阶段。

非饱和土在自然界广泛地存在，真正的饱和土在自然界是很少的，尤其在干旱与半干旱地区，由于受气候条件的影响，存在着若干种具有特殊性质的土类，如膨胀土、崩解土(黄土等)、残积土等，统称为“特殊土”。它们均具有非饱和土的基本特性，即土体内通常存在着吸力。这种特征在膨胀土中表现得尤为明显和重要。土体中含有气体使非饱和土的性质远比两相的饱和土复杂，饱和土的某些原理对非饱和土不再适用，或者需要重新论证。

非饱和土与饱和土在力学方面最大的区别是吸力的存在，吸力使得非饱和土性质与饱和土有较大不同，对非饱和土的变形和强度有很大影响，吸力的存在会提高非饱和土的强度。吸力是土体内部土颗粒的表面与孔隙内的水和气相互作用而产生的，与外荷载作用没有直接联系。

非饱和土的测试的难点有以下几个方面：

①非饱和土是固–液–气三相复合介质，水气的赋存形态有水连通–气封闭、双开敞(各自连通)、气连通–水封闭等多种情况，测试内容大大增加，且要求各相的应力和变形分别独立控制、量测；

②吸力变化范围很大(从0～106kPa)，大于80kPa的基质吸力的直接量测很困难(发生气穴、汽化现象)；

③土样体变小、水的流速低，土样中状态量达到均衡的时间要很长，要求量测精度高、连续测试的时段长，试验历时从几小时到几天、几周，甚至几月、几年；

④气相压缩性大，不仅无孔不通，而且还能通过橡皮膜扩散，在土样水分中溶解与扩散，干扰排水量的量测，并大大增加了土样体变量测的难度(不能像饱和土那样由测排水量代替测体变)；

⑤特殊土的特殊性质的测试(如湿陷性、胀缩性、负摩擦、微细结构及其损伤演化对变形强度渗透性的影响)有特殊要求和难度。

渗透系数又称水力传导系数(hydraulicconductivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：κ＝kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。渗透系数愈大，岩石透水性愈强。渗透系数κ是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数κ的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法，包括实验室测定法和现场测定法或经验估算法来确定κ值。

饱和渗透系数、电阻率随含水率的变化规律、土水特征曲线等是非饱和土重要的工程特性。其中，土水特征曲线表示基质吸力与含水率(饱和度)的关系；渗透系数函数描述的是渗透系数与基质吸力或含水率(饱和度)间的关系。

传统的方法对以上参数的测定需要单独开展试验，试样数量要求多、测试时间长。缺少一种行之有效的方法对以上参数进行快速简便的测定。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试非饱和土工程特性联系的装置及试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种测试非饱和土工程特性联系的装置，包括制样器组件、上游水头施加装置、万用表、排出水量测量装置和气瓶。

所述制样器组件包括试样盒、陶土板和环刀。

所述试样盒包括顶盖和底座。所述顶盖整体为块状结构。所述顶盖的下表面设置有台阶孔。所述台阶孔从上到下依次包括第一空腔和第二空腔。所述第一空腔的直径小于第二空腔的直径。所述顶盖的上表面设置有电极连通口、进/排气孔和进水孔。所述电极连通口、进/排气孔和进水孔均连通顶盖的上表面和台阶孔。所述进/排气孔和进水孔处均设置有阀门。所述上游水头施加装置通过气管与进水孔连接。所述气管上安装有阀门和测压管。所述气瓶与进/排气孔连接。所述顶盖上还设置有销孔。所述销孔贯穿顶盖的上下表面。

所述底座整体为块状结构。所述底座的上表面设置有阶梯孔。所述阶梯孔从上到下依次包括第三空腔、第四空腔和第五空腔。所述第三空腔的直径大于第四空腔的直径。所述第四空腔的直径大于第五空腔的直径。所述陶土板嵌固在第四空腔中。所述底座的侧壁上设置有排气孔和排水孔。所述排气孔和排水孔均连通所述底座的第五空腔和外部。所述排气孔和排水孔处均设置有阀门。所述排出水量测量装置通过气管与排水孔连接。所述气管上安装有三通阀和测压管。所述底座上还设置有销孔。所述销孔贯穿底座的上下表面。

工作时，所述环刀内放置有试样。所述环刀夹设在顶盖和底座之间。所述环刀的上端嵌入第二空腔中，下端嵌入第三空腔中。所述环刀的下端顶抵在陶土板的上表面。螺杆依次穿过顶盖和底座上对应的销孔后旋入螺帽，将顶盖、环刀和底座箍紧。万用表的电极一端通过电极连通口伸入台阶孔与试样相连，另一端固定在环刀的侧壁上。

进一步，所述试样盒采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料加工制成。

进一步，所述上游水头施加装置包括滑杆和有机玻璃圆桶。滑杆的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶通过滑块挂在滑杆上，通过滑杆上的滑块调节有机玻璃圆桶的高度。所述有机玻璃圆桶下端的出水口通过气管接入到试样盒顶部的进水孔。

进一步，所述排出水量测量装置包括电子台秤和三角瓶。所述排水孔通过气管与三角瓶连通。

进一步，所述万用表电阻量程0.1Ω～60MΩ。

进一步，所述环刀的上端与顶盖之间设置有O型密封圈，下端与底座之间设置有平垫片。

本发明还公开一种采用权利要求1所述装置的试验方法，包括以下步骤：

1)试样前期预处理。

2)试样安装。关闭排气孔处阀门，打开排水孔处三通阀。通过排水孔向阶梯孔内注入无汽水至水溢出后，关闭排水孔处三通阀。将陶土板饱和后嵌固于第四空腔中。将环刀夹设在顶盖和底座之间并箍紧。

3)打开进/排气孔处阀门以及进水孔处阀门。接通上游水头施加装置与进水孔。

4)由进水孔向台阶孔内注入无汽水，台阶孔内空气由进/排气孔排出。台阶孔内空气排净后，关闭进/排气孔处阀门以及进水孔处阀门。

5)在进水孔处布置流水测压管。打开排水孔处三通阀，并记录排水孔处测压管数值。

6)打开进水孔处阀门，记录上游测压管数值变化以及排水孔处测压管数值，并计算水头差的变化。

7)通过排水孔收集排水量变化。

8)上游水位下降至进水孔处阀门时，关闭进水孔处阀门，关闭排水孔处三通阀，停止饱和渗透系数测量。

9)利用变水头方法计算饱和渗透系数。

10)打开进/排气孔处阀门，打开进水孔处阀门。

11)使用软管插入顶盖至试样顶面，利用吸耳球通过软管将第一空腔内水分全部抽出。

12)关闭进水孔处阀门。

13)将进/排气孔连接气瓶，向第一空腔内施加预设稳定气压。

14)将排水孔连接排出水量测量装置。

15)打开排水孔处三通阀，让试样内水分在上方气压作用下流出，直至平衡状态。

16)当达到平衡后，排出水量测量装置测量稳定气压下排出水量。

17)调节连接进/排气孔的气瓶，施加另一预设稳定气压，并重复步骤14)～17)，直到所有施加所有预设气压。

18)断开进/排气孔连接稳压气源，打开排气孔处阀门，让底座内水流出。

19)取出试样，放入烘箱内完全烘干，称取干土质量。

20)根据每级气压下的排出水量，计算土样不同含水量对应的气压值，得到土水特征曲线。

21)在步骤11)和步骤16)后，利用万用表测量试样顶面的和环刀组成回路之间的电阻率，测量不同含水量条件下试样的电阻率。

进一步，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)试样制备。对于原状样，利用环刀在原状样上采样。对于重塑样，利用土工试验制样方法制取重塑试样。

1.2)试样饱和。将制好的试样放入饱和器，抽真空饱和24小时以上，取出试样并擦干环刀外侧水，称取试样的饱和质量。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可通过一个试样测量饱和渗透系数、电阻率随含水率的变化规律、土水特征曲线等非饱和土性质；

B.操作方便，测试精准，测试系统操作简单易行，可为非饱和土应用提供更可靠的实验数据。

附图说明

图1为装置结构示意图；

图2为制样器组件结构示意图；

图3为试样盒结构示意图；

图4为方法流程图；

图5为试样土水特征曲线；

图6为试样电阻率-含水率曲线。

图中：底座 1、阶梯孔 101、第三空腔 1011、第四空腔 1012、第五空腔 1013、排气孔 102、排水孔 103、陶土板 5、环刀 6、试样 7、O型密封圈 8、顶盖 9、台阶孔 901、第一空腔 9011、第二空腔 9012、电极连通口 902、进/排气孔 903、进水孔 904。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开一种测试非饱和土工程特性联系的装置，包括水平布置在试验台上的制样器组件，以及上游水头施加装置、万用表、排出水量测量装置和气瓶。

参见图2，所述制样器组件包括试样盒、陶土板5和环刀6。

所述试样盒采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料加工制成。参见图3，所述试样盒包括顶盖9和底座1。所述顶盖9整体为块状结构。所述顶盖9的下表面设置有台阶孔901。所述台阶孔901从上到下依次包括第一空腔9011和第二空腔9012。所述第一空腔9011的直径小于第二空腔9012的直径。所述顶盖9的上表面设置有电极连通口902、进/排气孔903和进水孔904。所述电极连通口902、进/排气孔903和进水孔904均连通顶盖9的上表面和台阶孔901。所述进/排气孔903和进水孔904处均设置有阀门。所述上游水头施加装置通过气管与进水孔904连接。所述气管上安装有阀门和测压管。所述气瓶与进/排气孔903连接。所述顶盖9上还设置有销孔。所述销孔贯穿顶盖9的上下表面。

所述上游水头施加装置包括滑杆和有机玻璃圆桶。滑杆的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶通过滑块挂在滑杆上，通过滑杆上的滑块调节有机玻璃圆桶的高度。所述有机玻璃圆桶下端的出水口通过气管接入到试样盒顶部的进水孔904。

所述底座1整体为块状结构。所述底座1的上表面设置有阶梯孔101。所述阶梯孔101从上到下依次包括第三空腔1011、第四空腔1012和第五空腔1013。所述第三空腔1011的直径大于第四空腔1012的直径。所述第四空腔1012的直径大于第五空腔1013的直径。所述陶土板5嵌固在第四空腔1012中。所述底座1的侧壁上设置有排气孔102和排水孔103。所述排气孔102和排水孔103均连通所述底座1的第五空腔1013和外部。所述排气孔102和排水孔103处均设置有阀门。所述排出水量测量装置通过气管与排水孔103连接。所述气管上安装有三通阀和测压管。所述底座1上还设置有销孔。所述销孔贯穿底座1的上下表面。

所述排出水量测量装置包括电子台秤和三角瓶。所述排水孔103通过气管与三角瓶连通。

工作时，所述环刀6内放置有试样7。所述环刀6夹设在顶盖9和底座1之间。所述环刀6的上端嵌入第二空腔9012中，下端嵌入第三空腔1011中。所述环刀6的上端与顶盖9之间设置有O型密封圈8，下端与底座之间设置有平垫片。所述环刀6的下端顶抵在陶土板5的上表面。螺杆依次穿过顶盖9和底座1上对应的销孔后旋入螺帽，将顶盖9、环刀6和底座1箍紧。万用表的电极一端通过电极连通口902伸入台阶孔901与试样7相连，另一端固定在环刀6的侧壁上。所述万用表电阻量程0.1Ω～60MΩ。

实施例2：

参见图4，本实施例公开一种采用权利要求1所述装置的试验方法，包括以下步骤：

1)试样前期预处理。

1.1)试样制备。对于原状样，利用环刀在原状样上采样。对于重塑样，利用土工试验制样方法制取重塑试样。

1.2)试样饱和。将制好的试样7放入饱和器，抽真空饱和24小时以上，取出试样7并擦干环刀6外侧水，称取试样7的饱和质量。

2)试样安装。将底座1放置水平，关闭排气孔102处阀门，打开排水孔103处三通阀。通过排水孔103向阶梯孔101内注入无汽水至水溢出后，关闭排水孔103处三通阀。将陶土板5饱和后嵌固于第四空腔1012中。将环刀6夹设在顶盖9和底座1之间并箍紧。

3)打开进/排气孔903处阀门以及进水孔904处阀门。接通上游水头施加装置与进水孔904。

4)由进水孔904向台阶孔901内注入无汽水，台阶孔901内空气由进/排气孔903排出。台阶孔901内空气排净后，关闭进/排气孔903处阀门以及进水孔904处阀门。

5)在进水孔904处布置流水测压管。打开排水孔103处三通阀，并记录排水孔103处测压管数值。

6)打开进水孔904处阀门，记录上游测压管数值变化以及排水孔103处测压管数值，并计算水头差的变化。

7)通过排水孔103收集排水量变化。

8)上游水位下降至进水孔904处阀门时，关闭进水孔904处阀门，关闭排水孔103处三通阀，停止饱和渗透系数测量。

9)利用变水头方法计算饱和渗透系数。表1为渗透系数计算表。

表1

10)打开进/排气孔903处阀门，打开进水孔904处阀门。

11)使用直径小于进水孔904的软管插入顶盖9至试样7顶面，利用吸耳球通过软管将第一空腔9011内水分全部抽出。

12)关闭进水孔904处阀门。

13)将进/排气孔903连接气瓶，向第一空腔9011内施加预设稳定气压。

14)将排水孔103连接排出水量测量装置。

15)打开排水孔103处三通阀，让试样内水分在上方气压作用下流出，直至平衡状态。

16)当达到平衡后，排出水量测量装置测量稳定气压下排出水量。

17)调节连接进/排气孔903的气瓶，施加另一预设稳定气压，并重复步骤14)～17)，直到所有施加所有预设气压。

18)断开进/排气孔903连接稳压气源，打开排气孔102处阀门，让底座内水流出。

19)取出试样，放入烘箱内完全烘干，称取干土质量。

20)根据每级气压下的排出水量，计算土样不同含水量对应的气压值，得到土水特征曲线。试样土水特征曲线如图5所示。

21)在步骤11)和步骤16)后，利用万用表测量试样7顶面的和环刀组成回路之间的电阻率，测量不同含水量条件下试样的电阻率。试样电阻率-含水率曲线如图6所示。

Claims (8)

1.一种测试非饱和土工程特性联系的装置，其特征在于：包括制样器组件、上游水头施加装置、万用表、排出水量测量装置和气瓶；

所述制样器组件包括试样盒、陶土板(5)和环刀(6)；

所述试样盒包括顶盖(9)和所述底座(1)；所述顶盖(9)整体为块状结构；所述顶盖(9)的下表面设置有台阶孔(901)；所述台阶孔(901)从上到下依次包括第一空腔(9011)和第二空腔(9012)；所述第一空腔(9011)的直径小于第二空腔(9012)的直径；所述顶盖(9)的上表面设置有电极连通口(902)、进/排气孔(903)和进水孔(904)。所述电极连通口(902)、进/排气孔(903)和进水孔(904)均连通顶盖(9)的上表面和台阶孔(901)；所述进/排气孔(903)和进水孔(904)处均设置有阀门；所述上游水头施加装置通过气管与进水孔(904)连接；所述气管上安装有阀门和测压管；所述气瓶与进/排气孔(903)连接；所述顶盖(9)上还设置有销孔；所述销孔贯穿顶盖(9)的上下表面；

所述底座(1)整体为块状结构；所述底座(1)的上表面设置有阶梯孔(101)；所述阶梯孔(101)从上到下依次包括第三空腔(1011)、第四空腔(1012)和第五空腔(1013)；所述第三空腔(1011)的直径大于第四空腔(1012)的直径；所述第四空腔(1012)的直径大于第五空腔(1013)的直径；所述陶土板(5)嵌固在第四空腔(1012)中；所述底座(1)的侧壁上设置有排气孔(102)和排水孔(103)；所述排气孔(102)和排水孔(103)均连通所述底座(1)的第五空腔(1013)和外部；所述排气孔(102)和排水孔(103)处均设置有阀门；所述排出水量测量装置通过气管与排水孔(103)连接；所述气管上安装有三通阀和测压管；所述底座(1)上还设置有销孔；所述销孔贯穿底座(1)的上下表面；

工作时，所述环刀(6)内放置有试样(7)；所述环刀(6)夹设在顶盖(9)和底座(1)之间；所述环刀(6)的上端嵌入第二空腔(9012)中，下端嵌入第三空腔(1011)中；所述环刀(6)的下端顶抵在陶土板(5)的上表面；螺杆依次穿过顶盖(9)和底座(1)上对应的销孔后旋入螺帽，将顶盖(9)、环刀(6)和底座(1)箍紧；万用表的电极一端通过电极连通口(902)伸入台阶孔(901)与试样(7)相连，另一端固定在环刀(6)的侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种测试非饱和土工程特性联系的装置，其特征在于：所述试样盒采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料加工制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种测试非饱和土工程特性联系的装置，其特征在于：所述上游水头施加装置包括滑杆和有机玻璃圆桶；滑杆的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶通过滑块挂在滑杆上，通过滑杆上的滑块调节有机玻璃圆桶的高度；所述有机玻璃圆桶下端的出水口通过气管接入到试样盒顶部的进水孔(904)。

4.根据权利要求1或3所述的一种测试非饱和土工程特性联系的装置，其特征在于：所述排出水量测量装置包括电子台秤和三角瓶；所述排水孔(103)通过气管与三角瓶连通。

5.根据权利要求1所述的一种测试非饱和土工程特性联系的装置，其特征在于：所述万用表电阻量程0.1Ω～60MΩ。

6.根据权利要求1所述的一种测试非饱和土工程特性联系的装置，其特征在于：所述环刀(6)的上端与顶盖(9)之间设置有O型密封圈(8)，下端与底座之间设置有平垫片。

7.一种采用权利要求1所述装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)试样前期预处理；

2)试样安装；关闭排气孔(102)处阀门，打开排水孔(103)处三通阀；通过排水孔(103)向阶梯孔(101)内注入无汽水至水溢出后，关闭排水孔(103)处三通阀；将陶土板(5)饱和后嵌固于第四空腔(1012)中；将环刀(6)夹设在顶盖(9)和底座(1)之间并箍紧；

3)打开进/排气孔(903)处阀门以及进水孔(904)处阀门；接通上游水头施加装置与进水孔(904)；

4)由进水孔(904)向台阶孔(901)内注入无汽水，台阶孔(901)内空气由进/排气孔(903)排出；台阶孔(901)内空气排净后，关闭进/排气孔(903)处阀门以及进水孔(904)处阀门；

5)在进水孔(904)处布置流水测压管；打开排水孔(103)处三通阀，并记录排水孔(103)处测压管数值；

6)打开进水孔(904)处阀门，记录上游测压管数值变化以及排水孔(103)处测压管数值，并计算水头差的变化；

7)通过排水孔(103)收集排水量变化；

8)上游水位下降至进水孔(904)处阀门时，关闭进水孔(904)处阀门，关闭排水孔(103)处三通阀，停止饱和渗透系数测量；

9)利用变水头方法计算饱和渗透系数；

10)打开进/排气孔(903)处阀门，打开进水孔(904)处阀门；

11)使用软管插入顶盖(9)至试样(7)顶面，利用吸耳球通过软管将第一空腔(9011)内水分全部抽出；

12)关闭进水孔(904)处阀门；

13)将进/排气孔(903)连接气瓶，向第一空腔(9011)内施加预设稳定气压；

14)将排水孔(103)连接排出水量测量装置；

15)打开排水孔(103)处三通阀，让试样内水分在上方气压作用下流出，直至平衡状态；

16)当达到平衡后，排出水量测量装置测量稳定气压下排出水量；

17)调节连接进/排气孔(903)的气瓶，施加另一预设稳定气压，并重复步骤14)～17)，直到所有施加所有预设气压；

18)断开进/排气孔(903)连接稳压气源，打开排气孔(102)处阀门，让底座内水流出；

19)取出试样，放入烘箱内完全烘干，称取干土质量；

20)根据每级气压下的排出水量，计算土样不同含水量对应的气压值，得到土水特征曲线；

21)在步骤11)和步骤16)后，利用万用表测量试样(7)顶面的和环刀组成回路之间的电阻率，测量不同含水量条件下试样的电阻率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)试样制备；对于原状样，利用环刀在原状样上采样；对于重塑样，利用土工试验制样方法制取重塑试样；

1.2)试样饱和；将制好的试样(7)放入饱和器，抽真空饱和24小时以上，取出试样(7)并擦干环刀(6)外侧水，称取试样(7)的饱和质量。

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