CN111307692A - 一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，涉及土体渗透系数测量技术领域，包括包括样品室、供水系统、数据采集系统和称重单元。其中样品室通过橡胶软管与供水系统相连接；传力杆的上端设有压力传感器，测量非饱和膨胀土达到饱和过程中的竖向膨胀力；张力计和水分传感器由上至下依次均匀排列在柱状有机玻璃圆筒上；重力测量装置测量供水装置和储水装置内的水量变化；数据采集器按固定频率将电信号传送至计算机进行记录和读数。本发明可以记录土柱在到达饱和过程中产生的不同阶段的膨胀力，预测膨胀性土体在不同含水率和干密度作用下的变化规律。实验装置操作简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于土木工程数据测量设备领域，涉及在模拟三维受限情况下的非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力的测量装置。
背景技术
非饱和土与饱和土区别在于它是由固体土颗粒、液体水和气体三部分组成，非饱和土的渗透既包括渗水，也包括渗气。水分在非饱和土中的迁移使得土体的渗透性、膨胀性呈现动态变化而非一固定值。因此，在研究非饱和土相关物理力学性质之前需要研究水分在非饱和土中的迁移情况，开展非饱和土渗透特性的研究是必要的。量测非饱和膨胀泥岩的渗透特性，对泥岩地基的含水率变化进行预测，可以将泥岩的膨胀特性与渗透特性相互联系起来以评估地基的服役状态。
非饱和砂性土、膨胀土在实际工程中更为常见，而传统的土柱渗流装置适合孔隙较大的砂性土，更多的适用于右侧限的饱和土渗透系数测量。传统的土柱渗流装置没有考虑实际工程中上覆荷载(土层自重、路基荷载、列车冲击荷载等)对膨胀土渗透系数的影响，膨胀土样处于侧向受限环境，难以模拟实际工程中土体膨胀变形后孔隙率减小对渗透系数的影响；且传感器精度小，布置间距大，对于渗透系数较大的膨胀土无法较为准确测量膨胀土渗透系数；难以分别测量竖向和水平向水流对膨胀泥岩渗透性的作用；难以测量土体渗透饱和过程中的膨胀力变化，并且不能够将泥岩的膨胀特性与渗透特性相互联系起来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够模拟实际工程条件下近似三维受限的非饱和膨胀土渗透系数和膨胀力的测量装置，以更好解决实际工程中的技术问题。
本发明的技术方案：一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，包括样品室、支撑机构、加载机构、供水系统、数据采集系统和称重单元，所述样品室为柱状筒，柱状筒顶部设有顶盖、底部有凹陷形底座，凹陷形底座有中间圆孔，柱状筒内部用于装盛待测土样，柱状筒底部铺有透水结构，透水结构之上是待测土样，待测土样顶部也有透水结构；
所述支撑机构有加载顶板、支撑架、支撑底座，支撑架固定于支撑底座上，加载顶板连接于支撑架上，凹陷形底座通过固定螺栓螺母连接稳固在支撑底座上；
所述加载机构有加载底座、加载杆、手轮，加载底座位于柱状筒内部的顶部透水结构上方，所述加载底座中心位置设有一注水孔，所述的加载底座布置有排气孔，加载底座底面铺有防水透气膜，防水透气膜中心位置开设一大于或等于注水孔直径的圆孔，所述加载底座上方是加载杆，加载杆滑动穿过所述顶盖连接手轮，所述加载杆与手轮之间设有压力传感器，手轮带有螺纹杆，螺纹杆穿过加载顶板的中间螺纹孔；
所述的供水系统包括供水装置、储水装置、进水部件和排水部件，所述的进水部件包括进水管、橡胶软管，进水管一端连接供水装置，进水管另一端穿过柱状筒，橡胶软管连接所述进水管和注水孔，所述的排水部件包括一端连接凹陷形底座中间圆孔的出水管，所述的出水管另一端连接储水装置，出水管上设有阀门；
所述的数据采集系统包括张力计、水分传感器和压力传感器，张力计、水分传感器装设于柱状筒侧壁，水分传感器和张力计探头插入待测样品中，压力传感器在加载杆与手轮螺纹杆之间，张力计、水分传感器和压力传感器分别与数据采集器相连接，所述的数据采集器将数据信号传送至计算机进行采集和储存(数据采集所用计算机程序为现有技术)。
所述的称重单元包括供水装置和储水装置下方的称重器。
优选的是，透水结构为透水石垫层、滤纸，凹陷形底座铺有透水石垫层，透水石垫层之上铺盖底部滤纸，底部滤纸之上为待测土样，待测土样顶部的依次为滤纸、透水石垫层、滤纸。
所述的柱状筒由透明有机玻璃制成，侧壁标有尺寸线；所述的张力计和水分传感器上下的等距离布置，相邻间距均为100mm，张力计和水分传感器各有四个，一个张力计与一个水分传感器相互对应设置。柱状筒上预留多个传感器安装孔(不用的孔，用塞子堵住)，使得传感器的数量和间距可根据需要进行增减和调整。
所述供水装置置于载物板上，载物板连接于横梁，横梁套接在支撑架上，支撑架含有螺纹杆，横梁通过布置于螺纹杆上的定位螺丝调整位置。
优选的是：载物板上有两个插杆，两插杆间距略大于横梁高度，横梁开设与插杆对应的卡孔，插杆前端方形，后端为直径小于前端方形截面边长的圆杆，圆杆设有螺纹，卡孔为方形孔；柱状筒竖放时，载物板与横梁是插接，插杆方形段进入卡孔，螺纹伸出卡孔由螺母紧固；柱状筒横放时，载物板与横梁是卡接，此时横梁垂直于地面，两个插杆之间的空隙卡在横梁上(方形段侧壁与横梁侧壁的关系相当于间隙配合)，螺纹段的螺母旋紧(横梁用表面粗糙的材料，不用如不锈钢的表面光滑材料)，使载物板与横梁牢固固定。竖向渗透测量(柱状筒竖放)时，载物板通过插杆插入横梁方形卡孔进行固定，通过调节定位螺丝来实现载物板的位置调节；水平向渗透测量(柱状筒横放)时，通过将横梁卡入载物板两插杆之间，再用螺丝进行位置固定来实现载物板的位置调节。
优选的是：所述加载底座为铝合金金属圆板，直径略小于所述柱状筒(加载底座周沿与柱状筒内壁的间隙小，加载底座恰好放入柱状筒内，同时二者又能有相对移动)。铝合金金属圆板圆心位置开设注水孔，注水孔直径略大于橡胶软管外径；铝合金金属圆板采用部分镂空设计。橡胶软管与注水孔用胶水密封连接。其优点为：铝合金不易腐蚀；将橡胶软管与金属板注水孔进行密封连接，可以避免产生额外的水头压力，在侧向水流渗透实验中，可以消除位置水头影响。
优选的是：所述的防水透气膜除了中心的圆孔，其余部分均与加载底座下部非镂空部分用胶水密封连接。其优点为：保证实验土样与大气相连通，避免土体内部气压力对渗流的影响。
优选的是：称重器为千分位电子秤。供水装置为马氏瓶。
优选的是：所述的排气孔沿一个圆周均匀布置，每个排气孔呈扇形，沿直径的宽度为加载底座半径的1/4～1/3。
优选的是：所述的加载杆上段为以圆柱形直杆，下段为三趾形底座，中间是扩展板。
进一步是：所述的支撑底座下部连接有水平调节底脚和橡胶底脚，所述的支撑底座和加载顶板侧面分别连接水平调节底脚和橡胶底脚；支撑底座下部连接的水平调节底脚和橡胶底脚用来调整柱状筒保持竖向时的状态水平；支撑底座和加载顶板侧面连接的水平调节底脚和橡胶底脚用来调整柱状筒保持横向时的状态水平。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过水分传感器得到土体含水率随时间的变化关系；通过张力计得到土体基质吸力与随含水率的变化曲线；通过压力传感器得到膨胀力的动态变化；通过称重单元得到装置中水量变化；通过数据采集器连接计算机对数据进行分析，得到膨胀土体渗透——膨胀特性关系。实验设备操作简便，测量精度高，本发明适用于土木工程中遇到的膨胀土在非饱和情况下的渗透系数和对应膨胀力变化趋势的测定。本发明可以记录土柱在到达饱和过程中产生的不同阶段的膨胀力，预测膨胀性土体在不同含水率和干密度作用下的变化规律；能够测量三维受限情况下膨胀土的渗透系数和膨胀力；能够表征土体膨胀力与含水率和渗透系数之间的关系；实验装置操作简单，测量精度高。
附图说明
图1为本发明所述的非饱和膨胀土渗透系数和膨胀力测量装置示意图；
图2为本发明样品室竖向放置时主视图；
图3为本发明样品室水平向放置时左视图；
图4为本发明的加载杆主视图；
图5为本发明的加载杆仰视图；
图6为本发明的样品室顶部透水装置示意图；
图7为本发明的样品室底部透水装置示意图；
图8为本发明横梁示意图；
图9为本发明载物板示意图；
图10为本发明竖向测量时横梁与载物板安装的俯视示意图；
图11为本发明水平向测量时横梁与载物板安装的俯视示意图；
图12为本发明支撑底座示意图；
图13为本发明加载底座的俯视图。
其中：1-柱状筒；2-张力计；3-水分传感器；4-滤纸；5-透水石垫层；6-加载底座；7-注水孔；8-加载杆；9-顶盖；10-手轮；11-压力传感器；12-加载顶板；13-支撑架；14-支撑底座；15-供水装置；16-称重器；17-凹陷形底座；18-阀门；19-底部滤纸；20-数据采集器；21-计算机；22-进水管；23-橡胶软管；24-排水管；25-排水孔；26-储水装置；27-土样；28-横梁；29-定位螺丝；30-载物板；31-水平调节底脚；32-橡胶底脚；33-固定螺栓螺母；34-排气孔；35-防水透气膜。
具体实施方式
一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，包括样品室、支撑机构、加载机构、供水系统、数据采集系统和称重单元，所述样品室为柱状筒1，柱状筒1顶部设有顶盖9、底部有凹陷形底座17，凹陷形底座17有中间圆孔25，柱状筒1内部用于装盛待测土样27，柱状筒1底部铺有透水结构，透水结构之上是待测土样27，待测土样27顶部也有透水结构。
所述支撑机构有加载顶板12、支撑架13、支撑底座14，支撑架13固定于支撑底座14上，加载顶板12连接于支撑架13上，凹陷形底座17通过固定螺栓螺母33连接稳固在支撑底座14上；支撑架13上有螺纹杆，加载顶板12两端开设有圆孔，加载顶板12套在螺纹杆上，通过螺母调整和固定加载顶板12在螺纹杆上的位置。凹陷形底座17可以是与柱状筒1一体的，也可以是分体的，若是分体的，二者用螺丝相连接，接触面之间设有密封圈，优选橡胶密封圈。密封圈的作用是在将凹陷形底座17和柱状筒1用螺丝固定连接后，防止饱和过程中有水分从两者连接处流出。凹陷形底座17中间凹陷直径＝1/2底座直径，保证底座和透水石的承载力，并提供较大的排气表面。
所述加载机构有加载底座6、加载杆8、手轮10，加载底座6位于柱状筒1内部的顶部透水结构上方，所述加载底座6中心位置设有一注水孔7，所述的加载底座6布置有排气孔34，加载底座6底面铺有防水透气膜35，防水透气膜35中心开孔，孔与注水孔7相通，所述加载底座6上方是加载杆8，加载杆8滑动穿过所述顶盖9连接手轮10，所述加载杆8与手轮10之间设有压力传感器11，手轮10带有螺纹杆，螺纹杆穿过加载顶板12的中间螺纹孔，通过拧手轮调节螺纹杆相对加载顶板12的旋入长度，进而调节压力传感器高度。
所述的供水系统包括供水装置15、储水装置26、进水部件和排水部件，所述的进水部件包括进水管22、橡胶软管23，进水管22一端连接供水装置15，进水管22另一端穿过柱状筒1，橡胶软管23连接所述进水管22和注水孔7，所述的排水部件包括一端连接凹陷形底座17中间圆孔25的出水管24，所述的出水管24另一端连接储水装置26，出水管24上设有阀门18；出水管24与圆孔25之间用玻璃胶进行密封。
所述的数据采集系统包括张力计2、水分传感器3和压力传感器11，张力计2、水分传感器3装设于柱状筒1侧壁，水分传感器和张力计探头插入待测样品中，压力传感器11在加载杆8与手轮10螺纹杆之间，张力计2、水分传感器3和压力传感器11分别与数据采集器20相连接，所述的数据采集器20将数据信号传送至计算机21进行采集和储存；
所述的称重单元包括供水装置15和储水装置26下方的称重器16。称重器16采用千分位电子秤16。
透水结构为透水石垫层、滤纸，凹陷形底座17铺有透水石垫层5，透水石垫层5之上铺盖底部滤纸19。底部滤纸19预先湿润处理，避免使用干燥滤纸吸湿影响。底部滤纸19之上为待测土样27，待测土样27顶部的依次为滤纸4、透水石垫层5、滤纸4。
所述的柱状筒1由透明有机玻璃制成，侧壁标有尺寸线。柱状筒1筒壁预留水分传感器和张力计插孔，水分传感器和张力计插入插孔中，借助玻璃胶进行密封。张力计2和水分传感器3上下的等距离布置，相邻间距均为100mm，张力计2和水分传感器3各有四个，一个张力计与一个水分传感器相互对应设置。
所述供水装置15置于载物板30上，载物板30连接于横梁28，横梁28套接在支撑架13上，支撑架13含有螺纹杆，横梁28两侧有定位螺丝29。横梁28可通过定位螺丝29调整在螺纹杆的位置，载物板就可调节高度位置，以稳定和消除位置水头高度。
载物板30上有两个插杆，两插杆间距略大于横梁28高度，横梁28开设与插杆对应的卡孔，插杆前端方形，后端为直径小于前端方形截面边长的圆杆，圆杆设有螺纹，卡孔为方形孔；柱状筒1竖放时，载物板30与横梁28是插接，插杆方形段进入卡孔，螺纹伸出卡孔由螺母紧固；柱状筒1横放时，载物板30与横梁28是卡接，此时横梁28垂直于地面，两个插杆之间的空隙卡在横梁28上，螺纹段的螺母旋紧，使载物板30与横梁28牢固固定。
加载底座6为铝合金金属圆板，直径略小于所述柱状筒1。铝合金金属圆板圆心位置开设有一圆孔，圆孔直径略大于橡胶软管外径。橡胶软管与圆孔进行密封连接。其优点为：铝合金不易腐蚀；将橡胶软管与金属板圆孔进行密封连接，可以避免产生额外的水头压力，影响实验结果，在侧向水流渗透实验中，可以消除位置水头影响。
所述供水装置15可采用马氏瓶。
排气孔34沿一个圆周均匀布置，每个排气孔呈扇形，排气孔沿直径的宽度为加载底座6半径的1/3。
所述的加载杆8上段为以圆柱形直杆，下段为三趾形底座，中间是圆形扩展板。
进一步是：所述的支撑底座14下部连接有两个水平调节底脚31和两个橡胶底脚32，所述的支撑底座14和加载顶板12侧面分别连接两个水平调节底脚31和两个橡胶底脚32；支撑底座14下部连接的水平调节底脚31和橡胶底脚32用来调整柱状筒1保持竖向时的状态水平；支撑底座14和加载顶板12侧面连接的水平调节底脚31和橡胶底脚32用来调整柱状筒1保持横向时的状态水平。柱状筒1保持横向时柱状筒内壁和加载底座周沿之间设有橡胶防水垫圈，进行密封防渗处理。
Claims (10)
1.一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是包括样品室、支撑机构、加载机构、供水系统、数据采集系统和称重单元，所述样品室为柱状筒(1)，柱状筒(1)顶部设有顶盖(9)、底部有凹陷形底座(17)，凹陷形底座(17)有中间圆孔(25)，柱状筒(1)内部用于装盛待测土样(27)，柱状筒(1)底部铺有透水结构，透水结构之上是待测土样(27)，待测土样(27)顶部也有透水结构；
所述支撑机构有加载顶板(12)、支撑架(13)、支撑底座(14)，支撑架(13)固定于支撑底座(14)上，加载顶板(12)连接于支撑架(13)上，凹陷形底座(17)通过固定螺栓螺母(33)连接稳固在支撑底座(14)上；
所述加载机构有加载底座(6)、加载杆(8)、手轮(10)，加载底座(6)位于柱状筒(1)内部的顶部透水结构上方，所述加载底座(6)中心位置设有一注水孔(7)，所述的加载底座(6)布置有镂空部分，镂空部分构成排气孔(34)，加载底座(6)底面有防水透气膜(35)，防水透气膜(35)中心位置开设一大于或等于注水孔(7)直径的圆孔，所述加载底座(6)上方是加载杆(8)，加载杆(8)滑动穿过所述顶盖(9)连接手轮(10)，所述加载杆(8)与手轮(10)之间设有压力传感器(11)，手轮(10)带有螺纹杆，螺纹杆穿过加载顶板(12)的中间螺纹孔；
所述的供水系统包括供水装置(15)、储水装置(26)、进水部件和排水部件，所述的进水部件包括进水管(22)、橡胶软管(23)，进水管(22)一端连接供水装置(15)，进水管(22)另一端穿过柱状筒(1)，橡胶软管(23)连接所述进水管(22)和注水孔(7)，所述的排水部件包括一端连接凹陷形底座(17)中间圆孔(25)的出水管(24)，所述的出水管(24)另一端连接储水装置(26)，出水管(24)上设有阀门(18)；
所述的数据采集系统包括张力计(2)、水分传感器(3)和压力传感器(11)，张力计(2)、水分传感器(3)装设于柱状筒(1)侧壁，压力传感器(11)在加载杆(8)与手轮(10)螺纹杆之间，张力计(2)、水分传感器(3)和压力传感器(11)分别与数据采集器(20)相连接，所述的数据采集器(20)将数据信号传送至计算机(21)进行采集和储存；所述的称重单元包括供水装置(15)和储水装置(26)下方的称重器(16)。
2.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：透水结构为透水石垫层、滤纸，凹陷形底座(17)铺有透水石垫层(5)，透水石垫层(5)之上铺盖底部滤纸(19)，底部滤纸(19)之上为待测土样(27)，待测土样(27)顶部的依次为滤纸(4)、透水石垫层(5)、滤纸(4)。
3.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述的柱状筒(1)由透明有机玻璃制成，侧壁标有尺寸线；所述的张力计(2)和水分传感器(3)上下的等距离布置，相邻间距均为100mm，张力计(2)和水分传感器(3)各有四个。
4.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述供水装置(15)置于载物板(30)上，载物板(30)连接于横梁(28)，横梁(28)套接在支撑架(13)上，支撑架(13)含有螺纹杆，横梁(28)通过布置于螺纹杆上的定位螺丝(29)调整位置。
5.根据权利要求4所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：载物板(30)上有两个插杆，两插杆间距略大于横梁(28)高度，横梁(28)开设与插杆对应的卡孔，插杆前端方形，后端为直径小于前端方形截面边长的圆杆，圆杆设有螺纹，卡孔为方形孔；柱状筒(1)竖放时，载物板(30)与横梁(28)是插接，插杆方形段进入卡孔，螺纹伸出卡孔由螺母紧固；柱状筒(1)横放时，载物板(30)与横梁(28)是卡接，此时横梁(28)垂直于地面，两个插杆之间的空隙卡在横梁(28)上，螺纹段的螺母旋紧，使载物板(30)与横梁(28)牢固固定。
6.根据权利要求5所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述加载底座(6)为铝合金金属圆板，直径略小于所述柱状筒(1)。
7.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述称重器(16)为千分位电子秤(16)。
8.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述的排气孔(34)沿一个圆周均匀布置，每个排气孔呈扇形，沿直径的宽度为加载底座(6)半径的1/4～1/3。
9.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述的加载杆(8)上段为以圆柱形直杆，下段为三趾形底座，中间是扩展板。
10.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土渗透系数及膨胀力测量装置，其特征是：所述的支撑底座(14)下部连接有水平调节底脚(31)和橡胶底脚(32)，所述的支撑底座(14)和加载顶板(12)侧面分别连接水平调节底脚(31)和橡胶底脚(32)；支撑底座(14)下部连接的水平调节底脚(31)和橡胶底脚(32)用来调整柱状筒(1)保持竖向时的状态水平；支撑底座(14)和加载顶板(12)侧面连接的水平调节底脚(31)和橡胶底脚(32)用来调整柱状筒(1)保持横向时的状态水平。
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