CN111413263B - 非饱和土水气运动联合测定三轴仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪，包括作动系统、渗透压力室以及控制作动系统和渗透压力室的控制系统；渗透压力室包括由底座、立柱和横梁组合成的框架，底座中心安装有液压机构，液压机构顶部顶在试件座底部，试件座上安装有用于盛放试件的带有围压进气管的围压筒，围压筒上、下部分别放置有上压头和试样座，施加轴压时压杆不动，顶住上压头，上压头下表面和试件座的上表面上均交叉设置有陶土板和防水透气膜，陶土板和防水透气膜均通过压力传感器分别与水相、气相体积和压力控制器连接。本发明可在控制土样基质吸力的条件下测定其水气两相渗透系数，可定量描述基质吸力沿土样高度方向的变化特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程的机电设备，特别涉及一种用于非饱和土渗透特性和力学特性测试的装置，尤其是一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪。
背景技术
非饱和土力学的理论发展及其工程应用离不开试验设备，能准确测试非饱和土中水的流动特性、能反映非饱和土客观实际的试验设备的研发很有必要，必将推动非饱和土渗透理论、固结理论的快速发展，同时为将其迅速应用到工程实际中提供试验支撑。由于非饱和土中水分很难排出，直接量测其渗水系数极其困难。近几十年来，学者们提出了各种形式的非饱和土渗水系数公式，而大多数渗水系数公式都是通过饱和土的渗透系数换算得到，对某些特定的土类，这些公式并不一定适用。研究非饱和土的力学特性最重要的是，揭示非饱和土的有效应力的合理表示形式以及非饱和土水气运动规律和参数测定方法，其中水气运动规律及水气两相的渗透系数测定也是非饱和土本构关系中的重要内容，同时，这些问题的合理解决也是研究解释非饱和土固结问题的前提。因此，采用试验的方法直接测定非饱和土的渗水系数对认识水相的运动规律至关重要，而在控制基质吸力与力-水耦合条件下研究非饱和土的渗透特性及变形特性更是鲜有研究。
现有的非饱和土渗透特性测试设备主要有刚性壁渗透仪和柔性壁渗透仪。
如法国学者Fleureau和Taibi在Proceeding of International Conference onEnvironmental Engineering(1994年)上发表论文“A new apparatus for themeasurement of water-air permeabilities”公开了一套基于轴平移技术的一维水气渗流联测装置。在装置的进水口与出水口设置了一种只透水不透气的材料，而在进气口和出气口放置了一种透气不透水的材料，这样很方便地实现了水气的独立量测与控制，即在控制土样基质吸力条件下测定其渗透系数。
如《Canadian Geotechnical Journal》第35卷第3期(1998年6月)加拿大学者Huang等发表的论文“Measurement of the coefficient of permeability for adeformable unsaturated soil using a triaxial permeameter”公开了一种非饱和土三轴渗透仪，该仪器能测定不同固结压力和基质吸力下的渗透系数。其具体结构为：底座与试样帽放在钢制压力室罩内，在底座上部与试样帽下部的螺旋槽内各放置一块进气值为1Bar的陶土板，聚集在陶土板附近的气泡可通过螺旋槽进行冲刷。土样上、下两端分别施加水压力(通过压力传感器和压差传感器测量)。这种仪器既可以进行饱和土的渗透试验，也可以进行基质吸力小于90kPa的非饱和土的渗透试验。使用该仪器时，由于试样变形不均匀，因此得到的数据结果并不理想，且单次试验周期很长(大约4周)。仪器结构及试验操作也相当复杂。
《西安公路交通大学学报》第16卷增刊(1996年)刘奉银等发表的论文“非饱和土渗水渗气的机理与参数测试方法的探讨”公开了一种水气运动联合测定仪，可测定土样在自然浸水、轴向加荷过程中随密度或含水量变化而变化的水气两相渗透系数。其特点是仅需测定渗气系数，而渗水系数可利用测得的渗气系数试验数据近似推算得到。该仪器结构简单，操作方便。具体试验操作为：先向土样中加入一定量水分，待水分扩散，通过监测渗气系数的变化过程判断渗水稳定时间，再利用增湿过程中测定的土水特征曲线(土样的基质吸力与含水量或饱和度的关系曲线)确定加水前、后含水量对应的基质吸力值(其差值即为水力梯度)，最后根据Darcy定律计算得到试样的渗水系数。不过，由于土样加入水分后，其渗水系数时刻都在变化，因此基质吸力值也会随之不断变化，故而得到的渗水系数为平均值。这样用易量测的渗气系数来统一渗水系数，克服了先前渗水系数难以测定的困难。然而，该仪器不能测定土样加入水分后沿土样高度方向上基质吸力的变化，进而揭示土样中水分的运移规律；也无法揭示基质吸力如何直接影响渗水系数和土样内水分的分布；并且不能机控，人工操作易造成误差。
中国专利CN 103226081 B公开了一种非饱和土的真三轴仪，包括主机部分、孔隙水与气压力控制部分、液压荷载控制部分和信号采集处理部分；在主机底座上安装有轴向调节活塞，轴向调节活塞向上通过轴向液压缸与压力室底座连接；压力室底座向上通过压力室侧壁和顶盖围成压力室；压力室底座侧面安装有四个侧向位移传感器，每个侧向位移传感器的测头与一个侧向变形量测导杆接触，四个侧向变形量测导杆从四面穿入压力腔内与试样接触；主机支架横杆上设置有轴向压力传感器；主机支架立杆上安装有轴向位移传感器。该专利通过孔隙水与气压力控制部分控制气压管内气流和排水管内水流的通断和压力，以控制不同基质吸力，实现竖向加载、侧向柔性加载条件下非饱和土的真三轴试验。然而，该专利中仅通过液压体变控制器对孔隙水压力进行控制与量测，无气相的体积与压力控制部分，对孔隙气压力控制精度局限；压力室上、下端分别仅能实现透气、透水的功能，影响水气两相渗透系数的测定。
中国专利CN 103913407 B公开了一种基于土三轴仪的非饱和土气体渗透率测量方法，以三轴仪为基础附加气体压力和质量流量测量装置，能够实现非饱和土气体渗透率测量；该测量方法根据抽气原理，施加较小围压就能够实现试样环向侧面密封，减小了围压对试样孔隙结构的影响本测量方法以三轴仪为基础，不仅能够实现气体渗透率的测量，还能研究三轴实验条件下非饱和土孔隙结构的变化规律,实现三轴实验条件下应力、应变和气体渗透率同步测量。该专利利用水对试样施加围压，有效保证试样环向侧面的密封性，在三轴试验的同时测取一定时间内的渗气量，从而得到非饱和土的气体渗透率，而无法测定力-水耦合条件下非饱和土的水气两相渗透系数。
中国专利CN 106092853 B公开了一种土体水-气湿陷固结渗透联合测定仪，包括湿陷固结渗透仪、渗水系数测定系统和渗气系数测定系统，其中湿陷固结渗透仪包括底座和环刀，环刀内填充有土试样，土试样顶端设置有加压控制系统，加压控制系统上安装有用于测量加压系统中活塞位移的百分表和测量气压的压力表；渗水系数测定系统和渗气系数测定系统分别通过管接口与湿陷固结渗透仪连接，同时具有测定渗透系数、渗气系数、固结系数、黄土湿陷系数的功能。该专利虽可分别利用测液、气压系统对孔隙水、气压力进行量测，却无法控制水，气相的体积与压力，压力室上、下端同时利用透水石进行透气、透水，影响水、气相渗透系数的测定。
中国专利申请CN 109253925 A公开了一种三联温控非饱和土三轴试验系统，包括：加载台、至少两个并联的三轴压力室、压力控制系统、温度控制系统和数据测量采集系统。三轴压力室包括，压力室底座、压力室壁和压力室顶盖，压力室底座上方由下至上依次为陶土板、试样、透水石、试样帽。压力控制系统和温度控制系统与数据测量采集系统电路连接，压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统。温度控制系统中的每个压力室温度统一控制，水压系统中每个压力室的水压统一控制，气压系统中每个压力室的气压单独控制，围压系统中，每个压力室的围压单独控制。该专利申请的压力控制系统虽可示出孔隙水压和孔隙气压的大小，却无法控制进、出的水量与气量，无法同时测定土样的水气两相渗透系数。
中国专利申请CN 109443869 A公开了一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置，包括：台架与压力室、精密体变量测装置、轴向加载活塞和轴向荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水-气-电路控制柜、供水装置、微机。本发明可以方便地施加/控制基质吸力；既能控制应变速率为常数，又能控制偏应力为常数；能在一定应力状态下给试样浸水；在湿胀/湿陷/湿化变形稳定后，通过施加基质吸力排水减湿，研究在三轴应力条件下干湿循环对土的力学特性的影响；采用微型传感器量测孔隙气压力，可做不排水不排气三轴剪切试验并精确量测孔隙气压力。该专利申请通过控制围压与气压，在施加轴向荷载后，虽能测得轴向荷载以及轴向变形速率，实现控制净围压、偏应力、基质吸力为常数的三轴试验，却无法测定力-水耦合条件下非饱和土的水气两相渗透系数。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪，可在控制土样基质吸力的条件下测定水气两相渗透系数，不仅能在控制浸水量的条件下定量描述基质吸力沿土样高度方向的变化特性，而且可研究在轴向荷载和浸水共同作用下非饱和土的水气两相渗透系数变化规律及其增湿变形规律。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪，包括能够对渗透压力室作气相和水相动作的作动系统、轴向加压的渗透压力室、以及控制渗透压力室和作动系统的控制系统；
所述作动系统包括两个气相体积和压力控制器、两个水相体积和压力控制器以及一套抽真空泵；两个气相体积和压力控制器在试样上、下两端控制不同的气压，为扩充气相体积和压力控制器形成的气相压力梯度范围；两个气相体积和压力控制器均通过端直通接头、截止阀、压力表反接头、三通管接头与气压表连接，其中一个气相体积和压力控制器通过一个四通管接头与抽真空泵相连，通过其负压以增大气相压力梯度；两个气相体积和压力控制器再分别通过两个气压力传感器与渗透压力室上、下两个防水透气膜的凹槽连接；两个水相体积和压力控制器一方面分别通过截止阀与供水箱连接，另一方面分别通过对应水压力传感器与渗透压力室的上、下两个陶土板的凹槽连接。
所述气相体积和压力控制器包括气相直流伺服电机、气相轴承盒、气相压环、气相导筒、气相丝杆、气相测座、气相导键、气相行程开关、气相导块、气相丝母、气相柱塞、气相缸筒及气相封头；
所述气相轴承盒上、下两端分别通过气相压环、螺栓与气相导筒、气相直流伺服电机连接，气相轴承盒内的轴承分别连接气相导筒内的气相丝杆下端和气相直流伺服电机的输出轴，且气相丝杆从气相导筒内的气相丝母中穿过，与气相丝母配套使用，从而通过气相直流伺服电机带动气相丝杆旋转运动，气相丝母内侧与气相丝杆外侧有对应的螺旋纹路，便于气相丝杆旋转运动时，气相丝母可随之沿竖向运动；
气相丝母外部固定套装有气相导块，气相导块左侧嵌有气相导键，气相导筒内侧设有导槽，气相导键在导槽中运动以使得气相丝母在气相导筒中沿竖向运动，并且不会随气相丝杆旋转；
气相导块右侧嵌有气相测座，气相导筒中预留有保证气相测座外伸的对应空间，气相测座与固定在气相导筒和气相压环上的气相行程开关共同控制气相丝母的运动，当气相测座随气相丝母沿竖向运动碰触到气相行程开关时，电路断开会使气相丝杆停止运动，以防止气相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器；
气相导筒上端与气相缸筒下端通过螺栓连接，气相导块通过螺栓与气相缸筒内的气相柱塞固定连接，使气相柱塞随气相丝母在气相缸筒内沿竖向运动；
在气相缸筒内侧嵌有两根O型密封圈，使气相导筒和气相缸筒形成两个独立密闭空间，在气相缸筒顶部侧面设有接口以连接氮气瓶和抽真空泵；
气相体积和压力控制器固定在气相底座上，当气相柱塞沿竖向运动时，推动气体的排出和进入，通过气相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的气相体积和压力。
所述水相体积和压力控制器包括水相直流伺服电机、水相轴承盒、水相键环B、水相压环C、水相丝杆、水相导筒、水相测座、水相行程开关、水相导键、水相丝母、水相中座、水相柱塞、水相压环B、水相缸筒、水相压环A、水相键环A、水相缸头、水相排气阀及水相封头；
所述水相导筒内的水相丝杆下端通过小圆螺母与水相轴承盒内的轴承连接，并且从水相导筒内的水相丝母中穿过，所述水相轴承盒内的轴承下端通过螺栓与水相直流伺服电机的输出轴连接，利用这种直流伺服电机带动水相丝杆旋转运动；
水相轴承盒上端通过水相压环C和相键环B与水相导筒下端连接，水相键环B嵌套于水相导筒外侧的凹槽内，之后用水相压环C固定；
水相丝母嵌套于水相丝杆上端，水相丝母内侧与水相丝杆外侧有对应的螺旋纹路，当水相丝杆旋转时，水相丝母会随之沿竖向运动；
水相丝母左侧嵌有水相导键，水相导筒内侧与水相导键对应位置处设有竖向导槽，水相导键随水相丝母在竖向导槽中沿竖向运动，使水相丝母在水相导筒内沿竖向运动时不会随丝杆旋转；
水相丝母右侧嵌有水相测座，水相导筒中预留有保证水相测座外伸的对应空间，水相测座与分别固定在水相中座和水相压环C上的行程开关共同控制丝母运动，当测座随水相丝母沿竖向运动碰触到行程开关时，电路断开会使水相丝杆停止运动，以防止水相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器；
水相导筒上端与水相柱塞下端通过设置于两者外部的水相中座固定连接，水相柱塞外侧设置水相缸筒，水相柱塞的上端通过水相键环A和水相压环A固定在水相缸筒的上端，水相柱塞的下端通过水相压环B固定水相缸筒的下端，水相键环A嵌套于水相缸筒上端外侧的凹槽内，之后用水相压环A固定；
水相柱塞与水相丝母上端通过螺栓连接，使水相柱塞可随水相丝母在水相缸筒内沿竖向运动，在水相导筒内侧嵌有两根O型密封圈，使水相导筒和水相缸筒形成另个独立的密闭空间；
水相缸筒上固定安装于水相缸头中，且水相缸头内设有与水相缸筒内腔相通的水相排气阀，用以排放液体中残留的气泡，水相缸头侧面通过水相接口与外接水箱连接。
整个水相体积和压力控制器固定在水相底座上，当水相柱塞沿竖向运动时，推动液体的排出和进入，通过水相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的水相体积和压力。
所述控制系统包括两组，一组与围压传感器连接，另一组与气相体积和压力控制器连接；第一组包括围压表及与其相连的管道上的截止阀，第二组包括气压表和与其相连的管道上的截止阀；围压表和截止阀之间以及气压表和截止阀之间均设置有一个三通管接头，两个三通管接头之间连接的管道上依次设置有补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯、四通管接头、补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯，四通管接头与减压阀、氮气瓶连接以提供仪器所需气源。
气源通过四通管接头分为两路；一路自四通管接头在管路上依次设置补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯、三通管接头、压力表反接头、截止阀、端直通接头以提供和控制气源，其中三通管接头又通过气压表反接头与气压表连接，端直通接头之后具体分为两路，均通过截止阀与气相体积和压力控制器连接，其中一个气相体积和压力控制器在截止阀和气相体积和压力控制器之间的管路处外接一个截止阀；
另一路自四通管接头在管路上依次设置补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯、三通管接头、端直通接头、截止阀、端直通接头、围压传感器为试样提供围压，其中三通管接头又通过围压表反接头与围压表连接。
所述渗透压力室包括由底座、立柱和横梁组合成的框架，底座中心安装有液压机构，液压机构顶部顶在试件座底部，试件座上安装有用于盛放试件的带有围压进气管的围压筒，围压筒上放置有上压头，上压头上部与压杆下端接触，施加轴压时压杆不动，顶住上压头，压杆上端通过调节螺杆及螺母安装于横梁中部，压杆中部安装有轴向力传感器，上压头设置于缸套中，且能在缸套内上下移动，缸套安装于围压筒上部开口中，与试样接触部位的上压头下表面和试件座的上表面上均交叉设置有陶土板和防水透气膜，陶土板通过水压力传感器与水相体积和压力控制器连接，防水透气膜均通过气压力传感器与气相体积和压力控制器连接。当水相、气相体积和压力控制器压缩液体、气体，给定不同的压力时，上压头和试样座会产生水相、气相压力梯度，并且陶土板和防水透气膜交叉放置，最终在试样内形成稳定渗流。
所述底座安装在试验台上，试验台上安装有传感器组件，所述传感器组件包括两个气压力传感器、两个水压力传感器、一个围压传感器和一个备用的张力计传感器，围压传感器与围压筒上的围压进气管连接。
所述液压机构包括位于底座下部的油缸，油缸中的活塞杆上端穿过油缸盖顶住导筒，导筒设置于导筒座内，且能够沿导筒座上下移动，导筒座固定安装于底座上，导筒座下端顶在油缸盖上，油缸通过位于其底部内壁的快速接头接通外部的油路。
所述上压头压杆机构包括竖向设置的压杆，压杆上端通过调节螺杆及螺母安装于横梁中部，压杆中部安装有轴向力传感器，压杆下方放置上压头，施加轴压时压杆顶住上压头，上压头设置于缸套中，且能在缸套内上下移动，缸套安装于围压筒上部开口中。
与试样接触部位的上压头下表面和试件座上表面上分别设置两个凹槽，两个凹槽中分别嵌入陶土板和防水透气膜，且上压头下表面和试件座上表面上的陶土板和防水透气膜交叉位置设置；放置防水透气膜的凹槽内表面设有环形排气通道，凹槽中心开有排气通道，与气压力传感器、气相体积和压力控制器相连；放置陶土板的凹槽内表面设有环形排水通道，凹槽中心开有排水通道，与水压力传感器、水相体积和压力控制器连接。
所述围压筒上端通过旋盖紧固定位，下端通过压环固定于试件座上。
所述上压头与缸套之间通过嵌入上压头中部的2根O型密封圈进行密封，缸套与围压筒之间通过嵌入缸套底部的1根O型密封圈进行密封；所述的围压筒和试件座之间通过嵌入围压筒底部的1根O型圈进行密封；所述活塞杆既通过嵌入油缸盖上下两端的2根O型密封圈与油缸盖进行密封，又通过嵌入活塞内壁上下两端的2根O型密封圈与活塞进行密封；所述的油缸内壁既与油缸盖通过嵌入油缸盖外壁下端的1根O型密封圈进行密封，又与活塞通过嵌入活塞外壁的2根O型密封圈进行密封。
本发明改进了原有的水气运动联合测定仪，增加了基质吸力控制与量测装置，以及围压测量装置，试验中可以在自然浸水的条件下控制、量测土样的基质吸力，可以实现控制基质吸力条件下水气两相渗透系数的测定，自由单向或轴向对称加荷，并完成力与水共同作用下测试非饱和土的渗水特征。本发明可在控制土样基质吸力的条件下测定其水气两相渗透系数，不仅在控制浸水量的条件下可定量描述基质吸力沿土样高度方向的变化特性，而且可研究在轴向荷载和浸水共同作用下非饱和土的水气两相渗透系数变化规律及其增湿变形规律。
本发明与现有非饱和土渗透仪相比，其有益效果体现在：
1.上述渗透压力室能直接测定非饱和土渗水系数和渗气系数，以及进行渗水系数与渗气系数联合测定，并实时监测土样内水分和基质吸力的变化规律，而且实现了基质吸力的精确控制。
2.实现轴向荷载与水的单独及耦合作用，可研究不同浸水路径下非饱和黄土的增湿变形特性。
3.研究在基质吸力(或水)及荷载单独和耦合作用下黄土的渗透规律，以及相应的变形规律。
此外，本发明不但提高了作用于试样的应力水平，而且设计采用施加油压的方式来提供轴压，通过控制油压的大小，来设定加在活塞上的压力，进而控制施加在试样上的轴向压力。省却了一套复杂的气液转换系统，故设备制造成本显著降低。
附图说明
图1是气相体积和压力控制器结构图；
图2是图1中D-D向剖面图；
图3是图1中E-E向剖面图；
图4是水相体积和压力控制器结构图；
图5是图4中F-F向剖面图；
图6是图4中G-G向剖面图；
图7是本发明系统总览图；
图8是渗透压力室结构图；
图9是渗透压力室俯视图；
图10是试样座纵向剖面图；
图11是试样座俯视图；
其中，A.作动系统，B.渗透压力室，C.控制系统；1.气相封头，2.气相缸筒，3.气相柱塞，4.气相丝母，5.气相导块，6.气相行程开关，7.气相导键，8.气相测座，9.气相丝杆，10.气相导筒，11.气相压环，12.气相轴承盒，13.气相直流伺服电机，14.气相底座，15.水相封头，16.水相排气阀，17.水相缸头，18.水相键环A，19.水相压环A，20.水相缸筒，21.水相压环B，22.水相柱塞，23.水相中座，24.水相丝母，25.水相导键，26.水相行程开关，27.水相测座，28.水相导筒，29.水相丝杆，30.水相压环C，31.水相键环B，32.水相轴承盒，33.水相直流伺服电机，34.水相底座，35.横梁，36.调节螺杆，37.轴向力传感器，38.立柱，39.压杆，40.上压头，41.缸套，42.陶土板，43.旋盖，44.多孔网罩，45.围压筒，46.乳胶套，47.防水透气膜，48.压环，49.试件座，50.导筒，51.导筒座，52.底座，53.油缸盖，54.活塞杆，55.活塞，56.油缸，57.位移传感器，58-64.O型密封圈，65.试验台，66.气压力传感器，67.水压力传感器，68.张力计传感器，69.围压传感器，70.减压阀，71.四通管接头，72.减压阀，73.氮气瓶，74.端直通接头，75.减压阀，76.端直通接头，77.补芯，78.气压表，79.气压表反接头，80.三通管接头，81.端直通接头，82.截止阀，83.端直通接头，84.气相体积和压力控制器，85.四通管接头，86.抽真空泵，87.截止阀，88.水相体积和压力控制器，89.截止阀，90.补芯，91.补芯，92.端直通接头，93.端直通接头，94.补芯，95.供水箱，96.围压表，97.围压表反接头，98.三通管接头，99.端直通接头，100.截止阀，101.端直通接头，102.胶接管接头，103.溢流阀，104.环形排气通道，105.环形排水通道，106.排气通道，107.排水通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-图11所示，非饱和土水气运动联合测定三轴仪，包括能够对渗透压力室B作气相和水相动作的作动系统A、轴向加压的渗透压力室B、以及控制渗透压力室B和作动系统A的控制系统C。
如图7所示，作动系统A是该仪器的核心部分，包括两个气相体积和压力控制器84、两个水相体积和压力控制器88和一套抽真空泵86，氮气瓶73用以提供仪器所需气源，先与减压阀72连接，再通过四通管接头71分为左右两路，左路用以提供和控制气源，左路再分为两路，两路皆通过截止阀与气相体积和压力控制器84连接，气相体积和压力控制器84再分别通过两个气压力传感器66与渗透压力室上、下两个防水透气膜47凹槽连接，其中一个气相体积和压力控制器84在减压阀和气相体积和压力控制器84之间的管路处外接一个截止阀87，通过一个四通管接头85与抽真空泵86相连；两个水相体积和压力控制器88一方面分别通过截止阀89与供水箱95连接，另一方面分别通过对应水压力传感器67与渗透压力室上、下两个陶土板42凹槽连接。
如图1-图3所示，气相体积和压力控制器由气相底座14、气相直流伺服电机13、气相轴承盒12、气相压环11、气相导筒10、气相丝杆9、气相测座8、气相导键7、气相行程开关6、气相导块5、气相丝母4、气相柱塞3、气相缸筒2及气相封头1构成。
气相轴承盒12上、下两端分别通过气相压环11、螺栓与气相导筒10、气相直流伺服电机13连接，气相导筒10内的气相丝杆9通过气相小圆螺母与气相轴承盒12连接，并且从气相丝母4中穿过，与气相丝母4配套使用，从而通过气相直流伺服电机13带动气相丝杆9旋转运动。
气相丝母4内侧与气相丝杆9外侧有对应的螺旋纹路，便于气相丝杆9旋转运动时，气相丝母4可随之沿竖向运动，气相丝母4左侧嵌有气相导键7，气相导筒10内侧设有导槽，气相导键7在导槽中运动以使得气相丝母4在气相导筒10中沿竖向运动，并且不会随气相丝杆9旋转。
气相丝母4右侧嵌有气相测座8，气相导筒10中预留了保证气相测座8外伸的对应位置，气相测座8与固定在气相导筒10和气相压环11上的气相行程开关6共同控制气相丝母4的运动，当气相测座8随气相丝母4沿竖向运动碰触到气相行程开关6时，电路断开会使气相丝杆9停止运动，以防止气相丝杆9超过安全量程而损坏整个控制器。
气相导筒10与气相缸筒2通过螺栓连接，气相导块5通过螺栓与气相柱塞3连接，使气相柱塞3可随气相丝母4在气相缸筒2内沿竖向运动。
在气相导筒10内侧嵌有两根O型密封圈，使气相导筒10和气相缸筒2形成密闭空间，并在气相缸筒2顶部侧面设有接口以连接氮气瓶73和抽真空泵86。
气相体积和压力控制器固定在气相底座14上。当气相柱塞3沿竖向运动时，推动气体的排出和进入，通过气相直流伺服电机13设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的气相体积和压力。
如图4-图6所示，水相体积和压力控制器由水相底座34、水相直流伺服电机33、水相轴承盒32、水相键环B 31、水相压环C 30、水相丝杆29、水相导筒28、水相测座27、水相行程开关26、水相导键25、水相丝母24、水相中座23、水相柱塞22、水相压环B 21、水相缸筒20、水相压环A 19、水相键环A 18、水相缸头17、水相排气阀16及水相封头15构成。
水相丝杆29通过小圆螺母与水相轴承盒32连接，并且从水相丝母24中穿过，其水相轴承盒32下端通过螺栓与水相直流伺服电机33连接，可利用这种直流伺服电机33带动水相丝杆29旋转运动。
水相轴承盒32上端通过水相压环C 30与水相键环B 31与水相导筒28连接，水相键环B 31固定嵌套于水相导筒28外侧的凹槽内，之后用水相压环C 30固定。
水相丝母24嵌套于水相丝杆29上，其内侧与水相丝杆29外侧有对应的螺旋纹路，当水相丝杆29旋转时，水相丝母24会随之沿竖向运动。
水相丝母24左侧嵌有水相导键25，水相导筒28内侧与水相导键25对应位置处设有竖向导槽，水相导键25随水相丝母24在导槽中沿竖向运动，使水相丝母24在导筒28内沿竖向运动时不会随丝杆29旋转。
水相丝母24右侧嵌有水相测座27，水相导筒28中预留了保证水相测座27外伸的对应位置，水相测座27与固定在水相中座23和水相压环C 30上的行程开关26共同控制丝母24运动，当测座27随水相丝母24沿竖向运动碰触到行程开关26时，电路断开会使水相丝杆29停止运动，以防止水相丝杆29超过安全量程而损坏整个控制器。
水相导筒28和水相柱塞22采用中座23固定，其外侧设置缸筒20，并采用水相键环A18、水相压环A 19和水相压环B 21分别固定水相缸筒20的上、下两端，水相键环A 18固定嵌套于水相缸筒20上端外侧的凹槽内，之后用水相压环A 19固定，水相柱塞22与水相丝母24上端通过螺栓连接，使水相柱塞22可随水相丝母24在水相缸筒20内沿竖向运动。
在水相导筒28内侧嵌有两根O型密封圈，使水相导筒28和水相缸筒20形成密闭空间；水相缸头17内设有水相排气阀16，用以排放液体中残留的气泡，水相缸头17侧面通过水相接口与供水箱95连接。
整个水相体积和压力控制器固定在水相底座34上。当水相柱塞22沿竖向运动时，推动液体的排出和进入，通过水相直流伺服电机33设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的水相体积和压力。
渗透压力室B结构如图8、图9、图10、图11所示，主要由上压头40、缸套41、试件座49、多孔网罩44、围压筒45等部分组成。底座52、立柱38和横梁35组合成框架，横梁35通过两个六角螺母固定在立柱38上，装有轴向力传感器37的压杆26和调节螺杆36通过一个圆螺母固定在横梁35上；底座52中心安装有液压机构，液压机构顶部顶在试件座49底部，试件座49上安装有用于盛放试件的带有围压进气管的围压筒45，围压筒45上部设置有能够在围压筒45内上下移动的压头压杆机构，压头压杆机构上部安装于横梁35中部。
底座52通过13个内六角螺栓安装在试验台65上，试验台65上通过3个内六角螺栓安装有传感器组件，所述传感器组件包括两个气压力传感器66、两个水压力传感器67、一个围压传感器69和一个备用的张力计传感器68，围压传感器69与围压筒45上的进气管连接。
液压机构包括位于底座52下部的油缸56，油缸56中的活塞杆54上端穿过油缸盖53与导筒45固定连接，导筒45设置于导筒座51内，且能够沿导筒座51上下移动，导筒座51通过12个内六角螺栓固定安装于底座52上，导筒座51下端与油缸盖53上端接触，油缸56通过其底部内壁的快速接头接通外部油路。
压头压杆机构包括竖向设置的压杆39，压杆39上端通过调节螺杆36及螺母安装于横梁35中部，压杆39中部安装有轴向力传感器37，压杆39下端与上压头40固定连接，上压头40设置于缸套41中，且能在缸套41内上下移动，缸套41安装于围压筒45上部开口中。
在与试样接触的上压头40下表面和试件座49上表面上分别设置两个凹槽，两个凹槽中分别嵌入陶土板42和防水透气膜47，且上压头40下表面和试件座49上表面上的陶土板42和防水透膜47交叉位置设置。陶土板42和防水透气膜47分别通过相应的胶接管接头102与气压力传感器66和水压力传感器67连接，气压力传感器66和水压力传感器67分别与作动系统A的气相体积和压力控制器84和水相体积和压力控制器88连接。
围压筒45上端通过旋盖43紧固定位，下端通过压环48固定于试件座49上。压环48通过六个内六角螺栓固定在试件座49上。
上压头40与缸套41之间通过嵌入上压头40中部的两根O型密封圈58进行密封，缸套41与围压筒45之间通过嵌入缸套41底部的一根O型密封圈59进行密封。
围压筒45和试件座49之间通过嵌入围压筒45底部的一根O型密封圈60进行密封。
活塞杆54既通过嵌入油缸盖53上下两端的两根O型密封圈61与油缸盖53进行密封，又通过嵌入活塞55内壁上下两端的两根O型密封圈62与活塞55进行密封。
油缸56内壁既与油缸盖53通过嵌入油缸盖53外壁下端的一根O型密封圈63进行密封，又与活塞55通过嵌入活塞55外壁的两根O型密封圈64进行密封。
如图7所示，控制系统包括两组，第一组与围压传感器69连接，第二组与气相体积和压力控制器84连接，第一组包括围压表96及与其相连的管道上的截止阀100，第二组包括气压表78和与其相连的管道上的截止阀82；围压表96通过一个围压表反接头97与一个三通管接头98连接，气压表78通过一个气压表反接头79与一个三通管接头80连接；围压表96和截止阀100之间以及气压表78和截止阀82之间均设置有一个三通管接头，两个三通管接头之间连接的管道上依次设置有补芯77、端直通接头76、减压阀75、端直通接头74、补芯90、四通管接头71、补芯91、端直通接头92、减压阀70、端直通接头93、补芯94，四通管接头71与氮气瓶73连接以提供仪器所需气源。
整个渗透压力室B置于试验机横梁35和活塞55之间，上压头40与轴向力传感器37接触，试件座49与活塞杆54连接，通过控制油压大小来设定施加在活塞55上的压力，进而控制施加在试件上的轴向压力，并通过轴向力传感器37测定轴向力的数值。
试样放在试件座49上，试件座49上端与上压头40相连，试样周围与乳胶套46接触，试验中始终保持试样两端和仪器构件的紧密接触，既满足轴平移技术的应用要求，又满足测试精度的操作要求。试样上端的上压头40可以自由移动，在施加围压和轴压的过程中，以匹配试样位置，确保围压不至过大。
在试验过程中，试样所受作用向下的力有压杆39的轴向力，作用向上的力有气压对接触面的作用力，试样对压杆39的反作用力和乳胶套46对试样的摩阻力。
上压头40和缸套41之间用O形密封圈58密封，试验中用溢流阀103来控制油压大小，并随时监测轴压力测试数据，待轴压达到目标压力，稳定溢流阀103的位置。
如图7所示，两块陶土板42和两片防水透气膜47要交叉放置，尽可能使试样内水分均匀分布。防水透气膜47是一种很薄的材料，试验时需在防水透气膜47的四周涂上一层环氧树脂，并使用多孔胶垫压紧。该仪器通过两个气相体积和压力控制器84和两个水相体积和压力控制器88同时提高了试样的孔隙水压力与孔隙气压力，进而控制试样的基质吸力。一般情况下，试样的初始基质吸力与控制的基质吸力目标值不一致，在控制基质吸力的过程中，试样会发生水分迁移，直至两个水相体积和压力控制器88水压变化稳定，则试样在当前目标基质吸力下达到平衡状态。通过在试样两端交叉放置陶土板42和防水透气膜47，实现水、气各自流动并使水流形成循环流，四个体积和压力控制器，可以控制和施加水、气压力而且能测定加入的水、气的体积，由于基质吸力是孔隙气压力与孔隙水压力之差，即控制了试样的基质吸力。本仪器的加压系统在仪器底部，在施加轴压时，压杆39顶住试样上压头40不动，由油缸56内的活塞55推动活塞杆54，然后推动试件座49连同试样向上移动，从而使得试样受力变形。运用轴平移技术可以量测非饱和原状土或压实土的孔隙水压力。
将完好的乳胶套46竖直置于多孔网罩44内，将多孔网罩44两端伸出来的乳胶套46翻开，反套在多孔网罩44上，同时排尽乳胶套46和多孔网罩44之间空气，确保两者紧密接触，以便将乳胶套46套在试样的环周。
将气路管与两个气相体积和压力控制器84连接，并将进、出水管与两个水相体积和压力控制器88连接，同时彻底排出进、出水管内空气；围压进气管接在围压筒45上。安装完成后检查接触位置的密封情况，不允许出现漏气或者漏水现象，并关闭所有与渗透压力室B相连通的阀门。气相体积和压力控制器84可以单独控制气循环，油缸56可以单独控制轴向压力。
将制备好的试样用托盘支撑置于试件座49上，调整好试样位置，然后将套有乳胶套46的多孔网罩44套在试样上。应保证乳胶套46与多孔网罩44紧密接触，增大乳胶套46与试样之间的距离(二者直径相差1.5mm)，以减小摩擦。完成上述操作后放置围压筒45并适当固定，去掉试样上面的旋盖43，最后把缸套41和上压头40的组合体安装在预定位置，确保上压头40与试样上表面紧密接触但不至于挤压试样，固定缸套41和围压筒45。固定横梁35，调节轴向力传感器37的螺母，使压杆39与上压头40接触并固定；调整位移传感器57的位置，与试样室接触并设置一定量初始位移。
安装完成后，启动测试系统，记录位移初始值。由供水箱95向水相体积和压力控制器88内注入适当蒸馏水。启动外部气源，根据试验条件，调整各减压阀和溢流阀103到预定位置。根据试验方案确定相应操作步骤，记录气相体积和压力控制器84和水相体积和压力控制器88随时间变化时体积变化量及竖向位移变化值。
利用公式(1)计算渗气系数：
式中A为试样的截面面积(m2)；L为渗气试样的长度(cm)；ΔP为与U型管压力计读数相等的压强(kPa)；V1为温度T下的气体的体积(ml)。
然后利用公式(2)计算渗水系数：
式中ψ1和ψ2分别为施加孔隙水压力前后土样的基质吸力；Qw为向土中加入的每级水的体积(ml)；t为渗水稳定时间；L为试样高度；为水的密度(g/cm3)；g为重力加速度(m/s2)。
待测试完成，关闭外气源，将水、气两相压力彻底释放后，卸除横梁35、渗透压力室B，仪器部件归位，以备下次使用。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，包括能够对渗透压力室作气相和水相动作的作动系统、轴向加压的渗透压力室、以及控制渗透压力室和作动系统的控制系统，所述渗透压力室包括由底座、立柱和横梁组合成的框架，所述底座安装在试验台上，试验台上安装有传感器组件，所述传感器组件包括两个气压力传感器、两个水压力传感器、一个围压传感器和一个备用的张力计传感器；所述作动系统包括两个气相体积和压力控制器、两个水相体积和压力控制器以及一套抽真空泵；两个气相体积和压力控制器在试样上、下两端控制不同的气压，为扩充气相体积和压力控制器形成的气相压力梯度范围；两个气相体积和压力控制器均通过端直通接头、截止阀、压力表反接头、三通管接头与气压表连接，其中一个气相体积和压力控制器通过一个四通管接头与抽真空泵相连，通过其负压以增大气相压力梯度；两个气相体积和压力控制器再分别通过两个气压力传感器与渗透压力室上、下两个放置有防水透气膜的凹槽连接；两个水相体积和压力控制器一方面分别通过截止阀与供水箱连接，另一方面分别通过两个水压力传感器与渗透压力室的上、下两个放置有陶土板的凹槽连接；
所述气相体积和压力控制器包括气相底座、气相直流伺服电机、气相轴承盒、气相压环、气相导筒、气相丝杆、气相测座、气相导键、气相行程开关、气相导块、气相丝母、气相柱塞、气相缸筒及气相封头；
所述气相轴承盒上、下两端分别通过气相压环、螺栓与气相导筒、气相直流伺服电机连接，气相轴承盒内的轴承分别连接气相导筒内的气相丝杆下端和气相直流伺服电机的输出轴，且气相丝杆从气相导筒内的气相丝母中穿过，与气相丝母配套使用，从而通过气相直流伺服电机带动气相丝杆旋转运动，气相丝母内侧与气相丝杆外侧有对应的螺旋纹路，便于气相丝杆旋转运动时，气相丝母可随之竖向运动；
气相丝母外部固定套装有气相导块，气相导块左侧嵌有气相导键，气相导筒内侧设有导槽，气相导键在导槽中运动以使得气相丝母在气相导筒中竖向运动，并且不会随气相丝杆旋转；
气相导块右侧嵌有气相测座，气相导筒中预留有保证气相测座外伸的对应空间，气相测座与固定在气相导筒和气相压环上的气相行程开关共同控制气相丝母的运动，当气相测座随气相丝母竖向运动碰触到气相行程开关时，电路断开会使气相丝杆停止运动，以防止气相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器；
气相导筒上端与气相缸筒下端通过螺栓连接，气相导块通过螺栓与气相缸筒内的气相柱塞固定连接，使气相柱塞随气相丝母在气相缸筒内竖向运动；
在气相缸筒内侧嵌有两个O型密封圈，使气相导筒和气相缸筒形成两个独立密闭空间，在气相缸筒顶部侧面设有接口以连接氮气瓶和抽真空泵；
气相体积和压力控制器固定在气相底座上，当气相柱塞竖向运动时，推动气体的排出和进入，通过气相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出气相体积和压力控制器的气相体积和压力；
所述水相体积和压力控制器包括水相底座、水相直流伺服电机、水相轴承盒、水相键环B、水相压环C、水相丝杆、水相导筒、水相测座、水相行程开关、水相导键、水相丝母、水相中座、水相柱塞、水相压环B、水相缸筒、水相压环A、水相键环A、水相缸头、水相排气阀及水相封头；
所述水相导筒内的水相丝杆下端通过小圆螺母与水相轴承盒内的轴承连接，并且从水相导筒内的水相丝母中穿过，所述水相轴承盒内的轴承下端通过螺栓与水相直流伺服电机的输出轴连接，利用水相直流伺服电机带动水相丝杆旋转运动；
水相轴承盒上端通过水相压环C和水相键环B与水相导筒下端连接，水相键环B嵌套于水相导筒外侧的凹槽内，之后用水相压环C固定；
水相丝母嵌套于水相丝杆上端，水相丝母内侧与水相丝杆外侧有对应的螺旋纹路，当水相丝杆旋转时，水相丝母会随之竖向运动；
水相丝母左侧嵌有水相导键，水相导筒内侧与水相导键对应位置处设有竖向导槽，水相导键随水相丝母在竖向导槽中竖向运动，使水相丝母在水相导筒内竖向运动时不会随水相丝杆旋转；
水相丝母右侧嵌有水相测座，水相导筒中预留有保证水相测座外伸的对应空间，水相测座与分别固定在水相中座和水相压环C上的行程开关共同控制水相丝母运动，当水相测座随水相丝母竖向运动碰触到行程开关时，电路断开会使水相丝杆停止运动，以防止水相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器；
水相导筒上端与水相柱塞下端通过设置于两者外部的水相中座固定连接，水相柱塞外侧设置水相缸筒，水相柱塞的上端通过水相键环A和水相压环A固定在水相缸筒的上端，水相柱塞的下端通过水相压环B固定水相缸筒的下端，水相键环A嵌套于水相缸筒上端外侧的凹槽内，之后用水相压环A固定；
水相柱塞与水相丝母上端通过螺栓连接，使水相柱塞可随水相丝母在水相缸筒内竖向运动，在水相导筒内侧嵌有两个O型密封圈，使水相导筒和水相缸筒形成两个独立的密闭空间；
水相缸筒上部固定安装于水相缸头中，且水相缸头内设有与水相缸筒内腔相通的水相排气阀，用以排放液体中残留的气泡，水相缸头侧面通过水相接口与外接水箱连接；
整个水相体积和压力控制器固定在水相底座上，当水相柱塞竖向运动时，推动液体的排出和进入，通过水相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出水相体积和压力控制器的水相体积和压力。
2.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，所述控制系统包括两组，一组与围压传感器连接，另一组与气相体积和压力控制器连接；第一组包括围压表及与其相连的管道上的截止阀，第二组包括气压表和与其相连的管道上的截止阀；围压表和截止阀之间以及气压表和截止阀之间均设置有一个三通管接头，两个三通管接头之间连接的管道上依次设置有补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯、四通管接头、补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯，四通管接头与减压阀、氮气瓶连接以提供三轴仪所需的气源；
气源通过四通管接头分为两路；一路自四通管接头在管路上依次设置补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯、三通管接头、压力表反接头、截止阀、端直通接头，以提供和控制气源，其中三通管接头又通过气压表反接头与气压表连接，最后一个端直通接头之后又分为两路，均通过截止阀与气相体积和压力控制器连接，其中一个气相体积和压力控制器在截止阀和气相体积和压力控制器之间的管路处外接一个截止阀；
另一路自四通管接头在管路上依次设置补芯、端直通接头、减压阀、端直通接头、补芯、三通管接头、端直通接头、截止阀、端直通接头、围压传感器，为试样提供围压，其中三通管接头又通过围压表反接头与围压表连接。
3.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，所述渗透压力室还包括试件座，所述底座中心安装有液压机构，液压机构顶部顶在试件座底部，试件座上安装有用于盛放试件的带有围压进气管的围压筒，围压筒上放置有上压头，上压头上部与压杆下端接触，施加轴压时压杆不动，顶住上压头，压杆上端通过调节螺杆及螺母安装于横梁中部，压杆中部安装有轴向力传感器，上压头设置于缸套中，且能在缸套内上下移动，缸套安装于围压筒上部开口中，与试样接触部位的上压头下表面和试件座的上表面上均交叉设置有陶土板和防水透气膜；当水相体积和压力控制器、气相体积和压力控制器压缩液体、气体，给定不同的压力时，上压头和试件座会产生水相、气相压力梯度，最终在试样内形成稳定渗流。
4.如权利要求3所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，所述围压传感器与围压筒上的进气管连接。
5.如权利要求3所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，所述液压机构包括位于底座下部的油缸，油缸中的活塞杆上端穿过油缸盖与导筒固定连接，导筒设置于导筒座内，且能够沿导筒座上下移动，导筒座固定安装于底座上，导筒座下端顶在油缸盖上，油缸通过位于其底部内壁的快速接头接通外部的油路。
6.如权利要求3所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，所述围压筒上端通过旋盖紧固定位，下端通过压环固定于试件座上。
7.如权利要求3所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，放置防水透气膜的凹槽内表面设有环形排气通道，凹槽中心开有排气通道，与气压力传感器、气相体积和压力控制器相连；放置陶土板的凹槽内表面设有环形排水通道，凹槽中心开有排水通道，与水压力传感器、水相体积和压力控制器相连。
8.如权利要求5所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪，其特征是，所述上压头与缸套之间通过嵌入上压头中部的2个O型密封圈进行密封，缸套与围压筒之间通过嵌入缸套底部的1个O型密封圈进行密封；所述的围压筒和试件座之间通过嵌入围压筒底部的1个O型圈进行密封；所述活塞杆既通过嵌入油缸盖上下两端的2个O型密封圈与油缸盖进行密封，又通过嵌入活塞内壁上下两端的2个O型密封圈与活塞进行密封；所述的油缸内壁既与油缸盖通过嵌入油缸盖外壁下端的1个O型密封圈进行密封，又与活塞通过嵌入活塞外壁的2个O型密封圈进行密封。
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