CN112198080B - 考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的装置及方法，由压力控制系统、垂直气动动态加载系统、侧向气囊约束系统、压力室系统和水体积测量系统组成；压力控制系统的输出端与垂直气动动态加载系统的进气口连接，计算机与垂直气动动态加载系统的控制端电性连接，用于控制垂直气动动态加载系统的动态加载；所述侧向气囊约束系统包括套于土样侧面的套筒，套筒与土样之间设有密闭的环形气囊，环形气囊通过气管与压力控制系统的输出端连接，用于控制环形气囊的气压；本发明能够更好的模拟真实状态下土样承受的动态荷载，测量效率高、测量误差小、准确性更高。

Description

考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的装置及方法。

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应力状态单一、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。

路基土具有一定的填筑高度，并处于一定的应力状态下，不同深度下的路基土所受到的应力状态不同。为考察竖向应力对非饱和土土水特征曲线的影响，有学者提出了应力相关土水特征曲线概念，并进行了相关设备开发，其试验结果表明，竖向应力对土水特征曲线的影响主要体现在进气值方面，竖向应力越大，进气值越大，土水特征曲线越缓和，土体的储水能力越强，即随着竖向应力的施加，阻止了试样水分的排除。此后，国内外众多学者对应力相关土水特征曲线进行了研究，但大多数为单一竖向静荷载的应力状态下土样的土水特征曲线的相关研究；实际路况中，路基土受到行车动荷载的影响，不仅承受静态上覆荷载，还承受上覆动态荷载和侧向荷载。

目前国内较为常用的测量应力相关的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。但所加应力为单一竖向静态荷载，不能更好的描述路基土真实应力状态下的性质。使用应力相关的土水特征曲线压力板仪测量土水特征曲线的试验中，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；部分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，导致测量土样排出的水体积数据不准确；在实验过程中，水体积测量系统的软管容易产生间断气泡，而现有设备利用小手泵给予水体积测量系统一个真空值或压力值，使得气泡向集气管排出，而且在长久的平衡过程中，需要不断的扩散气泡，人工操作较为繁杂且不易控制。因此，有必要对水体积测量系统进行改进，使得测量过程的误差更小、精度更高、更便捷、更易实现自动化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的试验装置，能够更好的模拟真实状态下土样承受的动态荷载，测量效率高、测量误差小、准确性更高，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法。

本发明所采用的技术方案是，一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的装置，由压力控制系统、垂直气动动态加载系统、侧向气囊约束系统、压力室系统和水体积测量系统组成；

压力控制系统的输出端与垂直气动动态加载系统的进气口连接，计算机与垂直气动动态加载系统的控制端电性连接，用于控制垂直气动动态加载系统的动态加载；

所述压力室系统包括柱形的不锈钢试样室，不锈钢试样室上端与顶盖之间、不锈钢试样室下端与上底座之间均密封连接，不锈钢试样室通过上进抽气口与压力控制系统的输出端连接，用于控制不锈钢试样室内的气压；上底座的下方设有底座组件，底座组件的两侧与所述水体积测量系统连接为回路，水体积测量系统包括水气分离装置和排水量测量装置；土样顶面设有防水透气膜，防水透气膜的上方设有干燥的第二透水石，加载杆的下端与第二透水石接触，加载杆的上端贯穿顶盖与所述垂直气动动态加载系统的加载端连接，加载杆上安装有激光位移传感器，用于测量加载杆的竖向位移的变化；

所述侧向气囊约束系统包括套于土样侧面的套筒，套筒与土样之间设有密闭的环形气囊，环形气囊通过气管与压力控制系统的输出端连接，用于控制环形气囊的气压。

进一步的，所述底座组件包括凹槽底座，凹槽底座内嵌有凹槽，凹槽内设有第一透水石，第一透水石与土样底面之间设有微孔膜，且第一透水石紧贴微孔膜，微孔膜的周边通过第一密封圈密封包裹，凹槽的两侧与所述水体积测量系统连接为回路。

进一步的，所述水体积测量系统包括套装在一起的大量管和小量管，小量管设置于大量管内部，大量管和小量管的上端均开口，大量管和小量管的下端均与底座固定连接，大量管上端口设置有微孔透气盖，底座组件的一侧通过进水软管与小量管底部密封连接，进水软管上设有第一阀门，大量管靠近底部的侧壁开有出水口；量杯内安装有水平的透气不透水膜，量杯的顶盖设置有抽气孔，抽气孔通过管道与抽气泵连通，透气不透水膜上方的量杯内为负压腔室，透气不透水膜下方的量杯侧壁设有进水口和注水口，量杯的进水口通过第三软管与大量管的出水口连接，量杯底部出水口通过第一软管与蠕动泵的一端连接，蠕动泵的另一端通过第二软管与底座组件的另一侧连接，水流依次沿量杯、底座组件、小量管、大量管、量杯循环流动，第二软管沿水流方向依次设有第三阀门、第二阀门。

进一步的，所述大量管底部安装有电子天平，电子天平与计算机电性连接。

进一步的，所述压力控制系统包括气源，气源的一个出气口通过第二管道与垂直气动动态加载系统的进气口连接，气源的另一出气口与第三管道连接，第三管道、第四管道均连接压力表选择按钮的进气口，压力表选择按钮的一个出气口通过第一支管道与压力室系统的上进抽气口连接，压力表选择按钮的另一出气口通过第二支管道与压力室系统的上进抽气口连接，高压压力表和高压调节器设于第一支管道上，低压压力表与低压调节器设于第二支管道上；第四管道与压力室系统的下进抽气口密封连接，第四管道上设置气压调节阀和压力表。

进一步的，所述环形气囊由气囊橡胶模与套筒内壁之间密封形成，不锈钢试样室侧壁上设有下进抽气口，环形气囊侧壁设有套筒进抽气口，套筒进抽气口通过气管与下进抽气口连接。

进一步的，所述气囊橡胶膜上下两端的外侧设有一圈凹槽，气囊橡胶膜的两端翻转固定在套筒两端，凹槽刚好嵌套在套筒的外缘上，通过固定铰头将气囊橡胶膜和套筒铰紧密封。

进一步的，所述垂直气动动态加载系统包括双向气动作动器，双向气动作动器内含激振器，用于驱动气动加载杆工作，气动加载杆下端的加载盒用于对压力室系统中加载杆进行竖向加载；双向气动作动器通过输气软管与气压自动调节设备连接，气压自动调节设备通过第二管道与压力控制系统中气源连接，气压自动调节设备与数据采集-控制系统电性连接，数据采集-控制系统与计算机之间通过以太网进行数据通讯，计算机用于向数据采集-控制系统发送动态加载的控制指令。

进一步的，所述顶盖和凹槽底座之间设有多个竖直的螺杆，螺杆上端通过螺母、螺杆孔与顶盖顶部螺纹连接，螺杆下端依次贯穿上底座和凹槽底座后通过螺母、螺杆孔与凹槽底座底部螺纹连接，凹槽底座底部设有底座垫，底座垫的高度大于螺杆伸出凹槽底座底部部分的高度。

一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，具体步骤如下：

步骤一、安装底座组件和上底座；

步骤二，水体积测量系统标定：关闭第三阀门，打开第二阀门和第一阀门，从量杯的注水口注无气泡水至透气不透水膜底部，抽气泵通过抽气孔给予透气不透水膜上方的量杯内一定真空值形成负压腔室；从大量管上端口向小量管内注水至小量管满水，溢出的水使得大量管内有一定高度的水量，水量高度低于小量管顶部，标定大量管内水面高度，记录电子天平测量的大量管的质量值；打开蠕动泵，量杯中的水流经底座组件，扩散气泡，带有气泡的水从小量管底部上升，水流溢出并进入大量管内，气泡与水分离，大量管内部水面高度上升且不超过小量管的高度，大量管内的水经过第三软管进入量杯内，量杯内水中的气泡在负压作用下透过透气不透水膜进入负压腔室，进一步收集管路中气泡；

步骤三、使第二阀门和第一阀门处于关闭状态，将不锈钢试样室密封安装于上底座上，从不锈钢试样室上端口注入无气泡水，淹没底座组件，然后将顶盖密封安装在不锈钢试样室上端口，以准确控制基质吸力大小；打开第二阀门、第一阀门和气源，关闭第三阀门，高压气体从上进抽气口进入不锈钢试样室，排水直到小量管内不再冒气泡，且大量管排出水质量不再变化时，关闭气源、第二阀门和第一阀门；

步骤四：打开顶盖，清除微孔膜表面无气泡水，将饱和好的土样脱模放置在环形气囊中间，下进抽气口通过软管与套筒进抽气口连接，使环形气囊充气后与土样保持紧密接触；将防水透气膜置于土样顶部，干燥的第二透水石置于防水透气膜的上方，加载杆将顶盖密封安装在不锈钢试样室上端口，加载杆的下端与第二透水石接触，加载杆的上端贯穿顶盖与所述垂直气动动态加载系统的加载端连接，记录压力传感器和激光位移传感器的初始读数；

步骤五：开启侧向气囊约束系统，调节气压调节阀，控制环形气囊压力，按照实验要求施加气压，对土样四周同步施加围压；

步骤六：通过计算机设定好预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，开启垂直气动动态加载系统，通过加载杆、第二透水石对土样施加动力荷载；

步骤七：控制吸力进行脱湿：通过压力控制系统分阶段逐步向不锈钢试样室内施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；根据试验方案通过计算机设置垂直气动动态加载系统的加载序列，对土样进行动态加载；根据试验方案，通过气压调节阀调节通入环形气囊内的气压，对土样四周同步施加围压；测试过程中启动蠕动泵，通过水体积测量系统进行气泡扩散；对于每个加压阶段，待土样排出水量稳定、激光位移传感器所显示数值稳定时，土样达到吸力平衡状态；

步骤八：控制吸力进行吸湿：脱湿完成后，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，达到每个土样当前阶段所需基质吸力值，对于每个阶段，待计算机显示的土样排出水量稳定、激光位移传感器所显示数值稳定时，即达到吸力平衡状态时，导出计算机内不同阶段基质吸力值对应的土样排水量，最后关闭气源；计算并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。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用垂直气动动态加载系统比静态加载能更好的模拟实际路况中路基土受到行车荷载的影响所承受的上覆荷载；采用侧向气囊约束系统更好的模拟实际路况中路基土由于受到行车荷载的影响所承受的不同的侧向压力，气囊组件较普通气体围压更易于精确控制侧向压力，且可以减少对所施加基质吸力压力的干扰，提高测量准确性。

2.本发明改进的水体积测量系统，可以自动持续扩散气泡，并且时刻记录土样出水量，使得测量过程更自动化、误差更小；采用大小量管组合，减少气泡和温度对测量结果的影响。在土样与第二透水石之间增加了防水透气膜，避免透水石的水量在压力的作用下排到水体积测量系统中，同时防水透气膜可以防止土样中的水分向干燥的透水石进行水分迁移，进一步提高了测量准确性。

3.本发明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；该发明有效解决了目前测量土水特征曲线测量应力单一、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为本发明实施例压力板仪整体结构示意图。

图2为本发明实施例压力室系统的结构示意图。

图3为本发明实施例压力控制系统的结构示意图。

图4为本发明实施例垂直气动动态加载系统的结构示意图。

图5为本发明实施例水体积测量的结构示意图。

图6为本发明实施例水体积测量的俯视图。

图7为本发明实施例侧向气囊约束系统结构示意图。

图8为本发明实施例气囊橡胶膜结构示意图。

图中，1.压力控制系统，2.垂直气动动态加载系统，3.侧向气囊约束系统，4.压力室系统，5.水体积测量系统，6.气源，7.第二管道，8.高压调节器，9.低压调节器，10.高压压力表，11.低压压力表，12.压力表选择按钮，13.第一管道，13-1.第一支管道，13-2.第二支管道，14.电子数字显示器，15.计算机，16.气压自动调节设备，17.气动加载杆，18.固定栓，19.支架，20.激光位移传感器，21.轴承盒，22.顶盖，23.螺母，24.加载杆，25.第二密封圈，26.螺杆，27.不锈钢试样室，28.上进抽气口，29.下进抽气口，30.第二透水石，31.土样，32.气囊组件，33.上底座，34.凹槽底座，35.底座垫，36.凹槽，37.第一透水石，38.微孔膜，39.第一密封圈，40.压力表，41.防水透气膜，42-1.第三管道，42-2.第四管道，43.气压调节阀，44.第一阀门，46.第二阀门，47.固定铰头，48.气囊橡胶膜，49.环形气囊，50.套筒，51.蠕动泵，52.量杯，53.第一电缆，54.大量管，55.小量管，56.第三阀门，57.电子天平，58.底座组件，59.凹槽，60.双向气动作动器，61.第一软管，62.“枕”型管道，63.第二软管，64.第三软管，66.螺丝孔，65.螺丝，67.第二电缆，68.控制面板，69.螺杆孔，70.套筒进抽气口，71.数据采集-控制系统，72.微孔透气盖，74.输气软管，75.加载盒，76.底座，77.抽气孔，78.抽气泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

本发明实施例一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的试验装置，如图1所示，包括压力控制系统1、垂直气动动态加载系统2、侧向气囊约束系统3、压力室系统4和水体积测量系统5；压力控制系统1的输出端与垂直气动动态加载系统2的进气口连接，计算机15与垂直气动动态加载系统2的控制端连接，用于控制垂直气动动态加载系统2的动态加载。

如图2、6所示，压力室系统4由顶盖22、螺杆26、不锈钢试样室27、凹槽底座34、上底座33和土样加载模块组成；土样加载模块由加载杆24、第一透水石37、微孔膜38、第二透水石30、气囊组件32和激光位移传感器20组成。不锈钢试样室27为内部中空的柱体结构，不锈钢试样室27上端与顶盖22之间、不锈钢试样室27下端与上底座33之间分别通过第二密封圈25密封连接，不锈钢试样室27侧壁上设有上进抽气口28和下进抽气口29，不锈钢试样室27通过上进抽气口28与压力控制系统1的输出端连接，用于控制不锈钢试样室27内的气压；上底座33的下方设有底座组件58，底座组件58包括凹槽底座34，凹槽底座34内嵌有凹槽36，凹槽36内设有第一透水石37，第一透水石37与土样31底面之间设有微孔膜38，且第一透水石37紧贴微孔膜38，微孔膜38的周边通过第一密封圈39密封包裹；凹槽36的两侧与水体积测量系统5连接为回路，水体积测量系统5包括水气分离装置和排水量测量装置；底座组件58上设有多个螺丝孔66，顶盖22和凹槽底座34之间设有多个竖直的螺杆26，螺杆26上端通过螺母23、螺杆孔69与顶盖22顶部螺纹连接，螺杆26下端依次贯穿上底座33和凹槽底座34后通过螺母23、螺杆孔69与凹槽底座34底部螺纹连接，螺杆26用于调节顶盖22和上底座33之间的距离，保证不锈钢试样室27呈密封状态。凹槽底座34底部设有底座垫35，底座垫35的高度大于螺杆26伸出凹槽底座34底部部分的高度。

微孔膜38与第一透水石37的直径相等，紧贴在第一透水石37上面，微孔膜38材质为聚醚砜；厚度为0.13mm，最大进气值可达400kPa，渗透性远优于陶土板，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，能够显著缩短实验时间，降低第一透水石37引起的测量误差。在不放置土样的情况下，顶盖22不覆盖不锈钢试样室27，直接倒入无气泡水淹没微孔膜38和第一透水石37，不锈钢试样室27底部的第二密封圈25既可密封空气，也可以防止无气泡水溢出。

如图7～8，侧向气囊约束系统3包括套于土样31侧面的套筒50，套筒50与土样31之间设有密闭的环形气囊49，环形气囊49置于第一密封圈39上表面，土样31的底部与第一密封圈39上表面相接触，环形气囊49通过气管与压力控制系统1的输出端连接，用于控制环形气囊49的气压，提供精准、稳定、可调的气压。

环形气囊49由气囊橡胶模48与套筒50内壁之间密封形成，不锈钢试样室27侧壁上设有下进抽气口29，环形气囊49壁设有套筒进抽气口70，套筒进抽气口70通过气管与不锈钢试样室27侧壁的下进抽气口29连接；气囊橡胶膜48上下两端的外侧设有一圈凹槽59，气囊橡胶膜48的两端翻转固定在套筒50两端，凹槽59刚好嵌套在套筒50的外缘上，通过固定铰头47将气囊橡胶膜48和套筒50铰紧密封。

土样31顶面设有防水透气膜41，防水透气膜41比土样31直径稍大一点，防水透气膜41的上方设有干燥的第二透水石30，加载杆24的下端与第二透水石30接触，加载杆24的上端贯穿顶盖22与垂直气动动态加载系统2的加载端连接，加载杆24上安装有激光位移传感器20，用于测量加载杆24的竖向位移的变化；加载杆24贯穿顶盖22的部分经固定栓18固定一水平放置的支架19，支架19上设有激光位移传感器20，激光位移传感器20自带数字显示器。加载杆24上安装有压力传感器，压力传感器通过第二电缆67与电子数字显示器14连接，压力传感器可以监测到加载杆24加载到土样31上方的竖向应力，位于顶盖22下方的加载杆24和第二透水石30均位于不锈钢试样室27内。垂直气动动态加载系统2位于加载杆24的正上方，自然条件下即垂直气动动态加载系统2不动作时，其不与加载杆24顶端接触。上底座33、不锈钢试样室27和顶盖22为整个压力室系统4提供单独密闭空间。顶盖22上固定有轴承盒21，轴承盒21起到减少加载杆24上下移动的摩擦的作用。加载杆24竖向位移最多为5mm，激光位移传感器20的存在并不会不影响支架19的移动。

如图3所示，压力控制系统1由高压压力表10、高压调节器8、压力表选择按钮12、低压压力表11、低压调节器9、第一管道13、第二管道7和气源6组成；气源6的一个出气口通过第二管道7与垂直气动动态加载系统2的进气口连接，气源6的另一出气口与第三管道42-1连接，第三管道42-1、第四管道42-2均连接压力表选择按钮12的进气口，压力表选择按钮12的一个出气口通过第一支管道13-1与第一管道13连接，压力表选择按钮12的另一出气口通过第二支管道13-2与第一管道13连接，第一管道13与压力室系统4的上进抽气口28连接，高压压力表10和高压调节器8设于第一支管道13-1上，低压压力表11与低压调节器9设于第二支管道13-2上，高压压力表10、高压调节器8、低压压力表11、低压调节器9安装于控制面板68上；第四管道42-2与压力室系统4的下进抽气口29密封连接，为环形气囊49提供单独的气压，避免与不锈钢试样室27内部的气压相互干扰。第四管道42-2上设置气压调节阀43和压力表40，可以对进入环形气囊49的气压进行精准调控和监控。

高压压力表10精度为20kPa，量程为10～1000kPa；低压压力表11精度为5kPa，量程为3～200kPa。压力表选择按钮12朝上采用高压压力表10，并采用高压调节器8调节气压；本发明压力表选择按钮12为三位四通手扳阀，压力表选择按钮12朝下采用低压压力表11，并采用低压调节器9调节气压。气源6通过第二管道7与垂直气动动态加载系统2连通。压力表40精度为20kPa，量程为10～1000kPa，所述压力表41精度为5kPa，量程为3～200kPa；

如图4所示，垂直气动动态加载系统2由双向气动作动器60、气压自动调节设备16、计算机15和气动加载杆17组成；双向气动作动器60内含激振器，用于驱动气动加载杆17工作，气动加载杆17下端的加载盒75用于对压力室系统4中加载杆24进行竖向加载；双向气动作动器60通过输气软管74与气压自动调节设备16连接，气压自动调节设备16通过第二管道7与压力控制系统1中气源6连接，气压自动调节设备16与数据采集-控制系统71电性连接，数据采集-控制系统71与计算机15之间通过以太网进行数据通讯，传输速度100MB/s，每个周期可记录的数据点为2000个，软件允许用户添加、重复及删除任意试验模块；计算机15用于向数据采集-控制系统71发送动态加载的控制指令。

双向气动作动器60可以按照计算机15确定的控制规律通过气动加载杆17对垂直气动动态加载系统2中的加载杆24施加动态荷载，该控制规律可以是应力、应变或位移，呈正弦、三角、方波对加载杆24进而对土样31施加动态荷载。

如图5～6，水体积测量系统5由蠕动泵51、量杯52、第一电缆53、大量管54、小量管55和底座组件58组成；大量管54和小量管55套装在一起，小量管55设置于大量管54内部，大量管54和小量管55的上端均开口，大量管54和小量管55的下端均与底座76固定连接，大量管54上端口设置有微孔透气盖72，减小蒸发误差；大量管54底部安装有电子天平57，用于称量量杯组合的质量变化，电子天平57与计算机15通过第一电缆53电性连接；底座组件58的凹槽36一侧通过进水软管与小量管55底部密封连接，进水软管上设有第一阀门44，大量管54靠近底部的侧壁开有出水口，量杯52内安装有水平的透气不透水膜，透气不透水膜采用聚四氟乙烯中空纤维疏水膜；透气不透水膜下方的量杯52侧壁设有进水口和注水口，注水口设有橡胶塞，量杯52的进水口通过第三软管64与大量管54的出水口连接，量杯52底部出水口通过第一软管61与蠕动泵51的一端连接，蠕动泵51的另一端通过第二软管63与凹槽36的另一侧连接，蠕动泵51内含驱动器和泵头，内嵌“枕”型管道62，第一软管61设置在“枕”型管道62内，启动蠕动泵51可对第一软管61挤压，促进水流依次从量杯52向凹槽36、小量管55、大量管54、量杯52循环流动，第二软管63沿水流方向依次设有第三阀门56、第二阀门46；第三阀门56用于实验结束后排出管路中的水，长时间的多次试验中，必定要更换新的水源。

量杯52采用透明材质，利于监测，量杯52的顶盖设置有抽气孔77，抽气孔77通过管道与抽气泵78连通，透气不透水膜上方的量杯52内为负压腔室，负压腔室内安装有压力传感器，压力传感器通过控制器与抽气泵78电性连接；当量杯52内水中的气泡透过透气不透水膜进入负压腔室，及时控制抽气泵78将气体抽出，保证负压腔室的气压值维持在一定负压范围内，便于量杯52内水中的气泡尽可能继续逸出。

本发明实施例一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，具体步骤如下：

步骤一、安装微孔膜38及第一透水石37：将第一透水石37放置在凹槽36中，将微孔膜38放置在第一透水石37上，然后将底部带有第一密封圈39的上底座33放置在微孔膜38上方，然后用八颗螺丝65密封固定上底座33和凹槽底座34。

步骤二，水体积测量系统5标定：关闭第三阀门56，打开第二阀门46和第一阀门44，从量杯52的注水口注无气泡水至透气不透水膜底部，抽气泵78通过抽气孔77给予透气不透水膜上方的量杯52内一定真空值形成负压腔室；向小量管55内注水至小量管55满水，溢出的水使得大量管54含有一定高度的水量，水量高度低于小量管55高度的1/4，大量管54内的水量高度尽量低一点，便于测量后续土样排出的水量，为其留存足够的储水空间；标定大量管54内水面高度，记录电子天平57所称得大量管54内部水的质量值。

打开蠕动泵51，量杯52中的无泡水经过第一软管61到蠕动泵51的枕型槽内，然后经过第二软管63再次进入到底座组件58内，流经第一透水石37下方的凹槽36，扩散气泡，带有气泡的水从小量管55底部上升，水流溢出并进入大量管54内，气泡向上与水分离，气泡从大量管54上端口设置的微孔透气盖72溢出，大量管54内部水面高度上升且不超过小量管55的高度，大量管54内的水经过第三软管64进入到量杯52内；如此水循环将水体积测量系统5充满水，并能够反复扩散除去凹槽36内的气泡；大量管54内的水位标定可以用肉眼观察到水量的变化，用以核对电子天平57所得水质量变化，电子天平57更加自动化和直观化，以数值的形式表现出来能更加客观准确的判断平衡与否，比肉眼观察更精准，造价低；由于量杯52内上部为成负压腔室，量杯52内水中的气泡更容易透过透气不透水膜进入负压腔室，实现再次收集管路中气泡的目的，气泡扩散更彻底，测试准确性更高。

步骤三、饱和微孔膜38及第一透水石37：使第二阀门46和第一阀门44处于关闭状态，将不锈钢试样室27密封安装于上底座33上，打开顶盖22，从不锈钢试样室27上端口注入无气泡水，淹没微孔膜38，然后将顶盖22密封安装在不锈钢试样室27上端口，以准确控制基质吸力大小；打开第二阀门46、第一阀门44和气源6，关闭第三阀门56，将压力控制系统1的压力表选择按钮12朝上，选择高压压力表10和高压调节器8并动作高压调节器8施加气压至250kPa，保持气压不变，高压气体从上进抽气口28进入不锈钢试样室27，排水约5分钟，高水力梯度驱除微孔膜38和第一透水石37内的空气，同时高水压使微孔膜38和第一透水石37内的气泡溶解于无气泡水中，直到小量管55内不再冒气泡，且大量管54排出水质量不再变化时，即电子天平57的测量值不再变化，关闭气源6、第二阀门46和第一阀门44；

步骤四：安装侧向气囊约束系统3和土样31：清除微孔膜38表面无气泡水，将气囊橡胶膜48套在套筒50内壁，通过固定铰头47固定，环形气囊49置于第一密封圈39上表面，将下进抽气口29通过小软管与套筒进抽气口70连接，将饱和好的土样31脱模放置在环形气囊49的中间，使环形气囊49充气后能与土样31保持紧密接触；土样的饱和按照土工规程操作。

步骤五：安装压力室：将防水透气膜41置于土样31顶部，干燥的第二透水石30置于防水透气膜41的上方，将顶盖22密封安装在不锈钢试样室27上端口，记录压力传感器和激光位移传感器20的初始读数；

步骤六：安装垂直气动动态加载系统：将气压自动调节设备16通过输气软管74与双向气动作动器60连接，在双向气动作动器60的气动加载杆17下端安装加载盒75，调整高度，使加载盒75下端与加载杆24紧密接触。

步骤七：控制吸力进行脱湿：通过压力控制系统1分阶段逐步向不锈钢试样室27内部施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；根据试验方案通过计算机15设置垂直气动动态加载系统2的加载序列，对土样31进行动态加载；根据试验方案，通过气压调节阀43调节通入环形气囊49内的气压，对土样31四周同步施加围压；测试过程中启动蠕动泵51通过水体积测量系统5的管路进行气泡扩散；对于每个加压阶段，待大量管54排出水质量稳定、激光位移传感器20所显示数值稳定时，土样31达到吸力平衡状态。导出计算机15显示的不同阶段土样排出水量记录数据；如不进行吸湿过程，可关闭气源6、拆卸仪器，取出土样称量，并记录质量，放入烘箱内烘24小时，记录烘干后的质量，进而反算出土样含水率；绘制土样31每个阶段的基质吸力即气压与土样体积含水率或饱和度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1分阶段逐步降低向压力室系统4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8，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14读数不变，直至每个土样达到吸力平衡状态；然后继续逆时针拧动高压调节器8，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压力传感器电子数字显示器14读数不变，直至土样达到吸力平衡状态，导出计算机15内不同阶段基质吸力值对应的土样排水量表格，当所需气压小于200kPa时，动作压力表选择按钮12朝下，选择低压压力表11和低压调节器9控制气压。

步骤八：控制吸力进行吸湿：脱湿完成后，通过压力控制系统1分阶段逐步降低向压力室系统4施加的气压，达到每个土样31当前阶段所需基质吸力值，对于每个阶段，待计算机15显示的土样排出水量即水压计感应到的大量管54内的压差、激光位移传感器20所显示数值不发生变化时即达到吸力平衡状态时，导出计算机15内不同阶段基质吸力值对应的土样排水量表格，最后关闭气源6。取出土样称量，并记录质量，放入烘箱内烘24小时，记录烘干后的质量，进而反算出土样含水率；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。试验过程中不时地按照步骤三扩散水体积测量系统5内的气泡。

按照试验方案设置的压力等级，通过压力控制系统1分阶段逐步向压力室系统4施加气压，使动作压力控制系统1的压力表选择按钮12朝下，选择低压压力表11和低压调节器9精确控制气压，顺时针拧动低压调节器9，增加气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持压力传感器电子数字显示器14读数不变，直至达到上述吸力平衡状态；然后继续顺时针拧动低压调节器9，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压力传感器电子数字显示器14读数不变，直至达到吸力平衡状态；当所需气压大于200kPa时，动作压力表选择按钮12朝上，选择高压压力表10和高压调节器8控制气压。

本发明的含水率是通过土样排出的水量反算得知，每级压力下的质量含水率可用下式计算

其中m_t为饱和土样的质量，m_s为干土质量，△v_i为每一级排出的水量，ρ_w为水的密度，每级吸力下的体积含水率为

饱和度

其中G_s为土的比重。与时域反射测量系统相比，本发明的水体积测量系统造价低得多，同时本发明的水体积测量系统可以具备水体积测量和气泡扩散两层作用。

一般的压力板仪无法获得不同应力状态下土水特征曲线，不需要施加透水石；而GEO-Experts压力板仪可获得不同应力状态下完整的脱湿和吸湿土水特征曲线，当试验需要施加预固结压力时，必须要用到透水石；长期试验过程中发现土样顶部的透水石对试验产生了较大误差，透水石中的水和土样中的水一样也会被排到量管里，由排出到量管中水量去反算试样含水率，得到的含水率是不真实的，这使得基质吸力相对应的土样含水率偏小，对试验结果有很大影响。传统的压力板仪中，由于非饱和试验历时较长，会使空气通过高进气值陶土板下面的水扩散，扩散空气积聚在陶土板下面且气泡从陶土板凹槽内随着水量排出逸出，这将给水体积变化的量测带来一定误差，也将阻碍试件在浸湿过程中的吸水，即使本发明将陶土板替换成微孔膜也应当考虑气泡扩散产生的误差，因此非常有必要进行更有效的气泡扩散。无论是陶土板还是微孔膜，一般认为，只要采用轴平移技术，存在的主要误差问题就是，难以避免长期试验过程中陶土板下气泡聚集现象的发生，从而为孔隙水体积变化的测量带来较大误差，时间长是最主要的原因。研究表明，这些气泡主要来源于在轴平移高压力条件下，部分气体溶解于孔隙水。当孔隙水穿过陶土板进入标准大气压环境时，这部分溶解于水中的气体又重新从水中分离出来所致；因此在进行脱湿和吸湿的过程中需要进行气泡扩散是非常必要的。

本发明将应力相关的土水特征曲线压力板仪的垂直气动加载系统升级为双向动态加载系统，该系统可通过计算机设置加载序列，再通过双向气动作动器中激振器驱动气动加载杆对压力室系统中的加载杆进行动态加载，进而对土样施加动态应力，可以更好的模拟真实状态下土样承受的动态荷载，结合侧向气囊约束系统替代应力相关的土水特征曲线压力板仪中使用的固定土样的环刀，压力控制系统可将压缩的气体稳定输入到侧向约束系统中的气囊中，通过气囊对土样施加侧向约束，气囊可以施加不同的力，以模拟不同的侧向压力，所做土水特征曲线实验以圆形试件为主，试件不大，设置单独的气囊可更好控制周围的约束，保证受力均匀。本发明能够更好的模拟真实状态下土样受力情况，提高土水特征曲线量的准确性和可靠性。

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 (6)

1.一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，其特征在于，采用一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的装置，所述装置由压力控制系统(1)、垂直气动动态加载系统(2)、侧向气囊约束系统(3)、压力室系统(4)和水体积测量系统(5)组成；

压力控制系统(1)的输出端与垂直气动动态加载系统(2)的进气口连接，计算机(15)与垂直气动动态加载系统(2)的控制端电性连接，用于控制垂直气动动态加载系统(2)的动态加载；

所述压力室系统(4)包括柱形的不锈钢试样室(27)，不锈钢试样室(27)上端与顶盖(22)之间、不锈钢试样室(27)下端与上底座(33)之间均密封连接，不锈钢试样室(27)通过上进抽气口(28)与压力控制系统(1)的输出端连接，用于控制不锈钢试样室(27)内的气压；上底座(33)的下方设有底座组件(58)，底座组件(58)的两侧与所述水体积测量系统(5)连接为回路，水体积测量系统(5)包括水气分离装置和排水量测量装置；土样(31)顶面设有防水透气膜(41)，防水透气膜(41)的上方设有干燥的第二透水石(30)，加载杆(24)的下端与第二透水石(30)接触，加载杆(24)的上端贯穿顶盖(22)与所述垂直气动动态加载系统(2)的加载端连接，加载杆(24)上安装有激光位移传感器(20)，用于测量加载杆(24)的竖向位移的变化；

所述侧向气囊约束系统(3)包括套于土样(31)侧面的套筒(50)，套筒(50)与土样(31)之间设有密闭的环形气囊(49)，环形气囊(49)通过气管与压力控制系统(1)的输出端连接，用于控制环形气囊(49)的气压；

所述水体积测量系统(5)包括套装在一起的大量管(54)和小量管(55)，小量管(55)设置于大量管(54)内部，大量管(54)和小量管(55)的上端均开口，大量管(54)和小量管(55)的下端均与底座(76)固定连接，大量管(54)上端口设置有微孔透气盖(72)，底座组件(58)的一侧通过进水软管与小量管(55)底部密封连接，进水软管上设有第一阀门(44)，大量管(54)靠近底部的侧壁开有出水口；量杯(52)内安装有水平的透气不透水膜，量杯(52)的顶盖设置有抽气孔(77)，抽气孔(77)通过管道与抽气泵(78)连通，透气不透水膜上方的量杯(52)内为负压腔室，透气不透水膜下方的量杯(52)侧壁设有进水口和注水口，量杯(52)的进水口通过第三软管(64)与大量管(54)的出水口连接，量杯(52)底部出水口通过第一软管(61)与蠕动泵(51)的一端连接，蠕动泵(51)的另一端通过第二软管(63)与底座组件(58)的另一侧连接，水流依次沿量杯(52)、底座组件(58)、小量管(55)、大量管(54)、量杯(52)循环流动，第二软管(63)沿水流方向依次设有第三阀门(56)、第二阀门(46)；水体积测量系统(5)具备水体积测量和气泡冲刷两层作用；

所述环形气囊(49)由气囊橡胶模(48)与套筒(50)内壁之间密封形成，不锈钢试样室(27)侧壁上设有下进抽气口(29)，环形气囊(49)侧壁设有套筒进抽气口(70)，套筒进抽气口(70)通过气管与下进抽气口(29)连接；

所述气囊橡胶膜(48)上下两端的外侧设有一圈凹槽(59)，气囊橡胶膜(48)的两端翻转固定在套筒(50)两端，凹槽(59)刚好嵌套在套筒(50)的外缘上，通过固定铰头(47)将气囊橡胶膜(48)和套筒(50)铰紧密封；

所述测试方法具体步骤如下：

步骤一、安装底座组件(58)和上底座(33)；

步骤二，水体积测量系统(5)标定：关闭第三阀门(56)，打开第二阀门(46)和第一阀门(44)，从量杯(52)的注水口注无气泡水至透气不透水膜底部，抽气泵(78)通过抽气孔(77)给予透气不透水膜上方的量杯(52)内一定真空值形成负压腔室；从大量管(54)上端口向小量管(55)内注水至小量管(55)满水，溢出的水使得大量管(54)内有一定高度的水量，水量高度低于小量管(55)顶部，标定大量管(54)内水面高度，记录电子天平(57)测量的大量管(54)的质量值；打开蠕动泵(51)，量杯(52)中的水流经底座组件(58)，冲刷气泡，带有气泡的水从小量管(55)底部上升，水流溢出并进入大量管(54)内，气泡与水分离，大量管(54)内部水面高度上升且不超过小量管(55)的高度，大量管(54)内的水经过第三软管(64)进入量杯(52)内，量杯(52)内水中的气泡在负压作用下透过透气不透水膜进入负压腔室，进一步收集管路中气泡；

步骤三、使第二阀门(46)和第一阀门(44)处于关闭状态，将不锈钢试样室(27)密封安装于上底座(33)上，从不锈钢试样室(27)上端口注入无气泡水，淹没底座组件(58)，然后将顶盖(22)密封安装在不锈钢试样室(27)上端口，以准确控制基质吸力大小；打开第二阀门(46)、第一阀门(44)和气源(6)，关闭第三阀门(56)，高压气体从上进抽气口(28)进入不锈钢试样室(27)，排水直到小量管(55)内不再冒气泡，且大量管(54)排出水质量不再变化时，关闭气源(6)、第二阀门(46)和第一阀门(44)；

步骤四：打开顶盖(22)，清除微孔膜(38)表面无气泡水，将饱和好的土样(31)脱模放置在环形气囊(49)中间，下进抽气口(29)通过软管与套筒进抽气口(70)连接，使环形气囊(49)充气后与土样(31)保持紧密接触；将防水透气膜(41)置于土样(31)顶部，干燥的第二透水石(30)置于防水透气膜(41)的上方，加载杆(24)将顶盖(22)密封安装在不锈钢试样室(27)上端口，加载杆(24)的下端与第二透水石(30)接触，加载杆(24)的上端贯穿顶盖(22)与所述垂直气动动态加载系统(2)的加载端连接，记录压力传感器和激光位移传感器(20)的初始读数；

步骤五：开启侧向气囊约束系统(3)，调节气压调节阀(43)，控制环形气囊(49)压力，按照实验要求施加气压，对土样(31)四周同步施加围压；

步骤六：通过计算机(15)设定好预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，开启垂直气动动态加载系统(2)，通过加载杆(24)、第二透水石(30)对土样(31)施加动力荷载；

步骤七：控制吸力进行脱湿：通过压力控制系统(1)分阶段逐步向不锈钢试样室(27)内施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；根据试验方案通过计算机(15)设置垂直气动动态加载系统(2)的加载序列，对土样(31)进行动态加载；根据试验方案，通过气压调节阀(43)调节通入环形气囊(49)内的气压，对土样(31)四周同步施加围压；测试过程中启动蠕动泵(51)对水体积测量系统(5)的管路进行气泡冲刷，观察量杯(52)内的液面高度有没有发生变化，随时调整抽气泵的真空值，保证液面高度不变，以维持二次冲刷的目的，也保证量杯(52)内的水没有排出到量杯组件当中；对于每个加压阶段，待土样(31)排出水量稳定、激光位移传感器(20)所显示数值稳定时，土样(31)达到吸力平衡状态；

步骤八：控制吸力进行吸湿：脱湿完成后，通过压力控制系统(1)分阶段逐步降低向压力室系统(4)施加的气压，达到每个土样(31)当前阶段所需基质吸力值，对于每个阶段，待计算机(15)显示的土样(31)排出水量稳定、激光位移传感器(20)所显示数值稳定时，即达到吸力平衡状态时，导出计算机(15)内不同阶段基质吸力值对应的土样排水量，最后关闭气源(6)；计算并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。

2.根据权利要求1所述的一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，其特征在于，所述底座组件(58)包括冲刷凹槽底座(34)，冲刷凹槽底座(34)内嵌有冲刷凹槽(36)，冲刷凹槽(36)内设有第一透水石(37)，第一透水石(37)与土样(31)底面之间设有微孔膜(38)，且第一透水石(37)紧贴微孔膜(38)，微孔膜(38)的周边通过第一密封圈(39)密封包裹，冲刷凹槽(36)的两侧与所述水体积测量系统(5)连接为回路。

3.根据权利要求1所述的一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，其特征在于，所述大量管(54)底部安装有电子天平(57)，电子天平(57)与计算机(15)电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，其特征在于，所述压力控制系统(1)包括气源(6)，气源(6)的一个出气口通过第二管道(7)与垂直气动动态加载系统(2)的进气口连接，气源(6)的另一出气口与第三管道(42-1)连接，第三管道(42-1)、第四管道(42-2)均连接压力表选择按钮(12)的进气口，压力表选择按钮(12)的一个出气口通过第一支管道(13-1)与压力室系统(4)的上进抽气口(28)连接，压力表选择按钮(12)的另一出气口通过第二支管道(13-2)与压力室系统(4)的上进抽气口(28)连接，高压压力表(10)和高压调节器(8)设于第一支管道(13-1)上，低压压力表(11)与低压调节器(9)设于第二支管道(13-2)上；第四管道(42-2)与压力室系统(4)的下进抽气口(29)密封连接，第四管道(42-2)上设置气压调节阀(43)和压力表(40)。

5.根据权利要求1所述的一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，其特征在于，所述垂直气动动态加载系统(2)包括双向气动作动器(60)，双向气动作动器(60)内含激振器，用于驱动气动加载杆(17)工作，气动加载杆(17)下端的加载盒(75)用于对压力室系统(4)中加载杆(24)进行竖向加载；双向气动作动器(60)通过输气软管(74)与气压自动调节设备(16)连接，气压自动调节设备(16)通过第二管道(7)与压力控制系统(1)中气源(6)连接，气压自动调节设备(16)与数据采集-控制系统(71)电性连接，数据采集-控制系统(71)与计算机(15)之间通过以太网进行数据通讯，计算机(15)用于向数据采集-控制系统(71)发送动态加载的控制指令。

6.根据权利要求1所述的一种考虑动载和侧限的快速测量土水特征曲线的测试方法，其特征在于，所述顶盖(22)和冲刷凹槽底座(34)之间设有多个竖直的螺杆(26)，螺杆(26)上端通过螺母(23)、螺杆孔(69)与顶盖(22)顶部螺纹连接，螺杆(26)下端依次贯穿上底座(33)和冲刷凹槽底座(34)后通过螺母(23)、螺杆孔(69)与冲刷凹槽底座(34)底部螺纹连接，冲刷凹槽底座(34)底部设有底座垫(35)，底座垫(35)的高度大于螺杆(26)伸出冲刷凹槽底座(34)底部部分的高度。

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