CN113176391A - 土壤测试装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种土壤测试装置，该土壤测试装置包括：试样容器、应力加载组件、位移测量组件、吸力控制组件与水量测量组件，试样容器形成有容纳腔体及位于容纳腔体底部的流道，容纳腔体被配置为容纳土壤试样；应力加载组件与试样容器对应设置，被配置为对试样容器中的土壤试样沿预设方向加载预设应力；位移测量组件与试样容器对应设置，被配置为测量试样容器中的土壤试样沿预设方向的厚度变化；吸力控制组件与流道连通，被配置为对试样容器中的土壤试样施加预设基质吸力；水量测量组件与吸力控制组件连接，被配置为测量吸力控制组件中的水质量。本公开提供的土壤测试装置，能够对土壤的水力特性进行较高精度的测试。

Description

土壤测试装置

技术领域

本公开涉及岩土工程测量技术领域，具体而言，涉及一种土壤测试装置。

背景技术

随着我国近年来经济的快速发展，高速公路、高速铁路、超高层建筑等一系列基础设施建设在国内大规模的开展。这些基础设施大多建设于非饱和土的土壤场地上，研究非饱和土的水力学特性是保障其良好服役性能的关键。

因此，需要提供一种土壤测试装置，以对非饱和土的水力学特性进行较高精度的测试。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种土壤测试装置，能够对土壤的水力特性进行较高精度的测试。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种土壤测试装置，该土壤测试装置包括：

试样容器，形成有容纳腔体及位于所述容纳腔体底部的流道，所述流道与所述容纳腔体连通，所述容纳腔体被配置为容纳土壤试样；

应力加载组件，与所述试样容器对应设置，被配置为对所述试样容器中的土壤试样沿预设方向加载预设应力；

位移测量组件，与所述试样容器对应设置，被配置为测量所述试样容器中的土壤试样沿所述预设方向的厚度变化；

吸力控制组件，与所述流道连通，被配置为对所述试样容器中的土壤试样施加预设基质吸力；

水量测量组件，与所述吸力控制组件连接，被配置为测量吸力控制组件中的水质量。

在本公开的一种示例性实施例中，所述土壤测试装置还包括：

气泡冲刷组件，与所述流道连通，被配置为冲刷所述流道中的气泡。

在本公开的一种示例性实施例中，所述气泡冲刷组件包括：

注射器，与所述流道的进口连通，用于向所述流道注射冲刷剂；

排气器，与所述流道的出口连通，用于容纳所述流道冲刷出的液体，且将冲刷出的气泡能够通过排气孔排出。

在本公开的一种示例性实施例中，所述试样容器包括：

底板；

固定环，设于所述底板上，与所述底板配合形成具有一敞开端的所述容纳腔体；

其中，所述底板与所述容纳腔体对应位置形成有所述流道，所述流道的进口与出口通过所述底板的引出。

在本公开的一种示例性实施例中，所述试样容器还包括位于所述容纳腔体中的：

进气层，设于所述底板上；

过滤层，设于所述进气层背离所述底板的一侧，土壤试样设于所述进气层与所述过滤层之间；

透水层，设于所述过滤层背离所述底板的一侧；

顶盖，设于所述透水层背离所述底板的一侧。

在本公开的一种示例性实施例中，所述土壤测试装置还包括：

支架组件，所述支架组件设于所述底板上，所述应力加载组件设于所述支架组件上。

在本公开的一种示例性实施例中，所述应力加载组件包括：

驱动机构；

定位杆，与所述驱动机构的驱动端连接，所述驱动机构能够驱动所述定位杆沿所述预设方向进行移动，以对所述试样容器中的土壤试样沿所述预设方向加载预设应力。

在本公开的一种示例性实施例中，所述位移测量组件包括：

位移计，设于所述定位杆上，与所述定位杆同步移动，以测量所述试样容器中的土壤试样沿所述预设方向的厚度变化。

在本公开的一种示例性实施例中，所述吸力控制组件包括：

密封容器，与所述流道连通，所述密封容器上设有泄压口；

真空机，与所述密封容器连接，用于调整所述密封容器内的真空度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述水量测量组件包括：

测重设备，所述密封容器设于所述测重设备上。

本公开提供的土壤测试装置，通过吸力控制组件能够对试样容器中的土壤试样的基质吸力进行精确控制，通过水量测量组件能够对试样容器中的土壤试样的水量进行精确测量；通过吸力控制组件与水量测量组件降低了因环境温湿度变化产生的含水量测试误差，消除了低吸力状态下封闭气相对试验过程中土体基质吸力精确控制的影响；通过应力加载组件能够对试样容器中的土壤试样的施加预设加载力，通过应力加载组与吸力控制组件，解决了现有压力板仪在施加不同基质吸力状态时，因试样容器内气压改变对加载杆传递竖向应力的影响；通过位移测量组件，能够精确测量试样容器中的土壤试样沿预设方向的厚度变化；土壤测试装置可以开展非饱和土在低基质吸力下的侧限压缩固结、不同应力状态下的土水特征曲线、增/减湿变形等试验，提高了土壤测试装置的实用性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。在附图中：

图1为本公开的一种实施例提供的土壤测试装置的示意图；

图2为本公开的一种实施例提供的试样容器、应力加载组件、位移测量组件与支架组件的示意图；

图3为本公开的一种实施例提供的试样容器的示意图；

图4为本公开的一种实施例提供的气泡冲刷组件与试样容器的示意图；

图5为本公开的一种实施例提供的气泡冲刷组件、吸力控制组件与水量测量组件的示意图；

图6为本公开的一种实施例提供的底板的示意图；

图7为本公开的一种实施例提供的不同应力状态下非饱和土的土水特征曲线；

图8为本公开的一种实施例提供的非饱和土的湿陷变形曲线；

图9为本公开的一种实施例提供的不同基质吸力下非饱和土侧限压缩曲线。

附图标记说明：

10、试样容器，110、底板，120、陶土板，130、环刀试样，140、透水石，150、顶盖，160、固定环，170、容纳腔体，180、流道；

20、应力加载组件，210、气缸，220、活塞，230、加载杆，240、定位杆，250、第二阀口，260、第一阀口；

30、位移测量组件，310、电子位移传感器，320、传感器触头；

40、吸力控制组件，410、密封容器，420、真空机，430、卸压口，440、压力表；

50、水量测量组件，510、称，520、托盘；

60、气泡冲刷组件，610、注射器，620、排气器；

70、支架组件，710、第一支杆，720、第二支杆，730、密封环，740、定位板；

810、第一开关阀门，820、第二开关阀门，830、第三开关阀门，840、第四开关阀门，850、第五开关阀门。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

土壤中的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。

发明人发现，非饱和土的压缩固结特性反映土体在不同荷载和含水量条件下的变形，是基础设施地基沉降控制设计的重要参数。例如，已有高层建筑因非饱和地基土的负荷和含水量变化导致压缩固结，进而建筑体产生过大裂缝、倾斜等工程问题时有发生。不同应力状态下非饱和土的增/减湿土水特征曲线反映土体的持水能力，可用于分析场地土体的渗透特性。例如，非饱和土的增湿持水特性是用于计算高速公路和铁路地基在降雨条件下水分时空分布规律的必要参数，为后续非饱和土地基的变形和稳定性分析提供基础。不同应力状态下非饱和土的增/减湿变形试验反映土体的湿陷或膨胀变形特性。例如，在我国黄土或膨胀土地区进行基础设施建设的第一步是对场地非饱和土的湿陷或膨胀性进行准确评估。但是，现有的土壤测试装置，无法精确地研究出非饱和土的水力学特性。

土体在非饱和状态下孔隙中存在气液两相介质，不同基质吸力条件下，该两相介质的连通状态不同。在低基质吸力下，由于含水量较高，土体孔隙中气液两相的连通状态为液连通但气不连通；在中基质吸力下，由于含水量适中，土体孔隙中气液两相均处于连通状态；在高基质吸力下，由于含水量较低，土体孔隙中气液两相的连通状态为液不连通但气连通。

目前，测试非饱和土水力特性的装置多采用轴平移技术控制土体的基质吸力。其基本原理为通过高进气值陶土板控制土体恒定的孔隙水压力，进而通过改变孔隙气压的方法控制基质吸力。然而，该种控制基质吸力方法仅适用于中或高基质吸力状态—即土体孔隙中气相处于连通状态。对于低基质吸力状态，因土体孔隙中气相处于非连通状态，通过改变孔隙气压的方法难以精准控制土体的基质吸力。

另外，现有非饱和土测试装置因施加较高的气压，在试验过程中容器内不可避免的会有气体溶于水中并随之排出，积累在陶土板下方的水槽中形成封闭气泡，这些气泡的形成极大影响土体含水量测量的准确性；进一步的，在施加不同基质吸力的过程中，试样容器内改变的气压值对加载杆传递的竖向应力会起到抵消/增强作用，需要计算调整相应的竖向应力加载值，造成试验操作复杂。此外，现有非饱和土测试装置均价格高昂，阻碍了广泛使用。

针对上述的技术问题，本公开的实施例提供了一种土壤测试装置，如图1-图6所示，该土壤测试装置包括：试样容器10、应力加载组件20、位移测量组件30、吸力控制组件40与水量测量组件50。试样容器10形成有容纳腔体170及位于容纳腔体170底部的流道180，流道180与容纳腔体170连通，容纳腔体170被配置为容纳土壤试样(例如非饱和土试样)；应力加载组件20与试样容器10对应设置，被配置为对试样容器10中的土壤试样沿预设方向加载预设应力；位移测量组件30与试样容器10对应设置，被配置为测量试样容器10中的土壤试样沿预设方向的厚度变化；吸力控制组件40与流道180连通，被配置为对试样容器10中的土壤试样施加预设基质吸力；水量测量组件50与吸力控制组件40连接，被配置为测量吸力控制组件40中的水质量。

本公开提供的土壤测试装置，通过吸力控制组件，能够对试样容器中的土壤试样的基质吸力进行精确控制，通过水量测量组件能够对试样容器中的土壤试样的水量进行精确测量；通过吸力控制组件与水量测量组件降低了因环境温湿度变化产生的含水量测试误差，消除了低吸力状态下封闭气相对试验过程中土体基质吸力精确控制的影响；通过应力加载组件能够对试样容器中的土壤试样的施加预设加载力，通过应力加载组与吸力控制组件，解决了现有压力板仪在施加不同基质吸力状态时，因试样容器内气压改变对加载杆传递竖向应力的影响；通过位移测量组件，能够精确测量试样容器中的土壤试样沿预设方向的厚度变化；土壤测试装置可以开展非饱和土在低基质吸力下的侧限压缩固结、不同应力状态下的土水特征曲线、增/减湿变形等试验，提高了测试装置的实用性。

此外，本公开提供的土壤测试装置生产制造周期短，涉及的装置测试原理明确，结构简单，操作简便，安装测试便捷，成本低，实用性强，具有较高的市场竞争性。

具体地，如图1和图4所示，土壤测试装置还包括：气泡冲刷组件60。气泡冲刷组件60与流道180连通，被配置为冲刷流道180中的气泡。通过气泡冲刷组件60，能够排除气泡影响试验测试土体含水量的精确度，从而提高非饱和土水力特性的测试精确度。

具体地，如图3和图6所示，试样容器10包括：底板110和固定环160，固定环160设于底板110上，与底板110配合形成具有一敞开端的容纳腔体170。

其中，固定环160可通过螺杆与底板110连接，底板110可设置凸起的安装部位，固定环160设置在凸起的安装部位上，固定环160上设置通孔或与螺杆匹配的螺纹孔，底板上设置螺纹孔，螺杆插入固定环160上的通孔或螺纹孔以及底板上额螺纹孔，将固定环160固定在底板110上。此外，固定环160还可通过焊接、粘接、卡接等方式与底板110连接，本公开对此不做限制。

其中，底板110与容纳腔体170对应位置形成有流道180，流道180的进口与出口通过底板110的引出。流道可为连续的一条或并列的设置多条，流道180的进口与出口可分别设置一个，或者设置多个，本公开对此均不作限制。

其中，如图3和图6所示，位于容纳腔体170中的流道180通过从底板110上凹陷形成，即流道180类似沟槽裸露在容纳腔体170中，位于固定环160以外的流道180埋设于底板110中。

其中，如图6所示，流道180为连续的一条时，位于容纳腔体170中的流道180呈连续的S形排布，当然，流道也可呈直线或它形状弯曲形状排布；流道为多条时，多条流道可呈直线平行排布，或呈弯曲状平行排布，或无规则排布。

其中，流道的深度与宽度例如可为1mm-3mm，例如1mm、2mm或3mm，本公开在此不一一列举。当然，流道的深度与宽度也可小于1mm或3mm，流道的深度与宽度可根据实际情况进行设定本公开对此不做限制，本公开对此不做限制。

其中，流道180的进口与出口可从底板110的侧壁上，或底板110的表面上引出。进口与出口可分别设置一个或多个，多条流道可共用同一出口或进口。

其中，从裸露在容纳腔体170中的流道180与埋入底板110的流道180可通过过孔连通。裸露在容纳腔体170中的流道180的两端可分别通过一条或更多条埋入底板110的流道180引出。

其中，底板110上的流道180可通过铸造、打磨等工艺形成。底板110的材料可为金属或非金属，金属材料例如可为铁、铜、铝或其合金材料，非金属材料例如可为塑料、橡胶等，底板110的材料为疏水材料即可，本领域技术人员可根据实际需要进行选取，本公开对此不做限制。

其中，底板110在于通纳空间对应的位置通过凹陷形成有凹槽，凹槽的深度为6mm-10mm，例如6mm、7mm、8mm、9mm或10mm，本公开在此不一一列举。当然，凹槽的深度也可小于6mm或大于10mm，本公开对此不做限制。

其中，凹槽的直径可为60mm-100mm，例如60mm、70mm、80mm、90mm或100mm，本公开在此不一一列举。当然，凹槽的直径也可小于60mm或大于100mm，本公开对此不做限制。

其中，凹槽可为侧壁可为直壁，也可为具有角度的斜壁，本公开对此不做限制。

具体地，如图3所示，试样容器10还包括位于容纳腔体170中的：进气层120、过滤层(图中未示出)、透水层140和顶盖150，进气层设于底板110上，过滤层设于进气层120背离底板110的一侧，测试时非饱和土试样(环刀试样130)设于进气层120与滤纸之间，透水层140设于过滤层背离底板110的一侧，顶盖150设于透水层140背离底板110的一侧。通过高进气值进气层120可控制土体恒定的孔隙水压力，进而通过改变孔隙气压的方法控制基质吸力。过滤层可对环刀试样130的水分进行过滤。透水层140可容纳环刀试样130通过过滤层流出的水分。

其中，进气层120可为陶土板。陶土板又称之陶板，可以天然陶土为主要原料，不添加任何其它成分，经过高压挤出成型、低温干燥并经过1200℃-1250℃的高温烧制而成。

其中，过滤层可为滤纸。滤纸可由棉质纤维组成，表面有无数小孔可供液体粒子通过，而体积较大的固体粒子则不能通过，使得混合在一起的液态及固态物质能够分离。

其中，透水层140可为透水石。透水石是生态透水混凝土的固态表现形式系采用水泥、水、透水砼增强剂掺配高质量的同粒径或间断级配骨料所组成的，并具有一定空隙率的混合材料，具有良好的吸水排水性能。

其中，陶土板的形状和大小与容纳空间的形状和大小匹配，陶土板放入容纳空间中的底板110上时，陶土板与固定环160之间间隙较小，位于预设范围内。陶土板位于凹槽内，采用胶水密封与凹槽四周侧壁之间的间隙，例如采用环氧树脂胶水。

具体地，如图4所示，气泡冲刷组件60包括：注射器610和排气器620。注射器610通过管路与流道180的进口连通，排气器620通过管路与流道180的出口连通。注射器610通过加注用于冲刷出气泡的液体，对流道180进行冲刷，从而将流道180中带气泡的水冲刷到排气器620的容器中，排气器620的容器上设有排气孔，冲刷出的气体能够通过排气孔排出。

如图1、图4和图5所示，气泡冲刷组件60与吸力控制组件40共用管路与流道180连通，流道180上设置第一开关阀门810、第二开关阀门820、第三开关阀门830和第四开关阀门840。通过气泡冲刷组件60对流道180中的气泡进行冲刷时，打开第一开关阀门810和第三开关阀门830，关闭第二开关阀门820和第四开关阀门840，使注射器610、流道180和排气器620串联起来，阻断吸力控制组件40与流道180的连通。气泡冲刷组件60可每隔24小时对气泡进行1次冲刷，极大的降低陶土板底部产生的气泡对吸排水的影响。

当然，气泡冲刷组件60与吸力控制组件40分别设置管路与流道180连通，在气泡冲刷组件60与吸力控制组件40分别与流道180连通的出口和进口处设置开关阀门即可。

具体地，应力加载组件20包括：驱动机构和定位杆240，定位杆240与驱动机构的驱动端连接，驱动机构能够驱动定位杆240沿预设方向进行移动，以对试样容器10中的非饱和土试样沿预设方向加载预设应力。

如图1和图2所示，测试装置还包括：支架组件70，支架组件70设于底板110上，应力加载组件20设于支架组件70上。支架组件70包括多个第一支杆710，多个第一用于支撑驱动机构，以使驱动机构与底板110相对固定设置，从而使驱动机构与底板110之间距离维持一固定值，进而使得驱动机构容纳腔体170之间的距离维持一固定值，以保证应力施加的精确度，提高测试精度。

其中，如图2所示，驱动机构为压力气缸210，气缸210中设有活塞220，定位杆240与活塞220连接，通过活塞220在气缸210的移动，从而带动定位杆240移动。活塞220将气缸210分离为上气缸210和下气缸210，通过上气缸210和下气缸210的排气或加气，以驱动活塞220在气缸210中移动。当定位杆240受力后移动时，可提前将上气缸210与下气缸210的气压通过进出气口释放与外界环境气压相同，从而使定位杆240带动活塞220移动，精确地测量出非饱和土试样沿预设方向的厚度变化。

示例的，压力气缸210还可包括加载杆230，加载干与活塞220连接，气缸210的直径可为100mm，高度可为180mm，活塞220通过加载杆230与下部定位杆240连接。上气缸210的第一阀口260与外部空压机供压源连接，为气缸室提供均匀的气压，加载杆230在不同的压力值下对下部非饱和土试样提供不同的竖向应力。卸压取样时，气压源对下气缸210的第二阀口250供压，使气缸210内密活塞220的下部压力值大于上部的压力值，进而向上提升加载杆230，便于试样的称取。

此外，驱动机构还可为电机，电机的驱动轴与定位杆240连接，以驱动定位杆240能够进行往复运动。本领域技术人员还可采取其它类型的位驱动机构，凡是涉及驱动机构的变换，均属于本公开的保护范围。

其中，多个第一支杆710可为伸缩杆，通过调整第一支杆710的高度，从而调整驱动机构与容纳腔体170之间的距离。

其中，第一支杆710可与底板110通过焊接、螺纹连接、铆接等方式连接在一起。第一支杆可为金属材料，例如铁、铝、铜或其合金，第一支杆也可为非金属材料，例如硬质塑料等。本领域技术人员可根据需要进行选择，凡是涉及第一支杆材料的变换，均属于本公开的保护范围。

其中，第一支杆710可设置四个，在底板110上均匀分布，形成对驱动机构的稳定支撑。当然，第一支杆也可设置二个、三个、五个或更多个，以形成对驱动机构的支撑，本公开对此不做限制。

其中，第一支杆710可为螺纹柱，第一支杆710的一端与驱动机构通过螺栓固定连接在一起；底板110上设置螺纹孔，第一支杆710的另一端与底板110螺纹连接。

此外，第一支杆710也可与底板110放置于工作台上，支架组件70固定在工作台上。

其中，如图2所示，定位杆240与顶盖150抵接，对顶盖150支架挤压力，定位杆240与顶盖150抵接的部位可设置定位结构，以使定位杆240与顶盖150精确接触，避免产生左右移动的情况。示例的，可在定位杆240的端部设置凹陷部，在顶盖150上设置凸起部，凹陷部与凸起部配合，形成定位杆240与顶盖150抵接的定位。其中，凹陷部与凸起部可呈半球形，也可呈三角形或矩形等形状，本公开对此不做限制。

如图2所示，位移测量组件30包括：位移计，设于定位杆240上，与定位杆240同步移动，以测量试样容器10中的非饱和土试样沿预设方向的厚度变化。

其中，如图2所示，支架组件70还包括定位板740和多个第二支杆720，多个第二支杆720用于支撑定位板740，定位板740可与底板110相对平行设置，定位板740上设有定位孔，定位杆240可通过定位孔伸向容纳空间，通过定位孔的设置以提升定位杆240上下移动时的稳定性。位移计设置在定位板远离底板110一侧的定位杆240上，位移计的测量端头与定位板抵接，当位移计跟随定位杆240移动时，测量端头与定位板之间的挤压力会发生变化，从而获取定位杆240移动的距离，从而可以确定量试样容器10中的非饱和土试样沿预设方向的厚度变化。

其中，位移计例如可为电子位移计，电子位移传感器310内部可由初级线圈和次级线圈，以及移动铁芯组成。初级线圈输入稳定的正弦波激励信号，当传感器触头320前后移动时，带动铁芯，使初级线圈和次级线圈间的互感发生变化，次级感应线圈输出幅值随之变化的正弦波信号。采集此正弦波幅值，即可得知触头移动距离。当然，位移计还可为机械位移计，通过测量端头与定位板之间的挤压力大小，改变弹簧的弹力，从而改变指针的位置，通过指针的位置可读取测量端头位移的大小，或读取位移相关数据，通过计算获取测量端头位移的大小。本领域技术人员还可采取其它类型的位移计，凡是涉及位移计的变换，均属于本公开的保护范围。

其中，多个第二支杆720可为伸缩杆，通过调整第二支杆720的高度，从而调整位移计与定位板之间的距离。位移计也可位置可调整的设置在定位杆240上。

其中，第二支杆720可与底板110通过焊接、螺纹连接、铆接等方式连接在一起。第二支杆720可为金属材料，例如铁、铝、铜或其合金，第二支杆720也可为非金属材料，例如硬质塑料等。本领域技术人员可根据需要进行选择，凡是涉及第二支杆720材料的变换，均属于本公开的保护范围。

其中，第二支杆720可设置四个，在底板110上均匀分布，形成对驱动机构的稳定支撑。当然，第二支杆720也可设置二个、三个、五个或更多个，以形成对驱动机构的支撑，本公开对此不做限制。

此外，第二支杆720也可与底板110放置于工作台上，支架组件70固定在工作台上。

其中，如图2所示，支架组件70还包括密封环730，密封环730设置在底座上，固定环160位于密封环730中，密封环730与定位板以及底板110围合形成密闭空间，以使容纳空间位于密闭空间内，从而使非饱和土试样整个试验过程在密闭环境下进行，避免了水分蒸发对试验结果的影响，提高了测试的精确度。

其中，密封环730呈圆柱筒状，可通过焊接、粘接等方式与定位板以及底板110密封连接。密封环730可为金属材料，例如铁、铝、铜或其合金，密封环730也可为非金属材料，例如硬质塑料等。

其中，第二支杆720的长度可为185mm的螺纹柱，定位板与第二支杆720的一端通过螺栓连接，密封环730与定位板之间可设置橡胶材质的密封圈，通过调整定位板在第二支杆720的位置，以使密封环730与定位板通过密封圈密封连接；底板110上设有螺纹孔，第二支杆720的另一端通过螺纹孔与底板110固定连接。

具体地，吸力控制组件40包括：密封容器410和真空机420，密封容器410与流道180连通，密封容器410上设有泄压口430；真空机420与密封容器410连接，用于调整密封容器410内的真空度。

其中，真空机420与密封容器410通过管路连接，该管路上可设置第五开关阀门850，通过第五开关阀门850的开度大小控制抽气速率。密封容器410可设置压力表440和泄压口430，通过压力表440可实时获取密封容器410内的压力，通过泄压口430可使密封容器410内的压力与外界环境的压力一致。

其中，密封容器410的材料例如可为非金属材料，例如塑料、橡胶等，还可为金属材料，例如铝、铜等。示例的，密封容器410可为亚克力密封桶。

其中，密封容器410的形状可为圆柱形、矩形、球形或不规则等形状，本公开对此不做限制。

其中，密封容器410的直径可为固定环160直接的5倍以上。密封容器410的直径例如可为400mm，密封容器410高度可为30mm。当然，密封容器410的直径可为固定环160直接的5倍以下，例如4.5倍；密封容器410的直径例如还可为350mm、450mm、500mm等，密封容器410高度还可为25mm、35mm、40mm等，本公开对此不做限制。

示例的，本公开通过采用直径为400mm的密封容器410，当密封容器410内液面高度降低1mm，减少水的质量为125.6克，采用的环刀体积为76.93cm³(直径70mm，高度20mm)，因此，在整个试验过程中桶内液面的高度下降值远小于1mm；当桶内液面高度降低1mm，因液面下降的压强减少值为0.0098kPa，与本装置试验基质吸力改变量最小单位1kPa相比，误差小于0.98％，满足试验要求。同时，由于水气化的真空度为-100kPa，因此为了避免水的气化，真空机420的相对气压量程设定为0kPa至-80kPa。

其中，连接流道180的管路可接在密封容器410的侧壁上，泄压口430也可设置在密封容器410的侧壁上。当然，连接流道180的管路可接在密封容器410的顶部，泄压口430也可设置在密封容器410的顶部。

如图1和图5所示，当密封容器410需与流道180连通时，关闭第一开关阀门810和第三开关阀门830，打开第二开关阀门820和第四开关阀门840。

如图1和图5所示，水量测量组件50包括：测重设备，密封容器410设于测重设备上，可反映环刀试样130的吸排水状况。

其中，测重设备可包括称510与托盘520，托盘520设于称510上，密封容器410设于托盘520，通过称510可获取密封容器410的重量，从而可以获取到密封容器410中水的质量，进而可以获取到密封容器410中水质量的变化大小。

此外，水量测量组件50也可为体积测量设备，例如当密封容器410为规则的圆柱形式，通过体积测量设备测量密封容器410中水的体积，即液面高度，即可间接的获取到密封容器410中水的质量，进而可以获取到密封容器410中水质量的变化大小。本领域技术人员还可通过选取其它水量测量组件测量密封容器410中水的质量，本公开对此不做限制。

具体地，本公开提供的土壤测试装置对基质吸力的控制按如下公式进行：

s＝u_a-u_w

其中，s为基质吸力，u_a是孔隙气压力，u_w是孔隙水压力，与传统和改进的压力板仪不同的是，该装置通过改变环刀土样孔隙水压力的大小来实现基质吸力的改变，土样的孔隙气压力始终保持为标准大气压值，101.325kPa。

本公开提供的土壤测试装置对孔隙水压力的控制采取土样中部与亚克力密封桶液面高程水头相同，通过调整压力水头实现改变孔隙水压力的原理，按如下公式进行：

u_w＝P₀

其中，P₀为液面压强，通过真空机控制。

本公开提供的土壤测试装置可被用于但不限于以下试验研究：

(1)非饱和土在控制低基质吸力状态下的侧限压缩固结试验，探究不同基质吸力条件下土体的压缩特性；

(2)非饱和土在不同应力状态下的持水特性，进而探究非饱和土的渗透性、抗剪强度、持水系数等参数；

(3)非饱和土在不同应力状态增/减湿变形试验，探究土体在增加含水量条件下的变形特性，特别的，在增湿至饱和状态下的湿陷和膨胀特性。

具体地，在控制基质吸力下非饱和土的侧限压缩固结试验测试中，本公开提供的土壤测试装置的具体操作方法如下：

在土样制备后，将土样放置于试样容器内，根据本公开控制基质吸力的原理：孔隙气压力保持为常数，通过真空机控制不同的负压改变土样的孔隙水压力，进而施加设定的基质吸力，同时，使用电子位移计监测土样体积的变化。在土样吸排水稳定后，分级施加竖向应力，根据精密电子天平秤和电子位移计的读数，测定土样在不同竖向应力状态下稳定后的体积变化，确定如图7所示的非饱和土样在控制基质吸力状态下的孔隙比(e)-竖向荷载(p)曲线。

具体地，在控制基质吸力状态下非饱和土的湿陷变形试验研究中，本公开提供的土壤测试装置的具体操作方法如下：

在土样制备后，将土样放置于试样容器内，根据本公开控制基质吸力的原理：孔隙气压力保持为常数，通过真空机控制不同的负压改变土样的孔隙水压力，进而施加设定的基质吸力，同时，使用电子位移计监测土样体积的变化。当采用单线法时，分级施加竖向应力至200kPa下沉变形稳定后，关闭真空机并恢复亚克力密封桶内的气压至外界大气压，使土样中部与右部亚克力密封桶液面在水头差为0的条件下饱和，根据精密电子天平秤和电子位移计的读数，测定饱和土样在竖向应力为200kPa状态下稳定后的湿陷变形量，确定如图8所示的非饱和土样在控制基质吸力状态下的孔隙比(e)-竖向荷载(p)曲线。

具体地，在不同应力状态下非饱和土的持水特性试验研究中，本公开提供的土壤测试装置的具体操作方法如下：

在土样制备后，将土样放置于试样容器内，施加竖向应力，打开阀门，使亚克力密封桶中的无汽水与饱和陶土板相通，使土样中部与右部亚克力密封桶液面在水头差为0的条件下饱和，同时，使用电子位移计监测土样体积的变化。在土样饱和后，孔隙气压力保持为常数，真空机控制不同的负压改变土样的孔隙水压力，进而改变基质吸力，根据精准电子天平秤读数，测定不同基质吸力状态下土样的体积含水量。在整个试验过程中，每隔24小时使用气泡冲刷系统对陶土板底部进行冲刷，避免气泡对试验结果的影响，确定如图9所示的非饱和土样在控制基质吸力状态下的孔隙比(e)-竖向荷载(p)曲线。

本公开提供的土壤测试装置，可用于岩土工程中非饱和土在低基质吸力下的水-力特性试验研究和工程设计参数测试。它主要由五部分组成：应力加载组件、试样容器、气泡冲刷组件、吸力控制组件和水量测量组件。该测试装置具体可用于测试非饱和土在控制低基质吸力状态下的侧限压缩固结特性、不同应力状态下非饱和土增/减湿过程中的持水特性以及不同应力状态下非饱和土增/减湿变形特性。该测试装置原理明确，功能齐全，构造简单，操作方便，造价便宜，可成为非饱和土相关试验研究和工程设计参数测试的有力工具。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种土壤测试装置，其特征在于，包括：

试样容器，形成有容纳腔体及位于所述容纳腔体底部的流道，所述流道与所述容纳腔体连通，所述容纳腔体被配置为容纳土壤试样；

应力加载组件，与所述试样容器对应设置，被配置为对所述试样容器中的土壤试样沿预设方向加载预设应力；

位移测量组件，与所述试样容器对应设置，被配置为测量所述试样容器中的土壤试样沿所述预设方向的厚度变化；

吸力控制组件，与所述流道连通，被配置为对所述试样容器中的土壤试样施加预设基质吸力；

水量测量组件，与所述吸力控制组件连接，被配置为测量吸力控制组件中的水质量。

2.根据权利要求1所述的土壤测试装置，其特征在于，所述土壤测试装置还包括：

气泡冲刷组件，与所述流道连通，被配置为冲刷所述流道中的气泡。

3.根据权利要求2所述的土壤测试装置，其特征在于，所述气泡冲刷组件包括：

注射器，与所述流道的进口连通，用于向所述流道注射冲刷剂；

排气器，与所述流道的出口连通，用于容纳所述流道冲刷出的液体，且将冲刷出的气泡能够通过排气孔排出。

4.根据权利要求1所述的土壤测试装置，其特征在于，所述试样容器包括：

底板；

固定环，设于所述底板上，与所述底板配合形成具有一敞开端的所述容纳腔体；

其中，所述底板与所述容纳腔体对应位置形成有所述流道，所述流道的进口与出口通过所述底板的引出。

5.根据权利要求4所述的土壤测试装置，其特征在于，所述试样容器还包括位于所述容纳腔体中的：

进气层，设于所述底板上；

过滤层，设于所述进气层背离所述底板的一侧，土壤试样设于所述进气层与所述过滤层之间；

透水层，设于所述过滤层背离所述底板的一侧；

顶盖，设于所述透水层背离所述底板的一侧。

6.根据权利要求4所述的土壤测试装置，其特征在于，所述土壤测试装置还包括：

支架组件，所述支架组件设于所述底板上，所述应力加载组件设于所述支架组件上。

7.根据权利要求1所述的土壤测试装置，其特征在于，所述应力加载组件包括：

驱动机构；

定位杆，与所述驱动机构的驱动端连接，所述驱动机构能够驱动所述定位杆沿所述预设方向进行移动，以对所述试样容器中的土壤试样沿所述预设方向加载预设应力。

8.根据权利要求7所述的土壤测试装置，其特征在于，所述位移测量组件包括：

位移计，设于所述定位杆上，与所述定位杆同步移动，以测量所述试样容器中的土壤试样沿所述预设方向的厚度变化。

9.根据权利要求1所述的土壤测试装置，其特征在于，所述吸力控制组件包括：

密封容器，与所述流道连通，所述密封容器上设有泄压口；

真空机，与所述密封容器连接，用于调整所述密封容器内的真空度。

10.根据权利要求9所述的土壤测试装置，其特征在于，所述水量测量组件包括：

测重设备，所述密封容器设于所述测重设备上。

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