CN113790995B - 一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置及方法，其特征在于：它包括圆柱箱、微波加热系统、喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、吸力量测系统、天平量测系统和旋转控制系统；通过圆柱箱和微波加热系统对土样进行密封和加热；通过喷雾加湿系统实现土体定量吸湿；通过蒸发量测试系统精准控制蒸发量；通过吸力量测系统和天平量测系统分别时时监测土体含水量和吸力变化；通过旋转控制系统加速土样水分迁移。本装置操作简便，控制精细，测量准确，实用性强，可为快速测定非饱和土土水特征曲线提供新的技术支持，同时也可用于日常教学工作。
Description
技术领域
本发明涉及土水特征曲线测量技术领域，特别涉及一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置及方法。
背景技术
在自然状态下，气候的变化如降雨入渗和蒸发作用等使土体经历过多次干湿循环作用，对非饱和土的水力-力学性质有着显著的影响，干湿循环作用引起的岩土工程灾害问题日益严重，造成巨大的生命财产损失。近些年来，针对干湿循环作用对非饱和土水力-力学性质的影响引起了大家特别的重视。
土水特征曲线(SWCC)被定义为基质吸力随重量含水量(或饱和度，体积含水率)变化的关系曲线，是非饱和土最重要的本构关系之一。它反映了土体在基质吸力作用下的持水能力，可以用于预测非饱和土渗透系数、变形模量及强度等重要参数，因此在非饱和土力学中有着非常重要的意义。目前实验测定非饱和土土水特征曲线的常见方法有简易蒸发法、压力板法、滤纸法和盐溶液法等，其中简易蒸发法仅使土样表面水分蒸发，导致土样内部含水量和基质吸力分布极不均匀，该方法只能得到脱湿曲线且测量可靠性较低；压力板法采用轴平移技术，将孔隙水压平移至零，直接通过孔隙气压的变化来控制基质吸力值，该方法存在两个方面的缺陷：一方面，每次加压后需要等待土样内气压稳定才能继续加压，而在较高气压时其稳定时间很长；另一方面，轴平移环境和自然环境中吸力存在差异，导致测量精度偏低；滤纸法需先获取滤纸的率定曲线，即建立滤纸含水率-基质吸力关系曲线，然后根据率定曲线推求土样含水量和对应基质吸力，该方法耗时较长、对操作人员的要求很高，且率定曲线的准确性、温度波动及天平精度误差将直接影响测量结果；盐溶液法通过不同的盐溶液控制环境湿度，从而达到控制土样基质吸力的目的，该方法需要多次取出不同土样称量以确认土样与水汽是否达到交换平衡，操作繁琐，测量误差大。综上所述，现有测试技术存在耗时、自动化水平低、数据采集不够精确、吸力平衡条件不易判断等缺点。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置及方法，以解决目前测量干湿循环下非饱和土土水特征曲线测量时间长、测量误差大的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置，包括圆柱箱、微波加热系统、喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、吸力量测系统、天平量测系统和旋转控制系统，所述圆柱箱内安装有吸力量测系统，所述吸力量测系统底部连接有天平量测系统，所述天平量测系统底部连接有旋转控制系统；所述圆柱箱内部与喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、微波加热系统连通。
进一步的改进，所述圆柱箱由双层真空玻璃与钢架拼接而成，分为上下两部分，所述上下两部分采用法兰圈连接；所述圆柱箱底部设有内、外环形开孔，且所述内、外环形开孔两侧分别设置有内滑轨和外滑轨；所述圆柱箱底部中心设有中心孔，所述中心孔处设有滚珠轴承。
进一步的改进，所述内、外环形开孔内分别嵌入有内活塞套和外活塞套，所述内活塞套和外活塞套上分别固定有内密封套、外密封套，所述内密封套、外密封套分别与内滑轨、外滑轨咬合。
进一步的改进，所述旋转控制系统包括电动机，所述电动机连接传动杆，所述传动杆上端连接转轴，所述转轴与圆柱箱底部的滚珠轴承焊接，且转轴与圆柱箱底部的滚珠轴承焊接处的两端用T形密封圈密封；所述传动轴上设置有转盘一和转盘二，所述转盘一在圆柱箱外部，所述转盘二在圆柱箱内部。
进一步的改进，所述天平测量系统包括天平底座，所述天平底座和转盘一通过螺栓固定，所述天平底座的上方连接托盘支撑杆，所述托盘支撑杆穿过环形开孔和转盘二进入圆柱箱内部与天平托盘连接。
进一步的改进，所述吸力量测系统包括张力计底座，所述张力计底座下端通过螺栓穿过天平托盘与转盘二固定；所述张力计底座的内部通过O型密封圈一固定有高量程张力计；所述张力计底座两侧设置有尾翼二，所述尾翼二通过螺栓固定有薄壁钢环，所述薄壁钢环的上端通过螺栓固定有尾翼一，所述尾翼一为环刀上的尾翼。
进一步的改进，所述T型密封圈为聚四氟乙烯塑料材质；所述托盘支撑杆与环形开孔之间通过向空隙内注入润滑油进行内密封。
进一步的改进，所述微波加热系统包括电磁波发生器、电磁波发射器、传输电缆、温控箱和温度计，所述电磁波发射器连通圆柱箱内部，并通过传输电缆与电磁波发生器电连接；所述温度计的测量端插入圆柱箱内部，显示端在圆柱箱外部；所述喷雾加湿系统包括超声波发生器、储水箱、蒸汽导管，所述超声波发生器固定于储水箱内，所述储水箱和圆柱箱通过蒸汽导管连通，所述蒸汽导管上设有蒸汽阀门和流量计；所述蒸发量测系统包括通风管，所述通风管左端连通圆柱箱底部，右端连通圆柱箱上部；所述通风管内部设置有天平二，所述天平二上放置有干燥剂；所述通风管上设有鼓风机，并且左、右两端分别设置有左阀门和右阀门。
一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置的实验方法，包括如下步骤：
S1：安装试验装置，检查气密性；
S2：制备土样阶段：按照预定干密度称取一定质量土样，制备环刀样，记录干土样质量md；打开圆柱箱上部，将环刀固定在张力计底座上，关闭圆柱箱上部，开始进行干湿循环试验；
S3：土样吸湿阶段：启动喷雾加湿系统一段时间，此时流量计水量为Δm1w，打开蒸汽阀，将水蒸气通入圆柱箱内，静置，直至天平一和高量程张力计读数稳定；打开通风管左阀门和鼓风机，同步打开通风管右阀门，直至天平一、天平二和高量程张力计读数不再变化，此时干燥剂增重Δm2w、土样质量m1w和张力计读数(ua-uw)w，关闭鼓风机与通风管左、右阀门，清零天平读数；计算此时土样含水量m3w＝(m1w-md+Δm1w-Δm2w)/2和基质吸力(ua-uw)w；ua表示孔隙气压，uw表示孔隙水压，(ua-uw)w表示吸湿过程基质吸力；
S4：重复所述步骤S3若干次得到吸湿过程的土水特征曲线；
S5：土样脱湿阶段：打开通风管左、右阀门和鼓风机，启动微波加热系统，使圆柱箱内温度上升至60～70℃，并同步启动旋转控制系统，直至天平一、天平二和高量程张力计读数不再变化，此时干燥剂增重Δm1d、土样质量m1d和张力计读数(ua-uw)d，关闭微波加热系统、旋转控制系统、鼓风机与通风管左、右阀门，天平读数清零；计算此时土样含水量m3w＝(m1d-md+Δm1d)/2和基质吸力(ua-uw)d；(ua-uw)d表示脱湿过程基质吸力；
S6：重复所述步骤若干次得到脱湿过程的土水特征曲线；
S7：联合步骤S3和S5所得的数据，将所述待测土样含水量为纵坐标，所述待测土样含水量为纵坐标，以待测土样的基质吸力为横坐标，绘制一次干湿作用下吸湿-脱湿全过程土水特征曲线；反复进行步骤S3和S6，直至达到目标干湿循环次数后，得到多次干湿循环下非饱和土土水特征曲线。
进一步的改进，所述步骤S3和步骤S6中土样含水量采用天平一和天平二双控取平均值方法确定，土样基质吸力取高量程张力计与土样达到水势平衡时的稳定值。
本发明的优点：
1.采用喷雾加湿系统、微波加热系统和旋转控制系统加速土样干燥和湿润阶段的水分均匀迁移，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；
2.采用天平量测系统和吸力量测系统分别测量土样含水量和基质吸力，减少了人员手动记录的误差和吸力平衡的误判，提高了试验的自动化水平；
3.采用天平量测系统和蒸发量测试系统双重监控土样含水量的变化，并取含水量平均值为土样最终含水量；采用吸力量测系统监控土样基质吸力的变化，并取基质吸力稳定值为土样最终基质吸力，显著提高了测量的精度与稳定性。
附图说明
图1为一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置结构示意图；
图2为微波加热系统结构示意图；
图3为吸力量测系统结构示意图；
图4为天平量测系统结构示意图；
图5为图1中圆柱箱下部A-A断面示意图；
图6为图5中B-B剖面示意图；
图7为图5中C-C剖面示意图。
图中：
1-1、圆柱箱；1-2、法兰圈；1-3、滚珠轴承；1-4、立柱；1-5、平台底座；1-6、内滑轨；1-7、外滑轨；2-1、电磁波发生器；2-2、电磁波发射器；2-3、传输电缆；2-4、温控箱；2-5、温度计；3-1、超声波发生器；3-2、储水箱；3-3、蒸汽导管；3-4、流量计；3-5、蒸汽阀门；4-1、通风管；4-2、干燥剂；4-3、天平二；4-4、鼓风机；5-1、高量程张力计；5-2、土样；5-3、环刀；5-4、张力计底座；5-5、O型密封圈一；5-6、隔离剂；5-7、薄壁钢环；5-8、尾翼一；5-9、尾翼二；6-1、天平一；6-1a、天平底座；6-1b、托盘支撑杆；6-1c、天平托盘；6-2、内密封套；6-3、外密封套；6-4、内活塞套；6-5、外活塞套；6-6、润滑油；6-7、O型密封圈二；6-8、滚珠圈；7-1、电动机；7-2、传动杆；7-3、转轴；7-4、转盘一；7-5、转盘二；7-6、T型密封圈。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
参考图1～4所示，一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置，包括圆柱箱1-1、微波加热系统、喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、吸力量测系统、天平量测系统和旋转控制系统；所述圆柱箱1-1内部与微波加热系统和吸力量测系统相连；所述圆柱箱1-1外部与喷雾加湿系统、蒸发量测试系统密封相连；所述圆柱箱1-1固定于立柱1-4上，且立柱1-4与平台底座1-5相连；所述天平量测系统穿过转盘二7-5一端与吸力量测系统相连，另一端固定于转盘一7-4上；所述旋转控制装置一端与圆柱箱1-1相连，另一端固定于平台底座1-5上。
参考图1、图5所示，所述圆柱箱1-1由双层真空玻璃与钢架拼接而成，分为上下两部分，且两部分采用法兰圈1-2连接；所述圆柱箱1-1底部设有内、外环形开孔，且开孔两侧分别设有内滑轨1-6和外滑轨1-7；所述圆柱箱1-1底部中心开孔处设有滚珠轴承1-3；所述滚珠轴承1-3与转轴7-3焊接在一起，并采用T型密封条7-6填充端部缝隙。
优选的，所述圆柱箱1-1内表面涂敷有电磁波反射材料。
参考图2所示，所述微波加热系统至少由电磁波发生器2-1、电磁波发射器2-2、传输电缆2-3、温控箱2-4和温度计2-5组成。
参考图1所示，所述喷雾加湿系统包括超声波发生器3-1、储水箱3-2、蒸汽导管3-3、流量计3-4和蒸汽阀门3-5；所述超声波发生器3-1固定于储水箱3-2顶部；所述储水箱3-2和圆柱箱1-1之间设有蒸汽导管3-3连接；所述蒸汽导管3-3上设有蒸汽阀门3-5和流量计3-4。
参考图1所示，所述蒸发量测试系统至少包括通风管4-1、干燥剂4-2、天平二4-3及鼓风机4-4；所述鼓风机4-4可加速通风管4-1和圆柱箱1-1内水分迁移；所述干燥剂4-2可吸收流经的水分；所述天平二4-3可称量干燥剂4-2增重。
如图3所示，所述吸力量测系统至少包括高量程张力计5-1、环刀5-3、张力计底座5-4、O型密封圈一5-5和薄壁钢环5-7；所述高量程张力计5-1通过O型密封圈一5-5固定于张力计底座5-4上；所述环刀5-3带有尾翼一5-8，且内壁附有允许水分穿越的微型孔；所述张力计底座5-4带有尾翼二5-9；所述尾翼一5-8和尾翼二5-9采用螺栓固定于薄壁钢环5-7上。
参考图4、图6～图7所示，所述天平量测系统至少包括天平一6-1、内密封套6-2、外密封套6-3、内活塞套6-4和外活塞套6-5；所述天平一6-1包括天平底座6-1a、托盘支撑杆6-1b和天平托盘6-1c；所述内密封套6-2和外密封套6-3分别与环形内滑轨1-6和外滑轨1-7咬合连接；所述内活塞套6-4和外活塞套6-5分别嵌入圆柱箱1-1底部环形内、外开孔内，并采用O型密封圈二6-7进行外密封；所述密封套固定于对应活塞套上，且活塞套与内、外滑轨间设有减阻滚珠圈6-8；所述托盘支撑杆6-1b自由穿越环形开孔，并在空隙内注入润滑油6-6进行内密封。
参考图1所示，所述旋转控制系统至少包括电动机7-1、传动杆7-2、转轴7-3、转盘一7-4和转盘二7-5；所述电动机7-1一端固定于平台底座1-5上，另一端与传动杆7-2相连；所述转盘一7-4与平台底座1-5采用螺栓连接；所述转盘二7-5与张力计底座5-4采用螺栓连接；所述转盘一7-4、转盘二7-5与转轴7-3和传动杆7-2同轴相连，并在电动机7-1驱动下发生旋转。
优选的，所述O型密封圈一5-5、O型密封圈二6-7和T型密封圈7-6选择耐磨性、耐高温和耐油性较好的聚四氟乙烯塑料。
参考图1～图7，本公开的第二发明目的提出一种采用如上所述的土水特征曲线试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、安装试验装置，并检查是否正常工作；与圆柱箱连接阀门是否关闭，密闭性是否完好，待确认无误后开始试验；
S2、制备土样阶段：按照预定干密度称取一定质量土样，采用分层压实方法制备环刀样，记录此时干土样质量md；然后打开圆柱箱上部，在张力计底座涂刷一层隔离剂，并将环刀固定在张力计底座上，关闭圆柱箱上部，开始进行如下的干湿循环试验；
S3、土样吸湿阶段：向储水箱加入一定量水；启动喷雾加湿系统一段时间，记录此时流量计水量为Δm1w，打开蒸汽阀，将水蒸气通入圆柱箱内，静置至少2h，直至天平一读数变化不大，且高量程张力计读数稳定，保证土样能够达到水汽平衡；打开通风管左阀门和鼓风机，将未冷凝的水蒸气通入通风管内，同步打开通风管右阀门加快水汽循环，直至天平一上干燥剂重量不再变化，且天平二上土样重量和高量程张力计读数不再变化，记录此时干燥剂增重Δm2w、土样质量m1w和张力计读数(ua-uw)w，关闭鼓风机与通风管左、右阀门，清零天平读数；计算此时土样含水量m3w＝(m1w-md+Δm1w-Δm2w)/2和基质吸力(ua-uw)w；重复上述步骤若干次得到吸湿过程的土水特征曲线；
S4、土样脱湿阶段：打开通风管左、右阀门和鼓风机，启动微波加热系统，使特制模型箱内温度上升至60～70℃，并同步启动旋转控制装置，直至天平一上干燥剂重量不再变化，且天平二上土样重量和高量程张力计读数不再变化，记录此时干燥剂增重Δm1d、土样质量m1d和张力计读数(ua-uw)d，关闭微波加热系统、旋转控制装置、鼓风机与通风管左、右阀门，天平读数清零；计算此时土样含水量m3w＝(m1d-md+Δm1d)/2和基质吸力(ua-uw)d；重复上述步骤若干次得到脱湿过程的土水特征曲线；
S5、联合步骤S3和步骤S4结果，以待测土样含水量为纵坐标，以待测土样的基质吸力为横坐标，绘制一次干湿作用下吸湿-脱湿全过程土水特征曲线；反复进行步骤S3和步骤S4，直至达到目标干湿循环次数后，得到多次干湿循环下非饱和土土水特征曲线。
所述步骤S3和步骤S4中土样含水量采用天平一和天平二双控取平均值方法确定，土样基质吸力取高量程张力计与土样达到水势平衡时的稳定值。
所述步骤S3中喷雾加湿系统产生的水雾快速均匀扩散至整个土样，从而实现土样的吸湿过程；所述步骤S4中微波加热系统、旋转控制系统采用升温和离心力双重驱动水分快速迁移，从而实现土样的脱湿过程。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示。
Claims (1)
1.一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置，其特征在于，包括圆柱箱、微波加热系统、喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、吸力量测系统、天平量测系统和旋转控制系统，所述圆柱箱内安装有吸力量测系统，所述吸力量测系统底部连接有天平量测系统，所述天平量测系统底部连接有旋转控制系统；所述圆柱箱内部与喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、微波加热系统连通；所述圆柱箱由双层真空玻璃与钢架拼接而成，分为上下两部分，所述上下两部分采用法兰圈连接；所述圆柱箱底部设有内、外环形开孔，且所述内、外环形开孔两侧分别设置有内滑轨和外滑轨；所述圆柱箱底部中心设有中心孔，所述中心孔处设有滚珠轴承；所述内、外环形开孔内分别嵌入有内活塞套和外活塞套，所述内活塞套和外活塞套上分别固定有内密封套、外密封套，所述内密封套、外密封套分别与内滑轨、外滑轨咬合；所述旋转控制系统包括电动机，所述电动机连接传动杆，所述传动杆上端连接转轴，所述转轴与圆柱箱底部的滚珠轴承焊接，且转轴与圆柱箱底部的滚珠轴承焊接处的两端用T型密封圈密封；所述传动杆上设置有转盘一和转盘二，所述转盘一在圆柱箱外部，所述转盘二在圆柱箱内部；所述天平量测系统包括天平底座，所述天平底座和转盘一通过螺栓固定，所述天平底座的上方连接托盘支撑杆，所述托盘支撑杆穿过环形开孔和转盘二进入圆柱箱内部与天平托盘连接；所述吸力量测系统包括张力计底座，所述张力计底座下端通过螺栓穿过天平托盘与转盘二固定；所述张力计底座的内部通过O型密封圈一固定有高量程张力计；所述张力计底座两侧设置有尾翼二，所述尾翼二通过螺栓固定有薄壁钢环，所述薄壁钢环的上端通过螺栓固定有尾翼一，所述尾翼一为环刀上的尾翼；所述T型密封圈为聚四氟乙烯塑料材质；所述托盘支撑杆与环形开孔之间通过向空隙内注入润滑油进行内密封；所述微波加热系统包括电磁波发生器、电磁波发射器、传输电缆、温控箱和温度计，所述电磁波发射器连通圆柱箱内部，并通过传输电缆与电磁波发生器电连接；所述温度计的测量端插入圆柱箱内部，显示端在圆柱箱外部；所述喷雾加湿系统包括超声波发生器、储水箱、蒸汽导管，所述超声波发生器固定于储水箱内，所述储水箱和圆柱箱通过蒸汽导管连通，所述蒸汽导管上设有蒸汽阀门和流量计；所述蒸发量测试系统包括通风管，所述通风管左端连通圆柱箱底部，右端连通圆柱箱上部；所述通风管内部设置有天平二，所述天平二上放置有干燥剂；所述通风管上设有鼓风机，并且左、右两端分别设置有左阀门和右阀门；
采用所述试验装置测定非饱和土土水特征曲线的实验方法，包括如下步骤：
S1：安装试验装置，检查气密性；
S2：制备土样阶段：按照预定干密度称取一定质量土样，制备环刀样，记录干土样质量md；打开圆柱箱上部，将环刀固定在张力计底座上，关闭圆柱箱上部，开始进行干湿循环试验；
S3：土样吸湿阶段：启动喷雾加湿系统一段时间，此时流量计水量为Δm1w，打开蒸汽阀，将水蒸气通入圆柱箱内，静置，直至天平一和高量程张力计读数稳定；打开通风管左阀门和鼓风机，同步打开通风管右阀门，直至天平一、天平二和高量程张力计读数不再变化，此时干燥剂增重Δm2w、土样质量m1w和张力计读数(ua-uw)w，关闭鼓风机与通风管左、右阀门，清零天平读数；计算此时土样含水量、基质吸力(ua -uw)w；ua表示孔隙气压，uw表示孔隙水压，(ua-uw)w表示吸湿过程基质吸力；
S4：重复步骤S3若干次得到吸湿过程的土水特征曲线；
S5：土样脱湿阶段：打开通风管左、右阀门和鼓风机，启动微波加热系统，使圆柱箱内温度上升至60～70℃，并同步启动旋转控制系统，直至天平一、天平二和高量程张力计读数不再变化，此时干燥剂增重Δm1d、土样质量m1d和张力计读数(ua-uw)d，关闭微波加热系统、旋转控制系统、鼓风机与通风管左、右阀门，天平读数清零；计算此时土样含水量和基质吸力(ua-uw)d；(ua-uw)d表示脱湿过程基质吸力；
S6：重复步骤S5若干次得到脱湿过程的土水特征曲线；
S7：联合步骤S3和S5所得的数据，将所述土样含水量为纵坐标，以土样的基质吸力为横坐标，绘制一次干湿作用下吸湿-脱湿全过程土水特征曲线；反复进行步骤S3和S5，直至达到目标干湿循环次数后，得到多次干湿循环下非饱和土土水特征曲线；
所述步骤S3和步骤S5中土样含水量采用天平一和天平二双控取平均值方法确定，土样基质吸力取高量程张力计与土样达到水势平衡时的稳定值。
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