CN114062131B - 一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法 - Google Patents

一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114062131B
CN114062131B CN202111318894.5A CN202111318894A CN114062131B CN 114062131 B CN114062131 B CN 114062131B CN 202111318894 A CN202111318894 A CN 202111318894A CN 114062131 B CN114062131 B CN 114062131B
Authority
CN
China
Prior art keywords
soil sample
air
sliding
soil
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111318894.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114062131A (zh
Inventor
李岚星
胡新丽
梁劲
张洪华
张海燕
黄悦庭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Geosciences
Original Assignee
China University of Geosciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Geosciences filed Critical China University of Geosciences
Priority to CN202111318894.5A priority Critical patent/CN114062131B/zh
Publication of CN114062131A publication Critical patent/CN114062131A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114062131B publication Critical patent/CN114062131B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0003—Steady
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0019—Compressive
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/022—Environment of the test
    • G01N2203/0236—Other environments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025—Geometry of the test
    • G01N2203/0252—Monoaxial, i.e. the forces being applied along a single axis of the specimen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明提供一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法，该压缩仪包括温湿度控制系统、土样压缩系统、应力‑应变测控系统、多通道数据采集系统；温湿度控制系统包括空气压缩机、干燥空气流量控制机构、湿润空气流量控制机构、空气干燥机构、空气增湿机构、空气混合器、环境箱；土样压缩系统包括伺服电机、丝杆、传动涡轮、传动蜗杆、滑动传压板、滑动升降板、轴向加压架、支承单元；应力‑应变测控系统包括压力传感器、位移传感器、定位板；多通道数据采集系统包括多个不同量程的模拟采集通道。该压缩仪能准确测试非饱和土干湿路径不同吸力状态的无侧限抗压强度与流变参数。该装置采用上述测试方法可使试验过程更方便实施。

Description

一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法
技术领域
本发明属于土力学领域，尤其涉及一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法。
背景技术
非饱和状态的土体与人类日常活动密切相关，公路、房屋等设施很多是在非饱和土体上修建的，非饱和土的力学性能与建筑结构的整体性能密切相关。土体往往是在饱和状态和非饱和状态之间相互转化的，造成这种转化的根本原因是土中含水量的变化。自然界中土干湿过程主要是自然蒸发和降雨，土中的水从土中蒸发，使土体的含水量降低逐渐；降雨入渗等原因使土体的含水率不断升高，逐渐达到饱和状态。土体遭受循环往复的不同环境变化的影响，常年处于干湿循环的状态，对非饱和土的强度产生不可视的影响，导致土体的抗剪强度参数衰减。
目前吸力对土体力学性质的影响已经进行了较多研究，诸多科研院所已经有许多仪器探究控制吸力下土体抗剪强度劣化规律，但这些仪器多集中在直接剪切试验或三轴剪切试验中，这些仪器造价较高，且吸力控制所需的零部件费用较高。
发明内容
为提高非饱和土的力学性能试验的准确性，降低试验难度，并提高非饱和土的力学性能试验的成本，本发明提供一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪，包括土样压缩系统、湿度控制系统、应力-应变测控系统和多通道数据采集系统；
所述土样压缩系统包括环境箱和轴向加压架，环境箱固定于底座上，轴向加压架包括两光杆和一压杆，两光杆均穿过环境箱固定连接于所述底座上，压杆两端连接于两光杆上端；
环境箱内设有滑动传压板和滑动升降板，滑动传压板和滑动升降板两端均可滑动的套于两光杆上，两光杆上还设有两锁紧组件，两锁紧组件将滑动传压板两端锁紧于两光杆上；待测试的土样位于滑动传压板和滑动升降板之间，底座内设有伺服电机和丝杆，丝杆穿过底座，丝杆上端抵住滑动升降板底部，其下端通过传动机构与伺服电机相连，伺服电机转动带动滑动升降板上升或下降，从而对土样加压；
所述湿度控制系统包括并联设置的干燥空气输入管和湿润空气输入管，燥空气输入管和湿润空气输入管入口端设有一三通接头，三通接头于空气压缩机相连，干燥空气输入管出口端和湿润空气输入管出口端均连接于空气混合器上，空气混合器通过快速气动接头连接于环境箱上，干燥空气输入管上依次设有第一流量调节器和空气干燥机构，湿润空气输入管上依次设有第二流量调节器和空气增湿机构，调节第一流量调节器和第二流量调节器的流量即可控制环境箱内湿度；
应力-应变测控系统包括压力传感器和位移传感组件，压力传感器位于滑动传压板和压杆之间，压力传感器上端抵住压杆，下端抵住滑动传压板，压力传感器感测滑动传压板传递至其的压力；位移传感器组件位于滑动传压板和滑动升降板之间，位移传感器感测滑动传压板和滑动升降板的相对位移；
多通道数据采集系统包括多通道数据采集器以及与多通道数据采集器相连的温湿度传感器和含水率传感器，温湿度传感器位于环境箱内，温湿度传感器实时感测环境箱内的温度和湿度，含水率传感器位于滑动升降板上，且插入待测试的土样下端，含水率传感器实时感测待测试的土样的含水率。
进一步地，连接丝杆和伺服电机的传动机构包括传动涡轮和传动蜗杆，传动蜗杆与伺服电机输出轴相连，传动蜗杆与传动涡轮及丝杆啮合。
进一步地，所述空气干燥机构包括多个填充有干燥剂的干燥管，所有干燥管均串联于所述干燥空气输入管上。
进一步地，所述空气增湿机构包括串联设置的加湿管，每个加湿管内均装有蒸馏水；每一加湿管内设有一进气软管和一出气软管，进气软管的入口和出气软管出口均连接于湿润空气输入管上，进气软管的出口连接多孔玻璃球泡，多孔玻璃球泡位于蒸馏水内，出气软管的入口位于蒸馏水水面以上。
进一步地，所述空气混合器包括三通球体，三通球体具有两入口和一出口，三通球体的两入口分别与干燥空气输入管和湿润空气输入管相连，三通球体的出口与环境箱相连，三通球体的两入口处均设有止逆阀。
进一步地，所述环境箱上还设有一快速气动接口，快速气动接口与空气混合器的出口相连，快速气动接口与空气混合器的出口之间还设有一风扇。
进一步地，所述位移传感组件包括定位板和位移传感器，定位板固定于滑动传压板上，位移传感器固定于滑动升降板上，位移传感器和定位板滑动连接，位移传感器用于二者的相对滑动距离。
进一步地，所述环境箱内还设有温控模块，温控模块控制环境箱内温度。
本发明还提供一种基于控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，该方法用于进行非饱和土无侧限抗压强度测试，该方法包括以下步骤：
S1：制备土样：
按照国标标准制备土样，所述土样为圆柱形；
S2：安装土样：
将土样两端抹上一层凡士林；将土样底部正中心挖出一安装孔，将土样按在滑动升降板上固定，且使使含水率传感器插入土样，升高滑动升降板，使土样上端与滑动传压板接触，并将压力传感器和位移传感器示数归零；
S3：调节境箱内温、湿度，使土样达到吸力平衡，并计算土样吸力；
启动空气压缩机和温控模块，调节第一手动流量阀、第二手动流量阀将进入装置内的空气调至合适的气压与流量；使环境箱内温度和湿度调节到试验需求阈值；实时监测含水率传感器的读数，直至土样的体积含水率达到稳定；结合平衡状态下的相对湿度与温度，根据以下开尔文公式计算土样吸力：
Figure BDA0003344528340000041
式中：ψ为土的总吸力(kPa)，R为通用气体常量(8.314J/(mol·K))，T为绝对温度(K)，υw0为水的比容(m3/kg)，ωv为水蒸气的摩尔质量(18.016kg/mol)，RH为空气的相对湿度；
S4：进行土样的无侧限抗压强度测试
土样达到设定的吸力平衡状态后，继续控制恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；将滑动传压板锁定，控制滑动升降板匀速压缩土样，直至土样破坏或达到标准规定的应变；试验过程中实时记录压力传感器、位移传感器的数据；根据记录的数据绘制应力-应变曲线，确定土样的无侧限抗压强度。
本发明的有益效果在于：该装置使压缩空气以一定的流速分别通过空气干燥机构和空气增湿机构后在空气混合器内均匀混合；通过干燥空气流量控制机构与湿润空气流量控制机构、温湿度传感器、温控模块、计算机等对混合空气的相对湿度和温度进行全自动控制，并将恒定相对湿度的空气不断注入环境箱中，使土样试件在各级设定的相对湿度与温度条件下达到吸力平衡状态(即土样达到设计的干湿路径或吸力平衡状态)；通过伺服电机、丝杆、传动涡轮、传动蜗杆、滑动传压板、滑动升降板、轴向加压架等对土样开展等吸力压缩试验(控制吸力状态下匀速压缩)或松弛试验(控制吸力状态下轴应变保持不变)，获取土样在干湿路径、不同吸力状态下的无侧限抗压强度、应力-应变曲线及流变参数；本装置操作简单、方便，可直接用于研究土样在干湿路径、不同吸力状态下的强度衰减特征；广泛用于各类涉及土力学基础理论的实际工程建设与科学研究领域。
该装置可将土样的吸力控制在其可能达到的最高值，测试范围比传统的基于轴平移技术等测试方法有显著提高，可为非饱和土力学基础理论与测试技术的研究提供重要的技术手段。该本装置结构简单、合理，且采用全自动控制，能确保测试结果的准确性。
该装置采用上述测试方法可使试验过程更方便实施，且能进一步提高测试结果的准确性。
附图说明
图1是本发明一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的结构示意图；
图2是图1中环境箱2内部的结构示意图；
图3是图1中加湿管13的内部结构示意图；
图4是图1中三通球体10的内部结构示意图；
其中：1、多通道数据采集器，2、环境箱，3、底座，4、空气混合器，5、空气干燥机构，6、空气增湿机构，7、干燥空气输入管，8、湿润空气输入管，9、手动调压阀，10、三通球体，11、止逆阀，12、干燥管，13、加湿管，14、多孔玻璃球泡，16、第一流量调节器，17、第二流量调节器，19、轴向加压架，20、有机玻璃罩，21、温湿度传感器，22、温控模块，23、快速气动接头，24、压力传感器，25、滑动传压板，26、定位板，27、位移传感器，28、土样，29、滑动升降板，30、丝杆，31、传动涡轮，32、传动蜗杆，33、伺服电机，34、含水率传感器，35、锁紧组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1至图4，本发明提供的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪，包括土样压缩系统、温湿度控制系统、应力-应变测控系统和多通道数据采集系统。
土样压缩系统包括环境箱2和轴向加压架19，环境箱2包括底座3和设置固定在底座3上的有机玻璃罩20，轴向加压架19包括两光杆和一压杆，两光杆均穿过环境箱2固定连接于所述底座3上，压杆两端分别连接于两光杆上端，且压杆位于环境箱2上方，环境箱2内设有滑动传压板25和滑动升降板29，滑动传压板25和滑动升降板29两端均可滑动的套于两光杆上，其中滑动传压板25位于滑动升降板29上方，两光杆上还设有两锁紧组件35，两锁紧组件锁紧则滑动传压板25固定于两光杆上，两锁紧组件松开则滑动传压板25可沿两光杆上下滑动；待测试的土样28(土样38为圆柱状)位于滑动传压板25和滑动升降板29之间，所述底座3为空腔结构，底座3内设有伺服电机33和丝杆30，丝杆30穿过底座3，丝杆30中部与底座3通过螺纹连接，其上端抵住滑动升降板29底部，其下端通过传动机构与伺服电机33相连，伺服电机33可实现无级调速及正反方向的转动，伺服电机33转动即可带动丝杆30转动，从而带动滑动升降板29上升或下降，从而对土样28加压并控制压力大小。
具体地，本实施例中，伺服电机33与丝杆30之间的传动机构为传动涡轮31和传动蜗杆32，传动蜗杆32与伺服电机33输出轴相连，传动蜗杆32与传动涡轮31及丝杆30啮合，伺服电机33转动则通过传动涡轮31、传动蜗杆32带动丝杆转动。
湿度控制系统用于控制环境箱2内湿度，湿度控制系统包括并联设置的干燥空气输入管7和湿润空气输入管8，干燥空气输入管7和湿润空气输入管8入口端设有一三通接头，三通接头连接于空气压缩机上，干燥空气输入管7和湿润空气输入管8出口端均连接于空气混合器4上，空气混合器4通过快速气动接头23连接于环境箱2上，干燥空气输入管7上依次设有第一手动流量阀16和空气干燥机构5，空气干燥机构5包括多个干燥管12，每个干燥管12内均填充满干燥剂，湿润空气输入管8上依次设有第二手动流量阀17和空气增湿机构6，空气压缩机输送的空气经过干燥空气输入管7和湿润空气输入管8两个路径进入环境箱2内，空气干燥机构5干燥经过干燥空气输入管的空气，空气增湿机构6使经过干燥空气输入管7的空气保持湿润，第一流量调节器16、第二流量调节器17分别调节二者的流量，空气混合器4使干燥空气输入管7和湿润空气输入管8输入的空气混合，调节第一流量调节器16、第二流量调节器17的流量即可控制环境箱2内湿度。
进一步地，所述空气增湿机构6包括依次连接的多个加湿管13，每个加湿管内均加入一定体积的蒸馏水；每加湿管13内设有一进气软管和一出气软管，进气软管的入口和出气软管出口均连接于湿润空气输入管8上，进气软管的出口连接多孔玻璃球泡14，多孔玻璃球泡14位于蒸馏水内，出气软管的入口位于蒸馏水水面以上，湿润空气输入管8空气经过进气软管流入蒸馏水内，被蒸馏水湿润后经过出气软管流出，多孔玻璃球泡14使空气与蒸馏水充分接触，提高加湿管13加湿效果。
进一步地，所述空气混合器4包括三通球体10和分扇，三通球体10具有两入口和一出口，三通球体10的两入口分别与干燥空气输入管7和湿润空气输入管8相连，三通球体10的出口与环境箱相连，三通球体10具有两入口出均设有止逆阀11。空气混合器4出口与快速气动接口23相连，分扇位于快速启动接口23与空气混合器4的出口之间，分扇使三通球体10输出的湿润空气和干燥空气充分混合。
多通道数据采集系统包括多通道数据采集器1与多通道数据采集器1相连的多个传感器以及温控模块22，多通道数据采集器1与计算机相连，所述多通道数据采集器包括多个模拟采集通道，各通道增益可编程，输入量程为±10mV、±20mV、±30mV、±100mV、±200mV、±1V、±5V、±10V多种，通道可扩展，所述多通道数据采集系统另设有485数字采集通道，便于用于后续其他类型传感器的扩展。
具体地，多个传感器包括温湿度传感器21、压力传感器24和含水率传感器34。
其中，温湿度传感器21和温控模块22均设置于环境箱2内，温湿度传感器21感测环境箱2内温度和湿度，并将感测到的数据传递至计算机，计算机可实时读取环境箱2内空气的相对湿度，仪器操作人员可对箱内空气的相对湿度进行设定，计算机可根据相对湿度传感器21的读数自动对第一流量调节器16、第二流量调节器17发出条控指令，以控制干燥空气输入管7和湿润空气输入管8的流量，实现对环境箱2内空气相对湿度的实时控制；计算机还可对环境箱2内的控温模块22实时控制，使环境箱2内的空气温度保持在设定的数值范围内。
其中，含水率传感器34设置于滑动升降板29上并插入土样28底部，含水率传感器34实时测量土样28的含水率，并将其结果实时传输至计算机内。
应力-应变测控系统包括压力传感器24和位移传感组件，压力传感器24位于滑动传压板25和轴向加压架19的压杆之间，压力传感器24上端抵住压杆，下端抵住滑动传压板25，压力传感器24用于感测滑动传压板25传递至其的压力，该压力即为土样收到的载荷压力。
位移传感组件包括位移传感器27和定位板26，位移传感组件位于滑动传压板25和滑动升降板29之间，定位板26固定于滑动传压板25上，位移传感器27固定于滑动升降板29上，位移传感器27和定位板26滑动连接，位移传感器27用于位移传感器27相对感测定位板26滑动距离，从而达到感测土样在受压过程中的压缩量(即应变量)。
压力传感器24、位移传感器27均与多通道数据采集器1相连，压力传感器24、位移传感器27将感测到的数据实时传递至计算机。多通道数据采集器1还与伺服电机以及风扇相连，伺服电机以及风扇在计算机的控制下运转。
进一步地，所述空气压缩机与三通接头之间设有一手动调压阀9，手动调压阀9调节空气压缩机向干燥空气输入管7和湿润空气输入管8输入的总流量。
采用上述控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪进行非饱和土无侧限抗压强度测试，包括以下步骤：
S1：制备土样：
土样的制备方法参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)，土样形状圆柱体，其高度为80mm、直径为39.1mm；如开展脱水路径试验，土样需在试验前根据《土工试验方法标准》的相关标准进行饱和；如开展吸水路径试验，试验需在设定温度下风干至所需含水率。
S2：安装土样：
将土样28两端抹上薄薄一层凡士林；将土样28底部正中心参照含水率传感器34探头尺寸挖空一定深度，将土样28轻轻按在滑动升降板29上固定，升高滑动升降板29，使土样与滑动传压板25刚好接触，在计算机中将压力传感器24、位移传感器27的读数均调零。
S3：调节境箱内内温、湿度，使土样达到吸力平衡，并计算土样吸力：
启动空气压缩机，开启控温模块22，调节第一流量调节器16、第二流量调节器17将进入环境箱2内的空气调至合适的气压与流量；根据试验需求设定环境箱2内的温度与湿度阈值；实时监测含水率传感器34的读数，直至土样28的体积含水率达到稳定；结合平衡状态下的相对湿度与温度，根据以下开尔文公式计算土中吸力：
Figure BDA0003344528340000091
式中：ψ为土的总吸力(kPa)，R为通用气体常量(8.314J/(mol·K))，T为绝对温度(K)，υw0为水的比容(m3/kg)，ωv为水蒸气的摩尔质量(18.016kg/mol)，RH为空气的相对湿度。
S4：进行土样的无侧限抗压强度测试：
土样28达到设定的吸力平衡状态后，继续控制恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；将滑动传压板25锁定，通过计算机输入设定的压缩速度，控制滑动升降板29匀速压缩土样28，直至土样28破坏或达到标准规定的应变；试验过程中实时记录压力传感器24、位移传感器27的数据。据记录的传感器数据绘制应力-应变曲线，按照标准确定土样的无侧限抗压强度。
采用上述控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪进行非饱和土松弛试验，包括以下步骤：
S1-S3与上述非饱和土无侧限抗压强度测试一致。
S4：进行土样的松弛试验：
土样28达到设定的吸力平衡状态后，继续控制恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；将滑动传压板25锁定，通过计算机输入设定的应变值，控制滑动升降板29匀速且快速压缩土样28，直至土样28达到设定的应变值，计算机下指令，伺服电机33停止转动并自锁；试验过程中实时记录压力传感器24数据。可设置不同的初始应变值，据记录的传感器数据绘制多组应力松弛曲线；也可待应力衰减速率趋于稳定后，改变吸力状态，分析干湿循环下土样的流变参数变化特征。
采用上述控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪进行非饱和土长期强度的快速测定试验，包括以下步骤：
S1-S3与上述非饱和土无侧限抗压强度测试一致。
S4：快速测定土样的长期强度：
土样28达到设定的吸力平衡状态后，继续控制恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；将锁紧组件35松开，使滑动传压板25能上下自由滑动，通过计算机输入设定的应力值，控制滑动升降板29匀速且快速压缩土样28至设定的应力值，伺服电机33停止转动并自锁，记录压力传感器24随时间的降低以及位移传感器27随时间的变化，按所得的曲线确定蠕变方程的形式及其中的参数值；待压力传感器24读数稳定后，提高初始应力，重复上述过程；逐级提高初始应力，绘制稳定应力与稳定应变关系曲线，确定长期强度的大小。利用该装置及方法，可比常规蠕变试验时间要少许多。
本发明可用于测试各种土样在干湿路径、不同吸力状态下的无侧限抗压强度与流变参数、长期强度。可广泛用于各类涉及土力学基础理论的实际工程项目与科学研究领域。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即所有依本发明所揭示的精神的改进和变换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：包括土样压缩系统、湿度控制系统、应力-应变测控系统和多通道数据采集系统；
所述土样压缩系统包括环境箱和轴向加压架，环境箱固定于底座上，轴向加压架包括两光杆和一压杆，两光杆均穿过环境箱固定连接于所述底座上，压杆两端连接于两光杆上端；
环境箱内设有滑动传压板和滑动升降板，滑动传压板和滑动升降板两端均可滑动的套于两光杆上，两光杆上还设有两锁紧组件，两锁紧组件将滑动传压板两端锁紧于两光杆上；待测试的土样位于滑动传压板和滑动升降板之间，底座内设有伺服电机和丝杆，丝杆穿过底座，丝杆上端抵住滑动升降板底部，其下端通过传动机构与伺服电机相连，伺服电机转动带动滑动升降板上升或下降，从而对土样加压；
所述湿度控制系统包括并联设置的干燥空气输入管和湿润空气输入管，干燥空气输入管和湿润空气输入管入口端设有一三通接头，三通接头于空气压缩机相连，干燥空气输入管出口端和湿润空气输入管出口端均连接于空气混合器上，空气混合器通过快速气动接头连接于环境箱上，干燥空气输入管上依次设有第一流量调节器和空气干燥机构，湿润空气输入管上依次设有第二流量调节器和空气增湿机构，调节第一流量调节器和第二流量调节器的流量即可控制环境箱内湿度；
应力-应变测控系统包括压力传感器和位移传感组件，压力传感器位于滑动传压板和压杆之间，压力传感器上端抵住压杆，下端抵住滑动传压板，压力传感器感测滑动传压板传递至其的压力；位移传感器组件位于滑动传压板和滑动升降板之间，位移传感器感测滑动传压板和滑动升降板的相对位移；
多通道数据采集系统包括多通道数据采集器以及与多通道数据采集器相连的温湿度传感器和含水率传感器，温湿度传感器位于环境箱内，温湿度传感器实时感测环境箱内的温度和湿度，含水率传感器位于滑动升降板上，且插入待测试的土样下端，含水率传感器实时感测待测试的土样的含水率；
所述位移传感组件包括定位板和位移传感器，定位板固定于滑动传压板上，位移传感器固定于滑动升降板上，位移传感器和定位板滑动连接，位移传感器用于二者的相对滑动距离；
该方法用于进行非饱和土无侧限抗压强度测试，该方法包括以下步骤：
S1：制备土样：
按照国标标准制备土样，所述土样为圆柱形；
S2：安装土样：
将土样两端抹上一层凡士林；将土样底部正中心挖出一安装孔，将土样按在滑动升降板上固定，且使含水率传感器插入土样，升高滑动升降板，使土样上端与滑动传压板接触，并将压力传感器和位移传感器示数归零；
S3：调节环境箱内温、湿度，使土样达到吸力平衡，并计算土样吸力；
启动空气压缩机和温控模块，调节第一手动流量阀、第二手动流量阀将进入装置内的空气调至合适的气压与流量；使环境箱内温度和湿度调节到试验需求阈值；实时监测含水率传感器的读数，直至土样的体积含水率达到稳定；结合平衡状态下的相对湿度与温度，根据以下开尔文公式计算土样吸力：
Figure FDA0003899199500000021
式中：ψ为土的总吸力(kPa)，R为通用气体常量(8.314J/(mol·K))，T为绝对温度(K)，υw0为水的比容(m3/kg)，ωv为水蒸气的摩尔质量(18.016kg/mol)，RH为空气的相对湿度；
S4：进行土样的无侧限抗压强度测试
土样达到设定的吸力平衡状态后，继续控制恒温恒湿仓内的温度与相对湿度；将滑动传压板锁定，控制滑动升降板匀速压缩土样，直至土样破坏或达到标准规定的应变；试验过程中实时记录压力传感器、位移传感器的数据；根据记录的数据绘制应力-应变曲线，确定土样的无侧限抗压强度。
2.根据权利要求1所述的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：连接丝杆和伺服电机的传动机构包括传动涡轮和传动蜗杆，传动蜗杆与伺服电机输出轴相连，传动蜗杆与传动涡轮及丝杆啮合。
3.根据权利要求2所述的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：所述空气干燥机构包括多个填充有干燥剂的干燥管，所有干燥管均串联于所述干燥空气输入管上。
4.根据权利要求3所述的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：所述空气增湿机构包括串联设置的加湿管，每个加湿管内均装有蒸馏水；每一加湿管内设有一进气软管和一出气软管，进气软管的入口和出气软管出口均连接于湿润空气输入管上，进气软管的出口连接多孔玻璃球泡，多孔玻璃球泡位于蒸馏水内，出气软管的入口位于蒸馏水水面以上。
5.根据权利要求4所述的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：所述空气混合器包括三通球体，三通球体具有两入口和一出口，三通球体的两入口分别与干燥空气输入管和湿润空气输入管相连，三通球体的出口与环境箱相连，三通球体的两入口处均设有止逆阀。
6.根据权利要求5所述的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：所述环境箱上还设有一快速气动接口，快速气动接口与空气混合器的出口相连，快速气动接口与空气混合器的出口之间还设有一风扇。
7.根据权利要求1所述的一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪的测试方法，其特征在于：所述环境箱内还设有温控模块，温控模块控制环境箱内温度。
CN202111318894.5A 2021-11-09 2021-11-09 一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法 Active CN114062131B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111318894.5A CN114062131B (zh) 2021-11-09 2021-11-09 一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111318894.5A CN114062131B (zh) 2021-11-09 2021-11-09 一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114062131A CN114062131A (zh) 2022-02-18
CN114062131B true CN114062131B (zh) 2023-01-03

Family

ID=80274354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111318894.5A Active CN114062131B (zh) 2021-11-09 2021-11-09 一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114062131B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115979880B (zh) * 2022-11-25 2023-06-20 中国矿业大学 一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102706728B (zh) * 2012-05-21 2014-07-30 中国科学院武汉岩土力学研究所 多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置及其方法
CN103543066B (zh) * 2013-10-24 2015-08-12 山东大学 套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置及试验方法
CN203785966U (zh) * 2014-04-14 2014-08-20 北方燕盛工程技术有限公司 便携式岩石三轴压缩试验仪
CN106289979B (zh) * 2016-09-09 2019-01-15 中国地质大学（武汉） 非饱和土抗拉强度测试装置及测试方法
CN106969997A (zh) * 2017-04-05 2017-07-21 中国地质大学（武汉） 一种基于脱湿技术的多孔岩土体热物性参数测试系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN114062131A (zh) 2022-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107228794A (zh) 基于温控的干湿循环非饱和土三轴仪
CN114062131B (zh) 一种控制吸力的多功能非饱和土单轴压缩仪及其测试方法
CN106501093B (zh) 一种全自动土-水特征曲线压力板仪及其测试方法
CN106289979B (zh) 非饱和土抗拉强度测试装置及测试方法
CN110595936B (zh) 一种充湿条件下复合材料湿膨胀系数的测试装置及方法
CN102706728A (zh) 多功能循环施加吸力的非饱和土三轴试验装置及其方法
CN108872050A (zh) 一种综合环境模拟设备
CN108918602A (zh) 一种半导体气敏传感器性能测试系统及测试方法
CN109060631B (zh) 一种变水头渗透系数测量系统和测量方法
CN110068527A (zh) 一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试装置及其方法
CN110926945A (zh) 一种针对高强混凝土的拉伸徐变试验装置以及方法
CN201233393Y (zh) 实验室非饱和土基质吸力测定仪
CN111693361A (zh) 一种基于全流触探的土体强度测量装置
CN112945754B (zh) 一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的系统及方法
CN202599945U (zh) 一种可直接饱和土样的吸力精确控制型压力板仪
CN111610131B (zh) 一种土壤孔隙度无损测定装置及其方法
Badalyan et al. Development of an automated gas adsorption apparatus for the characterization of the surface area, pore size distribution, and density of powdered materials
CN111413263A (zh) 非饱和土水气运动联合测定三轴仪
CN110836799A (zh) 一种吸力控制型快速非饱和土试样制样控制系统及方法
CN217084964U (zh) 一种基于轴平移的土水特征曲线精确测量装置
CN206208684U (zh) 一种定量测定泥页岩结合水与力学参数的实验装置
CN112903424B (zh) 一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪
CN209311238U (zh) 一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪
CN110044686B (zh) 一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置
CN112394101A (zh) 一种木材表面干缩应变的在线检测方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant