CN203324134U

CN203324134U - 高精度土水特征曲线自动测量系统

Info

Publication number: CN203324134U
Application number: CN2013204061429U
Authority: CN
Inventors: 张华�; 高抗; 曹金露; 李茂�; 熊义
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-07-09

Abstract

一种高精度土水特征曲线自动测量系统，该系统包括：气压力供应源，压力室、排水称量系统和测量控制系统；本实用新型由于在压力室底部增设了螺旋沟冲水装置，从而消除了排水管内气泡对试样排水体积变化量的影响；采用GDS体积压力控制器作为气压力供应源，很大程度上增加了气压控制精度及智能化控压程度；采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，将调控与监测设备有机地结合在一起，实现了整个测试过程的全自动化，从而减小了测试过程中劳力的消耗，大大的提高工作效率；整套系统结构简单，制作与组装成本较低。

Description

高精度土水特征曲线自动测量系统

技术领域

本实用新型属于岩土工程技术领域，涉及非饱和土土水特征曲线的试验测试，具体为一种高精度土水特征曲线自动测量系统。

背景技术

在非饱和土力学理论中，土吸力与体积含水率或饱和度之间的关系曲线被定义为土水特征曲线。该曲线能够反映出土体的许多重要性质，如渗透性、体变、强度、应力状态等。因此，通过试验的手段获取土体的土水特征曲线对于掌握非饱和土的各项物理力学特性是至关重要的。

当前该领域的广泛应用的是Tempe仪测试法，该方法适用于测试基质吸力高达100kPa情况下的脱湿曲线。其具体做法是：将饱和土试样与饱和高进气值陶土板充分接触，陶土板下的底板上设有与大气相通的排水管，供土样排水之用，并保证土试样孔隙水压力为0。通过高压压缩空气向装有土样的容器施加一定的气压，通过压力表和气压调节阀控制孔隙气压力。压力表读出的压缩空气压力值也就是当前所施加的基质吸力值。在外加的基质吸力作用下，土样排水以达到土样内部的吸力平衡。当土样的排水体积不再变化时，表明土样内部的基质吸力与所施加的基质吸力达到平衡，压力表测得的压缩空气压力值也就是当前的土样的基质吸力值，同时通过称量试件和仪器重测定这一阶段土样含水量的变化。然后通过压力调节阀升高气压，重复上述操作。在施加完最后一级气压后，取出试样，通过烘干法测定试样含水量，根据上述步骤测定的试样和仪器重反算不同吸力值下对应的含水量值，并结合其相对应的稳定压力表读数（基质吸力）绘制出干燥段土水特征曲线。

采用上述方法与设备测试土水特征曲线存在以下弊端：

1、孔隙气压力的控制通过压力表和气压调节阀来实现，因而控制的精度不高，一般在10kPa左右。

2、无法避免溶解在水中孔隙气体经高进气值陶土板向外扩散这一现象对测试结果的影响。

3、在测试过程中需要多次读取记录天平和压力表读数，在判断吸力达到平衡后还要利用气压调节阀调节气压，整个测试周期持续的时间较长，且完全依靠人工进行控制，因此需要消耗大量的劳力，长时间利用肉眼的读数也会降低测试结果的准确度。

4、市场上该类型测试设备的价位普遍较高，因此利用该方法进行试验测试的成本较大。

发明内容

本实用新型的目的提供一种高精度土水特征曲线自动测量系统，能够克服现有测量装置及方法的缺陷，增大测量的精度，避免了扩散气泡对测试结果的影响，从而大大提高了试验测试的效率与测试结果准确度。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种高精度土水特征曲线自动测量系统，该系统包括：气压力供应源，压力室、排水称量系统和测量控制系统；

所述气压力供应源与压力室连接，为压力室提供气体压力源；

所述压力室内由上至下设有进气孔、用于放置待测试样的空腔、用于固定陶土板的凹槽和螺旋沟冲水槽，所述螺旋沟冲水槽的内端设有进水口，外端连接排水口；

所述排水称量系统包括称重天平和其上设置的水份收集瓶，水份收集瓶通过排水管连接到排水口；

所述测量控制系统包括与气压力供应源和称重天平通过串口线连接的PC机。

所述排水称量系统中还设有气泡收集装置，包括水槽、排气泡管道和倒置于水槽内的气泡收集瓶，排水管的中段设有三通阀门，排气泡管道的一端连接三通阀门，另一端置于气泡收集瓶内。

所述水份收集瓶上还设有瓶塞，排水管穿过瓶塞进入瓶内，瓶塞上还设有针尖使得瓶内与大气相通。

所述气压力供应源为GDS体积压力控制器，其通过管道连接到压力室的进气孔。

所述压力室为圆柱状结构，采用有机玻璃制成。

本实用新型的气压力供应源与传统的测试系统中利用压力表和气压调节阀调控压缩机提供的压缩空气作为气体压力源不同，该系统采用GDS体积压力控制器作为气压力控制源，其优点是：

1）气压控制精度高。它采用先进的闭合回路微处理器控制压力，可以调节压力精确到1kPa，而传统的压力表和气压调节阀控制精度普遍在10kPa左右。

2）自动化程度高。拥有高速USB2.0兼容接口，可与PC机对接利用程序实现PC机自动控制压力和读取压力值。

本实用新型气压力供应源通过压力室的进气孔为待测试样施加气压，使得试样在该压力值下进行脱水，脱去的水分透过放有高进气值陶土板的凹槽后进入螺旋沟冲水槽，再通过排水管进入水份收集瓶，称量排出水的质量。另外，由于压力室中气体溶于水后向外扩散容易产生气泡，会对试验结果产生影响，本压力室内设置螺旋沟冲水槽，并将螺旋沟冲水槽的内端连接进水口，外端连接排水口，当试样在某一压力值土壤的吸力达到平衡时，可以将进水口接通水源，通过排水管将螺旋沟冲水槽内的水及气泡排入气泡收集装置中，对排水体积变化量进行修正，从而消除排水管内气泡在测量时对试样排水体积变化量的影响。

另外，本实用新型的测量控制系统包括与气压力供应源和称重天平通过串口线连接的PC机，PC机采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，通过控制面板自定义测试条件后实现测试过程中的数据自动采集及气压力自动控制，它是实现整个测试过程全自动化的核心。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是压力室的结构示意图

图3是图2的A-A面剖视图。

图4是本实用新型测控系统的工作流程图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本实用新型包括：气压力供应源1，压力室2、排水称量系统和测量控制系统；

所述气压力供应源1与压力室2连接，为压力室提供气体压力源；

所述压力室2内由上至下设有进气孔21、用于放置待测试样的空腔22、用于固定陶土板的凹槽23和螺旋沟冲水槽24，所述螺旋沟冲水槽24的内端连接进水口25，外端连接排水口26；

所述排水称量系统包括称重天平3和其上设置的水份收集瓶4，水份收集瓶4通过排水管41连接到排水口26；

所述测量控制系统包括与气压力供应源1和称重天平3通过RS232串口连接的PC机7。

所述排水称量系统中还设有气泡收集装置5，包括水槽51、排气泡管道53和倒置于水槽内的气泡收集瓶52，排水管41的中段设有三通阀门6，排气泡管道53的一端连接三通阀门6，另一端置于气泡收集瓶52内。

所述水份收集瓶4上还设有瓶塞42，排水管41穿过瓶塞42进入瓶内，瓶塞42上还设有针尖使得瓶内与大气相通。

所述气压力供应源1为GDS体积压力控制器，其通过管道连接到压力室2的进气孔21。

所述压力室2为圆柱状结构，采用有机玻璃制成。其顶部的进气孔孔径为5mm，空腔为半径27mm，高21mm的圆柱状，用于安放待测试样，凹槽的高度为8mm，半径为21.5mm，用于固定高进气值的陶土板。凹槽下为深度为3mm，半径为4mm螺旋沟冲水槽。

所述的天平3采用称量精度为0.001g的梅特勒PL301天平。

本实用新型的测量控制系统采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，通过控制面板自定义测试条件后实现测试过程中的数据自动采集及气压力自动控制，它是实现整个测试过程全自动化的核心。整个测控系统的工作流程如图4所示。

下面举例说明测试流程：

首先将高进气值陶土板和待测试样分别转入压力室中，然后将螺旋沟冲水槽24内注满水，完成准备工作。

在虚拟仪器控制界面上输入气压加载条件：初始气压值5kPa，增值梯度1kPa，终了气压值50kPa。同时输入判别条件：天平判定值为0.005g，读数间隔为10分钟，系统判别间隔为12小时。即在12小时时间间隔内天平读数变化小于或等于0.005g时即可判定达到土样吸力平衡条件。测试开始时，GDS体积压力控制器施加5kPa的初始气压值，在该压力值的作用下饱和土样开始脱水，脱去的水分透过高进气值陶土板后经排水管运输进入排水称量系统中的水分收集烧瓶，高精度天平即时显示水分收集烧瓶的质量变化，并每隔10分钟将其值传递给控制界面。在第12小时，系统自动将此刻的质量值与第0小时的质量值进行比较，若其差值小于0.005g，系统判定压力室内土壤的吸力达到平衡，并在数据采集表中自动记录该时刻的天平读数及气压值。系统随即控制GDS体积压力控制器施加下一级气压。本测试过程中，为了避免压力室内气体溶于水后向外扩散的气泡对测试结果的影响，需定期利用冲水槽将排水管里的扩散气泡冲入气泡收集装置。

即当试样在某一压力值土壤的吸力达到平衡时，可以将进水口25接通水源，通过排水管41将螺旋沟冲水槽内的水及气泡排入气泡收集装置5中，对排水体积变化量进行修正，从而消除排水管内气泡在测量时对试样排水体积变化量的影响。

本实用新型由于采用了以上技术方案，在压力室底部增设了螺旋沟冲水装置，从而消除了排水管内气泡对试样排水体积变化量的影响；采用GDS体积压力控制器作为气压力供给源，很大程度上增加了气压控制精度及智能化控压程度；采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，将调控与监测设备有机地结合在一起，实现了整个测试过程的全自动化，从而减小了测试过程中劳力的消耗，大大的提高工作效率；整套系统结构简单，制作与组装成本较低。

Claims

1.一种高精度土水特征曲线自动测量系统，其特征在于，该系统包括：气压力供应源（1），压力室（2）、排水称量系统和测量控制系统；

所述气压力供应源（1）与压力室（2）连接，为压力室提供气体压力源；

所述压力室（2）内由上至下设有进气孔（21）、用于放置待测试样的空腔（22）、用于固定陶土板的凹槽（23）和螺旋沟冲水槽（24），所述螺旋沟冲水槽（24）的内端连接进水口（25），外端连接排水口（26）；

所述排水称量系统包括称重天平（3）和其上设置的水份收集瓶（4），水份收集瓶（4）通过排水管（41）连接到排水口（26）；

所述测量控制系统包括与气压力供应源（1）和称重天平（3）通过串口线连接的PC机（7）。

2.根据权利要求1所述的高精度土水特征曲线自动测量系统，其特征在于：所述排水称量系统中还设有气泡收集装置（5），包括水槽（51）、排气泡管道（53）和倒置于水槽内的气泡收集瓶（52），排水管（41）的中段设有三通阀门（6），排气泡管道（53）的一端连接三通阀门（6），另一端置于气泡收集瓶（52）内。

3.根据权利要求1所述的高精度土水特征曲线自动测量系统，其特征在于：所述水份收集瓶（4）上还设有瓶塞（42），排水管（41）穿过瓶塞（42）进入瓶内，瓶塞（42）上还设有针尖使得瓶内与大气相通。

4.根据权利要求1所述的高精度土水特征曲线自动测量系统，其特征在于：所述气压力供应源（1）为GDS体积压力控制器，其通过管道连接到压力室（2）的进气孔（21）。

5.根据权利要求1所述的高精度土水特征曲线自动测量系统，其特征在于：所述压力室（2）为圆柱状结构，采用有机玻璃制成。