CN206804650U - 一种土水特性曲线测试装置 - Google Patents

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程庆超
童富果
刘刚
李彪
田雯菁
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Abstract

本实用新型提供一种土水特性曲线测试装置,包括装样与集水系统、注水与加气循环系统和自动控制与采集系统;装样与集水系统包括装样容器和集水管,装样容器下端设置透水层,集水管的上端设置通气管,集水管下端连接第一电磁阀;注水与加气循环系统中,第二电磁阀和高压水瓶与第三电磁阀所在的管路并联;自动控制与采集系统中,第一压力传感器和第二压力传感器设置在装样容器的上下两端,压差传感器与集水管的上下两端连接,第一压力传感器、第二压力传感器和压差传感器与数据采集装置的端口连接,数据采集装置与计算机连接。该装置可以实现对饱和度与基质吸力关系曲线测试,同时可以实现土水特性曲线参数的反演以及试样渗出水量的精确测量。

Description

一种土水特性曲线测试装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及土木工程技术领域,特别涉及一种土水特性曲线测试装置。
背景技术
[0002]非饱和土水特性主要由土水特性曲线和相对渗透率函数表征,其中基质吸力与饱 和度的关系曲线称为土水特性曲线。
[0003]直接测量土的基质吸力和相应土水特性曲线的试验测试方法有很多种。根据试验 场地的不同,主要分为试验室方法和田间方法两种方式,试验室内测定基质吸力的方法主 要有张力计法、砂性漏斗法、压力板仪法、离心机法、滤纸法等,田间测定方法大都是用张力 计法与取土烘干法或时域反射计法相结合。
[0004]张力计测基质吸力的前提是假定土中气与大气是连通的,孔隙中气压力为大气压 力,由于•为孔隙压力,/V为孔隙水压力,pc为基质吸力,故认为基质吸力的值等 于负孔隙水压力值。张力计技术实质上是利用张力计直接测量土中负孔隙水压力。张力计 发明很大程度上推进了土水特征曲线量测研宄进程,但是土壤吸水过程是短暂的,往往张 力计很难捕捉到。
[0005]根据张力计测试基质吸力的原理,可知张力计理论上能够测出的最大负压为负的 一个大气压(-101 • 325ifPa),但实际上由于空化现象能测出的最大负压为-907fpa左右。而且 若土样和测量装置内的水不连续时,测试精度将受到很大影响。此外,对于可溶盐,陶瓷头 上并不能形成水气交界面(收缩膜),因此张力计不能直接用于测量含有可溶盐的土壤。 [0006]目前最主要测试基质吸力的方法是压力板伩法,相对于张力计来说,压力板仪同 样是假定土中气与大气是连通的,其测试原理是首先保持孔隙水压力为零,改变孔隙气压 力,根据试样渗出水量或土样质量的变化,来确定土样的含水率,而土样的基质吸力等于平 衡状态时施加的气压力值。
[0007] 采用上述传统方法直接测量土体土水特征曲线,要求试样在各级吸力作用下达到 平衡状态,测试时间长、操作复杂。对于试样渗出水量还是采用人工称量,再进行描点绘图, 这不仅会在视觉上造成一定的误差,而且无法实时监测试样渗出水量的变化,难以得到确 切的土水特性曲线函数。而且压力板仪法施加的压力不容易控制,容易出现误差。
发明内容
[0008] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种土水特性曲线测试装置,以实现对饱 和度与基质吸力关系曲线测试,同时可以实现土水特性曲线参数的反演,可以实现试样渗 出水量的精确测量。
[0009] 为解决上述技术问题,本实用新型所采用的技术方案是:一种土水特性曲线测试 装置,包括装样与集水系统、注水与加气循环系统和自动控制与采集系统;所述装样与集水 系统包括盛装土样的装样容器和设置在装样容器下端的集水管,装样容器下端设置透水 层,集水管的上端设置与大气连接的通气管,集水管下端连接第一电磁阀;所述注水与加气 循环系统包括空压机,空压机通过导管、第二电磁阀、高压水瓶、第三电磁阀与装样容器连 接,第二电磁阀和高压水瓶与第三电磁阀所在的管路并联;所述自动控制与采集系统包括 第一压力传感器、第二压力传感器、压差传感器以及数据采集装置以及计算机,第一压力传 感器和第二压力传感器分别设置在装样容器的上下两端,压差传感器分别与集水管的上下 两端连接,第一压力传感器、第二压力传感器和压差传感器与数据采集装置的端口连接,数 据采集装置与计算机连接。
[0010] 优选的方案中,所述自动控制与采集系统包括控制器,第一电磁阀、第二电磁阀、 第三电磁阀以及空压机通过控制器与计算机连接。
[0011] 优选的方案中,所述集水管上设置刻度。
[0012] 优选的方案中,所述透水层为海绵。
[0013] 优选的方案中,所述透水层为陶土板。
[0014] 优选的方案中,所述集水管下方设置集水容器。
[0015] 优选的方案中,所述通气管为水平“L”型。
[0016] 本实用新型提供的一种土水特性曲线测试装置,通过数据采集装置和计算机程序 实现对渗出水上下压力差的数据采集,从而实现对渗出水量的测量,摆脱了肉眼读取数据 的误差,测试精度有明显的提高,根据气压力以及渗水量可以换算出基质吸力和饱和度的 关系,同时根据选定的数学模型以及基质吸力和饱和度,利用计算机内置程序,可以实现土 水特性模型参数的反演。优选的方案中,设置的控制器,对于大样本试验,当出水量较大时, 能够通过第一电磁阀的循环放水进行持续测量,避免了天平称量时超量程需要倒水的弊 端。设置的陶土板,空隙较小,使整个装置可以在高压环境下测试。
附图说明
[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0018]图1是本实用新型的整体结构示意图。
[0019]图2是本实用新型的控制电路图。
[0020]图中:装样容器1,透水层2,集水管3,第一电磁阀4,集水容器5,第一压力传感器6, 第二压力传感器7,压差传感器8,通气管9,空压机10,第二电磁阀11,高压水瓶12,第三电磁 阀13,数据采集装置14,计算机15,控制器16。
具体实施方式
[0021]如图1〜2中,一种土水特性曲线测试装置,包括装样与集水系统、注水与加气循环 系统和自动控制与采集系统;所述装样与集水系统包括盛装土样的装样容器1和设置在装 样容器1下端的集水管3,装样容器1下端设置透水层2,集水管3下端连接第一电磁阀4;所述 注水与加气循环系统包括空压机10,空压机10通过导管、第二电磁阀U、高压水瓶12、第三 电磁阀13与装样容器1连接,第二电磁阀u和高压水瓶12与第三电磁阀13所在的管路并联; 所述自动控制与采集系统包括第一压力传感器6、第二压力传感器7、压差传感器8以及数据 采集装置14以及计算机is,第一压力传感器6和第二压力传感器7分别设置在装样容器丄的 上下两端,压差传感器8分别与集水管3的上下两端连接,集水管3的上端设置与大气连接的 通气管9,第一压力传感器6、第二压力传感器7和压差传感器8与数据采集装置14的端口连 接,数据采集装置14与计算机15连接。 _
[0022] 所述自动控制与采集系统包括控制器16,第一电磁阀4、第二电磁阀11、第二电磁 阀13以及空压机1〇通过控制器16与计算机I5连接。对于大样本试验,当出水量较大时,能够 通过第一电磁阀4的循环放水进行持续测量,避免了天平称量时超量程需要倒水的弊端。
[0023] 所述集水管3上设置刻度。可以方便对渗水量的粗略观察。
[0024] 所述透水层2为海绵。防止土样颗粒进入集水管3,起到过滤作用。
[0025] 所述透水层2为陶土板。陶土板的空隙较小,使整个装置可以在高压环境下测试。
[0026] 所述集水管3下方设置集水容器5。可以对集水管3放出的水进行收集。
[0027] 所述通气管9为水平“L”型。防止渗出水从通气管9渗出。
[0028] 具体使用时,本实施例工作过程如下:
[0029] 土样饱和,将土壤分层填筑于装样容器1中,首先接通空压机1〇,打开第二电磁阀 11,关闭第三电磁阀13,对试样进行饱和实验,集水管3内水量流速达到一个定值时,可认为 其试样已经饱和。
[0030] 土水特性曲线测试,切换第二电磁阀11与第三电磁阀13,对试样加气压,当试样上 端第一压力传感器6达到程序设定压力值时,自动关闭三电磁阀I3,通过计算机15程序记录 第一压力传感器6、第二压力传感器7压力值及其试样上下压力平衡的过程。在试样上下压 力差的驱动下,试样中有水渗出到集水管3内,由程序记录压差传感器8的变化过程,进而推 导出渗流水量的连续增长曲线;第一压力传感器6和第二压力传感器7压力传感器量程0〜 500kpa,压差传感器8量程0〜5kpa,对高压试验可更换高量程传感器。
[0031] 对于大样本试验,当集水管3内水量达到程序设定的压差值上限,控制器16控制第 一电磁阀4自动打开,水量达到程序设定的压差值下限,第一电磁阀4自动关闭,对第一电磁 阀4开与闭这段时间内水的增量进行补充,得到第一电磁阀4开闭一次的渗流水量曲线。根 据气压力与出水量得出基质吸力以及饱和度。
[0032]反演土水特性曲线参数,根据试验已得的气压力值与饱和度的关系,选择合适的 土水特性数学模型,反演出合适土水特性模型参数。
[0033]上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案,而不应视为对于本实用新型的限 制,本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案 中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本实用新型 的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:包括装样与集水系统、注水与加气循环系 统和自动控制与采集系统;所述装样与集水系统包括盛装土样的装样容器(1)和设置在装 样容器(1)下端的集水管(3),装样容器(1)下端设置透水层(2),集水管(3)的上端设置与大 气连接的通气管(9),集水管(3)下端连接第一电磁阀(4);所述注水与加气循环系统包括空 压机(10),空压机(10)通过导管、第二电磁阀(11)、高压水瓶(12)、第三电磁阀(13)与装样 容器⑴连接,第二电磁阀(11)和高压水瓶(12)与第三电磁阀(13)所在的管路并联;所述自 动控制与采集系统包括第一压力传感器(6)、第二压力传感器(7)、压差传感器(8)以及数据 采集装置(14)以及计算机(15),第一压力传感器(6)和第二压力传感器(7)分别设置在装样 容器(1)的上下两端,压差传感器(8)分别与集水管(3)的上下两端连接,第一压力传感器 (6)、第二压力传感器(7)和压差传感器(8)与数据采集装置(14)的端口连接,数据采集装置 (14)与计算机(15)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:所述自动控制与采 集系统包括控制器(16),第一电磁阀(4)、第二电磁阀(11)、第三电磁阀(13)以及空压机 (10)通过控制器(16)与计算机(15)连接。
3. 根据权利要求1所述的一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:所述集水管(3)上 设置刻度。
4. 根据权利要求1所述的一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:所述透水层(2)为
5. 根据权利要求1所述的一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:所述透水层(2)为 陶土板。
6. 根据权利要求1所述的一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:所述集水管(3)下 方设置集水容器(5)。
7. 根据权利要求1所述的一种土水特性曲线测试装置,其特征在于:所述通气管(9)为 水平“L”型。
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CN110568151A (zh) * 2019-08-05 2019-12-13 中交天津港湾工程研究院有限公司 一种离心模型试验中测量非饱和土基质吸力的测量方法

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