CN211955144U - 非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，包括固定于气相轴承盒底部的直流伺服电机，电机输出轴与气相轴承盒内轴承连接，气相轴承盒上端与气相导筒连接，气相导筒内的气相丝杆与气相轴承盒内的轴承连接，气相导筒外部上下端分别设有控制气相丝杆运行的气相行程开关；气相丝杆上装有气相丝母，气相丝母外部固定套装有气相导块，气相导块左侧嵌有气相导键，气相导键卡在气相导筒内壁上的导槽中，气相丝母与安装于气相缸筒内的气相柱塞连接，气相缸筒固定安装于气相导筒上部，在气相缸筒顶部侧面设有接口。本实用新型在控制土样基质吸力条件下测定其气相渗透系数，实现力‑水耦合作用下对非饱和土渗气特性测试。

Description

非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器

技术领域

本实用新型涉及一种岩土工程的机电设备，特别涉及一种用于非饱和土渗透特性和力学特性测试的辅助装置，尤其是一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器。

背景技术

非饱和土力学的理论发展及其工程应用离不开试验设备，能准确测试非饱和土中水的流动特性、能反映非饱和土客观实际的试验设备的研发很有必要，必将推动非饱和土渗透理论、固结理论的快速发展，同时为将其迅速应用到工程实际中提供试验支撑。由于非饱和土中水分很难排出，直接量测其渗水系数极其困难。近几十年来，学者们提出了各种形式的非饱和土渗水系数公式，而大多数渗水系数公式都是通过饱和土的渗透系数换算得到，对某些特定的土类，这些公式并不一定适用。研究非饱和土的力学特性最重要的是，揭示非饱和土的有效应力的合理表示形式以及非饱和土水气运动规律和参数测定方法，其中水气运动规律及水气两相的渗透系数测定也是非饱和土本构关系中的重要内容，同时，这些问题的合理解决也是研究解释非饱和土固结问题的前提。因此，采用试验的方法直接测定非饱和土的水气渗透特性对认识孔隙中水气运动的相互影响规律至关重要，而在控制基质吸力与力-水耦合条件下研究非饱和土的水气渗透特性及变形特性更是鲜有研究。

现有的非饱和土渗透特性测试设备主要有刚性壁渗透仪和柔性壁渗透仪。

如法国学者Fleureau和Taibi在Proceeding of International Conference onEnvironmental Engineering（1994年）上发表论文“A new apparatus for themeasurement of water-air permeabilities”公开了一套基于轴平移技术的一维水气渗流联测装置。在装置的进水口与出水口设置了一种只透水不透气的材料，而在进气口和出气口放置了一种透气不透水的材料，这样很方便地实现了水气的独立量测与控制，即在控制土样基质吸力条件下测定其渗透系数。

如《Canadian Geotechnical Journal》第35卷第3期（1998年6月）加拿大学者Huang等发表的论文“Measurement of the coefficient of permeability for adeformable unsaturated soil using a triaxial permeameter”公开了一种非饱和土三轴渗透仪，该仪器能测定不同固结压力和基质吸力下的渗透系数。其具体结构为：底座与试样帽放在钢制压力室罩内，在底座上部与试样帽下部的螺旋槽内各放置一块进气值为1Bar的陶土板，聚集在陶土板附近的气泡可通过螺旋槽进行冲刷。土样上、下两端分别施加水压力（通过压力传感器和压差传感器测量）。这种仪器既可以进行饱和土的渗透试验，也可以进行基质吸力小于90kPa的非饱和土的渗透试验。使用该仪器时，由于试样变形不均匀，因此得到的数据结果并不理想，且单次试验周期很长（大约4周）。仪器结构及试验操作也相当复杂。

《西安公路交通大学学报》第16卷增刊（1996年）刘奉银等发表的论文“非饱和土渗水渗气的机理与参数测试方法的探讨”公开了一种水气运动联合测定仪，可测定土样在自然浸水、轴向加荷过程中随密度或含水量变化而变化的水气两相渗透系数。其特点是仅需测定渗气系数，而渗水系数可利用测得的渗气系数试验数据近似推算得到。该仪器结构简单，操作方便。具体试验操作为：先向土样中加入一定量水分，待水分扩散，通过监测渗气系数的变化过程判断渗水稳定时间，再利用增湿过程中测定的土水特征曲线（土样的基质吸力与含水量或饱和度的关系曲线）确定加水前、后含水量对应的基质吸力值（其差值即为水力梯度），最后根据Darcy定律计算得到试样的渗水系数。不过，由于土样加入水分后，其渗水系数时刻都在变化，因此基质吸力值也会随之不断变化，故而得到的渗水系数为平均值。这样用易量测的渗气系数来统一渗水系数，克服了先前渗水系数难以测定的困难。然而，该仪器不能测定土样加入水分后沿土样高度方向上基质吸力的变化，进而揭示土样中水气运移规律；也无法揭示基质吸力如何直接影响水气两相渗透系数和土样内水分的分布；并且不能机控，人工操作易造成误差。

中国专利CN 103226081 B公开了一种非饱和土的真三轴仪，包括主机部分、孔隙水与气压力控制部分、液压荷载控制部分和信号采集处理部分；在主机底座上安装有轴向调节活塞，轴向调节活塞向上通过轴向液压缸与压力室底座连接；压力室底座向上通过压力室侧壁和顶盖围成压力室 ；压力室底座侧面安装有四个侧向位移传感器，每个侧向位移传感器的测头与一个侧向变形量测导杆接触，四个侧向变形量测导杆从四面穿入压力腔内与试样接触 ；主机支架横杆上设置有轴向压力传感器；主机支架立杆上安装有轴向位移传感器。该专利通过孔隙气压力控制部分控制气压管内气流的通断和压力，以控制不同基质吸力，实现竖向加载、侧向柔性加载条件下非饱和土的真三轴试验。然而，该专利中无气相的体积与压力控制部分，对孔隙气压力控制精度局限；压力室上、下端分别仅能实现透气、透水的功能，影响气相渗透系数的测定。

中国专利CN 106092853 B公开了一种土体水-气湿陷固结渗透联合测定仪，包括湿陷固结渗透仪、渗水系数测定系统和渗气系数测定系统，其中渗气系数测定系统包括控制系统、阀组、测气压系统、真空泵和气室，通过管接口与湿陷固结渗透仪连接。同时具有测定渗透系数、渗气系数、固结系数、黄土湿陷系数的功能。该专利虽可利用测气压系统对孔隙气压力进行量测，却无法控制气相的体积与压力，压力室上、下端同时利用透水石进行透气、透水，存在孔隙水压力的耦合作用，影响气相渗透系数的测定。

中国专利申请CN 107228794 A公开了一种基于温控的干湿循环非饱和土三轴仪，该设备属于岩土工程试验仪器技术领域。该三轴仪包括三轴仪设备主机、温度调节系统、压力调节系统、湿度调节系统以及数据分析系统。本发明通过温湿调节系统对试验环境温湿度进行控制，压力系统控制轴压和围压，并与补气组件配合确保压力室围压的稳定。然而，该专利中压力调节系统仅通过气泵和补气瓶调节围压，气相的体积与压力控制精度有限，无法实现对孔隙气压力的控制与量测，无法进行气相渗透系数的测定。

中国专利申请CN 109253925 A公开了一种三联温控非饱和土三轴试验系统，包括：加载台、至少两个并联的三轴压力室、压力控制系统、温度控制系统和数据测量采集系统。压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统。其中压力控制系统中的气压系统包括试样帽上安装的连通压力室内空气的气压接头，每个气压接头处设置了一个与气压控制器相连的气压调节阀，气压控制器通过压缩自身气缸内的气体来调节每个气压室内的气压。实现了三轴仪的科研效率高，温度控制精准，体变测量精准。然而，该专利仅实现了对孔隙气压力的控制，未能控制与量测进、出试样的气体体积，无法进行气相渗透系数的测定。

中国专利申请CN 110887738 A公开了一种可测量基质吸力的非饱和土湿陷真三轴仪，包括主机部分、浸水部分、三向独立加载装置、孔隙气压力的控制与孔隙水的压力测量装置以及同步数据自动采集装置。该专利通过试样帽上的上进气通道与气压表、气压调压阀、气源调压阀、气源依次连通对孔隙气压力进行控制，可实现控制基质吸力条件下的非饱和土真三轴湿陷试验，但无法控制与量测进、出试样的气体体积，从而进行气相渗透系数的测定。

中国专利CN 103913407 B公开了一种基于土三轴仪的非饱和土气体渗透率测量方法，以三轴仪为基础附加气体压力和质量流量测量装置，能够实现非饱和土气体渗透率测量；该测量方法根据抽气原理，施加较小围压就能够实现试样环向侧面密封，减小了围压对试样孔隙结构的影响本测量方法以三轴仪为基础，不仅能够实现气体渗透率的测量，还能研究三轴实验条件下非饱和土孔隙结构的变化规律，实现三轴实验条件下应力、应变和气体渗透率同步测量。该专利利用水对试样施加围压，有效保证试样环向侧面的密封性，在三轴试验的同时测取一定时间内的渗气量，从而得到非饱和土的气体渗透率，而无法测定力-水耦合条件下非饱和土的气相渗透系数。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的不足，提供一种仪非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，可在控制土样基质吸力的条件下测定气相渗透系数，不仅在控制浸水量的条件下可定量描述基质吸力沿土样高度方向的变化特性，而且可研究在轴向荷载和浸水共同作用下非饱和土的气相渗透系数变化规律及其增湿变形规律。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，包括固定于气相轴承盒底部的直流伺服电机，直流伺服电机的输出轴与气相轴承盒内的轴承连接，气相轴承盒的上端气相与导筒固定连接，气相导筒内的气相丝杆与气相轴承盒内的轴承连接，气相导筒外部上下端分别设置有控制气相丝杆运行行程的气相行程开关；气相丝杆上通过螺纹装有气相丝母，气相丝母外部固定套装有气相导块，气相导块左侧嵌有气相导键，气相导键卡在气相导筒内壁上的导槽中，气相丝母与安装于气相缸筒内的气相柱塞固定连接，气相缸筒固定安装于气相导筒上部，在气相缸筒顶部侧面设有接口。

所述气相轴承盒上、下两端分别通过气相压环、螺栓与气相导筒、气相直流伺服电机连接。气相丝杆从气相导筒内的气相丝母中穿过，与气相丝母配套使用，从而通过气相直流伺服电机带动气相丝杆旋转运动，气相丝母内侧与气相丝杆外侧有对应的螺旋纹路，便于气相丝杆旋转运动时，气相丝母可随之沿竖向运动；

气相导筒内侧设有导槽，气相导键在导槽中运动以使得气相丝母在气相导筒中沿竖向运动，并且不会随气相丝杆旋转；

气相导块右侧嵌有气相测座，气相导筒中预留有保证气相测座外伸的对应空间，气相测座与固定在气相导筒和气相压环上的气相行程开关共同控制气相丝母的运动，当气相测座随气相丝母沿竖向运动碰触到气相行程开关时，电路断开会使气相丝杆停止运动，以防止气相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器；

气相导筒上端与气相缸筒下端通过螺栓连接，气相导块通过螺栓与气相缸筒内的气相柱塞固定连接，使气相柱塞随气相丝母在气相缸筒内沿竖向运动；

在气相缸筒内侧嵌有两根O型密封圈，使气相导筒和气相缸筒形成两个独立密闭空间，在气相缸筒顶部侧面设有接口以连接氮气瓶和抽真空泵；

气相体积和压力控制器固定在气相底座上，当气相柱塞沿竖向运动时，推动气体的排出和进入，通过气相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的气相体积和压力。

本实用新型应用于联合测定三轴仪中，试验时，可以在自然浸水的条件下控制、量测土样的基质吸力，可以实现控制基质吸力条件下气相渗透系数的测定，自由单向或轴向对称加荷，并完成力与水共同作用下测试非饱和土的渗水特征。本实用新型可在控制土样基质吸力的条件下测定其气相渗透系数，不仅在控制浸水量的条件下可定量描述基质吸力沿土样高度方向的变化特性，而且可研究在轴向荷载和浸水共同作用下非饱和土的气相渗透系数变化规律及其增湿变形规律。

附图说明

图1是本实用新型结构图；

图2是图1中D-D向剖面图；

图3是图1中E-E向剖面图；

其中，1.气相封头，2.气相缸筒，3.气相柱塞，4.气相丝母，5.气相导块，6.气相行程开关，7.气相导键，8.气相测座，9.气相丝杆，10.气相导筒，11.气相压环，12.气相轴承盒，13.气相直流伺服电机，14.气相底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1-图3所示，非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，由气相底座14、气相直流伺服电机13、气相轴承盒12、气相压环11、气相导筒10、气相丝杆9、气相测座8、气相导键7、气相行程开关6、气相导块5、气相丝母4、气相柱塞3、气相缸筒2及气相封头1构成。

气相轴承盒12上、下两端分别通过气相压环11、螺栓与气相导筒10、气相直流伺服电机13连接，气相导筒10内的气相丝杆9通过气相小圆螺母与气相轴承盒12连接，并且从气相丝母4中穿过，与气相丝母4配套使用，从而通过气相直流伺服电机13带动气相丝杆9旋转运动。

气相丝母4内侧与气相丝杆9外侧有对应的螺旋纹路，便于气相丝杆9旋转运动时，气相丝母4可随之沿竖向运动，气相丝母4左侧嵌有气相导键7，气相导筒10内侧设有导槽，气相导键7在导槽中运动以使得气相丝母4在气相导筒10中沿竖向运动，并且不会随气相丝杆9旋转。

气相丝母4右侧嵌有气相测座8，气相导筒10中预留了保证气相测座8外伸的对应位置，气相测座8与固定在气相导筒10和气相压环11上的气相行程开关6共同控制气相丝母4的运动，当气相测座8随气相丝母4沿竖向运动碰触到气相行程开关6时，电路断开会使气相丝杆9停止运动，以防止气相丝杆9超过安全量程而损坏整个控制器。

气相导筒10与气相缸筒2通过螺栓连接，气相导块5通过螺栓与气相柱塞3连接，使气相柱塞3可随气相丝母4在气相缸筒2内沿竖向运动。在气相导筒10内侧嵌有两根O型密封圈，使气相导筒10和气相缸筒2形成密闭空间，并在气相缸筒2顶部侧面设有接口，以连接氮气瓶和抽真空泵。

气相体积和压力控制器固定在气相底座14上。当气相柱塞3沿竖向运动时，推动气体的排出和进入，通过气相直流伺服电机13设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的气相体积和压力。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，包括固定于气相轴承盒底部的直流伺服电机，直流伺服电机的输出轴与气相轴承盒内的轴承连接，气相轴承盒的上端与气相导筒固定连接，气相导筒内的气相丝杆与气相轴承盒内的轴承连接，气相导筒外部上下端分别设置有控制气相丝杆运行行程的气相行程开关；气相丝杆上通过螺纹装有气相丝母，气相丝母外部固定套装有气相导块，气相导块左侧嵌有气相导键，气相导键卡在气相导筒内壁上的导槽中，气相丝母与安装于气相缸筒内的气相柱塞固定连接，气相缸筒固定安装于气相导筒上部，在气相缸筒顶部侧面设有接口。

2.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，所述气相轴承盒上、下两端分别通过气相压环、螺栓与气相导筒、气相直流伺服电机连接。

3.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，气相导块右侧嵌有气相测座，气相导筒中预留有保证气相测座外伸的对应空间，气相测座与固定在气相导筒和气相压环上的气相行程开关共同控制气相丝母的运动，当气相测座随气相丝母沿竖向运动碰触到气相行程开关时，电路断开会使气相丝杆停止运动，以防止气相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器。

4.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，气相导筒上端与气相缸筒下端通过螺栓连接。

5.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，气相导块通过螺栓与气相缸筒内的气相柱塞固定连接，使气相柱塞随气相丝母在气相缸筒内沿竖向运动。

6.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，在气相缸筒内侧嵌有两根O型密封圈，使气相导筒和气相缸筒形成两个独立密闭空间。

7.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪气相体积和压力控制器，其特征是，气相体积和压力控制器固定在气相底座上，当气相柱塞沿竖向运动时，推动气体的排出和进入，通过气相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的气相体积和压力。

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