CN211955145U - 非饱和土水气运动联合测定三轴仪水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水相体积和压力控制器，直流伺服电机的输出轴与水相轴承盒内的轴承连接，水相轴承盒的上端与水相导筒固定连接，水相导筒内的水相丝杆与水相轴承盒内的轴承连接，水相导筒外部上下端分别设有控制水相丝杆运行的水相行程开关；水相丝杆上通过螺纹嵌套水相丝母，水相丝母左侧嵌有水相导键，水相导键卡在水相导筒内壁上的导槽中，水相丝母与安装于水相缸筒内的水相柱塞连接，水相缸筒固定安装于水相导筒上部，水相缸筒上端固定安装于水相缸头中，在水相缸头顶部侧面设有水相接口。本实用新型可在控制土样基质吸力的条件下测定其水相渗透系数，以实现力‑水耦合作用下对非饱和土渗水特性的测试。

Description

非饱和土水气运动联合测定三轴仪水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水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渗水系数对认识水相运动规律至关重要，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，进而揭示土样中水分的运移规律；也无法揭示基质吸力如何直接影响渗水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。该专利通过孔隙水与气压力控制部分控制气压管内气流和排水管内水流的通断和压力，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，该专利中仅通过液压体变控制器对孔隙水压力进行控制与量测，压力室上、下端分别仅能实现透气、透水的功能，影响水相渗透系数的测定。

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水相渗透系数。

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，其中渗水系数测定系统包括测液压系统、真空系统、充水系统，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。该专利虽可利用测液压系统对孔隙水压力进行量测，却无法控制水相的体积与压力，压力室上、下端同时利用透水石进行透气、透水，存在孔隙气压力的耦合作用，影响水相渗透系数的测定。

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。三轴压力室包括，压力室底座、压力室壁和压力室顶盖，压力室底座上方由下至上依次为陶土板、试样、透水石、试样帽。压力控制系统和温度控制系统与数据测量采集系统电路连接，压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统。温度控制系统中的每个压力室温度统一控制，水压系统中每个压力室的水压统一控制，气压系统中每个压力室的气压单独控制，围压系统中，每个压力室的围压单独控制。该专利申请的压力控制系统虽可示出孔隙水压和孔隙气压的大小，却无法控制进、出的水量与气量，无法同时测定土样的水相渗透系数。

中国专利申请CN 105424488 A公开了一种基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，包含主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分。其中水循环和稳压推力水源部分主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路。通过伺服电机带动稳压推力水源内部滚轴丝杆前进或者后退使U型管水平段的压力差为一个稳定值，进行吸力控制。该专利虽可全程实现自动化控制和量测，大大提高了试验的效率，却不能单独控制孔隙水、气压力值，从而无法通过控制进、出水量测定水相渗透系数。

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。该专利通过压力室底座上开设的下进水管道和下排水管道，以及与下排水管道相连的孔压传感器对孔隙水压力进行测量，可实现控制基质吸力条件下的非饱和土真三轴湿陷试验。然而，该专利仅实现了对孔隙水压力的量测，未能控制与量测进、出试样的水体体积，无法进行水相渗透系数的测定。

中国专利申请CN 109443869 A公开了一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置，包括：台架与压力室、精密体变量测装置、轴向加载活塞和轴向荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水-气-电路控制柜、供水装置、微机。本实用新型可以方便地施加/控制基质吸力；既能控制应变速率为常数，又能控制偏应力为常数；能在一定应力状态下给试样浸水；在湿胀/湿陷/湿化变形稳定后，通过施加基质吸力排水减湿，研究在三轴应力条件下干湿循环对土的力学特性的影响；采用微型传感器量测孔隙气压力，可做不排水不排气三轴剪切试验并精确量测孔隙气压力。该专利申请通过控制围压与气压，在施加轴向荷载后，虽测得轴向荷载以及轴向变形速率，实现控制净围压、偏应力、基质吸力为常数的三轴试验，却无法测定力-水耦合条件下非饱和土的水相渗透系数。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的不足，提供一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪水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水相渗透系数，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水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水相体积和压力控制器，直流伺服电机的输出轴与水相轴承盒内的轴承连接，水相轴承盒的上端与水相导筒固定连接，水相导筒内的水相丝杆与水相轴承盒内的轴承连接，水相导筒外部上下端分别设置有控制水相丝杆运行行程的水相行程开关；水相丝杆上通过螺纹嵌套有水相丝母，水相丝母左侧嵌有水相导键，水相导键卡在水相导筒内壁上的导槽中，水相丝母与安装于水相缸筒内的水相柱塞固定连接，水相缸筒固定安装于水相导筒上部，水相缸筒上端固定安装于水相缸头中，在水相缸头顶部侧面设有水相接口。

所述水相导筒内的水相丝杆下端通过小圆螺母与水相轴承盒内的轴承连接，并且从水相导筒内的水相丝母中穿过。

所述水相轴承盒内的轴承下端通过螺栓与水相直流伺服电机的输出轴连接，利用这种直流伺服电机带动水相丝杆旋转运动。

水相轴承盒上端通过水相压环C和相键环B与水相导筒下端连接，水相键环B嵌套于水相导筒外侧的凹槽内，之后用水相压环C固定。

水相丝母嵌套于水相丝杆上端，水相丝母内侧与水相丝杆外侧有对应的螺旋纹路，当水相丝杆旋转时，水相丝母会随之沿竖向运动。

水相导筒内侧与水相导键对应位置处设有竖向导槽，水相导键随水相丝母在竖向导槽中沿竖向运动，使水相丝母在水相导筒内沿竖向运动时不会随丝杆旋转。

水相丝母右侧嵌有水相测座，水相导筒中预留有保证水相测座外伸的对应空间，水相测座与分别固定在水相中座和水相压环C上的行程开关共同控制丝母运动，当测座随水相丝母沿竖向运动碰触到行程开关时，电路断开会使水相丝杆停止运动，以防止水相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器；

水相导筒上端与水相柱塞下端通过设置于两者外部的水相中座固定连接，水相柱塞外侧设置水相缸筒，水相柱塞的上端通过水相键环A和水相压环A固定在水相缸筒的上端，水相柱塞的下端通过水相压环B固定水相缸筒的下端，水相键环A嵌套于水相缸筒上端外侧的凹槽内，之后用水相压环A固定。

水相柱塞与水相丝母上端通过螺栓连接，使水相柱塞可随水相丝母在水相缸筒内沿竖向运动。

水相导筒内侧嵌有两根O型密封圈，使水相导筒和水相缸筒形成两个独立的密闭空间。

水相缸筒上固定安装于水相缸头中，且水相缸头内设有与水相缸筒内腔相通的水相排气阀，用以排放液体中残留的气泡，水相缸头侧面通过水相接口与外接水箱连接。

整个水相体积和压力控制器固定在水相底座上，当水相柱塞沿竖向运动时，推动液体的排出和进入，通过水相直流伺服电机设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的水相体积和压力。

把本实用新型应用于水气运动联合测定仪，试验中可以在自然浸水的条件下控制、量测土样的基质吸力，实现控制基质吸力条件下水相渗透系数的测定，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水相渗透系数，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水相渗透系数变化规律及其增湿变形规律。

附图说明

图1是水相体积和压力控制器结构图；

图2是图1中F-F向剖面图；

图3是图1中G-G向剖面图；

其中，15.水相封头，16.水相排气阀，17.水相缸头，18.水相键环A，19.水相压环A，20.水相缸筒，21.水相压环B，22.水相柱塞，23.水相中座，24.水相丝母，25.水相导键，26.水相行程开关，27.水相测座，28.水相导筒，29.水相丝杆，30.水相压环C，31.水相键环B，32.水相轴承盒，33.水相直流伺服电机，34.水相底座。

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水相体积和压力控制器，由水相底座34、水相直流伺服电机33、水相轴承盒32、水相键环B 31、水相压环C 30、水相丝杆29、水相导筒28、水相测座27、水相行程开关26、水相导键25、水相丝母24、水相中座23、水相柱塞22、水相压环B 21、水相缸筒20、水相压环A 19、水相键环A 18、水相缸头17、水相排气阀16及水相封头15构成。

水相丝杆29通过小圆螺母与水相轴承盒32连接，并且从水相丝母24中穿过，其水相轴承盒32下端通过螺栓与水相直流伺服电机33连接，可利用这种直流伺服电机33带动水相丝杆29旋转运动。

水相轴承盒32上端通过水相压环C 30与水相键环B 31与水相导筒28连接，水相键环B 31固定嵌套于水相导筒28外侧的凹槽内，之后用水相压环C 30固定。

水相丝母24嵌套于水相丝杆29上，其内侧与水相丝杆29外侧有对应的螺旋纹路，当水相丝杆29旋转时，水相丝母24会随之沿竖向运动。

水相丝母24左侧嵌有水相导键25，水相导筒28内侧与水相导键25对应位置处设有竖向导槽，水相导键25随水相丝母24在导槽中沿竖向运动，使水相丝母24在导筒28内沿竖向运动时不会随丝杆29旋转。

水相丝母24右侧嵌有水相测座27，水相导筒28中预留了保证水相测座27外伸的对应位置，水相测座27与固定在水相中座23和水相压环C 30上的行程开关26共同控制丝母24运动，当测座27随水相丝母24沿竖向运动碰触到行程开关26时，电路断开会使水相丝杆29停止运动，以防止水相丝杆29超过安全量程而损坏整个控制器。

水相导筒28和水相柱塞22采用中座23固定，其外侧设置缸筒20，并采用水相键环A18、水相压环A 19和水相压环B 21分别固定水相缸筒20的上、下两端，水相键环A 18固定嵌套于水相缸筒20上端外侧的凹槽内，之后用水相压环A 19固定 ，水相柱塞22与水相丝母24上端通过螺栓连接，使水相柱塞22可随水相丝母24在水相缸筒20内沿竖向运动。

在水相导筒28内侧嵌有两根O型密封圈，使水相导筒28和水相缸筒20形成密闭空间；水相缸头17内设有水相排气阀16，用以排放液体中残留的气泡，水相缸头17侧面通过水相接口与供水箱连接。

整个水相体积和压力控制器固定在水相底座34上。当水相柱塞22沿竖向运动时，推动液体的排出和进入，通过水相直流伺服电机33设置的光栅计算转速和圈数，以测得进、出控制器的水相体积和压力。

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 (10)

1.一种非饱和土水气运动联合测定三轴仪水相体积和压力控制器，其特征是，直流伺服电机的输出轴与水相轴承盒内的轴承连接，水相轴承盒的上端与水相导筒固定连接，水相导筒内的水相丝杆与水相轴承盒内的轴承连接，水相导筒外部上下端分别设置有控制水相丝杆运行行程的水相行程开关；水相丝杆上通过螺纹嵌套有水相丝母，水相丝母左侧嵌有水相导键，水相导键卡在水相导筒内壁上的导槽中，水相丝母与安装于水相缸筒内的水相柱塞固定连接，水相缸筒固定安装于水相导筒上部，水相缸筒上端固定安装于水相缸头中，在水相缸头顶部侧面设有水相接口。

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水相体积和压力控制器，其特征是，所述水相导筒内的水相丝杆下端通过小圆螺母与水相轴承盒内的轴承连接，并且从水相导筒内的水相丝母中穿过。

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水相体积和压力控制器，其特征是，所述水相轴承盒内的轴承下端通过螺栓与水相直流伺服电机的输出轴连接，利用这种直流伺服电机带动水相丝杆旋转运动。

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水相体积和压力控制器，其特征是，水相轴承盒上端通过水相压环C和相键环B与水相导筒下端连接，水相键环B嵌套于水相导筒外侧的凹槽内，之后用水相压环C固定。

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水相体积和压力控制器，其特征是，水相导筒内侧与水相导键对应位置处设有竖向导槽，水相导键随水相丝母在竖向导槽中沿竖向运动，使水相丝母在水相导筒内沿竖向运动时不会随丝杆旋转。

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水相体积和压力控制器，其特征是，水相丝母右侧嵌有水相测座，水相导筒中预留有保证水相测座外伸的对应空间，水相测座与分别固定在水相中座和水相压环C上的行程开关共同控制丝母运动，当测座随水相丝母沿竖向运动碰触到行程开关时，电路断开会使水相丝杆停止运动，以防止水相丝杆超过安全量程而损坏整个控制器。

7.如权利要求6所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪水相体积和压力控制器，其特征是，水相导筒上端与水相柱塞下端通过设置于两者外部的水相中座固定连接，水相柱塞外侧设置水相缸筒，水相柱塞的上端通过水相键环A和水相压环A固定在水相缸筒的上端，水相柱塞的下端通过水相压环B固定水相缸筒的下端，水相键环A嵌套于水相缸筒上端外侧的凹槽内，之后用水相压环A固定。

8.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪水相体积和压力控制器，其特征是，水相柱塞与水相丝母上端通过螺栓连接，使水相柱塞可随水相丝母在水相缸筒内沿竖向运动，在水相导筒内侧嵌有两根O型密封圈，使水相导筒和水相缸筒形成两个独立的密闭空间。

9.如权利要求1所述的非饱和土水气运动联合测定三轴仪水相体积和压力控制器，其特征是，水相缸头内设有与水相缸筒内腔相通的水相排气阀，用以排放液体中残留的气泡，水相缸头侧面设置有与外接水箱连接的水相接口。

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

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