非饱和土固结和水分特征曲线联合测定装置及测定方法

摘要

非饱和土固结和水分特征曲线联合测定装置应用于岩土工程领域的非饱和土力学特性参数测试研究，该测定装置为一个密封的压力室，非饱和土固结和水分特征曲线联合测定装置的测定方法是将加压泵(21)的输出分三路，第一路通过水压控制阀(20)和孔压传感器(19)与密封压力容器底座(15)上与外部管道相连接的通孔相连通，第二路通过第二气压控制阀(5)与密封压力容器盖(7)上与外部管道相连接的通孔相连通，第三路与第一气压控制阀(1)相连通；第一气压控制阀(1)与排水测量管(17)及密封压力容器底部陶土板(15)和外部管道相连接的通孔相连通，在排水测量管(17)的两端并接有差压计(16)。

说明书

                            技术领域

本发明是一种土工测试仪器，主要应用于岩土工程领域的非饱和土力学特性参数测试研究，属于土工测试仪器制造的技术领域。

                            背景技术

非饱和土力学是当今岩土工程领域中最活跃的研究分支，但由于测试设备不能满足研究的需要，严重制约了非饱和土力学理论的发展，现行的土工测试设备主要用于饱和土的测试，不适用于非饱和土的情况。因此必须另行设计适合于非饱和土的测试设备。现行的非饱和土固结仪和水分特征曲线测定仪基本上均为进口，国产的非饱和土固结仪是由原来的饱和土固结仪改制的不能控制吸力，另外也没有排水测量装置等；进口的水分特征曲线测定仪只能进行脱湿过程的测定，吸湿过程尚无法测定，有荷状态的水分特征曲线也不能测定，本联合测定仪均有这些功能。

                            发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种非饱和土固结和水分特征曲线联合测定装置及测定方法，解决非饱和土的固结测试，同时又可用于非饱和土的水分特征曲线的测试。

技术方案：本发明的非饱和土固结和水分特征曲线联合测定装置为一个密封的压力室，其组成是：密封压力容器盖盖在密封压力容器底座上由螺栓固定，在密封压力容器底座内的空腔中设有一个定位圈，在定位圈内的空腔中是试样，在试样的下部设有陶土板，在试样的上部设有透水石，在透水石的上部设有传压帽，在透水石和传压帽的外周为环刀；在密封压力容器盖顶部的通孔中设有轴承座，在轴承座上设有直线轴承，在轴承座的下部为滚动隔膜；垂向传压轴的上部与垂向位移传感器相接，下部穿过直线轴承、轴承座、滚动隔膜、密封压力容器盖位于传压帽的上部；在密封压力容器盖和密封压力容器底座上分别设有与外部管道相连接的通孔。

将加压泵的输出分三路，第一路通过水压控制阀和孔压传感器与密封压力容器底座上与外部管道相连接的通孔相连通，第二路通过第二气压控制阀与密封压力容器盖上与外部管道相连接的通孔相连通，第三路与第一气压控制阀相连通；第一气压控制阀与排水测量管及密封压力容器底部陶土板和外部管道相连接的通孔相连通，在排水测量管的两端并接有差压计。

测定方法分为固结压缩测定和水份特征曲线测定两部分，

1)固结压缩测定：

a.首先让陶土板预先饱和，将制备的土样安放到密封容器内并让容器密封；

b.安置好垂向位移传感器，设定初始值，

c.按设定的吸力控制施加气压和水压，稳定24～48小时；吸力为气压与水压的差值，

d.按要求对垂向传压轴施加垂向荷载，测读垂向位移，

e.测读排水测量管的排水量，

垂向位移稳定后，逐级增加垂向荷载，重复以上步骤d～e循环直到试验结束，整理试验数据，得到压缩系数和固结系数；

2)水份特征曲线测定：

f.首先让陶土板预先饱和，将制备的土样安放到密封容器内并让容器密封；

g.根据具体要求，确定固定的垂向荷载值；

h.按设定的初始吸力值控制施加气压和水压；

i.测读排水测量管的排水量；

密封压力室内放置所测试的试样，通过加压泵分别施加气压和孔压，气压与水压的差值为吸力。在吸力作用下若干时间后没有水排出，排水稳定后，再施加一个吸力增量，步骤h～i循环直到试验结束，整理数据，得到水分特征曲线。

上述f～I步骤测得水分特征曲线为脱湿的水分特征曲线，水分特征曲线还有吸湿曲线。吸湿水分特征曲线测量与脱湿水分特征曲线测量相类似。测量吸湿水分特征曲线时，f步的土样不是饱和样而是干土样，吸力控制由大逐步减小，在每级吸力作用下测读排水测量管的水量减小值(i步)，此水量减小值是被土样吸收的水分，土样吸水稳定后，再减小吸力(负增量)，步骤h～i循环直到试验结束，整理数据，得到吸湿水分特征曲线。

有益效果：通过这一仪器设备可以实现控制吸力方式下测定非饱和土的压缩系数、固结系数和水份特征曲线，从而研究非饱和土的力学特性，进行相关工程(包括基坑工程、边坡工程等)设计和科学研究。

对于非饱和土力学的理论研究，由于没有相应的试验设备(其中包括非饱和土压缩固结仪和水分特征曲线测定仪)，制约了非饱和土本构模型的研究，也就无法将非饱和土力学理论进一步完善并应用到实际工程的设计和工程实践中。本仪器的发明将有助于非饱和土力学理论的发展和工程应用。

                        附图说明

图1是非饱和土固结和水分特征曲线联合测定仪结构示意图。其中有：第一气压控制阀1、垂向位移传感器2、垂向传压轴3、直线轴承4、第二气压控制阀5、轴承座6、密封压力容器盖7、螺栓8、滚动隔膜9、环刀10、定位圈11、传压帽12、透水石13、试样14、密封压力容器底座15、差压计16、排水测量管17、陶土板18、孔压传感器19、水压控制阀20、加压泵21。

                    具体实施方式

非饱和土固结仪和水分特征曲线联合测定仪由密封的压力室、吸力控制装置、排水测量装置、垂向加载装置、非饱和土样固结变形测量和加压装置组成。

1、密封的压力室：

由密封压力容器底座、密封压力容器盖并用“○”圈和螺栓进行密封，密封压力室内放置所测试的土样。其组成是：密封压力容器盖7盖在密封压力容器底座15上由螺栓8固定，在密封压力容器底座15内的空腔中设有一个定位圈11，在定位圈11内的空腔中是试样14，在试样14的下部设有陶土板18，在试样14的上部设有透水石13，在透水石13的上部设有传压帽12，在透水石13和传压帽12的外周为环刀10；在密封压力容器盖7顶部的通孔中设有轴承座6，在轴承座6上设有直线轴承4，在轴承座6的下部为滚动隔膜9；垂向传压轴3的上部与垂向位移传感器2相接，下部穿过直线轴承4、轴承座6、滚动隔膜9、密封压力容器盖7位于传压帽12的上部；在密封压力容器盖7和密封压力容器底座15上分别设有与外部管道相连接的通孔。

2、吸力控制装置：

吸力控制通过分别控制孔隙气压(气压控制阀2)和孔隙水压来实现的，气压通过透水石施加于土样，孔隙水压通过陶土板施加。将加压泵21的输出分三路，第一路通过水压控制阀20和孔压传感器19与密封压力容器底座15上与外部管道相连接的通孔相连通，第二路通过第二气压控制阀5与密封压力容器盖7上与外部管道相连接的通孔相连通，第三路与第一气压控制阀1相连通；第一气压控制阀1与排水测量管17及密封压力容器底部陶土板15和外部管道相连接的通孔相连通，在排水测量管17的两端并接有差压计16。

3、排水测量：

排水通过土样底部的陶土板排到排水测量管中，为防止排水管中的水蒸发或汽化，通过气压控制阀1和差压计进行调控。测定固结和水分特征曲线测定过程中的排水情况，同时对吸湿过程的水分特征曲线测定时，又可测定土样吸水量的测量。

4、垂向加载装置：

施加垂向压力并通过传压帽对土样施加压力，压力大小逐级控制。

5、非饱和土样固结变形测量：

通过测定不同垂向压力作用下土样的变形，分析非饱和土的固结情况。

6、加压装置：

通过加压泵分别施加孔隙气压和孔隙水压，通常采用空压机实现。

具体的测定方法分为固结压缩测定和水份特征曲线测定两部分：

1)固结压缩测定：

a.首先让陶土板18预先饱和，将制备的土样安放到密封容器内，并让容器密封；

b.安置好垂向位移传感器2，设定初始值，

c.按设定的吸力控制施加气压和水压，稳定24～48小时；吸力为气压与水压的差值，

d.按要求对垂向传压轴3施加垂向荷载，测读垂向位移，

e.测读排水测量管17的排水量，

垂向位移稳定后，逐级增加垂向荷载，重复以上步骤d～e循环直到试验结束，整理试验数据，得到压缩系数和固结系数；

2)水份特征曲线测定：

f.首先让陶土板18预先饱和，将制备的土样安放到密封容器内，并让容器密封；

g.根据具体要求，确定固定的垂向荷载值；

h.按设定的初始吸力值控制施加气压和水压；

i.测读排水测量管17的排水量；

密封压力室内放置所测试的试样14，通过加压泵21分别施加气压和孔压，气压与水压的差值为吸力。在吸力作用下若干时间后没有水排出，排水稳定后，再施加一个吸力增量，步骤b～i循环直到试验结束，整理数据，得到水分特征曲线。上述f～I步骤测得水分特征曲线为脱湿的水分特征曲线，水分特征曲线还有吸湿曲线。吸湿水分特征曲线测量与脱湿水分特征曲线测量相类似。测量吸湿水分特征曲线时，f步的土样不是饱和样而是干土样，吸力控制由大逐步减小，在每级吸力作用下测读排水测量管的水量减小值(i步)，此水量减小值是被土样吸收的水分，土样吸水稳定后，再减小吸力(负增量)，步骤h～i循环直到试验结束，整理数据，得到吸湿水分特征曲线。