非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置及其使用方法，包括环柱状多孔透水石、高进气值陶土板、压力室底座、试样帽和螺旋水槽；在压力室底座与试样帽上分别镶嵌有连接孔隙气压管道的环柱状多孔透水石与位于环柱状多孔透水石中与孔隙水压管道连接的高进气值陶土板。在高进气值陶土板下安装螺旋水槽，螺旋水槽能将高进气值陶土板下的空气气泡及时冲出压力室底座，螺旋水槽中的水能传递水压力使高进气值陶土板的排水压差平稳，加速排水效率。本发明是一种能减短排水排气路径，从而缩短基质吸力平衡时间以减少基质吸力平衡时间对试验的影响的非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置及其使用方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非饱和土试验基质吸力快速平衡装置，具体涉及一种非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置。

背景技术

在定义非饱和土的应力状态时，基质吸力被认为是一个重要的变量。因此，为了评价在各种应力变化条件下非饱和土的物理性质，就必须控制或测量基质吸力。而“轴平移技术”测量基质吸力的方法是在试验进行时逐渐提升孔隙气压力，而用饱和高进气值材料将孔隙水压力维持在某参考值，因此能对基质吸力进行直接控制。

对非饱和土的研究表明，无论是对非饱和土施加基质吸力，还是由于非饱和土含水率的改变使其基质吸力发生变化，基质吸力的变化都不是瞬时完成的。基质吸力变化在非饱和土体内部达到平衡需要一定的时间(几小时到几天不等)。因此，在进行非饱和土三轴试验时，非饱和土体内部均衡基质吸力的形成有能能晚于试验控制的要求。如何缩短基质吸力平衡时间以减少基质吸力平衡时间对试验的影响，是非饱和土三轴试验成功实施的关键技术之一。

现有的土体内部排水规律公式为：

t＝T_vH²/C_v

式中T_v是时间因子；C_v是土的固结系数；H是土层最大排水距离，若为双面排水，H为土层厚度之半，单面排水H为土层总厚度；t是排水时间；

由式(1)能知时间与土层最大排水距离的平方成反比；试样两端排水排气的非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置使非饱和土样中水与气的排出(或者进入)路径减少50％。所以理论上，吸力平衡时间减少到普通非饱和土实验的25％。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能减短排水排气路径，从而缩短基质吸力平衡时间以减少基质吸力平衡时间对试验的影响的非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供该非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置的使用方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置，包括试样帽和压力室底座，所述的试样帽和压力室底座中都内置有孔隙气压管道、孔隙水压管道和反压管道，所述的压力室底座与试样帽上均镶嵌有连接所述的孔隙气压管道的环柱状多孔透水石以及位于所述的环柱状多孔透水石中且与所述的孔隙水压管道连接的高进气值陶土板构成双排水排气系统；所述的试样帽和所述的内均设有处于所述的高进气值陶土板下方的螺旋水槽，所述的螺旋水槽的一端与所述的孔隙水压管道连接，另一端与所述的反压管道连接；气压传感器与孔隙气压控制器以及所述的试样帽和压力室底座上的孔隙气压管道通过气压控制阀连接，在所述的孔隙气压控制器、所述的试样帽和所述的压力室底座上的孔隙气压管道上分别设置有小阀门；反压传感器与反压控制器以及所述的试样帽和所述的压力室底座上的反压管道通过反压控制阀连接，在所述的反压控制器、所述的试样帽和压力室底座上的所述的反压管道上分别设置有小阀门；所述的试样帽和压力室底座上的所述的孔隙水压管道通过三通阀式的孔隙水压控制阀连接并合并成一根管道，连接孔隙水压力测量管道。

所述的高进气值陶土板、环柱状多孔透水石、压力室底座内侧以及所述的螺旋水槽的槽顶用环氧树脂紧密地粘合在一起，保证了所述的高进气值陶土板和环柱状多孔透水石的侧面和所述的压力室底座间的缝隙被密封。

所述的环柱状多孔透水石的材质是带孔不锈钢板。

所述的试样帽的材质是有机玻璃。

所述的压力室底座的材质是不锈钢材料。

所述的压力室底座和试样帽内部均为储水室，储水室内充满除气水，除气水与螺旋水槽和高进气值陶土板相接触，避免螺旋水槽和高进气值陶土板底面出现气泡阻碍孔隙水排出而导致基质吸力平衡时间加长。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的使用非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置的方法，将压力室底座上的4个接头分别用配套的塑料管与内室、外室、气压、反压相连接，然后再饱和压力室底座和高进气值陶土板，首先在反压管道和孔隙水压管道连接到底座前分别排出各自管中的空气，然后在一个压力下，将水从一个连接头通过螺旋水槽的进水孔和排水孔流到另一个连接头，没有压力的连接头应该低于水面，以冲洗高进气值陶土板下积聚的气泡，待在管中看不到气泡时，就停止，然后，再倒过来，这样水就在两个方向都流动了；在确保反压管道和孔隙水压管道中都没有气体后，打开反压控制阀和孔隙水压控制阀,通过反压控制器施加一个小的正的反压到高进气值陶土板的下部，绝对最大值为50KPa，让除气水流过高进气值陶土板下的螺旋水槽饱和压力室底座和高进气值陶土板，直至高进气值陶土板上冒出连续的水珠，然后再关闭反压控制阀和孔隙水压控制阀；此时高进气值陶土板完全饱和而具有让水自由通过而限制气体通过的特殊性能，如此则通过逐渐提升孔隙气压力，而用饱和高进气值陶土板将孔隙水压力控制为0使试样变成非饱和状态；

待压力室底座和高进气值陶土板都饱和之后，用湿毛巾擦除高进气值陶土板顶面的水，然后将套有橡皮薄膜的试样的上下端与试样帽和压力室底座分别用橡皮筋扎好固定；将进气管用塑料管道与孔隙气压管道进行连接，而孔隙气压管道则通过环柱状多孔透水石与试样接触；然后安装好压力室内室，将水泵通过塑料管道连接到控制内室给排水的阀门，打开连接内室的阀门，则通过内室进排水孔向内室充除气水；然后关闭控制内室给排水的阀门，将连接水泵的塑料管道连接到控制外室给排水的阀门，打开连接外室的阀门，则通过外室进排水孔向内室充除气水；然后安装压力室上罩，利用计算机进行试验设值；待设值完毕，立即打开反压控制阀和气压控制阀，此时通过计算机控制气压控制器和反压控制器即能在一定时间后使试样达到设定的基质吸力值；然后根据基质吸力平衡的判断条件即24小时内试样的体变小于试样总体积的0.05％即能判断吸力是否达到平衡，待基质吸力达到平衡后，通过对计算机设置试验步骤即能进行接下来的试验。

采用上述技术方案的非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置及其使用方法，压力室底座与试样帽上分别镶嵌连接孔隙气压管道的环柱状多孔透水石与位于环柱状多孔透水石中与孔隙水压管道连接的高进气值陶土板，构成双排水-排气系统。高进气值陶土板下安装螺旋水槽，螺旋水槽能将高进气值陶土板下的空气气泡及时冲出底座，槽中的水能传递水压力使高进气值陶土板的排水压差平稳，加速排水效率。本发明能实现使非饱和土试样中的孔隙水能同时从试样顶部和底部的高进气值陶土板排出，孔隙气能以同时从试样顶部和底部的多孔透水石排出，这种双排水-排气系统使非饱和土样中水与气的排出(或者进入)路径减少50％，从而大大缩短非饱和土基质吸力平衡时间，提高非饱和土试验效率。所以理论上，吸力平衡时间减少到普通非饱和土实验的25％。

高进气值陶土板、多孔透水石、压力室底座内侧以及螺旋水槽的槽顶用环氧树脂紧密地粘合在一起，保证了高进气值陶土板和环柱状多孔透水石的侧面和压力室底座间的缝隙被密封。

内嵌的高进气值陶土板能以根据试验要求选用不同进气值的专用陶土板。在轴平移技术中，设置孔隙水压力为0，所以试样中的孔隙水能从镶嵌在试样帽上的高进气值陶土板排出，减短排水路径。

压力室底座和试样帽内部为储水室，储水室内充满除气水，除气水与螺旋水槽和高进气值陶土板相接触，避免螺旋水槽和高进气值陶土板底面出现气泡阻碍孔隙水排出而导致基质吸力平衡时间加长。

气压传感器与孔隙气压控制器以及试样帽和压力室底座上的孔隙气压管道通过气压控制阀连接，在孔隙气压控制器以及试样帽1和压力室底座上的孔隙气压管道上分别设置有小阀门，能实现对各气压管道单独控制。

高进气值陶土板通过反压管道与反压传感器连接，反压传感器与反压控制器以及试样帽和压力室底座上的反压管道通过反压控制阀连接，在反压控制器以及试样帽和压力室底座上的反压管道上分别设置有小阀门，能实现对各水压管道单独控制。

试样帽和压力室底座上的孔隙水压管道通过三通阀式的孔隙水压控制阀连接并合并成一根管道，连接孔隙水压力测量管道。

本发明的有益效果：

1.本发明所述的双排水排气系统能减短排水排气路径50％，从而缩短基质吸力平衡时间75％，减少基质吸力平衡时间对试验的影响，有效地提高试验的精度及数据能靠性。

2.本发明所述的螺旋水槽能将高进气值陶土板下的空气气泡及时冲出底座，螺旋水槽中的水能传递水压力使高进气值陶土板的排水压差平稳，加速排水效率。

3.本发明所述的气压控制阀、反压控制阀和孔隙水压控制阀结构简单、设计合理且便于操作。

综上所述，本发明是一种能减短排水排气路径，从而缩短基质吸力平衡时间以减少基质吸力平衡时间对试验的影响的非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置及其使用方法。

附图说明

图1为本发明的试样帽与压力室底座分解正面示意图。

图2为本发明的试样帽与压力室底座分解侧面示意图。

图3为本发明的试样帽、试样与压力室底座组装正面示意图。

图4为本发明的试样帽、试样与压力室底座组装侧面示意图。

图5为本发明的压力室底座示意图。

图6为本发明的试样帽示意图。

图7为本发明的反压控制阀示意图。

图8为本发明的孔隙水压控制阀示意图。

图9为本发明的气压控制阀示意图。

图中：1-试样帽，2-压力室底座，3-螺旋水槽，4-进水孔，5-排水孔，6-气压孔，7-高进气质陶土板，8-多孔透水石，9-内室进排水孔，10-固定螺栓，11-储水室，12-试样，13-橡皮薄膜，14-反压管道，15-孔隙水压管道，16-孔隙气压管道，17-内室排水管，18-进气管，19-反压控制阀，20-孔隙水压控制阀，21-气压控制阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9，一种非饱和土三轴试验基质吸力快速平衡装置，包括试样帽1和压力室底座2，压力室底座2上设有固定螺栓10、内室排水管17，内室排水管17上设有内室进排水孔9，试样帽1和压力室底座2中都内置有孔隙气压管道16、孔隙水压管道15和反压管道14，孔隙气压管道16的出口为气压孔6，压力室底座2与试样帽1上均镶嵌有连接孔隙气压管道16的环柱状多孔透水石8以及位于环柱状多孔透水石8中且与孔隙水压管道15连接的高进气值陶土板7构成双排水排气系统；试样帽1和内均设有处于所述的高进气值陶土板7下方的螺旋水槽3，螺旋水槽3的一端与孔隙水压管道15连接，另一端与反压管道14连接；气压传感器与孔隙气压控制器以及试样帽1和压力室底座2上的孔隙气压管道16通过气压控制阀21连接，在孔隙气压控制器、试样帽1和压力室底座2上的孔隙气压管道上分别设置有小阀门；反压传感器与反压控制器以及试样帽1和压力室底座2上的反压管道14通过反压控制阀19连接，在反压控制器、所述的试样帽1和压力室底座2上的反压管道14上分别设置有小阀门；试样帽1和压力室底座2上的孔隙水压管道15通过三通阀式的孔隙水压控制阀20连接并合并成一根管道，连接孔隙水压力测量管道。

具体地，高进气值陶土板7、环柱状多孔透水石8、压力室底座2内侧以及螺旋水槽3的槽顶用环氧树脂紧密地粘合在一起，保证了高进气值陶土板7和环柱状多孔透水石8的侧面和所述的压力室底座2间的缝隙被密封。

具体地，环柱状多孔透水石8的材质是带孔不锈钢板。

具体地，试样帽1的材质是有机玻璃。

具体地，压力室底座2的材质是不锈钢材料。

进一步地，压力室底座2和试样帽1内部均为储水室11，储水室11内充满除气水，除气水与螺旋水槽3和高进气值陶土板7相接触，避免螺旋水槽3和高进气值陶土板7底面出现气泡阻碍孔隙水排出而导致基质吸力平衡时间加长。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9，本实施例适用于试样尺寸为Φ61.8㎜×125㎜的土样的非饱和三轴试验，在进行试验前，先按照土工实验标准制备试样并将其饱和处理。压力室底座2与试样帽1上分别镶嵌有连接孔隙气压管道16的环柱状多孔透水石8与位于环柱状多孔透水石8中与孔隙水压管道15连接的高进气值陶土板7，构成双排水-排气系统。高进气质陶土板7的直径为32mm,厚7mm。材质为不锈钢的圆环柱状多孔透水石8的内直径为36mm,外直径为52，厚度为3mm。直径为32mm的螺旋水槽3安装在高进气值陶土板7下。具体的，高进气值陶土板7、环柱状多孔透水石8、压力室底座2内侧以及螺旋水槽3的槽顶用环氧树脂紧密地粘合在一起，保证了高进气值陶土板7和环柱状多孔透水石8的侧面和压力室底座2间的缝隙被密封。

将压力室底座2上的4个接头分别用配套的塑料管与内室、外室、气压、反压相连接。然后再饱和压力室底座2和高进气值陶土板7，首先在反压管道14和孔隙水压管道15连接到底座前分别排出各自管中的空气，然后在一个压力下，将水从一个连接头通过螺旋水槽3的进水孔4和排水孔5流到另一个连接头，没有压力的连接头应该低于水面，以冲洗高进气值陶土板7下积聚的气泡，待在管中看不到气泡时，就能以停止，然后，再倒过来，这样水就在两个方向都流动了；在确保反压管道14和孔隙水压管道15中都没有气体后，打开反压控制阀19和孔隙水压控制阀20,通过反压控制器施加一个小的正的反压到高进气值陶土板7的下部(绝对最大值为50KPa)，让除气水流过高进气值陶土板7下的螺旋水槽3饱和压力室底座2和高进气值陶土板7，直至高进气值陶土板上冒出连续的水珠，然后再关闭反压控制阀19和孔隙水压控制阀20。此时高进气值陶土板7完全饱和而具有让水自由通过而限制气体通过的特殊性能，如此则能通过逐渐提升孔隙气压力，而用饱和高进气值陶土板7将孔隙水压力控制为0使试样变成非饱和状态。

待压力室底座2和高进气值陶土板7都饱和之后，用湿毛巾擦除高进气值陶土板7顶面的水，然后将套有橡皮薄膜13的试样12的上下端与试样帽1和压力室底座2分别用橡皮筋扎好固定。将进气管18用塑料管道与孔隙气压管道16进行连接，而孔隙气压管道16则通过环柱状多孔透水石8与试样接触。然后安装好压力室内室，将水泵通过塑料管道连接到控制内室给排水的阀门，打开连接内室的阀门，则能通过内室进排水孔9向内室充除气水。然后关闭控制内室给排水的阀门，将连接水泵的塑料管道连接到控制外室给排水的阀门，打开连接外室的阀门，则能通过外室进排水孔向内室充除气水。然后安装压力室上罩，利用计算机进行试验设值。待设值完毕，立即打开反压控制阀19和气压控制阀21，此时通过计算机控制气压控制器和反压控制器即能在一定时间后使试样12达到设定的基质吸力值。然后根据基质吸力平衡的判断条件(24小时内试样的体变小于试样总体积的0.05％)即能判断吸力是否达到平衡，待基质吸力达到平衡后，通过对计算机设置试验步骤即能进行接下来的试验。

以下结合附图和技术方案，对本发明的具体实施方式进行进一步说明。当然本部分的描述仅为本发明进行示范和解释，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。