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原文传递快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法

专利名称：	快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法
摘要：	本发明公开了一种快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法，由压力室系统、压力控制系统、垂直气动加载系统、时域反射测量系统和多个水储存系统组成；压力控制系统的一个出气口与压力室系统的进气口连接，另一个出气口与垂直气动加载系统的进气口连接，控制压力室系统和垂直气动加载系统的气压；垂直气动加载系统的垂直加载端垂直作用压力室系统，控制土样吸水或脱水；时域反射测量系统检测端与压力室系统连接，测量土样含水率；水储存系统与压力室系统的出水端连接，存储土样脱除的水分。压力室系统包括冲刷凹槽底座、上底座、顶盖、螺杆、不锈钢试样室和多个土样加载模块。解决了测量土水特征曲线测量时间长、测量误差大的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	长沙理工大学
发明人：	张军辉;张银银;彭俊辉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-06T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201910489701.9
公开号：	CN110196255A
代理机构：	西安知诚思迈知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	麦春明
分类号：	G01N23/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N23
申请人地址：	410114 湖南省长沙市天心区万家丽南路2段960号
主权项：	1.快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，由压力室系统（1）、压力控制系统（2）、垂直气动加载系统（3）、时域反射测量系统（4）和多个水储存系统（5）组成；压力控制系统（2）用于控制压力室系统（1）和垂直气动加载系统（3）的气压，其一个出气口与压力室系统（1）的进气口连接，另一个出气口与垂直气动加载系统（3）的进气口连接；垂直气动加载系统（3）的垂直加载端垂直作用压力室系统（1），控制压力室系统（1）中的土样吸水或脱水；时域反射测量系统（4）的检测端与压力室系统（1）连接，测量压力室系统（1）的土样含水率；水储存系统（5）的进水端与压力室系统（1）的出水端连接，存储土样脱除的水分。 2.根据权利要求1所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述压力室系统（1）包括冲刷凹槽底座（16）、上底座（43）、顶盖（7）、螺杆（8）、不锈钢试样室（9）和多个土样加载模块；每个土样加载模块由加载杆（10）、第一透水石（13）、微孔膜（20）、第二透水石（22）、TDR室（24）和激光位移传感器（38）组成；上底座（43）位于冲刷凹槽底座（16）顶部并与冲刷凹槽底座（16）固定连接，不锈钢试样室（9）为内部中空的圆柱体，其两端内设有环状的第二密封胶圈（28），且其侧壁上设有进抽气口（25）；不锈钢试样室（9）一端经第二密封胶圈（28）与顶盖（7）密封连接，另一端经第二密封胶圈（28）与上底座（43）密封连接；压力控制系统（2）的一个出气口与进抽气口（25）密封连接；螺杆（8）垂直设于顶盖（7）与上底座（43）之间，其一端与顶盖（7）螺纹连接，另一端与上底座（43）螺纹连接；冲刷凹槽底座（16）内嵌有多个冲刷凹槽（14），冲刷凹槽（14）内均设有第一透水石（13），微孔膜（20）位于冲刷凹槽底座（16）上并与第一透水石（13）上表面相接触；上底座（43）底部设有多个环形的第一密封胶圈（19），每个第一密封胶圈（19）密封包裹一个微孔膜（20）；第二透水石（22）位于上底座（43）上，用于填充土样（42）的TDR室（24）嵌套于上底座（43）内，每个TDR室（24）底部与微孔膜（20）上表面相接触、顶部与第二透水石（22）下表面相接触；加载杆（10）位于第二透水石（22）上，加载杆（10）顶端贯穿顶盖（7）且在每个加载杆（10）顶端端面固定有一个压力传感器，压力传感器与压力传感器电子数字显示器（39）电性连接；激光位移传感器（38）垂直固定在加载杆（10）上；所有加载杆（10）位于顶盖（7）下方的部分，和所有第二透水石（22）均位于不锈钢试样室（9）内；所述冲刷凹槽（14）、第一密封胶圈（19）和土样加载模块的数量相等。 3.根据权利要求2所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述压力控制系统（2）由高压压力表（31）、高压调节器（32）、压力表选择按钮（33）、低压压力表（34）、低压调节器（35）、第二管道（36）、第三管道（40）和气源（41）组成；高压压力表（31）和高压调节器（32）设于第二管道（36）的第一支管道（36-1）上，低压压力表（34）与低压调节器（35）设于第二管道（36）的第二支管道（36-2）上；压力表选择按钮（33）设有一个进气口和两个出气口，第一支管道（36-1）一端与压力表选择按钮（33）的一个出气口连接，第二支管道（36-2）一端与压力表选择按钮（33）的另一个出气口连接；气源（41）设有两个出气口，压力表选择按钮（33）的进气口与气源（41）的一个出气口连接，气源（41）的另一个出气口经第三管道（40）与垂直气动加载系统（3）的进气口连接；第一支管道（36-1）的另一端和第二支管道（36-2）另一端经一个三通管与压力室系统（1）的进抽气口（25）连接。 4.根据权利要求3所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述垂直气动加载系统（3）由多个垂直气动加载模块组成；每个垂直气动加载模块由双向运动加载气缸（50）、加载监测压力表（47）、加载控制调节器（48）、加载气缸控制按钮（49）和气动加载杆（52）组成；双向运动加载气缸（50）上设有第一进气口（50-1）和第二进气口（50-2）；加载气缸控制按钮（49）设有一个进气口和两个出气口，其一个出气口经第一进气口（50-1）与双向运动加载气缸（50）的活塞（54）上部气缸腔密封连通，另一个出气口依次经软管（55）、第二进气口（50-2）后与活塞（54）下部气缸腔密封连通；压力控制系统（2）的气源（41）的另一个出气口经第三管道（40）与加载气缸控制按钮（49）的进气口连接；气动加载杆（52）垂直固定于活塞（54）底部；加载监测压力表（47）和加载控制调节器（48）设于第三管道（40）上；每个气动加载杆（52）作用一个位于其正下方的加载杆（10），且在气动加载杆（52）不进行加载工作时，其底部不与加载杆（10）顶端的压力传感器相接触。 5.根据权利要求4所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述时域反射测量系统（4）由计算机（6）、多个探测结构和TDR信号脉冲发生器（46）组成；每个探测结构由同轴电缆（18）、TDR探杆（21）和TDR探头（23）组成；计算机（6）的输入端与TDR信号脉冲发生器（46）的反射信号输出端连接，TDR信号脉冲发生器（46）的信号脉冲输出端经每个探测结构的同轴电缆（18）和TDR探头（23）后与水平插设于土样（42）中的TDR探杆（21）连接；所述水储存系统（5）由第一管道（29）、阀门（11）和量筒（12）组成；量筒（12）经位于冲刷凹槽底座（16）内的第一管道（29）与一个冲刷凹槽（14）底部相通，阀门（11）设于第一管道（29）上；所述水储存系统（5）、时域反射测量系统（4）的探测结构、气动加载系统（3）的垂直气动加载模块、压力室系统（1）的土样加载模块，这四者的数量相等，均大于等于1且小于等于4，且这四者一一对应连接。 6.根据权利要求5所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述微孔膜（20）材质为聚醚砜，厚度为0.13mm；所述微孔膜（20）与第一透水石（13）的直径相等；所述TDR室（24）材质为聚酰胺，形状为空心圆柱体；所述TDR探杆（21）是圆形探杆，TDR探头（23）材质为不锈钢，是弯曲的双杆探头；TDR探杆（21）和TDR探头（23）的弯曲曲率均与TDR室（24）内壁曲率相同，TDR探杆（21）水平镶嵌在TDR室（24）内壁表面；所述高压压力表（31）精度为20kPa，量程为10~1000kPa；所述低压压力表（34）精度为5kPa，量程为3~200kPa；所述压力表选择按钮（33）和加载气缸控制按钮（49）均为三位四通手扳阀；所述加载监测压力表（47）量程为1100kPa，加载控制调节器（48）调节范围为0~1000kPa。 7.根据权利要求2~6任一项所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪，其特征在于，所述螺杆（8）一端贯穿顶盖（7）并经螺母（30）与顶盖（7）顶部螺纹连接，另一端依次贯穿上底座（43）和冲刷凹槽底座（16）后经螺母（30）与冲刷凹槽底座（16）底部螺纹连接；所述冲刷凹槽底座（16）底部设有底座垫（15），底座垫（15）的高度大于螺杆（8）位于冲刷凹槽底座（16）底部部分的高度；顶盖（7）上固定有轴承盒（26），加载杆（10）顶部均贯穿轴承盒（26）；所述激光位移传感器（38）经支架（37）垂直固定在加载杆（10）上，且激光位移传感器（38）自带数字显示器；所述上底座（43）与冲刷凹槽底座（16）通过螺丝（17）固定连接。 8.如权利要求7所述快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤S1、安装微孔膜（20）及第一透水石（13）：将第一透水石（13）放置在冲刷凹槽（14）中，将微孔膜（20）放置在第一透水石（13）上方，然后将底部镶嵌有第一密封胶圈（19）的上底座（43）放置在微孔膜（20）上，然后用螺丝（17）密封固定上底座（43）和冲刷凹槽底座（16）；步骤S2、饱和微孔膜（20）和第一透水石（13）：使阀门（11）处于关闭状态，将不锈钢试样室（9）放置在上底座（43）上，从不锈钢试样室（9）上部注入无气水淹没微孔膜（20），然后将顶盖（7）放置在不锈钢试样室（9）上，安装好螺杆（8）并拧紧螺母（30）使不锈钢试样室（9）呈密封状态，打开阀门（11）和气源（41），高压气体从进抽气口（25）进入不锈钢试样室（9），动作压力表选择按钮（33）选择高压压力表（31）和高压调节器（32），并动作高压调节器（32）施加气压至250kPa，保持气压不变进行排水，直到第一管道（29）中观察不到气泡、量筒（12）内无气水水位不发生变化时，关闭气源（41）和阀门（11）；步骤S3、安装压力室：松开螺母（30）取下螺杆（8）、顶盖（7）和不锈钢试样室（9），清除无气水，向每个TDR室（24）内填充饱和的土样（42），然后将饱和且无气的第二透水石（22）置于每个饱和的土样（42）上方，再次安装好不锈钢试样室（9）、顶盖（7）和螺杆（8），拧紧螺母（30）使不锈钢试样室（9）呈密封状态，记录每个压力传感器电子数字显示器（39）和每个激光位移传感器（38）的初始读数；步骤S4、土样预固结：打开阀门（11）和气源（41），根据试验方案缓慢拧动垂直气动加载系统（3）的每个加载控制调节器（48），对每个土样（42）施加一定竖向应力，并不断检查压力传感器电子数字显示器（39）读数确保读数稳定，待每个土样（42）对应的激光位移传感器（38）上显示的数值不发生变化、第一管道（29）中观察不到气泡、量筒（12）内水位不发生变化时，预固结过程达到稳定状态；步骤S5、控制吸力进行脱湿：预固结完成后，保持最后的竖向应力不变，记录每个激光位移传感器（38）的读数，然后通过压力控制系统（2）分阶段逐步向压力室系统（1）施加气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个加压阶段，待计算机（6）显示的每个土样（42）的含水率、对应的量筒（12）内的水位、对应的激光位移传感器（38）所显示数值不发生变化时，即每个土样（42）达到吸力平衡状态，记录计算机（6）显示的含水率，绘制每个土样（42）每个阶段的基质吸力即气压与试件含水率之间的关系图即得到每个土样（42）脱湿状态下的土水特征曲线；步骤S6、控制吸力进行吸湿：脱湿完成后保持最后的竖向应力不变，记录每个激光传感器（38）的读数，然后通过压力控制系统（2）分阶段逐步降低向每个压力室系统（1）施加的气压，达到各阶段所需基质吸力值；对于每个阶段，待计算机（6）显示的每个土样（42）的含水率、对应的量筒（12）内水位、对应的激光位移传感器（38）显示的竖向位移不再发生变化时，即每个土样（42）达到吸力平衡状态时，记录计算机（6）显示的含水率，最后关闭气源（41），绘制每个土样（42）每个阶段的基质吸力与土样含水率之间的关系图即得到每个土样（42）吸湿状态下的土水特征曲线。 9.根据权利要求8所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S5通过压力控制系统（2）分阶段逐步向压力室系统（1）施加气压，是动作压力表选择按钮（33），选择低压压力表（34）和低压调节器（35）精确控制气压，动作低压调节器（35），增加气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器（39）读数不变，直至每个土样（42）达到吸力平衡状态，记录计算机（6）显示的含水率；然后继续动作低压调节器（35），增加气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率；当所需气压大于200kPa时，动作压力表选择按钮（33）选择高压压力表（31）和高压调节器（32）控制气压；所述步骤S6通过压力控制系统（2）分阶段逐步降低向压力室系统（1）施加的气压，是在脱湿完成后直接进入吸湿阶段，保持脱湿过程最后的竖向应力不变，动作高压调节器（32），降低气压到当前阶段所需要的基质吸力值，并保持每个压力传感器电子数字显示器（39）读数不变，直至达到吸力平衡状态，然后继续动作高压调节器（32），降低气压到下一阶段所需的基质吸力值，重复上述步骤，记录不同阶段基质吸力值对应的含水率，当所需气压小于200kPa时，动作压力表选择按钮（33）选择低压压力表（34）和低压调节器（35）控制气压。 10.根据权利要求8或9所述的快速测量土水特征曲线的压力板仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S4是对多个不同的土样（42）分别施加不同的竖向应力，或是对多个相同的土样（42）施加不同的竖向应力；所述步骤S5和步骤S6是对多个相同的土样（42）施加不同的竖向应力，或是对多个不同的土样（42）施加相同的竖向应力。
所属类别：	发明专利