专利名称：多功能土水特征曲线试验仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种与非饱和土相关的土工试验仪器，尤其是一种多功能土水特征曲线试验仪。
背景技术：
土水特征曲线的确定方法大致分为两类1)直接测量法采用压力板仪和张力计完成测量；2)间接测量方法采用热传导吸力探头、热偶湿度计和滤纸法完成测量。直接测量法确定土水特征曲线的方法本身存在如下问题1)试样盒与陶土板间的接触问题重力压力膜仪通过称重法确定每级基质吸力对应的含水量，使得试样和陶土板总在接触和脱开之间转换。体积压力板仪虽然实现外部测量排水量，但也是把环刀样直接放在陶土板上。试样在试验初始阶段能很好的和陶土板紧密接触，但在脱湿路径下试样失水产生收缩，同样引起试样与陶土板脱开。2)温度变化引起水分交换问题压力板仪试样室很大，外部温度的变动容易造成内部水分的汽化和液化，试样和试样室空间存在水分交换。 3)基质吸力的精确控制问题利用空压机提供气压力控制基质吸力，气压力的大小通过调压阀门控制。但在试样的脱湿路径中，开始阶段试样含水量比较高，含水量的变化对气压变化非常敏感，由于阀门控制气压的精度都5千帕的误差范围，在试验的开始阶段很难测出土体的进气值，特别是对砂性土而言其影响更大。间接测量法都是通过建立吸力与其他变量(如电压等)之间的关系，然后通过测量其它变量的信号值反算吸力值。但都需要在被测的土体中埋入探头或放入特定的仪器内， 故在量测基质吸力时不能同时施加压力或温度的作用。同时，现有的土水特征曲线确定方法用于研究温度与应力作用下土体的持水性能时，除需要解决上述存在的不足以外，还需要增加如下三大关键功能1)实现法向加载的功能；2)实现加热和温度控制的功能；3)实现试样体积变化的动态量测功能。当前的研究表明在单个问题都已有解决的思路，例如考虑应力状态、接触问题、含水量量测问题等，但还没有形成一套解决上述问题的总体方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能土水特征曲线试验仪，可以克服现有仪器的不足，既能向试样施加法向荷载又可进行温度控制并且能够精确测量试样体积变化，同时能够实现排水量的外部精确测量，测量结果准确，功能齐全、价格低廉。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种多功能土水特征曲线试验仪，包括底座，底座的座体上设置有冲刷装置，冲刷装置与排水测量装置连通，底座上安装有圆形模，圆形模上端安装有顶盖，顶盖通过螺栓与底座连接，圆形模内安装有温度控制装置的加热装置，加热装置以下的模腔构成试样室，气压控制装置与进气管连通，进气管通过顶盖上的进气孔和加热装置上的加热板进气孔与试样室连通，传力杆穿过顶盖与加热装置连接，传力杆与顶盖之间采用密封圈密封，传力杆上安装有变形测量装置，试样室下部与连通装置连通。
圆形模的底部和顶部采用0型圈密封，试样室底部装有与底座边缘连接的陶土板。冲刷装置中，底座上开设有一端与进水孔连通，另一端与排水孔连通的螺旋槽，进水孔上安装有进水阀门，排水孔上安装有排水阀门。排水测量装置中，盛有煤油的集水器安装在集水底座上，集水器的进水管通过排水管与冲刷装置的排水孔连通，集水器的出水管与放置在电子天平的锥形瓶连通，出水管上安装有出水阀门。温度控制装置由加热装置和温度控制器组成，加热装置中，加热片置于加热多孔板的底部，加热多孔板上安装有温度传感器，加热片上均勻布置的细孔构成气体进出通道， 加热多孔板边缘装有滚动钢珠，安装在传力杆上的温度控制器通过线缆与加热片连接，加热多孔板与传力杆连接。 气压控制装置中，带控制阀的压力控制器与带气压调节阀的空压机并联后通过气压控制进气管与进气管连通，气压控制进气管上安装有气压表。变形测量装置中，安装在传力杆上的支撑架上安装有百分表，百分表下方与顶盖接触。连通装置中，直角玻璃管的下开口端与试样室连通，下开口端上安装有透水膜，直角玻璃管的上开口端封闭，直角玻璃管的直立管上刻有水位线，直立管上安装有阀门。本发明提供的多功能土水特征曲线试验仪，有益效果如下
1、通过传力杆可实现向试样施加法向荷载，实现外部应力与内部吸力的共同作用；通过冲刷装置和排水测量装置，测量试样的排水量反算试样含水量，避免吸力的加载对试样结构的影响；通过变形测量装置能够在试验过程中量测试样体积的变化；通过气压控制装置能控制气压，保证吸力控制的准确性；通过连通装置可判断试样是否被水完全浸末，试样在试样室内即可进行饱和，便于开展干湿循环下的试验研究；通过温度控制装置能自动控制加热温度，便于开展不同温度下的试验，本发明克服了现有仪器的不足，测量结果准确， 功能齐全、价格低廉。2、试样室底部的陶土板能使试样直接与陶土板紧密接触且充填整个模型空间，避免了试样失水收缩后与陶土板之间产生空隙；通过0型圈使试样室成为一个绝对密封的的环境，防止试验过程中出现漏水漏气现象。3、加热装置的加热片位于试样室内，通过加热片对试样进行加热，能避免试样与试样室空间进行水分交换，便于展开温度影响下的土水特征曲线试验研究。4、变形测量装置通过百分表能够动态测量试样体积的变化，从而准确测量试样在试验过程中的轴向变形量，用以修正因试样体积变化引起的试验结果偏差，量测试样是否固结稳定。5、气压控制装置采用压力控制器与空压机并联，在试验开始的前阶段用压力控制器施加气压力，当接近残余含水量阶段时用空压机控制气压，在试验不同阶段采用不同的方法施加气压力，吸力控制更加准确，满足试验精度的要求。6、排水测量装置采用集水器结合煤油的方式收集试样排水量，能够有效地防止水分挥发，通过电子天平测量排水量，测量更加精确，试验结果更加合理。7、加热多孔板侧面采用滚动钢珠能减小加热多孔板与圆形模之间的摩擦。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 图1为本发明的结构示意图2为本发明螺旋槽的俯视图； 图3为本发明连通装置的示意图； 图4为本发明加热装置的示意图； 图5为本发明排水测量装置的示意图； 图6为本发明气压控制装置的示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括底座1，底座1的座体上设置有冲刷装置，冲刷装置与排水测量装置5连通，底座1上安装有圆形模16，圆形模16上端安装有顶盖15，顶盖15通过螺栓12与底座1连接，圆形模16内安装有温度控制装置的加热装置，加热装置以下的模腔构成试样室19，气压控制装置6与进气管13连通，进气管13通过顶盖15上的进气孔和加热装置上的加热板进气孔18与试样室19连通，传力杆9穿过顶盖15与加热装置连接，传力杆9与顶盖15之间采用密封圈14密封，传力杆9上安装有变形测量装置，试样室19下部与连通装置3连通，螺栓12为翼型螺栓。圆形模16的底部和顶部采用0型圈17密封，试样室19底部装有与底座1边缘连接的陶土板20。冲刷装置中，底座1上开设有一端与进水孔22连通，另一端与排水孔23连通的螺旋槽2，进水孔22上安装有进水阀门21，排水孔23上安装有排水阀门M，螺旋槽2为双排螺旋槽，图2为螺旋槽2的俯视图。变形测量装置中，安装在传力杆9上的支撑架11上安装有百分表10，百分表10下方与顶盖15接触，百分表10可用位移传感器。如图5所示，排水测量装置5中，盛有煤油的集水器5-3安装在集水底座5_1上， 集水器5-3的进水管5-2通过排水管25与冲刷装置的排水孔23连通，集水器5_3的出水管5-4与放置在电子天平5-7的锥形瓶5-6连通，出水管5-4上安装有出水阀门5_5，集水器5-3为细口集水瓶，电子天平5-7为千分之一电子天平。温度控制装置由加热装置和温度控制器组成，加热装置中，加热片4-3置于加热多孔板4的底部，加热多孔板4上安装有温度传感器4-2，加热片4-3上均勻布置的细孔4-4 构成气体进出通道，加热多孔板4边缘装有滚动钢珠4-1，加热多孔板4的侧面的上下边缘采用硅油密封，安装在传力杆9上的温度控制器7通过线缆8与加热片4-3连接，加热多孔板4与传力杆9连接，加热装置的局部放大示意图如图4所示。如图6所示，气压控制装置6中，带控制阀6-3的压力控制器6_1与带气压调节阀 6-4的空压机6-2并联后通过气压控制进气管6-5与进气管13连通，气压控制进气管6_5 上安装有气压表6-6，压力控制器6-1选用GDS压力控制器，气压表6-6用以观察气压大小。如图3所示，连通装置中，直角玻璃管3-2的下开口端与试样室19连通，下开口端上安装有透水膜3-1以防止试样进入直角玻璃管3-2，直角玻璃管3-2的上开口端封闭，直角玻璃管3-2的直立管上刻有水位线3-3，直立管上安装有阀门3-4以控制直角玻璃管3-2 的开度，连通装置用于判断试样室19内部水的上升高度。气压控制装置的工作原理如下
当试验刚开始时需要精确控制气压，打开控制阀6-3同时关闭气压调节阀6-4，开启压力控制器6-1并设置目标气压力为所需加载的气压值；在试验中后期，所施加的气压力较大，不需要精确控制，改用空压机6-2施加气压力，关闭压力控制器6-1和控制阀6-3，开启空压机6-2，缓慢调节气压调节阀6-4的开度并观察气压表6-6的读数，当读书达到所需值时停止，一般情况下当气压力小于或等于50kPa时使用压力控制器6-1施加气压力，当气压力大于IOOkPa时采用空压机6-2施加气压力。温度控制装置的工作原理如下
开启温度控制器7并设置目标温度值，加热片4-3通过线缆8接收到加热信号开始加热，温度传感器4-2每隔一定时间将温度值传送给温度控制器7，当该温度值高于目标温度值时温度控制器7切断线缆8，加热片4-3停止加热，当该温度值低于目标温度值时加热片 4-3继续工作，以保证实际温度值在目标温度值附近波动。排水测量装置5的工作原理如下
试验过程中试样所排出的水通过5-2进入集水器5-3，出水阀门5-5处于关闭状态，所排出的水滞留在集水器5-3中，第一次测量时首先打开电子天平5-7并将读数清零，打开出水阀门5-5，集水器5-3内的水进入锥形瓶5-6中，读取电子天平5-7的读数Hi1，该读数即为试样所排出水的质量。本发明的具体操作步骤如下所述
1.制备试样按照《土工试验规程》、《土工实验方法标准》或其它部门的土工实验标准制备试样；
2.装试样准备好试样(环刀样)，拧开螺栓12，取下顶盖15和加热装置，将做好的试样置于试样室19顶部并使环刀刀口与圆形模16的内壁对齐，在试样上放一片滤纸以防止施加法向压力时试样沿细孔4-4进入加热多孔板4，将加热装置置于滤纸上方，通过传力杆 9施加一定法向压力将试样压入试样室19，使试样与陶土板20完全接触，将0型圈17放入圆形模16顶部上沿的槽内，盖上顶盖15，拧紧螺栓12，此时顶盖15挤压0型圈17，试样室 19成为一个绝对密封的的环境，防止试验过程中出现漏水漏气现象；
3.饱和关闭阀门3-4、进水阀门21和排水阀门M，在进气管13接入抽气机将试样室 19的内部抽成真空，将装满水的细管一端与进水阀门21的接口连通，细管的另一端放入装有蒸馏水的容器内，打开阀门3-4和进水阀门21，观察直角玻璃管3-2内的水位，当水凹液面刚好达到水位线3-3时关闭阀门3-4和进水阀门21，打开进气管13让空气进入试样室 19内的空腔，使试样室19内外气压平衡，然后再关闭进气管13，打开进水阀门21和排水阀门24，排除底座及排水管道内的气泡，关闭进水阀门21及排水阀门M，完成饱和过程；
4.安装变形测量装置将百分表10固定在支撑架11上并使百分表10与顶盖15完全接触，对百分表10进行清零；
5.施加温度按照试验方案通过温度控制器7设置设置目标温度^，对试样进行加热， 该温度必须高于外界环境温度；
6.施加法向荷载按照试验方案施加法向应力Q1，同时打开排水阀门M，每隔一定时间读取百分表10的数值，直至稳定；
7.施加气压力进行试验施加第一级气压力P1，每隔一天测量一次试样的排水量，当排水趋于稳定后读取水的质量Hi1和百分表10的读数L1,施加下一级吸力，读取每一级末的百分表10的读数Lt和排水量mt，直至试验完成；
8.测量残余含水量拧开螺栓12，取下加热装置、顶盖15和圆形模16，取出试样称其
质量V，将试样放入烘箱烘干并测其质量ms，残余含水量；
9.计算第i级气压力作用下的稳定含水质量
权利要求
1.一种多功能土水特征曲线试验仪，包括底座(1)，其特征在于底座(1)的座体上设置有冲刷装置，冲刷装置与排水测量装置(5)连通，底座(1)上安装有圆形模(16)，圆形模 (16)上端安装有顶盖(15)，顶盖(15)通过螺栓(12)与底座(1)连接，圆形模(16)内安装有温度控制装置的加热装置，加热装置以下的模腔构成试样室(19)，气压控制装置(6)与进气管(13)连通，进气管(13)通过顶盖(15)上的进气孔和加热装置上的加热板进气孔(18) 与试样室(19)连通，传力杆(9)穿过顶盖(15)与加热装置连接，传力杆(9)与顶盖(15)之间采用密封圈(14)密封，传力杆(9)上安装有变形测量装置，试样室(19)下部与连通装置 (3)连通。
2.根据权利要求1所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于圆形模(16)的底部和顶部采用0型圈(17)密封，试样室(19)底部装有与底座(1)边缘连接的陶土板(20)。
3.根据权利要求1所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于冲刷装置中，底座 (1)上开设有一端与进水孔(22)连通，另一端与排水孔(23)连通的螺旋槽(2)，进水孔(22) 上安装有进水阀门(21)，排水孔(23 )上安装有排水阀门(24 )。
4.根据权利要求1所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于排水测量装置(5) 中，盛有煤油的集水器(5-3)安装在集水底座(5-1)上，集水器(5-3)的进水管(5-2)通过排水管(25 )与冲刷装置的排水孔(23 )连通，集水器(5-3 )的出水管(5-4 )与放置在电子天平(5-7)的锥形瓶(5-6)连通，出水管(5-4)上安装有出水阀门(5-5)。
5.根据权利要求1所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于温度控制装置由加热装置和温度控制器组成，加热装置中，加热片(4- 置于加热多孔板(4)的底部，加热多孔板(4)上安装有温度传感器0-2)，加热片(4- 上均勻布置的细孔(4-4)构成气体进出通道，加热多孔板(4)边缘装有滚动钢珠(4-1)，安装在传力杆(9)上的温度控制器(7)通过线缆(8)与加热片(4- 连接，加热多孔板(4)与传力杆(9)连接。
6.根据权利要求1所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于气压控制装置(6) 中，带控制阀(6-3 )的压力控制器(6-1)与带气压调节阀(6-4 )的空压机(6-2 )并联后通过气压控制进气管(6-5)与进气管(13)连通，气压控制进气管(6-5)上安装有气压表(6-6)。
7.根据权利要求1所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于变形测量装置中， 安装在传力杆(9)上的支撑架(11)上安装有百分表(10)，百分表(10)下方与顶盖(15)接触。
8.根据权利要求7所述的多功能土水特征曲线试验仪，其特征在于连通装置中，直角玻璃管(3-2)的下开口端与试样室(19)连通，下开口端上安装有透水膜(3-1)，直角玻璃管 (3-2)的上开口端封闭，直角玻璃管(3-2)的直立管上刻有水位线(3-3)，直立管上安装有阀门(3-4)。
全文摘要
一种多功能土水特征曲线试验仪，包括底座，底座的座体上设置有冲刷装置，冲刷装置与排水测量装置连通，底座上安装有圆形模，圆形模上端安装有顶盖，圆形模内安装有温度控制装置的加热装置，加热多孔板以下的模腔构成试样室，气压控制装置与进气管连通，进气管通过顶盖上的进气孔与温度控制装置上的加热板进气孔与试样室连通，传力杆穿过顶盖与温度控制装置连接，传力杆上安装有变形测量装置，试样室下部与连通装置连通。本发明提供的多功能土水特征曲线试验仪，可以克服现有仪器的不足，既能向试样施加法向荷载又可进行温度控制并且能够精确测量试样体积变化，同时能够实现排水量的外部精确测量，测量结果准确，功能齐全、价格低廉。
文档编号G01N19/00GK102426151SQ201110262219
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者王世梅, 胡新江, 谈云志 申请人:三峡大学