一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，数据采集系统分别与伺服加载泵、质量传感器、温度湿度传感器和应变片连接，质量传感器置于密闭容器外，质量传感器与连接钩连接，连接钩另一端穿过密闭容器上小孔与加载平台的上部受力垫块连接，加载平台的下部加压垫块连接伺服加载泵的出口处，伺服加载泵的出口穿过密闭容器上的小孔与伺服压力泵相连，伺服压力泵放置在密闭容器外，应变片和温度湿度传感器分别穿过密闭容器上小孔，密闭容器内放置盛有饱和盐溶液的器皿。结构简单，使用方便，功能齐全，测量精度高，实现不同应力水平非饱和干燥和湿润过程变形和质量跟踪测量，实现了不同饱和度下材料力学参数确定，非常适合非饱和土力学研究。
【专利说明】一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及实验测量仪器【技术领域】，更具体涉及一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，为非饱和岩土介质变形、力学、渗透等参数确定提供一个同步、准确测量设备。
【背景技术】
[0002]非饱和问题是岩土工程的重要议题之一，诸多岩土工程灾害与材料非饱和特性密切相关，比如土质边坡由于地下水位的变化使得非饱和部分力学特性逐渐弱化而引起失稳，地下隧道由于湿度季节性周期性变化导致围岩产生大量裂纹，使得力学特性和水力特性弱化而对工程安全造成危险。目前，非饱和土力学测试技术相对于饱和土力学而言发展较慢。
[0003]非饱和土力学测试技术主要受制于吸力的精确控制和多相物理量的精确测量。根据对期刊文献和专利检索，关于非饱和岩土材料应力-渗透测量仪有以下结果:
不少研究者在吸力控制技术上提出了不少解决方案:英国帝国理工学院在快速高量程张力计(Soil matrix suction: some examples of its measurement and application ingeotechnical engineering [J], Geotechnique，2003，53，241-253)取得了进展，他们研发了一种微型孔隙水压力传感器，可以快速量测1500kpa以下的吸力，武汉大学的王钊教授研制成功了基质吸力原位量测装置(滤纸法在现场基质吸力量测中的应用[J]，岩土工程学报，2003，25，405-408)。
[0004]人们一般还是采用质量测量法确定不同饱和度下的岩土含水情况，但是目前，一般都是针对已经经过干燥或湿润过程的岩土试样进行质量测量。
[0005]非饱和土的渗透测量，陈正汉等(非饱和土的水气运动规律及其工程性质研究[J],岩土工程学报，1993，15，9-20) 1991年设计了一种非饱和渗气试验装置，它可以保证试样不脱模，用量测试验过程中的出水量代替流过试样的空气体积，提高了测气体积精度。法国学者研制了(多孔介质中多相渗流的图像显示研究以及相对渗透率的理论与试验研究[D],北京石油勘探开发科学研究院，1989) 一套一维水、气渗流联测装置，他们利用两种半渗透膜，一种透水不透气，置于水的进口和出口，另一种透气不透水，置于气的进口和出口，从而实现水、气的独立控制与量测。
[0006]但是，目前没有在已有文献中检索到关于非饱和岩土材料应力-渗透测量仪，同时进行不同应力条件下的非饱和渗透测量和水分跟踪测量设备。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是在于提供了一个非饱和岩土材料应力-渗透测量仪。该设备结构简单，使用方便，功能齐全，测量精度高，可实现不同应力水平非饱和干燥和湿润过程变形和质量跟踪测量，同时可以实现不同饱和度下材料力学参数确定，非常适合非饱和土力学研究所需。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种非饱和岩土材料应力-渗透测量仪，包括加载平台(图2)、伺服加载泵、饱和盐溶液、密闭容器、质量传感器、温度湿度传感器、及数据采集系统，其连接关系是:数据采集系统分别与伺服加载泵、质量传感器、温度湿度传感器和应变片连接，质量传感器置于密闭容器外，质量传感器与连接钩一端连接，连接钩另一端穿过密闭容器上小孔I与加载平台的上部受力垫块的中心连接，加载平台的下部加压垫块连接伺服加载泵的出口处，伺服加载泵的出口穿过密闭容器上的小孔II与ISCO 500D伺服压力泵相连，ISCO 500D伺服压力泵放置在密闭容器外，应变片和温度湿度传感器分别穿过密闭容器上小孔III和小孔IV并设置于密闭容器内，密闭容器内放置盛有饱和盐溶液的器皿。
[0009]加载平台的上部受力垫块通过第一、第二、第三金属连杆连接下部加压垫块，下部加压垫块设置有活动传力活塞和受力油腔，传力活塞通过密封圈与受力油腔连接，受力油腔与金属管相连。
[0010]上部受力垫块和下部加压垫块均为三角形金属垫块。
[0011]密闭容器为聚乙烯塑料长方形透明容器，密闭容器上的小孔通过硅胶密封。
[0012]湿度控制系统的饱和盐溶液为CuSO4 ? 5H20, ZnSO4 ? 7H20, NH4SO4, NaCl, NaNO2,CaCl2 ? 6H20其中的一种，这些盐溶液分别对应着不同的湿度，通过逐步更换盐溶液可以实现湿度从32.5%到98%的变化。
[0013]数据采集系统通过PCI数据采集卡，并利用LABVIEW实现数据的采集和处理。
[0014]为了确保测试过程，整个系统温度恒定，除了伺服加压泵、质量传感器以及数据采集系统之外所有部件都放置在密闭容器内，最后，整个系统放置在一个恒温室内。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:
①实现不同应力水平，非饱和干燥和湿润过程精确控制，温度变化控制在2°C之
内；
②实现应力水平下非饱和材料质量跟踪测量；
③实现同一试样，不同饱和度材料力学特性准确测量；
④系统通用性好、可靠性高，可以实现不同岩土材料的非饱和测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪结构示意图。
[0017]图2为一种非饱和岩土材料应力渗透测量加载平台正视示意图。
[0018]图3是沿图2中A-A线剖视图。
[0019]图4是沿图2中B-B线剖面图。
[0020]其中:1 一加载平台、2 —三角形金属垫块、3 —下部加压垫块、4a —第一连接杆、4b —第二连接杆、4c 一第三连接杆、5 —金属连接钩、6 —活动传力活塞；7 —密封圈；8 —受力油腔；9 一密封螺丝；10 —直径为1/8英寸金属进油管，11 一伺服加载泵(ISCO 500D压力泵)，12 —饱和盐溶液，其可控制密闭容器内的湿度，13 —器皿；14 一长方形密闭容器(600x300x300 mm) ; 15—质量传感器(Scaime-AR) ; 16 —温度湿度传感器(JUMO) ; 17 —应变片(KYOWA) ；18 一数据采集系统(PCI采集卡和Labview软件)。
【具体实施方式】[0021]实施例1:
下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪(图1)，包括加载平台I (图2)、伺服加载泵11、饱和盐溶液12、密闭容器14、质量传感器15、温度湿度传感器16、及数据采集系统18。数据采集系统18分别与伺服加载泵11、质量传感器15、温度湿度传感器16和应变片17连接，质量传感器15置于密闭容器14外，质量传感器15与连接钩5 —端连接，连接钩5另一端穿过密闭容器14上小孔I与加载平台I的上部受力垫块2的中心连接，加载平台I的下部加压垫块3连接伺服加载泵11的出口处，伺服加载泵11的出口穿过密闭容器14上的小孔
II与ISCO 500D伺服加载泵11相连，ISCO 500D伺服加载泵11放置在密闭容器14外，应变片17和温度湿度传感器16分别穿过密闭容器14上小孔III和小孔IV并设置于密闭容器14内，密闭容器14内放置盛有饱和盐溶液12的器皿13。
[0022]由图2可知,加载平台I通过第一连接杆4a、第二连接杆4b、第三连接杆4c连接上部受力垫块2和下部加压垫块3，其中上部受力垫块2的中心预留了挂钩5与质量传感器15相连，用于实时跟踪整个加载平台和测试试样在非饱和测试过程的质量变化；下部加压垫块3包括活动传力活塞6、密封圈7和受力油腔8，其中受力油腔8和伺服加载泵11通过密封螺丝9与一根管径为1/8英寸金属管10相连，用于控制油腔内的压力进而通过传力活塞施加到试样端部。整个加载平台的质量为620g，若放置岩土试样，整个系统质量不超过Ikg0
[0023]伺服加载泵11是采用美国ISCO的500D型加压泵，该泵可以提供持续稳定的压力，最大压力可达25MPa，精度为满量程的0.5%，而且该泵可以记录维持稳定压力过程中进、出油腔的液体体积。质量传感器15采用的法国的Scaime单点AR传感器,它可以记录整个加载平台和试样质量总和，该传感器最大称重为1.2kg，精度为0.1g0该质量传感器记录的质量变化实际是试样的含水量和油缸内的液体体积的变化总和，通过ISCO泵的准确记录进、出油腔内的液体体积，可以最终得到试样的真实含水变化情况。
[0024]由于控制岩土材料非饱和过程的因数主要是湿度和温度，因此，设计了一个聚乙烯塑料长方形(600x300x300 mm)密闭透明容器14，它预留了 4个小孔分别用于导入压力传输通道金属管10、质量传感器15通道和温度湿度传感器16以及应变片17的通道。温度湿度传感器16采用德国JUMO的901350/33型，其中湿度的测量精度为1%，温度测量精度为
0.1° C。应变片17采用日本KYOWA长为5mm的应变片，其精度为10_6。
[0025]为了实现非饱和过程，湿度控制系统通过饱和盐溶液实现，密闭容器14内放置含有饱和盐溶液12的器皿13，用于控制密闭容器14内的湿度环境。实际湿度控制采用了不同饱和的盐溶液(CuSO4 ? 5H20, ZnSO4 ? 7H20, NH4SO4, NaCl, NaNO2, CaCl2 ? 6H20)控制，这些盐溶液可以实现湿度从32.5%到98%的变化。
[0026]利用该设备针对粘土岩开展了非饱和试验，试验方案是针对高为40mm，直径为36mm的圆柱形试样施加6MPa轴向压力，并开展了干湿循环(湿度在98%到32%之间变化)试验。试验结果表明，轴向压力保持6MPa两周，密闭容箱内湿度控制与预设值只有2%的偏差，质量变化可以实时跟踪，最后测量精度为0.1go通过该质量变化和Fick扩散方程，确定出了该材料的水气扩散系数为1.0xl0-10m/so同时，应变测量显示其变化规律与质量变化以及湿度变化一一对应的，因此，该设备可以顺利地进行非饱和岩土材料的应力-渗透测试，尤其是针对高应力条件下的测量。
【权利要求】
1.一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，包括加载平台(I)、伺服加载泵(11)、饱和盐溶液(12)、密闭容器(14)、质量传感器(15)、温度湿度传感器(16)、数据采集系统(18)，其特征在于:数据采集系统(18)分别与伺服加载泵(11)、质量传感器(15)、温度湿度传感器(16)和应变片(17)连接，质量传感器(15)置于密闭容器(14)外，质量传感器(15)与连接钩(5) —端连接，连接钩(5)另一端穿过密闭容器(14)上小孔I与加载平台(I)的上部受力垫块(2 )连接，加载平台(I)的下部加压垫块(3 )连接伺服加载泵(11)的出口处，伺服加载泵(11)的出口穿过密闭容器(14)上的小孔II与ISCO 500D伺服加载泵(11)相连，ISCO500D伺服加载泵(11)放置与密闭容器(14)外，应变片(17)和温度湿度传感器(16)分别穿过密闭容器(14)上小孔III和小孔IV并设置于密闭容器(14)内，密闭容器(14)内放置盛有饱和盐溶液(12)的器皿(13)。
2.根据权利要求1所述的一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，其特征在于:所述的加载平台(I)通过第一连接杆(4a)、第二连接杆(4b)、第三连接杆(4c)连接上部受力垫块(2)和下部加压垫块(3)，其中上部受力垫块(2)的中心预留了挂钩(5)与质量传感器(15)相连。
3.根据权利要求1所述的一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，其特征在于:所述的下部加压垫块(3)包括活动传力活塞(6)、密封圈(7)和受力油腔(8)，其中受力油腔(8)和伺服加载泵(11)通过密封螺丝(9 )与金属管(10 )相连。
【文档编号】G01N5/02GK103645128SQ201310745506
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】杨典森, 陈卫忠 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所