本发明涉及土工室内试验技术领域，尤其涉及一种非饱和土固结变形量及排水量的测量装置及测量方法。
背景技术：
非饱和土固结变形及排水量测量是土样固结试验的重要组成部分，对土体特性研究具有重要的意义，准确的测出土体固结变形量及排水量是土体固结试验准确进行及后续数据处理的前提，所以非饱和土固结变形及排水量测量在土工试验中具有重要的现实意义和理论意义。非饱和土固结试验是研究一定吸力下非饱和土固结变形特性的试验，现有的非饱和土固结变形及排水量测量装置比较缺乏，且少有具体高效的试验方法，影响了土体固结特性的研究。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种非饱和土固结变形量及排水量的测量装置及测量方法，能够实现一定吸力下土体固结变形量及排水量两者分别测量的目的，从而提高了科研水平。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种非饱和土固结变形量及排水量的测量装置，包括土样室、排水管、支架、百分表、空气压缩机和孔隙水压力传感器，所述土样室内部具有土样腔，所述土样腔具有上端腔口和下端腔口，所述土样室底部具有封闭土样腔下端腔口的底板，所述土样腔的上端腔口通过承载板活动封闭，所述承载板可在土样腔中上下升降运动；所述承载板上表面上均匀放置有若干个砝码，所述承载板上固定连接有承台，所述土样室外部设有支架，所述支架上设有与承台相对应的百分表，所述百分表的百分表触头与承台上表面相对应；所述土样室外部设有空气压缩机，所述空气压缩机的吸气口通过导管与土样室的土样腔密闭连通，所述土样室外部设有孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器的压力探头位于土样室的土样腔中；所述土样室的底板底部设有与土样腔相连通的排水管。
为了便于对排水管排出水量进行计量，所述排水管的出水管口处连通设有量筒。
本发明优选的土样室底板结构技术方案是：所述土样室的底板为陶土板，所述陶土板具有均匀分布的吸水孔，所述陶土板吸水孔的进水端与土样室的土样腔密闭连通，所述陶土板吸水孔的出水端与排水管的进水管口密闭连通。
为了便于百分表的百分表触头与承台接触进行准确测量，所述承台与承载板之间通过传力杆固定连接，所述传力杆上端端部与承台底部中心固定连接，所述传力杆下端端部与承载板上表面中心固定连接，所述百分表的百分表触头与承台上表面中心相对应。
作为优选，所述承载板上表面放置的所有砝码重量均相同，所述砝码的重量为25g或50g或100g或200g或400g或800g。
作为优选，所述排水管上设有阀门；所述支架包括竖杆和垂直连接于竖杆顶部的横杆，所述支架的竖杆底部固定连接于土样室侧壁上，所述横杆的一端端部朝向承载板中心位置，所述百分表设置于横杆该端端部。
作为优选，所述土样室的土样腔为直径15cm的圆柱体腔体；所述陶土板为圆柱体形状，陶土板的直径为15cm，陶土板的厚度为1.1cm；所述承载板为圆柱体形状，承载板的直径为15cm，承载板的厚度为0.4cm；所述排水管为管内径0.3cm的圆管。
一种非饱和土固结变形量及排水量的测量方法，其测量方法如下：
A、将土样放置于土样室的土样腔中，关闭排水管的阀门，让百分表的百分表触头与承台上表面接触，并调整百分表的百分表触头以使得百分表的读数稳定，记录百分表的读数；
B、启动空气压缩机，读取空气压缩机的气压值，根据孔隙水压力传感器所检测到土样孔隙水压力大小调整空气压缩机的气压值，使得孔隙水压力传感器所检测到土样孔隙水压力值稳定在所需吸力值，记录百分表的读数；打开排水管的阀门，观测百分表读数，直到百分表读数稳定为止，然后再次记录百分表的读数，并读取量筒内水量；根据百分表的初始读数和稳定读数计算出非饱和土的固结变形和排水量；
C、非饱和土固结完毕后，关闭空气压缩机、阀门，卸掉土样室土样腔内的土样，并用毛刷清洗土样室内壁，确保土样室内壁上没有附着物，以备进行下次试验。
根据上述非饱和土固结变形量及排水量测量方法的发明思想，本发明优选的一种非饱和土固结变形量及排水量测量方法，其测量方法如下：
A、将土样放置于土样室的土样腔中，关闭排水管的阀门，让百分表的百分表触头与承台上表面接触，并调整百分表的百分表触头以使得百分表的读数稳定，读取百分表的读数A1；
B、启动空气压缩机，读取空气压缩机的气压值，根据孔隙水压力传感器所检测到土样孔隙水压力大小调整空气压缩机的气压值，使得孔隙水压力传感器所检测到土样孔隙水压力值稳定在吸力值F1，读取百分表的读数A2；打开排水管的阀门，观测百分表读数，直到读数稳定为止，然后再次读取百分表的读数A3，并读取量筒内水量H；根据百分表的读数计算出非饱和土的固结变形情况和排水量，具体如下：
非饱和土在整个固结过程中的变形情况为：A3-A1；
稳定吸力值F1情况下，非饱和土的固结变形情况为：A3-A2；非饱和土的固结排水量为H+H1，H1为陶土板储水量与排水管内储水量总和，相同的陶土板与排水管，H1为一确定的、可测量的定值；
C、非饱和土固结完毕后，关闭空气压缩机、阀门，卸掉土样室土样腔内的土样，并用毛刷清洗土样室内壁，确保土样室内壁上没有附着物，以备进行下次试验。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过砝码加载在承载板上，承载板上面负载有所有砝码的荷载，承载板将重力传输至土样腔内土样中，起到加速土样固结变形的目的。当固结变形时，土样高度下降，承载板、承台就会同步下降，百分表就会测量出承台的高度下降量，从而可以精确计算出土样腔内土样的固结变形量，进而可以计算出固结变形率。在土样腔内土样的固结过程中，土样中的水流入到陶土板中，水经过陶土板流入到排水管，排水管将水排放到量筒中，量筒量取出储水量，再加上陶土板含量水和排水管中的储水量，即可计算出土样腔内土样的固结过程中的总排水量。本发明还可以测量并计算出在土样处于一定吸力情况下的固结变形量和排水量，让百分表记录在吸力情况下的初始百分表读数和稳定百分表读数，即可得出在吸力情况下的土样下降高度，进而计算出在吸力情况下土样的固结变形量。同时，让量筒记录在吸力情况下的初始量筒读数和稳定量筒读数，即可得出在吸力情况下的土样排放到量筒的排水量，再加上陶土板含量水和排水管中的储水量，即可计算出在吸力情况下土样的总排水量。
(2)本发明通过空气压缩机为土样提供外界吸力，并通过孔隙水压力传感器进行土样孔隙处的吸力值监测，即可实现了一定吸力下土样固结变形的精准测量和排水精准测量；本发明提高了试验精度，并且避免了人为试验误差。
(3)本发明通过陶土板的透水不透气功能，可以密封土样室，还可排水，实现了非饱和土排水量的精准测量。
(4)本发明测量装置结构简单，加工成本低，易于在生产和教学中推广应用，对于非饱和土固结试验具有重要的实践意义和科研意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1－百分表，2－承台，3－传力杆，4－砝码，5－支架，6－承载板，7－土样室，8－土样，9－陶土板，10－排水管，11－阀门，12－空气压缩机，13－导管，14－孔隙水压力传感器，15－百分表触头，16－量筒。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图1所示，一种非饱和土固结变形量及排水量的测量装置，包括土样室7、排水管10、支架5、百分表1、空气压缩机12和孔隙水压力传感器14，土样室7内部具有土样腔，土样腔在土样室内部上下贯穿设置，土样室7的土样腔为直径15cm的圆柱体腔体。土样腔具有上端腔口和下端腔口，土样室7底部具有封闭土样腔下端腔口的底板。在本实施例中，土样室7的底板为陶土板9，陶土板9为圆柱体形状，陶土板9的直径为15cm，陶土板9的直径与土样腔下端腔口的直径相匹配，即陶土板9紧密封闭安装于土样腔的下端腔口处，陶土板9的厚度为1.1cm，陶土板9具有透水不透气的功能，陶土板9可保证土样室7的密闭性能。陶土板9具有均匀分布的吸水孔，陶土板9吸水孔的进水端与土样室7的土样腔密闭连通，陶土板9吸水孔的出水端与排水管10的进水管口密闭连通，本实施例排水管10为管内径0.3cm的圆管。排水管10的出水管口处连通设有量筒16。土样室7的土样腔中在盛放土样8后，土样8中的水经过陶土板9的吸水孔流入到排水管10中，水经过排水管10排出到量筒16中，量筒16用于收集土样8排出的水，进而方便进行土样8排水量的测量。本发明土样室7的土样室密闭性较好，用于土样8及陶土板9。
如图1所示，土样腔的上端腔口通过承载板6活动封闭，即承载板6活动安装于土样腔的上端腔口中，承载板6可在土样腔中上下升降运动，承载板6用来分散来自于所有砝码4的荷载。本实施例承载板6为圆柱体形状，承载板6的直径为15cm，承载板6的厚度为0.4cm。承载板6上表面上均匀放置有若干个砝码4，承载板6上表面放置的所有砝码4重量均相同，砝码4的重量为25g或50g或100g或200g或400g或800g；砝码4可以选择如下任一种重量：25g或50g或100g或200g或400g或800g，当然砝码4还可以选择其他重量的砝码。承载板6上固定连接有承台2，土样室7外部设有支架5，支架5上设有与承台2相对应的百分表1，支架5的强度较高，支架5用于固定百分表1。百分表1的百分表触头15与承台2上表面相对应。在本实施例中，承台2与承载板6之间通过传力杆3固定连接，传力杆3上端端部与承台2底部中心固定连接，传力杆3下端端部与承载板6上表面中心固定连接，百分表1的百分表触头15与承台2上表面中心相对应。百分表1的百分表触头15用于测量承台2的下降量，百分表1的读数可以定量反映出承台2的下降量，通过百分表1的前后读数差可以得出承台2的下降量，然后根据承台2的下降量，能准确地计算出土样腔中土样的固结变形量。
如图1所示，土样室7外部设有空气压缩机12，空气压缩机12的吸气口通过导管13与土样室7的土样腔密闭连通，土样室7外部设有孔隙水压力传感器14，孔隙水压力传感器14的压力探头位于土样室7的土样腔中，在土样室7的土样腔中放置土样8后，孔隙水压力传感器14的压力探头放置于土样8的各个孔隙中；孔隙水压力传感器14用于测量土样8中的孔压，方便计算吸力，可实现一定吸力下非饱和土固结变形的测量。土样室7的底板底部设有与土样腔相连通的排水管10，本实施例土样室7的底板为陶土板9，即陶土板9吸水孔的出水端与排水管10的进水管口密闭连通。
如图1所示，排水管10上设有阀门11。支架5包括竖杆和垂直连接于竖杆顶部的横杆，支架5的竖杆底部固定连接于土样室7侧壁上，横杆的一端端部朝向承载板6中心位置，百分表1设置于横杆该端端部。
一种非饱和土固结变形量及排水量的测量方法，其测量方法如下：
A、将土样8放置于土样室7的土样腔中，将承载板6放置于土样室7的土样腔的上端腔口处，在承载板6上表面上均匀放置若干个砝码4，承载板6承受所有砝码4的荷载并在土样腔中从上端腔口朝向下端腔口方向运动。关闭排水管10的阀门11，让百分表1的百分表触头15与承台2上表面接触，并调整百分表1的百分表触头15以使得百分表1的读数稳定，记录百分表1的读数；
B、启动空气压缩机12，读取空气压缩机12的气压值，根据孔隙水压力传感器14所检测到土样8孔隙水压力大小调整空气压缩机12的气压值，使得孔隙水压力传感器14所检测到土样8孔隙水压力值稳定在所需吸力值，记录百分表1的读数；打开排水管10的阀门11，观测百分表1读数，直到百分表1读数稳定为止，然后再次记录百分表1的读数，并读取量筒16内水量；根据百分表1的初始读数和稳定读数计算出非饱和土的固结变形和排水量；
C、非饱和土固结完毕后，关闭空气压缩机12、阀门11，卸掉土样室7土样腔内的土样8，并用毛刷清洗土样室7内壁，确保土样室7内壁上没有附着物，以备进行下次试验。
本发明在上述方法思想范围内优选的一种土固结变形量及排水量测量方法，即一种非饱和土固结变形量及排水量的测量方法，其测量方法如下：
A、将土样8放置于土样室7的土样腔中，将承载板6放置于土样室7的土样腔的上端腔口处，在承载板6上表面上均匀放置若干个砝码4，承载板6承受所有砝码4的荷载并在土样腔中从上端腔口朝向下端腔口方向运动。关闭排水管10的阀门11，让百分表1的百分表触头15与承台2上表面接触，并调整百分表1的百分表触头15以使得百分表1的读数稳定，读取百分表1的读数A1；
B、在承载板6上均匀放置所需重量的砝码4，承载板6上承受所有砝码4的荷载，承载板6将重力传输到土样室7的土样腔中的土样8,土样8固结变形，承载板6高度下降，承台2也随着承载板6高度同步下降，百分表1的百分表触头15用于测量承台2的下降量，百分表1的读数可以定量反映出承台2的下降量，通过百分表1的前后读数差可以得出承台2的下降量，然后根据承台2的下降量，就能准确地计算出土样腔中土样的固结变形量。启动空气压缩机12，读取空气压缩机12的气压值，根据孔隙水压力传感器14所检测到土样8孔隙水压力大小调整空气压缩机12的气压值，使得孔隙水压力传感器14所检测到土样8孔隙水压力值稳定在吸力值F1，读取百分表1的读数A2；打开排水管10的阀门11，观测百分表1读数，直到读数稳定为止，然后再次读取百分表1的读数A3，并读取量筒16内水量H；根据百分表1的读数计算出非饱和土的固结变形情况和排水量，具体如下：
非饱和土在整个固结过程中的变形情况为：A3-A1；A3-A1为百分表1在土样8固结过程中的高度下降量(需换算成单位米)，那么非饱和土在整个固结过程中的变形量为(A3-A1)*(0.15/2)2*π＝0.005625π*(A3-A1),单位m3，其中0.15米为土样腔的圆柱体腔体直径，(A3-A1)换算成以米计量单位，若百分表1的每一分度值相当于土样下降移动0.01毫米，则(A3-A1)在代入计算前换算成米后为(A3-A1)*10-5，非饱和土在整个固结过程中的变形量为5.625π*(A3-A1)*10-8,单位m3。
稳定吸力值F1情况下，非饱和土的固结变形情况为：A3-A2；A3-A2为百分表1在土样8稳定吸力值F1情况下固结过程中的高度下降量(需换算成单位米)，那么非饱和土在稳定吸力值F1情况下固结过程中的变形量为(A3-A2)*(0.15/2)2*π＝0.005625π*(A3-A2),单位m3，详细计算与非饱和土在整个固结过程中变形情况计算相同。非饱和土的固结排水量为H+H1，H1为陶土板9储水量与排水管10内储水量总和，相同的陶土板9与排水管10，H1为一确定的、可测量的定值；测量前，对陶土板9的储水量和排水管10内储水量分别进行计算，即可得到H1(陶土板9储水量与排水管10内储水量总和)。
C、非饱和土固结完毕后，关闭空气压缩机12、阀门11，卸掉土样室7土样腔内的土样8，并用毛刷清洗土样室7内壁，确保土样室7内壁上没有附着物，以备进行下次试验。
本发明的非饱和土固结变形和排水量测量装置通过空气压缩机12及孔隙水压力传感器14的布设，实现了一定吸力工况下土体固结变形及排水量的测量，对土体固结特性研究具有重要的意义，且结构简单，便于携带，加工成本低，易于在生产和教学中推广应用。
上述实施方式只是本发明的一个优选实施例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围的，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和近似替换，均应落在本发明的保护范围内。