一种可控制竖向应力的土水特征曲线实验仪的制作方法

本实用新型涉及应用于土水特征曲线的实验设备，尤其是一种可控制竖向应力的土水特征曲线实验仪。

背景技术：

土水特征曲线在非饱和土力学中扮演着非常重要的角色，它已在岩土工程和环境工程得到广泛应用。根据土水特征曲线可以确定非饱和土的强度，体应变和渗透系数，甚至可以确定地下水面以上水份分布。

目前土水特征曲线的确定方法大致分为两类。一类是直接测量法：以压力板仪和张力计为主。另一类是间接测量法：通常采用热传导吸力探头，热耦吸力计和滤纸法。

目前已有的传统实验仪器在进行土水特征曲线测量时存在以下弊端：无法避免溶解在水中孔隙气体经过高进气值陶土板向外扩散，甚至停留在仪器中无法排出这一现象对实验结果的影响；无法在施加应力的条件下进行土水特征曲线的测量；没有考虑体积变化对实验数据的影响；市场上该类型的实验仪的价位普遍偏高。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可控制竖向应力的土水特征曲线实验仪，可对试样加载竖向应力，解决扩散的气泡对实验结果产生影响的问题，同时可以测得试样的体积变化提高测量结果的精度。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种可控制竖向应力的土水特征曲线实验仪，包括试样室, 试样室上设有应力加载模块、气压控制模块及排水测量模块；所述试样室包括底座和密封室，密封室内放置有陶土板；所述应力加载模块包括穿过试样室的传力杆，传力杆上方正对设有施压杆，施压杆安装在支撑杆上，支撑杆垂直穿过实验台、且与称重装置连接；所述气压控制模块包括进气孔，进气孔通过进气管与空压机连接；所述排水测量模块包括排水孔，排水孔通过排水管道与滴定管连通。

所述陶土板是进气值为5Bar的多孔陶土板。

所述进气管上安装有连接成整体的压力表和调压阀。

所述支撑杆上安装有位移传感器，位移传感器的位移探头和试样室顶部相接触。

所述排水孔为两个、且分别设置在试样室底部两侧，两个排水孔分别与各自的滴定管连接，构成两套排水测量机构。

所述滴定管最下方刻度线平行或低于试样室的底座。

本实用新型一种可控制竖向应力的土水特征曲线实验仪，具有以下技术效果：

1）、可对试样施加竖向应力，从而得到土体在荷载状态下的持水性能，实现外部应力和内部吸力对土体的同时作用，并在此基础上进行实验操作，从而使试样的实验环境更接近与工程实践。

2）、通过在应力加载过程中设置位移传感器，可以测出试样的高度变化从而测得试样的体积变化，修正由于体积改变而导致的测量结果偏差。使实验数据更准确。

3）、通过两个排水管和两个滴定管组成的排水系统可以有效避免气泡扩散在仪器排水系统内对排水量产生的影响。由于两套排水系统相互连通，实验过程中可以用洗耳球对试管中的水施加一定气压力，让水在两个试管内来回冲刷，从而排出气泡。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型中的试样室的截面图。

图2为本实用新型的侧视图。

图3为本实用新型中的试样室的正视图。

图中：1.空压机，2.调压阀，3.传力杆，4.试样室，5.滴定管,6.钢珠,7.传压板,8.排水管,9.环刀,10.试样,11.陶土板,12.横杆,13.支撑杆,14.施压杆,15.位移传感器,16.排水孔,17.进气孔,18.进气管,19.实验台,20.砝码盘。

具体实施方式

如图1-3所示，一种可控制竖向应力的土水特征曲线实验仪包括实验台19，实验台19上安装有试样室4, 试样室4放置于实验台19上，是一个圆柱形密闭空间，试样室4包括底座和配套使用的密封室，底座内嵌有一块进气值为5Bar的多孔陶土板11，试样9放置在陶土板11上，试样上方加一块透水石，透水石上方放上传压板7和钢珠6。钢珠6和传力杆3一端相接触，传力杆3另一端位于试样室4上部且穿过顶盖，传力杆3位于施压杆14正下方，施压杆14安装在支撑杆13上，支撑杆13垂直穿过实验台19（垂直设置使得加载在试验试样上的竖向应力大小和换算出的力相等）、且与砝码盘20连接，当加入适当数量的砝码时，可依靠砝码的重量再通过横杆12和支撑杆13的传递，可使施压杆14与传力杆3良好接触，从而达到对试样施加竖向压力的目的。试样室4侧壁设置进气孔17，进气孔通过进气管18与空压机1连接。另外，压力表和调压阀2为一个整体安装在进气管18上，可对气压进行粗调和细调，保证气压调节的精度。当需要施压气压，可先向两个滴定管中加入一定量的水。根据实验需要对试样逐级施加气压力或者逐级减少气压力。在外加基质吸力的作用下，土样吸水或排水，以达到土样内部的吸力平衡。所述底座两侧设置排水孔16，两排水孔16分别与排水管8、滴定管5连通。两套排水测量装置在后期可排出扩散的气泡，提高实验精度。

所述支撑杆13上安装有位移传感器15，位移传感器15的位移探头和试样室顶部相接触。由此可以测出试样的高度变化从而测得试样的体积变化，修正由于体积改变而导致的测量结果偏差。使实验数据更准确。

所述滴定管5最下方刻度线平行或低于试样室4的底座。在陶土板饱和过程中滴定管内需要加入一定水。在后期固结过程中，可防止水回流进入试样室。

操作过程及原理：

1）、 进行试验前要先将高进气值陶土板进行饱和，饱和时在试样室内加一定量的水然后盖上试样缸使试样室密闭，施加约1Bar的气压，等待约24小时左右水在气压的作用下压入陶土板使陶土板饱和。

陶土板饱和过程中，酸式滴定管内加入一定水，但水位要略低于底座。其目的是在之后的固结过程中防止水回流进入试样室。

实验用的试样为环刀样，完成制样后将试样放在试样室内，调整试样位置放于陶土板正中央（即试样室正中央）。试样上方加一块透水石，透水石上方放上传压板和钢珠。钢珠和传压杆相接触。

2）、接下来可根据实验需求对试样进行固结，根据实验设计对试样进行逐级加载，每级压力可以以持续24小时为标准或者根据百分表的读数在1小时内不大于0.005mm为标准视为当前压力状态下固结完成。接下来以以上标准加载每一级应力直至试样固结完成。

3）、固结完成后（若实验方案没有固结阶段可以跳过固结阶段），进入施压气压阶段。利用饱和的高进气值陶土板，采用轴平移技术控制土样的基质吸力。孔隙水压力保持为零，通过气压力控制系统对试样施加气压，通过压力表控制气压大小。压力表上所显示的气压大小即为基质吸力大小。此时在两个酸式滴定管中加入一定量的水。根据实验需要对试样施加逐级气压力或者逐级减少气压力。在外加基质吸力的作用下，土样吸水或排水，以达到土样内部的吸力平衡。当试管中的水位不再发生变化时，证明土样中的水体积不再变化，表明土样内部的基质吸力和所施加的气压力达到平衡。压力表上显示的气压力值即为土样当前的基质吸力值，同时可以根据水体积变化计算出此时土样的含水量。然后施加下一级气压，重复以上步骤。多次重复以上步骤后，可以得到一系列的基质吸力值以及相对应的土样含水量的值。将这些数据进行处理换算可以得到想要的数据，同时可以画出和实验方案相关的土水特征曲线。

试验过程中，对试样进行施压后，施压杆会随着试样的体积的变化而发生位移。位移传感器安装于支撑杆上，施压杆是在支撑杆的带动下移动的，所以当试样发生体积变化时，位移传感器也将随着支撑杆移动。位移传感器所显示出的读数即为轴向位移，通过测量出的轴向体变换算出试样的体积变化。通过该措施考虑了试样体积变化对试验结果的影响，从而提高了实验的精度。

由于两套排水系统相连通，实验过程中，可以对试管中的水施加一定大小的气压。将其中一个酸式滴定管内一定量的水通过管道和陶土板压入另一个试管中，然后对另一个重复上述操作，多次往复使得水在两个试管中来回冲刷，从而排出扩散的气泡。通过该措施解决了扩散的气泡对排水量的影响，提高实验数据的精确度。

该仪器和同类型仪器相比，经济实惠，操作简单，实验数据直观也便于观测。上述方案中位移传感器其优点在于可以自动记录位移量，但是整套设施价格偏高，安装繁琐。可以根据实验需要将位移传感器更换为百分表，百分表无法自动记录位移量，但是其优点是价格经济实惠，安装起来方便快捷，也可以达到实验所需求的标准。可以根据自身条件自行选择。