专利名称：一种非饱和土水力参数测定装置及测定方法
技术领域：
本发明是一种土工测试仪器，属于土木工程技术领域。
背景技术：
非饱和土在我国分布广泛，地球表面广泛分布的天然沉积土，以及工程建设中遇到的土
体问题，几乎都是非饱和土问题，真IH意义上的饱和土在工程实践中很少见到，这使得非饱 和土力学的研究具有非常现实和实际的意义。水力滞后是非饱和土的一个重要特征，水力滞 后通常表现在土水保持曲线的滞后性，且土水保持曲线的滞后性受到多种因素影响，如土结 构，温度尤其是应力状态的影响。用来描述非饱和土水力特性的两个重要参数就是非饱和渗 透系数与土水保持曲线即土体基质吸力与含水量的对应关系。目前国内外还没有用来测定三 向加载状态下的土水保持曲线和非饱和渗透系数的仪器。本发明就是用來测定三向加载状态 下的土水保持曲线和非饱和土渗透系数两个重要的水力参数。
发明内容
本发明目的是提供一种非饱和土水力参数测定装置及测定方法，解决非饱和土在三向加 载状态下的土水保持曲线和非饱和渗透系数的测试问题。
本发明的技术解决方案，其特征是一种非饱和土水力参数测定装置由压力室12、气压泵 21、真空泵8、加载框架IO、仪器底座27、水压管路4与20、气压管路11与15组成。其中 压力室12与仪器底座27通过螺栓2连接，压力室12顶部有垂直位移量测计1与加压轴3。 压力室12顶部的气压管路15连接有压力室12、气压传感器16、气压控制阀门18、气压泵 21，仪器底座27里的压力室充水管路28与控制阀门29相连。仪器底座27上面安装有试样 底座25，试样底座上面镶嵌有陶土板14。试样底座中央的水压管路20连接有下陶土板14、 水压传感器9、水体积量测管17、水压控制阀门19、气压泵21，水体积量测管17上部有封 水橡胶塞5。试样顶帽13下部镶嵌有陶土板14，顶帽中央水压管路4连接有上陶土板14、 水压传感器9、水体积量测管6、水压控制阀门7、真空泵8，水体积量测管6上部有封水橡 胶塞5。两块陶土板14中间安装试样30，顶帽13、陶土板14、试样30、试样底座25由橡 胶膜包裹。试样30中间部位穿过橡胶膜的气压管路11连接有试样30、气压传感器23、气压 控制阀门22、气压泵21。砝码26通过加压框架10与加压轴3,对准顶帽13顶部凹槽对试 样施加垂直压力。加载框架10由砝码26、杠杆32、大砝码33、转动轴31组成，加载框架10通过固定栓24与仪器底座27连接，带动框架10升降的两个转动轴31通过金属钩34连 接，砝码26与杠杆31通过金属钩35连接。
本发明优点
仪器制造简单，测量精度高，满足三向应力要求，可以量测土水保持曲线的增湿段与减 湿段，可以直接测定各种土质的非饱和渗透系数。
本发明适用范围
适用于土木工程中遇到的各种土质的土水保持曲线与非饱和渗透系数的量测。
图l是非饱和土水力参数测定装置的结构示意图。其中有垂直位移量测计l、螺栓2、
加压轴3、水压管路4、橡胶塞5、水体积量测管6、水压控制阀门7、真空泵8、水压传感器 9、加载框架10、气压管路11、压力室12、顶帽13、陶土板14、气压管路15、气压传感器 16、水体积量测管17、气压控制阔门18、水压控制阈门19、水压管路20、气压泵21、气压 控制阀门22、气压传感器23、固定栓24、试样底座25、砝码26、仪器底座27、充水管路 28、充水控制阀门29、试样30、转动轴31。
图2是图1的A-A右视图。其中有加载框架IO、固定栓24、转动轴31、杠杆32、大 砝码33、金属钩34与35。
具体实施例方式
实施例非饱和土水力参数即土水保持曲线和非饱和渗透系数的测定分为两部分， 1) 土水保持曲线的测定方法
a. 将气压管路11从气压泵21上拆除，将水压管路4与气压泵21连接，关闭阀门18与 22，启动气压泵21,打开阀门7和19,加压将两块陶土板14充水饱和；
b. 陶土板14饱和后，关闭气压泵21，将水压管路4与真空泵8连接，关闭阀门7与19， 将气压管路11与气压泵21连接，将顶帽13和试样30安装在底座25上，外面套上橡皮膜， 压力室12与底座27由螺栓2连接,通过水路28往压力室内充水，待水面距离压力室顶面5 10cm时，关闭阀门29;c. 将水压管路20从气压泵21上拆下，按试验要求增加砝码26,施加垂直压力于顶帽 13上，同时启动气压泵21，调节阀门18，施加围压，打开水压阀门19排水，直到达到要求 的试样应力状态；
d. 关闭阀门19,将水压管路20与气压泵21连接，调节阀门22与阀门19，通过气压传 感器23和水压传感器9，控制一定大小的孔隙气压力与孔隙水压力，二者之差即为试样的基 质吸力J。，通过水体积量测管17可以读出进出试样的水量大小，待量测管17液面平稳后，
结合已知的试样含水量，可以得出对应基质吸力&的试样含水量w。，即可得到土水保持曲线
上的一组试验数据(^-w。)；
e. 调节阀门22与阀门19，通过气压传感器23和水压传感器9，改变试样内孔隙气压力 与孔隙水压力的大小，即改变试样基质吸力J,的大小，待水体积量测管17液面变化平稳后，
读出进出试样的水量变化值，得到新的对应基质吸力j,的试样含水量vv,,即可得到土水保持
曲线上的另一组试验数据(s,.-w,);
f. 按试验要求，重复步骤e，即可得到整条土水保持曲线上的试验数据，即可绘出整条 土水保持曲线。
2)非饱和渗透系数的测定方法
a. 将气压管路11从气压泵21上拆除，将水压管路4与气压泵21连接，关闭阀门18与 22，启动气压泵21，打开阀门7与19,加压将两块陶土板14充水饱和；
b. 陶土板14饱和后，关闭气压泵21，将水压管路4与真空泵8连接，关闭阓门7与19， 将气压管路11与气压泵21连接，将顶帽13和试样30安装在底座25上，外面套上橡皮膜， 压力室12与底座27由螺栓2连接，通过水路28往压力室内充水，待水面距离压力室顶面5~ 10cm时，关闭阀门29;
c. 将水压管路20从气压泵21上拆下，按试验要求增加砝码26,施加垂直压力于顶帽 13上，同时启动气压泵21，调节阀门18,施加围压，打开水压阀门19排水，直到达到要求 的试样应力状态；
d. 关闭阀门19，将水压管路20与气压泵21连接，启动真空泵8，调节阀门22与19， 通过气压传感器23和水压传感器9，控制一定大小的孔隙气压力与孔隙水压力，即控制试样
的基质吸力s。，通过水体积量测管17读出进出试样的水量大小，待量测管17液面变化稳定后，得到对应基质吸力的试样含水量w。，调节阀门19,略微增加孔隙水压力，使得量测管
17液面均匀缓慢下降，调节阀门7，使得量测管6液面均匀缓慢上升，数值上与量测管17数 值保持一致，保证出入试样的水量相等，即确保试样内部含水量恒定，记录一定时间内量测 管17水体积变化值，即可得到对应基质吸力J。的非饱和渗透系数；
e. 关闭阀门7,调节阀门22和19，改变孔隙气压与孔隙水压大小，即改变试样基质吸 力&，待水体积量测管17变化稳定后，表示试样内含水量达到平衡，得到对应基质吸力J,.的
试样含水量w。，调节阀门19，略微增加孔隙水压力，使得量测管17液面均匀缓慢下降，调
节阀门7，使得量测管6液面均匀缓慢上升，数值上与量测管17数值保持一致，保证出入试 样的水量相等，即确保试样内部含水量恒定，记录一定时间内量测管17水体积变化值，即可 得到对应基质吸力值s,的非饱和渗透系数；
f. 按试验要求，重复歩骤e,可以得到试样不同基质吸力值下的非饱和渗透系数。
权利要求
1、一种非饱和土水力参数测定装置及测定方法，其特征是该装置由压力室(12)、气压泵(21)、真空泵(8)、加载框架(10)、仪器底座(27)、水压管路(4)(20)、气压管路(11)(15)组成，压力室(12)与仪器底座(27)通过螺栓(2)连接，压力室(12)顶部有垂直位移量测计(1)和加压轴(3)，压力室(12)顶部的气压管路(15)连接有压力室(12)、气压传感器(16)、气压控制阀门(18)、气压泵(21)，仪器底座(27)里的压力室充水管路(28)与控制阀门(29)相连，仪器底座(27)上面安装有试样底座(25)，试样底座上面镶嵌有陶土板(14)，试样底座中央的水压管路(20)连接有下陶土板(14)、水压传感器(9)、水体积量测管(17)、水压控制阀门(19)、气压泵(21)，水体积量测管(17)上部有封水橡胶塞(5)，试样顶帽(13)下部镶嵌有陶土板(14)，顶帽中央水压管路(4)连接有上陶土板(14)、水压传感器(9)、水体积量测管(6)、水压控制阀门(7)、真空泵(8)，水体积量测管(6)上部有封水橡胶塞(5)，两块陶土板(14)中间安装试样(30)，顶帽(13)、陶土板(14)、试样(30)、试样底座(25)由橡胶膜包裹，试样(30)中间部位穿过橡胶膜的气压管路(11)连接有试样(30)、气压传感器(23)、气压控制阀门(22)、气压泵(21)，砝码(26)通过加载框架(10)与加压轴(3)，对准顶帽(13)顶部凹槽，对试样施加垂直压力。
2、 如权利要求1屮所述的测定装置的加载框架(10)，其特征是该加载框架(10)是由砝码(26)、杠杆(32)、大砝码(33)、转动轴(31)组成，加载框架(10)通过固定栓(24)与仪器底座(27)连接，带动框架(10)升降的两个转动轴(31)通过金属钩(34)连接，砝码(26)与杠杆(31)通过金属钩(35)连接。
3、 将权利要求1中所述的测定装置用于测定水力参数土水保持曲线，其特征是该装置测定土水保持曲线方法如下，1) 将气压管路(11)从气压泵(21)上拆除，将水压管路(4)与气压泵(21)连接，关闭阀门(18)与(22)，启动气压泵(21),打开阀门(7)与(19)，加压将两块陶土板(14)充水饱和；2) 陶土板(14)饱和后，关闭气压泵(21)，将水压管路(4)与真空泵(8)连接，关闭阀门(7)与(19)，将气压管路(11)与气压泵(21)连接，将顶帽(13)和试样(30)安装在底座(25)上，外面套上橡皮膜，压力室(12)与底座(27)由螺栓(2)连接，通过水路(28)往压力室内充水，待水面距离压力室顶面5 10cm时，关闭阀门(29);3) 将水压管路(20)从气压泵(21)上拆下，按试验要求增加砝码(26)，施加垂直压力于顶帽(13)上，同时启动气压泵(21)，调节阀门(18)，施加围压，打开水压阀门(19)排水，直到达到要求的试样应力状态；4) 关闭阀门(19),将水压管路(20)与气压泵(21)连接，调节阀门(22〉与阀门(19),通过气压传感器(23)和水压传感器(9)，控制一定大小的孔隙气压力与孔隙水压力，二者之差即为试样的基质吸力(s。)，通过水体积量测管(17)可以读出进出试样的水量大小，待量测管(17)液面平稳后，结合已知的试样含水量，可以得出对应基质吸力(J。)的试样含水量(w。)，即可得到土水保持曲线上的一组试验数据(s。-w。)；5) 调节阀门(22)与阀门(19),通过气压传感器(23)和水压传感器(9)，改变试样内孔隙气压力与孔隙水压力的大小，即改变试样基质吸力(s,)的大小，待水体积量测管(17)液面平稳后，读出进出试样的水量变化值，得到新的对应基质吸力(& )的试样含水量(w,)，即可得到土水保持曲线上的另一组试验数据(s, - w );6) 按试验要求，重复步骤5)，即可得到整条土水保持曲线上的试验数据，即可绘出整条土水保持曲线。
4、将权利要求1中所述的测定装置用于测定水力参数非饱和渗透系数，其特征是该装置测定非饱和渗透系数方法如下，1) 将气压管路(11)从气压泵(21)上拆除，将水压管路(4)与气压泵(21)连接，关闭阀门(18)与(22)，启动气压泵(21)，打开阀门(7)与(19),加压将两块陶土板(14)充水饱和；2) 陶土板(14)饱和后，关闭气压泵(21),将水压管路(4)与真空泵(8)连接，关闭阀门(7)与(19)，将气压管路(11)与气压泵(21)连接，将顶帽(13)和试样(30)安装在底座(25)上，外面套上橡皮膜，压力室(12)与底座(27)由螺栓(2)连接，通过水路(28)往压力室内充水，待水面距离压力室顶面5 10cm时，关闭阀门(29);3) 将水压管路(20)从气压泵(21)上拆下，按试验要求增加砝码(26),施加垂直压力于顶帽(13)上，同时启动气压泵(21)，调节阈门(18)，施加围压，打开水压阀门(19)排水，直到达到要求的试样应力状态；4) 关闭阀门(19)，将水压管路(20)与气压泵(21)连接，启动真空泵(8)，调节阀门(22)与(19),通过气压传感器(23)和水压传感器(9)，控制一定大小的孔隙气压力与孔隙水压 力，即控制试样的基质吸力(s。)，通过水体积量测管(17)读出进出试样的水量大小，待量测管(17)液面变化稳定后，得到对应基质吸力的试样含水量(wQ)，调节阀门(19),略微增加孔隙水压力，使得量测管(17)液面均匀缓慢下降，调节阀门(7)，使得量测管(6)液 面均匀缓慢上升，数值上与量测管(17)数值保持一致，保证出入试样的水量相等，即确保 试样内部含水量恒定，记录一定时间内量测管(17)水体积变化值，即可得到对应基质吸力 (j。)的非饱和渗透系数；5) 关闭阀门(7)，调节阀门(22)和(19)，改变孔隙气压与孔隙水压大小，即改变试样基 质吸力(s,)，待水体积量测管(17)变化稳定后，表示试样内含水量达到平衡，得到对应基质吸力(s,)的试样含水量(w。)，调节阀门(19)，略微增加孔隙水压力，使得量测管(17)液面均匀缓慢下降，调节阀门(7)，使得量测管(6)液面均匀缓慢上升，数值上与量测管(17) 数值保持一致，保'uE出入试样的水量相等，即确保试样内部含水量恒定，记录一定时间内量 测管(17)水体积变化值，即可得到对应基质吸力值(j,)的非饱和渗透系数；6) 按试验要求，重复歩骤5)，可以得到试样不同基质吸力值下的非饱和渗透系数。
全文摘要
本发明是一种非饱和土水力参数测定装置及测定方法，该装置由压力室12、气压泵21、真空泵8、加载框架10、仪器底座27、水压管路4与20、气压管路11与15组成。压力室12顶部的气压管路连接有气压传感器16、气压控制阀门18、气压泵21；仪器底座27内的充水管路28与控制阀门29相连，试样底座中央的水压管路20连接有下陶土板14、水压传感器9、水体积量测管17、水压控制阀门19、气压泵21；顶帽中央水压管路4连接有上陶土板14、水压传感器9、水体积量测管6、水压控制阀门7、真空泵8；两块陶土板14中间安装试样30，顶帽13、陶土板14、试样30、试样底座25由橡胶膜包裹；试样30中间部位穿过橡胶膜的气压管路11连接有试样30、气压传感器23、气压控制阀门22、气压泵21；砝码26的压力通过加载框架10与加压轴3施加于试样上。该装置可以用来测定各种土质在三向加载条件下的土水保持曲线和非饱和渗透系数。
文档编号G01N15/08GK101509865SQ20091011935
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者李志清, 胡瑞林 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所