一种动态孔隙水压计检定压力腔装置及检定方法与流程

本发明涉及孔隙水压计的动态检定技术领域，特别涉及一种动态孔隙水压计检定压力腔装置及检定方法。

背景技术：

孔隙水压力是指饱和土体孔隙介质中水所承受的压力，是大气压力之上的一种正压力(表压力)。用于判别外界干扰载荷作用下地基、岩土构筑物(堤/坝/边坡/码头)、地下结构和海洋基础等变形和稳定性的一个关键物理参数。孔隙水压力又分为静孔隙水压力与超静孔隙水压力，其中，静孔隙水压力：由地基土中地下水的自重引起的，即静止的地下水以下的孔隙水压力都是静孔隙水压力；超静孔隙水压力：由于外界静力或动力作用，超过与地下水条件有关的起始静孔隙水压力的那部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。

孔隙水压计(简称孔压计)是现场观测和物理试验中观测超静孔隙水压力增长与消散的关键性测量传感器。

为保证孔隙水压计的稳定性和可靠性，通常需要对孔隙水压计的传感器进行测试与检定。目前现有技术主要采用改装的三轴压力室对孔隙水压计的传感器静态响应性能进行测试与检定，例如东南大学交通学院发表在《工程勘察》2012年第10期，名称为“埋入式微型孔压计在真空预压模型试验中的应用”的论文中，提到了一种孔隙水压计检定用实验仪器，该实验仪器中的压力室类似于常规三轴试验的压力室，高度50cm、直径25cm，采用壁厚为1cm的高强度透明有机塑料作为侧壁，下压力腔和上压力腔为带有o型密封圈的钢质圆板，下压力腔上设置有进出水口，抽真空管路和输气管路通过一个三通阀连接到压力室的内部，该三通阀设置在上压力腔上，孔隙水压计的导线密封是先在圆管内放入硅橡胶，然后放置四根导线，等待橡胶固化后，进行整个仪器的密封性测试。

在进行检定试验时，需要在压力室内注入3-5cm水，用于饱和孔隙水压计，然后将孔隙水压计放置在压力室中的水中，并根据试验规划分级施加正压，施加正压是通过输气管路向压力室内通入压缩气体，记录数据并进行后续的分析。

由上述试验过程可以看出，现有技术中的输气管路所输入的压缩气体仅仅通过三通阀的一个出口直接作用于压力室内，而压力室底部仅盛装有3-5cm的水，因此在气压较大时，压力室内的气压将会出现分布不均匀的情况，这会引起压力室内的液面发生激振效应，孔隙水压计将随着液面发生大幅度摆动，这对孔隙水压计的检定不够准确，同时还会对孔隙水压计的测量精度造成影响，甚至损坏孔隙水压计。

而且需要强调的是，目前只有静态孔隙水压计标定压力室装置，而没有动态孔隙水压计检定压力腔装置，其原因在于：现有检定装置均是由三轴压力室改造而成，导致在动态压力下不能实现孔隙水压计的标定，有如下关键问题：单孔进气法下不能实现气压和水压之间的稳定转化与均匀分布。

没有动态检定装置阻碍了现有岩土工程中场地和岩土建筑物失效与破坏的有效评价。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供一种动态孔隙水压计检定压力腔装置，以避免气体输入过程中造成检定压力腔本体内液体的激振，从而保证检定结果的可靠性，并避免待检定的孔隙水压计在检定过程中损坏。

本发明的另一目的还在于提供一种动态孔隙水压计检定方法。

为达到上述目的，本发明提供的动态孔隙水压计检定压力腔装置，包括检定压力腔本体，所述检定压力腔本体的顶部设置有上压力腔，所述上压力腔内部具有中空的气体分配腔，所述气体分配腔与所述检定压力腔本体的上口相对应，且所述气体分配腔上设置有多个在所述气体分配腔内均匀分布的进气孔，所述进气孔与所述检定压力腔本体的内部连通，所述上压力腔上设置有与所述气体分配腔相连通的进气管。

优选的，所述上压力腔上表面开设有与所述检定压力腔本体内部连通的通孔，所述通孔包括通孔本体和朝向远离所述检定压力腔本体一侧凸起的井台，所述井台上开设有外螺纹，所述通孔在未启用的状态下，由旋合在所述井台上的密封螺母密封。

优选的，所述上压力腔上开设有多个所述通孔。

优选的，所述通孔中，包括一个用于向所述压力腔内注水的注水口，其余所述通孔均为用于与待检定孔隙水压计的导线密封配合的检定孔。

优选的，所述检定压力腔本体的侧壁上还开设有供标准水压计放入，并与所述标准水压计密封配合的标准水压计安装孔。

优选的，还包括用于将所述待检定孔隙水压计的导线密封连接于所述检定孔中的密封连接组件，所述密封连接组件包括：

锥台状橡胶塞，所述锥台状橡胶塞嵌入所述检定孔的井台内，所述锥台状橡胶塞由至少两个沿自身轴线可拆分的分体扣合形成，且所述锥台状橡胶塞上设置有导线挤紧槽；

与所述检定孔的井台螺纹配合的橡胶塞压紧螺母。

优选的，所述检定压力腔本体的底部设置有下压力腔，其中，所述检定压力腔本体呈圆筒状，所述上压力腔和所述下压力腔均呈矩形，且所述上压力腔与所述下压力腔每个相对应的直角部位均开设有一对拉紧孔，每一对所述拉紧孔内均内置有贯穿所述上压力腔和所述下压力腔的拉紧螺栓，所述拉紧螺栓将所述上压力腔和所述下压力腔分别压紧于所述检定压力腔本体的顶部和底部。

优选的，所述上压力腔的一个侧面上设置有支撑螺栓，所述下压力腔与所述上压力腔的该侧面相对应的侧面上也设置有所述支撑螺栓，所述上压力腔上的支撑螺栓以及所述下压力腔上的支撑螺栓构成侧面支撑构件。

优选的，在所述检定压力腔本体由所述支撑构件支撑时，所述上压力腔本体上的通孔至少有一列在竖直方向上均匀分布。

优选的，在所述检定压力腔本体由所述支撑构件支撑时，在竖直方向上，所述上压力腔的中部对称设置有两列均匀分布的所述通孔；在水平方向上，所述上压力腔的中部也对称设置有两列均匀分布的所述通孔。

优选的，在所述检定压力腔本体由所述支撑构件支撑时，在竖直方向上和水平方向上，任意一列所述外层通孔均包括四个，水平方向上两列所述外层通孔中，靠近所述上压力腔边缘的任意一个所述通孔作为所述注水口。

优选的，所述上压力腔的一个侧面上开设有与所述气体分配腔连通的进气管安装口，所述进气管通过快插式管接头连接在所述进气管安装口上，其中，所述快插式管接头包括外层螺母部和内层连接部，所述内层连接部一端为用于与所述进气管安装口螺纹连接的螺纹安装端，另一端为供所述进气管插接的插接端。

优选的，还包括设置在所述检定压力腔本体底部的出水口，所述出口上设置有开关阀。

本发明所公开的动态孔隙水压计检定方法，采用上述公开的动态孔隙水压计检定压力腔装置，该检定方法包括步骤：

1)通过密封螺母密封所述检定孔；

2)由所述注水口向所述检定压力腔本体内注入无气水；

3)放倒所述检定压力腔本体，并由所述侧面支撑构件支撑整个所述压力腔本体，打开预定储水高度处的所述检定孔，若有水流出，则排出高于该检定孔的水；若无水流出，则继续加水至有水从该检定孔流出；

4)将所述压力腔正向放置，由所述拉紧螺栓支撑整个所述检定装置；

5)根据待检定孔隙水压计的数量，打开相应个数的所述检定孔，将待检定孔隙水压计由所述检定孔放入到所述压力腔的底端；

6)将所述待检定孔隙水压计的导线与所述检定孔密封处理；

7)连接所述进气管，并根据试验要求通入气体对待检定孔隙水压计进行检定。

优选的，在所述步骤2)中，所述预定储水高度为：在所述侧面支撑机构支撑所述检定压力腔本体时，所述上压力腔高度的2/3。

优选的，所述步骤6)具体包括：将所述分体扣合形成所述锥台状橡胶塞，并使所述待检定孔隙水压计的导线挤压在所述导线挤紧槽内，所述锥台状橡胶塞小端朝下塞入所述检定孔的井台内，然后将所述橡胶塞压紧螺母旋紧于所述检定孔的井台上。

优选的，所述步骤7)中连接进气管的过程为：将所述进气管插入所述快插式管接头。

可以理解的是，在孔隙水压计检定的过程中，由进气管输入的动态高压气体将首先进入到气体分配腔，然后气体由开设在气体分配腔上的进气孔均匀进入到检定压力腔本体内。由于进气孔均匀开设在气体分配腔内，因此检定压力腔本体内部进气是均匀的，检定压力腔本体内液面所受到的压力也是均匀的，这就有效避免了目前由单根管直接向检定压力腔本体内部通入压力气体所造成的液体激振现象，待检定的孔隙水压计不会产生大幅摆动，这可以有效提高孔隙水压计检定的准确性，从而有效避免了待检定的孔隙水压计损坏。

本发明中所公开的动态孔隙水压计检定方法中，由于采用了上述动态孔隙水压计检定压力腔装置，因此同样具有检定结果准确可靠，检定过程中可有效避免孔隙水压计的损坏的效果。

附图说明

图1为本发明实施例中所公开的动态孔隙水压计检定压力腔装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中所公开的通孔在上压力腔上的布局结构示意图；

图3为本发明实施例中所公开的上压力腔的结构示意图；

图4为图3的俯视示意图；

图5为本发明实施例中所公开的上压力腔内部的结构示意图；

图6为图5的俯视示意图；

图7为图1中检定压力腔本体的结构示意图；

图8为图1中下压力腔的结构示意图；

图9为图1中拉紧螺栓的结构示意图；

图10为图1中支撑螺栓的结构示意图；

图11为图1中的检定压力腔装置翻转90度倒立放置的结构示意图；

图12为图1中快插式管接头的结构示意图；

图13为本发明实施例中所公开的半锥台状橡胶塞的结构示意图；

图14为本发明实施例中所公开的两个半锥台橡胶塞与待检定孔隙水压计的导线配合示意图；

图15为图1中橡胶塞压紧螺母的结构示意图；

图16为待检定孔隙水压计的导线与通孔的井台的密封结构示意图；

图17为图1中的密封螺母的结构示意图；

图18为图1中的密封螺母与上压力腔密封结构的示意图。

下压力腔检定

其中，01为检定压力腔装置，02为密封螺母，03为六角薄螺母，04为上压力腔，05为快插式管接头，06为进气管，07为标准水压计，08为球阀开关，09为下压力腔，10为球阀，11为待检定孔隙水压计的导线，12为锥台状橡胶塞，13为橡胶塞压紧螺母，14为六角螺母，15为平垫圈，16为检定压力腔本体，17为拉紧螺栓，18为支撑螺栓，19为六角法兰螺母，20为检定孔，21为标准水压计安装孔，22为注水口，23为进气管安装口，24为出水口，25为井台，26为支撑螺栓安装孔，27为拉紧孔，28为气体分配腔，29为进气孔，30为螺纹安装端，31为插接端，32为导线挤紧槽，33为半锥台状橡胶塞。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种动态孔隙水压计检定压力腔装置，以避免气体输入过程中造成检定压力腔本体内液体的激振，从而保证检定结果的可靠性，并避免待检定的孔隙水压计在检定过程中损坏。

本发明的另一核心还在于提供一种动态孔隙水压计检定方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，本发明实施例中所公开的动态孔隙水压计检定压力腔装置，包括检定压力腔本体16，检定压力腔本体16的顶部设置有上压力腔04，如图1中所示，上压力腔04的内部具有中空的气体分配腔28，气体分配腔28与检定压力腔本体16的上口对应，且气体分配腔28上设置有多个在气体分配腔28内均匀分布的进气孔29，如图5和图6中所示，进气孔29与检定压力腔本体16的内部连通，上压力腔04上设置有与气体分配腔28相连的进气管06，如图1中所示。

本领域技术人员能够理解的是，上述实施例中所公开的检定压力腔装置，在孔隙水压计检定的过程中，由进气管06输入的动态高压气体将首先进入到气体分配腔28，然后气体由开设在气体分配腔28上的进气孔29均匀进入到检定压力腔本体16内。由于进气孔29均匀开设在气体分配腔28内，因此检定压力腔本体16内部进气是均匀的，检定压力腔本体16内液面所受到的压力也是均匀的，这就有效避免了目前由单根管直接向检定压力腔本体16内部通入压力气体所造成的液体激振现象，待检定的孔隙水压计不会产生大幅摆动，这可以有效提高孔隙水压计检定的准确性，从而有效避免了待检定的孔隙水压计损坏。

请参考图5，附图中的进气孔29具体设置了4个，4个进气孔29在气体分配腔28与检定压力腔本体16内部对应的位置处均匀分布，当然，进气孔29的数量并不受局限，可以根据实际需要开设适当个数的进气孔29；由图5中可以看出，本发明实施例中所公开的气体分配腔28呈环状，根据需要，该气体分配腔28可以包括一个环或者多个环，环状气体分配腔28具有特定气体流线，改变了以往装置中单孔进气动态压力传递过程中引发水体表面震荡与激流的现象，同时，基于气道流线、进气口29布局及数量、水位高度等反复试验与合理设计，有效保障了动态气压向水压瞬态传递的平稳性与腔内空间压力分布的均匀性，解决了动态压力在气体与水体之间快速稳态转化的关键问。当然，气体分配腔28可以设置成其他形状，例如圆形、矩形等。

如图3中所示，上压力腔04的上表面开设有与检定压力腔本体16内部连通的通孔，并且通孔包括通孔本体和朝向远离检定压力腔本体一侧凸起的井台25(通孔可以为翻边孔或者采用其他方式成型)，井台25上开设有外螺纹，在通孔未启用时，被旋合在井台25上的密封螺母02密封。当然，密封螺母02在与井台25连接过程中，还可在两者之间设置六角薄螺母03作为垫片。

更进一步的，请参考图3至图6，上压力腔04上开设有多个结构相同的通孔，在这些通孔中，包括一个用于向检定压力腔本体16内注水的注水口22，其余的通孔均为用于与待检定孔隙水压计的导线11密封配合的检定孔20。

如图1和图2中所示，检定压力腔本体16的侧壁上还开设有供标准水压计放入，并与标准水压计密封配合的标准水压计安装孔21，标准水压计安装孔21用于供标准水压计放入检定压力腔本体16，标准水压计用于供待检定的孔隙水压计作为参考传感器，以便提高检定准确性。

标准水压计为高量程、高精度、高频宽的标准水压计，用于实时精确测试压力腔内水压的动态变化，为被检定孔隙水压计的动态线性度和校准提供参考标准，替代了以往装置中采用腔室外部压力或腔内气体压力监测的方式，解决了水压与气压之间动态误差造成孔隙水压计动态性能标定无法实现的关键问题，为腔内水体压力的准确监测和孔隙水压计的标定提供了参考基准。

待检定孔隙水压计的导线11与检定孔20之间的密封需要用到密封组件，该密封组件包括锥台状橡胶塞12和橡胶塞压紧螺母13，请参考图1、图13和图14，该锥台状橡胶塞12嵌入到检定孔20内，锥台状橡胶塞12至少由两个分体扣合形成，当然，也可由更多分体扣合形成，以两个分体为例，如图13和14中所示，半锥台状橡胶塞33的轴线位置设置有用于与导线挤紧密封的导线挤紧槽32，橡胶塞压紧螺母13与检定孔20的井台25螺纹配合，以便将锥台状橡胶塞12压紧在检定孔20内，为了方便装配，锥台状橡胶塞12的小端朝下塞入检定孔20，如图16中所示。

上述密封方式不仅使得待检定孔隙水压计容易拆装，而且锥台状橡胶塞12还可以重复利用，相比于现有技术中打硅胶的方式，拆装更加便利，成本更低。

请参考图1，本发明中所公开的动态孔隙水压计检定压力腔装置，检定压力腔本体16的底部设置有下压力腔09，其中，检定压力腔本体16呈圆筒状，上压力腔04和下压力腔09均呈矩形，上压力腔04与下压力腔09每个相对应的直角部位均开设有一对拉紧孔27，如图1至图8中所示，每一对拉紧孔27内均内置有贯穿上压力腔04和下压力腔09的拉紧螺栓17，拉紧螺栓17的一端为螺帽，另一端通过六角螺母14与上压力腔04和下压力腔09连接，并将上压力腔04和下压力腔09分别压紧在检定压力腔本体16的顶部和底部。

本实施例中，上压力腔04的一个侧面上设置有支撑螺栓18，下压力腔09与上压力腔04上设置有支撑螺栓18的一面相对应的侧面上也设置有支撑螺栓18，如图1中所述，上压力腔04上的支撑螺栓18以及下压力腔09上的支撑螺栓18构成了侧面支撑构件。

具体的，上压力腔04上的侧面设置有两个支撑螺栓安装孔26，下压力腔09的侧面上也设置有两个支撑螺栓安装孔26，总共四个支撑螺栓18构成上述侧面支撑构件。

更进一步的，在该检定压力腔本体16由支撑构件支撑时，上压力腔04上的通孔至少有一列在竖直方向上均匀分布。

侧面支撑构件与在竖直方向上均匀分布的通孔相结合，可以有效控制注入到检定压力腔本体16内的无气水的体积，具体的，在需要向检定压力腔本体16内通水时，检定压力腔本体16立放，也就是说，下压力腔09以及拉紧螺栓17支撑整个检定压力腔本体16，待通入无气水水一段时间后将检定压力腔本体16旋转90°后侧放，侧放时侧面支撑构件支撑整个检定压力腔本体16，然后打开预定高度位置的通孔，若水位已经达到该预定高度，则检定压力腔本体16内的无气水将从该通孔溢出，此时可以停止向检定压力腔本体16内注无气水，并在该通孔不流水后将该通孔封堵即可使水位保持在预定高度；若水位还未到达该预定高度，则继续向检定压力腔本体16内注水，直至该外层通孔位置有水流出，则表明水位到达了该预定位置，可以停止通水。

由于当检定压力腔本体16由支撑构件支撑时，上压力腔04上的通孔至少有一列在竖直方向上均匀分布，这就可以方便的实现将水位控制在预定位置，例如控制水位在检定压力腔本体容积的1/2、1/3、2/3等。

本发明实施例中所公开的动态孔隙水压计检定压力腔装置中，由支撑构件支撑时，在竖直方向上，上压力腔04的中部对称设置有两列均匀分布的通孔，在水平方向上，上压力腔04的中部也对称设置有两列均匀分布的通孔，如图1和至图4所示，竖直方向上的两列所述通孔和水平方向上的两列所述通孔，相互交叉位置处的通孔共用。

请参考图1至图4，在检定压力腔本体16由支撑构件支撑时，竖直方向上任意一列通孔包括四个，水平方向上任意一列的通孔也包括四个，水平方向上两列通孔中，靠近上压力腔04边缘的任意一个通孔均可作为注水口22。

可以看出，检定孔20包括11个，因此通过一次检定试验最多可以同时完成11个孔隙水压计的检定工作，这使得孔隙水压计的检定效率得以成倍提升。

请参考图1和图8，下压力腔09的底面可以仅为平面，也可另设支撑机构，下压力腔09的底部可设置有圆柱状支撑凸起，并且圆柱状支撑凸起的中心与下压力腔09的中心重合。

如图1和图12中所示，上压力腔04的一个侧面上开设有与气体分配腔连通的进气管安装口23，进气管06通过快插式管接头05连接在进气管安装口23上，其中，快插式管接头05包括外层螺母部和内层连接部，内层连接部一端为用于与进气管安装口螺纹连接的螺纹安装端30，另一端为供进气管插接的插接端31。

在检定工作完成之后，为了方便排出检定压力腔本体16中的无气水，本实施例中在检定压力腔本体16的底部设置了出水口24，如图1中所示，并且出水口24上还设置有开关阀，该开关阀具体为球阀10，通过操作球阀开关08可以实现球阀10的开通和关闭。

除此之外，本发明中还公开了一种动态孔隙水压计检定方法，该检定方法需采用上述实施例中所公开的动态孔隙水压计检定压力腔装置，并且该检定方法包括如下步骤：

1)通过密封螺母02密封所述检定孔20；

2)由注水口22向检定压力腔本体16内注入无气水；

3)放倒(侧放)检定压力腔本体16，并由侧面支撑构件支撑整个检定压力腔本体16，打开预定储水高度处的检定孔20，若有水流出，则排出高于该打开的检定孔20的水；若无水流出，则继续加水至有水从该打开的检定孔20流出；

4)将检定压力腔本体16正向放置(立放)，由拉紧螺栓17和下压力腔09支撑整个检定压力腔装置；

5)根据待测孔隙水压计的数量，打开相应个数的检定孔20，将待测孔隙水压计由检定孔20放入到检定压力腔本体16的底端；

6)将待检定孔隙水压计的导线11与检定孔20密封处理；

7)连接进气管06，并根据试验要求通入气体对待检定孔隙水压计进行检定。

经过反复研究，本发明中步骤2)中预定储水高度具体为：在侧面支撑机构支撑所述检定压力腔本体16时，上压力腔04高度的2/3，当水位小于该高度时，进气管06输入压力较大的气体时容易对无气水造成激振，当水位超出该高度时，输入气压的一部分将会转化为水的动能，形成水涡流，从而对检定过程产生不利影响。

在上述实施例的步骤6)中，待检定孔隙水压计的导线11与检定孔20的密封的具体过程为：将分体扣合形成锥台状橡胶塞12，并使待检定孔隙水压计的导线11挤压在导线挤紧槽32内，锥台状橡胶塞12小端朝下塞入检定孔20的井台25内，然后将橡胶塞压紧螺母13旋紧于检定孔20的井台25上。

在上述实施例中，步骤7)中连接进气管06的过程为：将进气管06插入快插式管接头05内，并使进气管06卡紧在快插式管接头05内。

以上对本发明所提供的动态孔隙水压计检定压力腔装置及检定方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。