温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置及其方法

本发明属于非饱和土测试试验，尤其涉及温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置及其方法。

背景技术：

1、近年来，全球气候变化极端异常，持续不断的强降雨或长时间干旱等极端气候事件发生的频率越来越高，导致了重大地质和工程灾害问题频发。事实上,无论是降雨还是干旱,直接改变的都是土体的含水率,土体在降雨或者干旱过程中吸水或脱水,水分场会重新分布,极大地改变了土体的物化、水理和力学性质,造成滑坡、土体龟裂等一系列工程地质和环境地质问题。测定土体的持水曲线及收缩曲线是分析非饱和过程和非饱和带变化的基础，现有的测试设备只能得到单一曲线，并且低吸力与高吸力阶段需要两套设备分开测试，既不能考虑真实环境的温湿度变化，也无法一次性获得广吸力范围内的持水和收缩特征曲线，极大地制约了非饱和土的水力学行为研究。因此，亟需一种能够有效提升测试精度的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置及其方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置及其方法，以解决上述问题，达到一体化测试土体持水及收缩曲线，提高测试精度的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，包括压力室，所述压力室内密封，所述压力室上连接有水浴机构与监测机构，所述水浴机构用于控制所述压力室内部温度，所述监测机构用于观察所述压力室内土样的变化，所述压力室内连通有供气系统、湿度控制系统、冲刷系统与集液系统，所述供气系统为所述压力室内的土样提供测试压力，所述湿度控制系统为所述压力室内的土样提供测试湿度，所述冲刷系统为所述压力室内底座排除气泡并为所述压力室内的土样提供测试用水，所述集液系统为收集与测量所述压力室内土样的排水。

3、优选的，所述供气系统包括空压机，所述空压机通过第一连通管与所述压力室内连通，所述连通管上连接有第一阀门和数显压力表，所述压力调节单元用于调节所述压力室内的空气压力。

4、优选的，所述湿度控制系统包括空压机与湿度调节单元，所述空压机的出端连通有湿度调节单元，所述湿度调节单元通过第三连通管与所述压力室内连通，所述连通管上连接有第一温湿度传感器、数显压力表，所述湿度调节单元用于调节所述压力室内的空气湿度。

5、优选的，所述湿度调节单元包括加湿器与干燥器，所述加湿器的进端与所述空压机之间、所述干燥器的进端与所述空压机之间依次连通有流量计与第三阀门，所述加湿器与所述干燥器的出端与所述第三连通管连通。

6、优选的，所述冲刷系统包括陶土板、玻璃管液位计和微型真空泵，所述陶土板放置在所述压力室的内侧底部，所述压力室的两侧分别连接有玻璃管液位计，两组所述玻璃管液位计的底部出口分别连接在所述陶土板的下方，所述微型真空泵的进端通过第二连通管与所述压力室连通，所述连通管上有第四阀门控制所述微型真空泵的开闭。

7、优选的，所述集液系统包括集液瓶和天平，所述集液瓶通过第二连通管连通所述压力室底部，所述集液瓶的进端连通有第二阀门，所述集液瓶的下方放置有天平。

8、优选的，所述水浴机构包括温控室，所述温控室贴合设置在所述压力室的外侧，所述温控室连通有恒温水浴箱。

9、优选的，所述监测机构包括固定桁架，所述固定桁架的顶部固定连接有相机，所述相机位于所述压力室的上方，所述固定桁架的两侧分别固定连接有激光测距仪，所述温控室的两侧对称开设有观察孔，两组所述激光测距仪通过两组所述观察孔与所述压力室对应设置，所述压力室内侧顶部连接有光源。

10、优选的，所述压力室内侧壁上连接有多孔板，所述多孔板上连接有称重传感器，所述称重传感器用于检测所述多孔板上土样的质量变化，所述压力室内侧壁上还连接有第二温湿度传感器，用于监控所述压力室内的环境温度及湿度。

11、温控式土体持水-收缩曲线联合测试方法，应用于所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，包括如下步骤：

12、s1、连通供气系统、湿度控制系统、压力室、水浴机构与监测机构，通过水浴机构与湿度控制系统调节压力室内的温度与湿度，通过监测机构观察多孔板上土样的变化，根据土样体积及质量的变化得到土体的收缩曲线；

13、s2、低吸力阶段，连通供气系统、压力室、水浴机构、冲刷系统与集液系统，开启低压脱吸湿，通过监测机构观察压力室内陶土板上土样体积的变化，通过集液系统测量土体质量的变化，得到低吸力范围内土体的持水曲线；

14、s3、高吸力阶段，连通供气系统、湿度控制系统、压力室、水浴机构与监测系统，开启高吸力下的脱吸湿，通过监测机构观察压力室内多孔板上土样的质量和体积变化，得到高吸力范围内土体的持水曲线；

15、s4、总结上述三个阶段的土体持水-收缩曲线。

16、本发明具有如下技术效果：水浴机构的主要作用是调节压力室内部温度，使土样处于温度稳定的环境中；供气系统的主要作用是向压力室内输送一定压力的空气，便于土样开展低吸力条件下的测试；湿度控制系统的主要作用是与供气系统配合，向压力室内输送一定湿度的空气，便于土样在不同湿度环境中测试；冲刷系统的主要作用是将压力室内底座的气泡排除，并为吸湿过程中压力室内陶土板上的土样提供测试用水；集液系统的主要作用是收集及量测低吸力段脱湿过程中土样的排水，并适时连通外界空气；监测机构的主要作用是获取土样在测试状态下的变化过程。整体上，本申请能够在不同温度环境下获取土壤的持水及收缩曲线，有效提升测试效率，在不扰动土体的情况下有效降低测试过程中的误差。

技术特征：

1.温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：包括压力室(10)，所述压力室(10)内密封，所述压力室(10)上连接有水浴机构与监测机构，所述水浴机构用于控制所述压力室(10)内部温度，所述监测机构用于观察所述压力室(10)内土样的变化，所述压力室(10)内连通有供气系统，所述供气系统为所述压力室(10)内的土样提供测试压力，所述压力室(10)内连通有湿度控制系统，所述湿度控制系统为所述压力室(10)内的土样提供测试湿度，所述压力室(10)内连通有冲刷系统，所述冲刷系统为所述压力室(10)底座排除气泡并为所述压力室(10)内的土样提供测试用水，所述压力室(10)内还连通有集液系统，所述集液系统为收集与测量所述压力室(10)内土样的排水。

2.根据权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述供气系统包括空压机(1)，所述空压机(1)通过第一连通管(28)与所述压力室(10)内连通，所述连通管上连接有第一阀门(24)和数显压力表(6)，所述压力调节单元用于调节所述压力室(10)内的空气压力。

3.根据权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述湿度控制系统包括空压机(1)与湿度调节单元，所述空压机(1)的出端连通有湿度调节单元，所述湿度调节单元通过第三连通管(30)与所述压力室(10)内连通，所述连通管上连接有第一温湿度传感器(5)、数显压力表(6)，所述湿度调节单元用于调节所述压力室(10)内的空气湿度。

4.根据权利要求3所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述湿度调节单元包括加湿器(3)与干燥器(4)，所述加湿器(3)的进端与所述空压机(1)之间、所述干燥器(4)的进端与所述空压机(1)之间依次连通有流量计(2)与第三阀门(26)，所述加湿器(3)与所述干燥器(4)的出端与所述第三连通管(30)连通。

5.根据权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述冲刷系统包括陶土板(15)、玻璃管液位计(21)和微型真空泵(22)，所述陶土板(15)放置在所述压力室(10)的内侧底部，所述压力室(10)的两侧分别连接有玻璃管液位计(21)，两组所述玻璃管液位计(21)的底部出口分别连接在所述陶土板(15)的下方，所述微型真空泵(22)的进端通过第二连通管(29)与所述压力室(10)连通，所述连通管上有第四阀门(27)控制微型真空泵(22)的开闭。

6.根据权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述集液系统包括集液瓶(19)和天平(23)，所述集液瓶(19)通过第二连通管(29)连通所述压力室(10)底部，所述集液瓶(19)的进端连通有第二阀门(25)，所述集液瓶(19)的下方放置有天平(23)。

7.根据权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述水浴机构包括温控室(9)，所述温控室(9)贴合设置在所述压力室(10)的外侧，所述温控室(9)连通有恒温水浴箱(8)。

8.根据权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述监测机构包括固定桁架(7)，所述固定桁架(7)的顶部固定连接有相机(16)，所述相机(16)位于所述压力室(10)的上方，所述固定桁架(7)的两侧分别固定连接有激光测距仪(17)，所述温控室(9)的两侧对称开设有观察孔(18)，两组所述激光测距仪(17)通过两组所述观察孔(18)与所述压力室(10)对应设置，所述压力室(10)内侧顶部连接有光源(11)。

9.根据权利要求8所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：所述压力室(10)内侧壁上连接有多孔板(14)，所述多孔板(14)上连接有称重传感器(13)，所述称重传感器(13)用于检测所述多孔板(14)上土样的质量变化，所述压力室(10)内侧壁上还连接有第二温湿度传感器(12)，用于监控所述压力室(10)内的环境温度及湿度。

10.温控式土体持水-收缩曲线联合测试方法，应用于权利要求1所述的温控式土体持水-收缩曲线联合测试装置，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明属于非饱和土测试试验技术领域，尤其涉及温控式土体持水‑收缩曲线联合测试装置及其方法，包括压力室，压力室内密封，压力室外部连接有水浴机构与监测机构，水浴机构用于控制压力室内部温度，监测机构用于观察压力室内土样的变化，压力室内连通有供气系统、湿度控制系统、冲刷系统与集液系统，供气系统为压力室内的土样提供测试压力，湿度控制系统为压力室内的土样提供测试湿度，冲刷系统为压力室内底座排除气泡并为压力室内的土样提供测试用水，集液系统为收集与测量压力室内土样的排水。本申请能够在不同温湿度环境下获取土体的持水及收缩曲线，在不扰动土体的情况下有效降低测试过程中的误差，提升测试效率。

技术研发人员：张芹,梁维云,赵延平,秦刘洋
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13