一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及土工试验中土体渗透性测试装置领域，特别涉及一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置。


背景技术：

2.渗透性是非饱和土主要力学参数之一，随着环境岩土的发展，例如垃圾填埋，废弃有害气体的封堵成为研究的热门话题，因此，非饱和土的渗气特性是这类工程关注的重点，而这就涉及到非饱和土渗气性的测试。现有的非饱和土渗气特性测试设备多考虑土在一维受力状态下的渗气特性，有限的非饱和土三轴渗气性测试装置也仅考虑等向应力作用。实际工程中，土体多处于三维受力状态，因此，对非饱和土在三维受力状态下的渗气特性进行研究更加符合工程要求。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置。该试验装置操作简单，能够控制围压、轴压和气压，实现量测不同应力路径上试样的渗气特性。
4.为此，本实用新型提供的一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置，包括三轴试验装置、加载系统、体变量测系统和数据采集系统，所述加载系统包括围压系统、轴向系统和气压系统，所述围压系统、轴向系统和气压系统与数据采集系统电性连接；
5.所述三轴试验装置包括三轴压力室和反力架，三轴压力室设置与反力架内，三轴压力室内设置有土样装置；
6.所述围压系统包括体积压力控制器，体积压力控制器通过管道分别与供水端和三轴压力室底部进液管道外端连接，所述进液通道内端部与三轴压力室内腔导通，进液通道外端进口处具有控制阀门，所述体积压力控制器控制三轴压力室内液体压力；
7.所述轴向系统包括升降台、升降台控制器和压应力传感器，所述升降台控制器控制升降台上下移动，三轴压力室设于轴向系统上，控制三轴压力室轴向移动，所述应力传感器安装与反力架顶部并与三轴压力室顶部对应；
8.所述气压系统包括气压罐，气压罐设置有气压传感器，所述气压罐通过进气管与三轴压力室底部的进气通道一端导通连接，进气通道另一通道延伸至土样装置底部，进气管与进气通道之间具有控制阀门；
9.所述土样装置顶部具有排气孔，排气孔通过排气管连通至三轴压力室外；
10.所述体变量测系统包括竖向lvdt和横向lvdt,所述竖向lvdt设置于三轴压力室顶部，横向lvdt设于三轴压力室内，分别量测土样装置轴向和径向变形；
11.所述竖向lvdt、横向lvdt、气压传感器、应力传感器和体积压力控制器分别与数据采集系统电性连接。
12.优选地，所述三轴压力室依次包括压力室底板、压力室外筒和压力室顶盖，所述压
力室底板设于升降台上，所述压力室底板上设有基座，土样装置设于基座上，所述土样装置包括土样和设于土样顶部的土样顶帽、土样置于基座上，土样与基座之间设有下透水石，土样和顶帽之间设置上透水石，所述进液通道、进气通道和排气通道设于压力室底板内部，进气通道一端与进气管道导通连接，进气通道另一端部延伸基座内直至下透水石底部，所述排气管通过排气通道连同至三轴压力室外。
13.优选地，根据权利要求1或2所述的一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置，所述反力架包括底座、支撑杆和上部加载横梁，所述升降台控制器置于底座内，升降台置于底座上并与升降台控制器连接，所述应力传感器设于上部加载横梁上，所述应力传感器具有向三轴压力室方向延伸竖向加压杆，所述竖向加压杆端部延伸至三轴压力室内，并对应于土样装置上方。
14.优选地，所述竖向lvdt设于压力室顶盖上，竖向lvdt通过支撑杆连接在应力传感器上，所述竖向lvdt触针与三轴压力室顶盖接触。
15.优选地，所述上部加载横梁顶部放置有水平仪。
16.优选地，所述压力室顶盖上的溢水口。
17.本实用新型中，试验装置操作简单，且成本较低。能够控制围压、轴压和气压，设定的三维应力状态，并使土样在该应力状态下变形稳定，实现量测不同应力路径上试样的渗气特性。通过给不同应力状态下三轴试样施加一定初始值的反气压，测量该气压随时间在试样内部的消散曲线，从而反映非饱和土渗气特性。
附图说明
18.图1为本实用新型第一实施例提供的一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置的结构示意图；
19.图2为本实用新型第二实施例提供的一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置的结构示意图；
20.图3为图2提供的一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置的剖面结构示意图；
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.参照图1所示，本实用新型第一实施例提供一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置，包括三轴试验装置、加载系统、体变量测系统和数据采集系统2，所述加载系统包括围压系统、轴向系统和气压系统，所述围压系统、轴向系统和气压系统与数据采集系统2电性连接。
23.所述三轴试验装置包括三轴压力室1和反力架，三轴压力室设置与反力架内，三轴压力室内设置有土样装置。所述反力架包括底座3、支撑杆4和上部加载横梁5，所述上部加载横梁5顶部放置有水平仪6。水平仪确保反力架呈水平状态。
24.所述三轴压力室1依次包括压力室底板7、压力室外筒8和压力室顶盖9，压力室底
板7内部设有进液通道10、进气通道11和排气通道12。所述压力室底板7设于升降台13上，所述压力室底板7上设有基座14，土样装置设于基座14上。所述土样装置包括土样15和设于土样顶部的土样顶帽16、土样15置于基座14上，土样15与基座14之间设有下透水石17，土样15和顶帽16之间设置上透水石18。土样外侧套橡胶模，橡胶圈将橡胶膜上下两端固定在土样基座15及土样顶帽16处。所述土样装置顶部具有排气孔19，排气孔19通过排气管20，所述排气管20通过排气通道12连通至三轴压力室外。
25.所述围压系统包括体积压力控制器22，体积压力控制器22通过进液管道23分别与供水端和三轴压力室底部进液通道10外端部连接，所述进液通道10内端部与三轴压力室1内腔导通，所述液体通过依次经进液管道23和进液通道10进入三轴压力室1内腔并位于土样装置外侧。所述压力室顶盖上的溢水口34，向三轴压力室内腔充液直到三轴压力室内水从顶盖溢水口34处溢出，关闭供水，关闭顶盖排气孔。通过体积压力控制器22控制三轴压力室内液体压力，精准设置土样的围压。
26.所述轴向系统包括升降台13、升降台控制器24和压应力传感器25。三轴压力室1设于轴向系统上，控制三轴压力室1轴向移动。所述升降台控制器24置于底座3内，升降台13置于底座3上并与升降台控制器24连接，升降台控制器24控制升降台上升或下降。所述应力传感器25设于上部加载横梁5上，所述应力传感器具有向三轴压力室方向延伸竖向加压杆32，所述竖向加压杆32端部延伸至三轴压力室内，并对应于土样装置上方。试验操作时，通过升降控制器24调整升降台使得压应力传感器25上的竖向加压杆32与土样顶帽16接触，通过竖向加压杆对土样装置施加轴向压力，并通过升降台控制器设定轴向应力及加载速率，通过压应力传感器测量轴压。
27.所述气压系统包括气压罐26，气压罐26设置有气压传感器27，所述气压罐26通过进气管28与三轴压力室底部的进气通道11一端导通连接，进气通道11另一通道延伸至土样装置底部。进气通道一端通过进气管道28与气压罐26连接，进气通道11另一端部延伸基座内直至下透水石17底部。所述气压罐设有充气口33。
28.所述体变量测系统包括竖向lvdt29和横向lvdt30，所述lvdt为位移传感器。所述竖向lvdt29设置于三轴压力室顶部，竖向lvdt29通过支撑杆连接在应力传感器上，所述竖向lvdt29设于压力室顶盖上，所述竖向lvdt29触针与三轴压力室1顶盖接触，量测土样轴向变形。横向lvdt30设于三轴压力室1内，并与所测土样15接触，量测土样径向变形，所述横向lvdt30可通过支撑杆设于三轴压力室内并与土样接触。三轴压力室1内顶部设置线孔31，横向lvdt30通过导线穿过线孔31与数据采集系统2连接，线孔31通过密封塞或其他密封装置密封。
29.所述竖向lvdt29、横向lvdt30、气压传感器27、应力传感器25和体积压力控制器22分别与数据采集系统电性连接。竖向lvdt29和横向lvdt30量测土样轴向和径向变形量传递至数据采集系统2，应力传感器测量轴向应力大小，并通过导线传输至数据采集系统2。通过数据采集系统2以实现试验过程中数据监测。
30.该试验装置通过体积压力控制器设定加载围压及加载速率，通过底座控制器设定轴向应力及加载速率，将非饱和土试样加载至设定的三维应力状态，并使试样在该应力状态下变形稳定，非饱和土试样体积变形通过竖向及横向的lvdt测量。通过监测实验过程中气压室内压力的变化，来反映试样在一定应力状态下的渗气性。结构简单，操作方便，可以
测试非饱和土在不同三轴应力状态下的渗气特性，具有很强的实用性。
31.上述一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置的使用方法，步骤如下：
32.步骤1：安装反力架，调整加载横梁，确保其完全水平；从三轴压力室基座处打开三轴压力室，检查进液通道，进气及排气通道是否畅通没有堵塞。
33.步骤2：安装土样装置，所述三轴压力室内基座安装土样装置，盖上三轴压力室顶盖并确保密封，
34.土样装置按照由下至上放置下透水石，测试土样，上透水石，土样顶帽，进一步在土样外侧套橡胶模，进一步用橡胶圈将橡胶膜上下两端固定在土样基座及土样顶帽处,
35.三轴压力室内设置横向lvdt,通过夹具调整横向lvdt使其与所测土样接触。
36.步骤3：通过升降控制器调整升降台使得压应力传感的竖向加压杆32与土样顶帽接触；
37.打开三轴压力室顶盖上的溢水口34，打开进液阀门，将连接体积压力控制器的管道与供水龙头连接，通过进液管道进行三轴压力室充液，直到三轴压力室内水从顶盖溢水口处溢出，关闭供水，关闭顶盖溢水口；
38.调整三轴压力室顶盖上的竖向lvdt位置，使其有足够的量程测量土样的竖向位移，打开数据采集系统开始记录数据。
39.步骤4：将进液管道与体积压力控制器相连，通过体积压力控制器设定加载围压及加载速率，通过升降控制器设定轴向应力及加载速率，将非饱和土土样加载至设定的三维应力状态，并使土样在该应力状态下变形稳定，非饱和土土样变形通过竖向及横向的lvdt测量。
40.步骤5：通过充气孔向气压罐内注入一定气体，通过调节充气阀门，控制初始气压在设定实验值后立即关闭充气阀门；
41.步骤6：打开三轴压力室底座上的进气阀和排气阀，开始该应力状态下的渗气试验，则气压罐中的气体压力会直至数据采集系统显示气压罐内压力为零，则渗气阶段结束。
42.步骤7：重复步骤4至步骤6，进行下一应力状态下非饱和土土样的渗气性测试。
43.步骤8：根据yoshimi&osterberg(1963)基于可压缩流体的广义达西定律和完全气体定律推导的表达式来估算土样的(有效)渗气系数k
eff
[m2]:
[0044][0045]
式中：v为气压罐容积；h为土样高度；a为土样截面面积；μa—空气动力粘度系数；patm，pt，p0分别为大气压强，t时刻和t＝0时刻气体压力室内的气压值。其中气压罐体积已知，p0为试验起始设定值，土样的高度及面积均可根据横向lvdt及纵向lvdt读数推算而来。因此，渗气系数计算主要取决于log10(p/p0)/t,绘制log10(p/p0)～t曲线，该曲线斜率反映了气体在非饱和土土样中消散的快慢程度。
[0046]
参照图2和图3所示，本实用新型第二实施例提供一种测量非饱和土渗气特性三轴试验装置，与第一实施例基本相同，区别在于：所述压力室顶盖上具有通孔35，温度调节装置穿过通孔35置于三轴压力室内。所述温度调节装置包括壳体37、空心连接杆38、加热装置和涡轮组件。所述壳体固定在上部加载横梁5上，所述壳体37内设置至少两个与电源连接的接电端口39，加热装置和涡轮组件分别电性连接在接电端口39上。空心连接杆38一端导通
固定在壳体37上，空心连接杆另一端向三轴压力室内腔延伸，空心连接杆38与压力室顶盖之间的缝隙通过密封塞40密封连接。
[0047]
所述加热装置包括加热管41，所述加热管41可呈条状或螺旋状或筒状，所述加热管41套接并固定在空心连接杆38上，并位于三轴压力室内。加热管41连接有导线42，导线42穿过空心连接杆38内腔延伸至壳体于接点端口39连接，导线外部以及导线与加热管连接部分包括防水层。
[0048]
所述涡轮组件包括至少一组叶片组43、转动轴44和电机45。所述电机45设于壳体37内并与壳体内的接电端口39电性连接，转动轴44一端与电机45输出端连接，转轴44另一端穿过空心连接杆38内腔延伸至空心连接杆尾端。转轴44另一端部与空心连接杆底部的叶片组43连接，电机45驱动转动轴44转动并带动叶片组43旋转。
[0049]
通过加热管41调节三轴压力室内液体的温度，所述三轴压力室不同位置设置有温度传感器46，温度传感器可固定在三轴压力室腔体内的支撑杆上。所述温度传感器46通过导线穿过线孔与数据采集系统连接，通过温度传感器46准确控制液体的温度。在加热管41工作的同时，涡轮组件同时工作，叶片组43在电机45和转动轴44的传动下旋转，迅速均衡三轴压力室内液体温度，使三轴压力室的温度迅速达到试验要求，获得更准确的试验数据。通过三轴压力室内液体的温度变化，可以测试非饱和土在不同三轴应力以及不同温度状态下的渗气特性，具有很强的实用性。三轴压力室可采用耐高温玻璃材质，可肉眼观察到试验过程。
[0050]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案，均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。