专利名称：渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种非饱和土实验仪器。
背景技术：
非饱和土是一种特殊性质的土体，土体中同时存在气体和液体，也就是土体的体 积含水量小于最大含水量。在现场环境下典型的非饱和土中，土体中的孔隙气压会大于孔 隙水压，而孔隙气压和大气压连通，接近为零值，也就是水压通常为负的数值，而不是常见 土体那样会体现出正的渗透压力，土体会体现出非常强烈的吸水性能而不是渗水特征。孔 隙气压和空隙水压的差值被称为基质吸力，基质吸力的大小和土样的含水量有关，两者的 关系曲线称为土水特征曲线。在试验过程中我们需要控制非饱和土试样的含水量，以测定 土样在不同含水量的情况下的力学性能特征，但是常规的非饱和土测试方法中不容易直接 控制土体的含水量，所以多是通过控制土体内部的基质吸力(也就是孔隙气压和空隙水压 的差值)，然后通过土水特征曲线关系来确定在该基质吸力情况下的土体含水量，从而再来 进行各种力学试验。直剪仪是测定非饱和土剪切强度的常用仪器。测量非饱和土的土水特征曲线和固 结特性通常分别采用压力板仪和固结仪。要完成这三种独立的试验需要至少三个不同的 土样。而不同土样间存在的天然差异性问题很难解决。至今，没有任何综合的仪器可以通 过单一土样同时测得非饱和土的剪切强度、应力相关的土水特征曲线(stress-cbpendent soil-water characteristic curve or SDSWCC)和固结特性。传统的非饱和土试验采用轴 平移技术控制土样的基质吸力。轴平移技术通过提升孔隙气压力使孔隙水压力达到正值， 以避免排水系统发生气化，其实现的关键是在土样底部使用高进气值陶瓷板。非饱和土试 验采用的陶瓷板的进气值一般不超过500kPa，因此轴平移技术控制的基质吸力范围通常在 50 以内。然而，工程实际和科学研究往往需要测量土样在高吸力(大于500kPa)下的 剪切强度、土水特征曲线和固结特性。直剪试验和应力相关土水特征曲线试验是非饱和土常见的试验之一，而在试验条 件中较难实现土体内部孔隙水压为负值，因为在负压情况下水的沸点会下降，水体很容易 气化变成气体形式而不再以液态存在。传统的非饱和土测试采用轴平移技术控制土样的基 质吸力，也就是同时等幅度提高孔隙气压和空隙水压的压力值，使孔隙水压力达到正值，以 避免排水系统发生气化，其实现的关键在于使用高进气值陶瓷板来隔离土中的气相。使用 过程中保持孔隙气压和空隙水压两者之间的差值，即是控制土体的基质吸力值，实际上也 就是控制土体的含水量。非饱和土试验采用的陶瓷板的进气值一般不超过500kPa，因此轴 平移技术控制的基质吸力通常在500kPa以内，现有最大条件为1500kPa(l. 5MPa)，但是不 易做到。然而，工程实际和科学研究往往需要量测土样在高吸力(大于1500kPa)下的抗剪 强度以及其他力学性能特征参数。典型的轴平移技术在非饱和土试验中存在以下几个问题1、加大孔隙气压必须采用高压压缩气体，压缩气体在实际使用中具有一定的潜在危险性，想要施加更大的基质吸力需要加大气体的压力值，而压缩气体压力越大危险性越 大；2、同步提高孔隙气压和空隙水压后土体实际受力状态(很高的孔隙气压和正的 空隙水压值)和现场原型土体本身(实际为接近于零的孔隙气压以及为负值的空隙水压) 有很大差异性；3、即使使用了轴平移技术也无法测得在更高吸力情况下(现有技术只能做到最 大1500kPa)的非饱和土力学性能指标；4、只能通过土水特征曲线来确定在某一基质吸力情况下的土样含水量而无法直 接测定试样的真实含水量。
发明内容本实用新型的目的是提供一种可以通过单一土样测量非饱和土在高达IOMPa吸 力范围内的剪切强度、应力相关的土水特征曲线和固结特性的渗透吸力控制的新型非饱和 土综合试验仪。本实用新型的技术解决方案是一种渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪， 包括具有气路阀门的压力腔，它还包括吸力控制部分和力学加载部分，其中吸力控制部分 包括设置在所述压力腔内的具有土样空腔的剪切盒以及设置在所述压力腔外的溶液水箱， 土样空腔的上方由第一半透膜封闭，下方由第二半透膜封闭，溶液水箱的溶液入口和溶液 出口分别通过管路连通土样空腔的上下方，力学加载部分包括设置在剪切盒侧面上的水平 向加载杆、反应杆、水平向位移测量传感器和水平荷载传感器，以及设置在剪切盒上方的竖 直向加载杆和竖直向位移测量传感器，溶液水箱设有测量水量变化的检测装置。土样可以放置在土样空腔内，其上下方分别设有半透膜，具有选择性通过的特点， 对于水和土壤水中常见的离子是可透过的，但对于溶液中的大分子溶质和土颗粒是不可透 过的，因此在半透膜的两侧存在溶质的浓度差，从而导致土样和溶液之间存在渗透压差值， 在渗透压的作用下，土壤水进入溶液中，土样含水发生变化，直到土样的负孔隙水压等于渗 透压，当半透膜两边的水分交换达到平衡时，土样的吸力等于溶液的渗透压，因此通过调整 溶液的溶质浓度，便可以调整渗透吸力大小，最大值可以达到IOMPa ；当溶液渗透压大于土 样的吸力时，土壤水可以进入溶液中，这样土样的排水量可以通过溶液水箱上设置的检测 装置测量出，可以获取土样的土水特征曲线；由于保持了土样中空隙气压为大气压，空隙水 压为负压，能更好的模拟现场土样状况；通过剪力盒可以对模拟的现场土样进行剪切力测 试，由于在水平方向和竖直方向上均设有位移传感器，可以进行非饱和土的固接测试；将土 样设置在压力腔内，可以保持一个密闭环境。所述剪切盒顺次由试样加载帽、上剪切盒、中剪切盒和下剪切盒组成，其中所述水 平向加载杆连接下剪切盒，所述反应杆连接上剪切盒，所述垂直加载杆连接试样加载帽。将 剪切盒设置成多个部件，方便设置半透膜及土样。在所述第一半透膜上方设有第一滤网和第一水格，在所述第二半透膜下方设有第 二滤网和第二水格。可以对第一半透膜和第二半透膜提供结构上的支撑。所述第一水格和第二水格分别呈螺旋形，可以有效去除半透膜处积聚的扩散气 泡。[0016]所述检测装置为高精度电子天平或带刻度的量管。测量方便准确，直观。本实用新型的优点是基于渗透技术控制基质压力，控制范围宽，使用一个土样便 可以测出非饱和土在高达IOMI^a吸力范围内的剪切强度、应力相关的土水特征曲线和固结 特性，克服了不同土样间天然差异性相关的问题。

附图1为本实用新型实施例的结构示意图；附图2为本实用新型实施例中压力腔底部俯视图；1、量管，2、压力腔，3、水平向位移传感器，4、试样加载帽，5、上剪切盒，6、水平向加 载杆，7、中剪切盒，8、下剪切盒，9、竖直向位移传感器，10、竖直向加载杆，11、气路阀门，12、 第一水格，13、第一筛网，14、第一半透膜，15、水平荷载传感器，16、固定装置，17、土样，18、 第二半透膜，19、第二筛网，20、第二水格，21、溶液入口，22、蠕动泵，23、溶液出口，24、溶液， 25、溶液水箱，26、电子天平，27、压力腔底座，观、反应杆，四、土样空腔。
具体实施方式
实施例参阅图1和图2，一种渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，包含一个不锈钢 压力腔2用来保持所施加的气压，气压通过气路阀门11施加于腔内。该试验仪包括两个部 分，即吸力控制部分和力学加载部分，其中吸力控制部分包括设置在压力腔2内的具有土 样空腔四的剪切盒以及设置在压力腔2外的溶液水箱25，土样空腔四的上方由第一半透 膜14、第一滤网13和第一水格12封闭，下方由第二半透膜18和第二滤网19、第二水格20 封闭，溶液水箱25的入口 21和溶液出口 23分别通过管路连通土样空腔四的上方和下方， 力学加载部分包括设置在剪切盒侧面上的水平向加载杆6、反应杆观、水平向位移测量传 感器3和水平荷载传感器15，以及设置在剪切盒上方的竖直向加载杆10和竖直向位移测量 传感器9，溶液水箱25设有测量水量变化的检测装置。剪切盒顺次由试样加载帽4、上剪切盒5、中剪切盒7和下剪切盒8组成，其中水平 向加载杆6连接下剪切盒8，反应杆观连接上剪切盒5，垂直加载杆10连接试样加载帽4。如图1所示，土样17被放置于上剪切盒5和中剪切盒7之间。紧贴土样17上面 放置第一半透膜14、第一筛网13和第一水格12。类似的，土样17底部则放置第二半透膜 18、第二筛网19和第二水格20。参阅图2中所示，为了有效去除第二半透膜底部聚集的扩 散气泡，第二水格20为螺旋状，同样，第一水格12也可为螺旋状。渗透技术最早由生物学家Lagerwerff等在1961提出(Ng & Menzies，2007)，后 来被土壤学家和土工学者采用。渗透技术利用高分子溶液和半透膜产生和控制吸力，溶液 浓度决定系统提供的吸力大小。在非饱和土试验中通常采用聚氧乙烯(PEG)作为高分子溶 液，因其使用简单和安全。本实施例中溶液水箱25内设置的溶液即为PEG溶液。渗透现象的产生必须具备两个条件一是半透膜的存在，半透膜具有选择性透过 的特点。二是半透膜两侧必须是两种不同浓度的溶液，溶剂分子(例如，水分子)趋向于从 浓度低的地方流向浓度高的地方。基于渗透现象，本试验仪采用渗透吸力控制技术。第一 半透膜14、第二半透膜18被放置在土样17的上下表面，并与土样保持较好的接触。PEG溶液M储存于溶液水箱25内，经过PEG溶液出口 3并通过蠕动泵22在闭合环路中循环，然 后通过半透膜与土样进行水份交换，PEG溶液和水分子经过PEG溶液入口 21返回溶液水箱 25，直到平衡状态。第一半透膜14、第二半透膜18对水和土壤水中的常见离子是可透的，但对于溶液 中的大分子溶质和土颗粒是不可透的。因此，半透膜两侧存在PEG浓度差，从而导致土样和 PEG溶液之间存在渗透压差值。在渗透压的作用下，土壤水进入溶液，土样含水发生变化，直 到土样的负孔隙水压等于渗透压。通过分析半透膜两侧的水能量证明半透膜两边的水分 交换达到平衡时，土样的吸力等于溶液的渗透压。当溶液的渗透压大于土样的吸力时，土壤 水透过半透膜进入溶液。土样的排水量通过高精度电子天平沈或带刻度的量管1测量。PEG溶液对土样施加的渗透吸力大小取决于PEG的浓度浓度越大，渗透吸力越 大。PEG溶液能产生的渗透吸力最大值可高于lOMPa。由于渗透技术保持土中孔隙气压力 为大气压、孔隙水压力为负，故能更好地模拟现场应力路径。为了有效去除第二半透膜底部聚集的扩散气泡，本试验仪中的第二水格20设置 在压力腔底座27上。力学加载部分，竖直向荷载可通过竖直向加载杆10和试样加载帽4施加于土样 17上。如需施加剪切力，水平向荷载可通过水平向加载杆6施加，用于剪切土样，反应力是 由反应杆观提供。所施加的水平向荷载通过固定在固定装置16上的荷载传感器15测量。 土样的竖直向位移和下剪切盒8的水平向位移则分别通过竖直向位移传感器9和水平向位 移传感器3测量。为了防止试验过程中土样17的水份挥发造成测试误差，剪切盒被安放在一个密 封的测试压力腔2内，这样避免了空气交换造成水份损失。另外一方面，这个密封的压力腔 2可以承受一定的气压，这也意味着本仪器可以保留着传统的非饱和土试验仪器使用轴平 移技术提高孔隙气压来进进行非饱和土性能测试的功能，在比较小的基质吸力情况下，本 仪器也可以和传统仪器同样来使用。只需要把土样17下方的第二半透膜更换成传统的高 进气值陶土板，这时候就可以实现土样气相和液相的隔离，这时候就可以给测试腔施加气 压，按照传统的轴平移技术进行非饱和土相关测试。由于土样17的基质吸力可以通过PEG溶液的浓度来控制，而在测试过程中我们又 可以通过电子天平沈测定土样17的重量变化计算含水量，这也意味着通过本台仪器我们 还可以测得非饱和土的土水特征曲线。由于仪器可以施加法向荷载模拟现场条件的覆土条 件，所以测得的结果是更加接近实际工程状况的应力相关土水特征曲线。仪器在施加轴向荷载的同时还会通过高精度位移传感器测量轴向变形，所以本仪 器还可以用于进行高吸力(最高可达IOMPa)的非饱和土固结测试。基于解释和说明的目的，以上已作出对本发明的具体实施方案进行了描述。尽管 上文通过某些实施例对本发明作出了说明，但不应理解为本发明局限于此。这些实施例既 非打算为本发明进行穷举，也不是打算将本发明限制于所公开的确切形式，并且根据上述 的教导，多种显而易见的修改、实施方式和变动都是可行的。本发明可显而易见的进行多种 方式的修改或变动，不应诠释为这种修改或变动脱离了本发明主题的精神和范围，而是所 有这些修改和变动均应包括在所附权利要求书的范围内。例如所述解决方案中土吸力的测试中所用的渗透技术用了聚乙二醇(PEG)為渗透液，聚乙二醇是最常用的，全因为它的安全性和简单性溶质，但也理应理解为本实用新型 可以合理延伸至其他具有相同功能的溶质。 除此之外，一切有关不锈钢压力腔2的描述应理解为本领域技术人员以常规手 段，可以将一个土壤或任何样本，置于密封环境下作测试的任何方案的描述，而不仅仅局限 於上述的描述。
权利要求1.一种渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，包括具有气路阀门的压力腔，其特 征在于它还包括吸力控制部分和力学加载部分，其中吸力控制部分包括设置在所述压力 腔内的具有土样空腔的剪切盒以及设置在所述压力腔外的溶液水箱，土样空腔的上方由第 一半透膜封闭，下方由第二半透膜封闭，溶液水箱的溶液入口和溶液出口分别通过管路连 通土样空腔的上下方，力学加载部分包括设置在剪切盒侧面上的水平向加载杆、反应杆、水 平向位移测量传感器和水平荷载传感器，以及设置在剪切盒上方的竖直向加载杆和竖直向 位移测量传感器，溶液水箱设有测量水量变化的检测装置。
2.根据权利要求1所述的渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，其特征在于所 述剪切盒顺次由试样加载帽、上剪切盒、中剪切盒和下剪切盒组成，其中所述水平向加载杆 连接下剪切盒，所述反应杆连接上剪切盒，所述垂直加载杆连接试样加载帽。
3.根据权利要求1或2所述的渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，其特征在于 在所述第一半透膜上方设有第一滤网和第一水格，在所述第二半透膜下方设有第二滤网和 第二水格。
4.根据权利要求3所述的渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，其特征在于所 述第一水格和第二水格分别呈螺旋形。
5.根据权利要求3所述的渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，其特征在于所 述检测装置为高精度电子天平或带刻度的量管。
专利摘要本实用新型公开了一种渗透吸力控制的新型非饱和土综合试验仪，包括具有气路阀门的压力腔，吸力控制部分包括设置在所述压力腔内的具有土样空腔的剪切盒以及设置在所述压力腔外的溶液水箱，第一半透膜以及第二半透膜分布封闭土样空腔的上下方，溶液水箱的进水口和出水口分别通过管路连通土样空腔的上方和下方，力学加载部分包括设置在剪切盒侧面上的水平向加载杆、反应杆、水平向位移测量传感器和水平荷载传感器，以及设置在剪切盒上方的竖直向加载杆和竖直向位移测量传感器，溶液水箱设有测量水量变化的检测装置。本实用新型的优点是使用一个土样便可以测出非饱和土在高达10MPa吸力范围内的剪切强度、应力相关的土水特征曲线和固结特性。
文档编号G01N5/02GK201819853SQ201020526428
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者吴宏伟 申请人:香港科技大学