本實用新型涉及一種全自動土-水特征曲線壓力板儀，尤其涉及一種采用氣壓加載豎向力的土-水特征曲線壓力板試驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

土-水特征曲線的研究是非飽和土研究的一項重要內(nèi)容，其主要是指非飽和土中形成的基質(zhì)吸力與土中含水率或者飽和度之間的關(guān)系曲線，體現(xiàn)了在基質(zhì)吸力作用下土體的持水能力。通過土水特征曲線能夠有效的確定非飽和土的抗剪強度、滲透特性、擴散特性、體應變等，故在非飽和土力學中占有重要的地位。

研究發(fā)現(xiàn)，影響非飽和土土-水特征曲線的因素有很多，除土體自身的影響因素(土體類型、礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、初始含水率、初始孔隙比等)外，還包括外界因素的影響，如土體所處的應力狀態(tài)、固結(jié)壓力、溫度等，這些因素的影響最終將反映在非飽和土的土-水特征曲線的進氣值、減濕率和殘余含水率等方面。而通常對非飽和土土-水特征曲線的試驗研究多采用土-水特征曲線壓力板儀，土-水特征曲線壓力板儀主要是研究非飽和土的固結(jié)特性，以及土體在吸濕和脫濕過程中的土-水特征曲線及其滯后性。

因此，為了更精確、有效的進行非飽和土特性的研究，應在一定程度上提高土-水特征曲線壓力板儀的各項指標的精確度。針對土體所處的應力狀態(tài)和固結(jié)壓力方面的作用，在試驗儀器方面，則主要體現(xiàn)在試驗過程中試驗儀器對試樣軸向力的加載方法和軸向力加載的穩(wěn)定性方面。目前，在試驗過程中，土-水特征曲線壓力板儀對軸向力的加載主要是通過砝碼加載和伺服電機控制的機械加載方式，而這些加載方式在一定程度上都存在有相應的弊端。如通過伺服電機控制的機械加載方式的土-水特征曲線壓力板儀多為應變控制的方式，往往達到所設置的應力值將需要一定的加載時間，這將在一定程度上影響豎向軸力的控制，且機械加載的穩(wěn)定性較難控制；而砝碼加載易受到人為因素的影響產(chǎn)生加載桿和試樣的偏心，且不能滿足高壓加載的需要。

經(jīng)過專利文獻檢索，現(xiàn)有技術(shù)多集中在儀器精確度的提高和試驗效率等方面的探索和改進，而忽略了土-水特征曲線試驗自動化程度的改善，以及試驗控制的難易程度等，例如：(1)一種可直接測定土樣體積變化的壓力板儀(中國專利申請?zhí)枮?01110083551.5)，考慮了試驗過程中隨吸力改變而土樣發(fā)生的體積變化對其含水率的影響，提供了一種試驗過程中測量土樣體積變化的體積壓力板儀裝置，提高了試驗的精確度，但是該裝置未考慮土體應力狀態(tài)的影響，無法實現(xiàn)應力狀態(tài)下土-水特征曲線的測試；(2)一種可直接飽和土樣的吸力精確控制型壓力板儀(中國專利申請?zhí)枮?01210189656.3)，考慮了飽和度和吸力的精確度對土-水特征曲線試驗準確度的影響，增加了壓力板儀的飽和系統(tǒng)和溫控保濕裝置，并對吸力控制系統(tǒng)進行改進，提高了試驗的準確性，但是其所使用的沖刷系統(tǒng)操作復雜，采用量管測量，需要人工肉眼讀取排水量，精度低、誤差大，需要留人值守，也沒有涉及凈法向應力加載方式及設計思想，無法考慮應力狀態(tài)的影響。(3)一種測量土水特征曲線的雙層壓力板儀(中國專利申請?zhí)枮?01310425541.4)，考慮了試驗中同步測試的環(huán)境(溫度、濕度、干濕路徑和吸力平衡時間等)等的影響，改進了同等條件下不同試樣試驗的準確性，提高了試驗效率，但是該壓力板儀主要采用體變管進行體積變化測量和氣泡沖刷，且其自動化程度較低、操作復雜、需要留人值守、體變管測量精度低、體變管內(nèi)部水分容易蒸發(fā)，這些都將在一定程度上將影響試驗的精確度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實用新型的目的是：提供一種新的土-水特征曲線壓力板儀，能夠?qū)崿F(xiàn)軸向應力的穩(wěn)定、精確施加，并能夠?qū)崿F(xiàn)試驗過程的全自動控制，工作效率更高，測量準確度更高，可克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種全自動土-水特征曲線壓力板儀，它包括控制柜、與控制柜相連的軸向加載框架和壓力室，壓力室和擴散氣泡沖刷裝置相連；

所述的控制柜可對軸向加載框架和壓力室進行控制；所述的壓力室位于軸向加載框架的底板上，通過軸向加載框架上的氣缸對壓力室內(nèi)的試樣進行軸向加載；

所述的擴散氣泡沖刷裝置通過管線與壓力室相連接；

所述的控制柜通過微控制單元(MCU嵌入式控制系統(tǒng))與計算機相連。

控制柜控制擴散氣泡沖刷裝置對壓力室底部的空腔進行沖刷，排掉空腔內(nèi)的氣泡。所述的控制柜在試驗過程中既可單獨控制軸向加載框架、壓力室和擴散氣泡沖刷裝置，又可通過與其相連接的計算機進行試驗控制。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的軸向加載框架包括氣缸、荷重傳感器和高精度數(shù)顯位移傳感器，對氣缸施加一定的氣壓力，并通過荷重傳感器和壓力室上的中心桿依次將所施加的氣壓力傳遞到試樣上；

所述的氣缸安裝在軸向加載框架的上底板上，上底板通過支桿固定于下底板上，且底板固定在下底板上；

所述的氣缸下部安裝有傳感器連接頭，傳感器連接頭與荷重傳感器相連，荷重傳感器和傳感器加載頭相連；

所述的支桿上安裝有定位塊，通過定位塊可判斷荷重傳感器的位置。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的壓力室位于軸向加載框架的底板上，壓力室包括中心桿、中心桿密封座、上蓋、玻璃側(cè)筒、T型螺桿、底座、陶瓷壓片、陶土板和空腔；

所述的上蓋固定于玻璃側(cè)筒上，中心桿穿過上蓋，并通過中心桿密封座與上蓋相連，中心桿上設有凸起，中心桿密封座與中心桿的凸出部位形成密封區(qū)域；

所述的陶土板位于壓力室的底座上，并由陶瓷壓片壓緊固定，陶土板與壓力室的底座間形成空腔；

所述的上蓋、玻璃側(cè)筒、中心桿和中心桿密封座組成的壓力室上部結(jié)構(gòu)與壓力室的底座通過T型螺桿固定、密封。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的密封區(qū)域通過氣壓管與壓力室的內(nèi)部相連通，使得密封區(qū)域和壓力室內(nèi)的氣壓相等，可抵消壓力室內(nèi)氣壓對中心桿的作用力，從而了實現(xiàn)試驗過程中豎向凈正應力的控制，提高實驗測量的精確度。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的壓力室上部與控制柜氣壓輸出端相連，壓力室下部與控制柜水壓輸出端相連，通過計算機控制壓力室內(nèi)的氣壓u_a和水壓u_w，即可得到吸力s＝u_a-u_w，從而可實現(xiàn)對試樣吸力的控制。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的高精度數(shù)顯位移傳感器通過位移測量板和儀表夾固定在豎桿上，豎桿安裝在壓力室的上蓋上，位移測量板固定在傳感器加載頭上。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的擴散氣泡沖刷裝置包括底座、氣泡收集器、常閉電子閥、精密水壓傳感器和排氣泡閥門；所述的氣泡收集器、常閉電子閥和精密水壓傳感器安裝在底座上，氣泡收集器內(nèi)開設有漏斗空腔和與漏斗空腔底部相連接的漏斗細管，漏斗細管的下部通過輸水管線分別與常閉電子閥和精密水壓傳感器相連通。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的擴散氣泡沖刷裝置與控制柜相連，通過控制柜打開常閉電子閥，使水通過壓力室中陶土板下方的空腔進入擴散氣泡沖刷裝置的漏斗空腔內(nèi)，進而排出空腔內(nèi)的氣泡，提高試驗測量的精確度。

與現(xiàn)有技術(shù)對比，本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型采用軸向氣壓加載，可快速、有效地實現(xiàn)軸向應力的加載，從而可避免現(xiàn)有技術(shù)軸向砝碼加載引起的偏心問題，并且可實現(xiàn)軸向的高壓加載，實用性更強；

2、本實用新型采用計算機控制基質(zhì)吸力和豎向凈正應力控制，可精確、有效地實現(xiàn)不同應力路徑下非飽和土的土-水特征曲線的試驗研究；

3、本實用新型采用豎向凈正應力控制，可避免現(xiàn)有技術(shù)壓力室內(nèi)氣壓對軸向荷載施加的影響，測量結(jié)果更加準確。

4、本實用新型采用擴散氣泡沖刷裝置，可避免長時間試驗過程中水中產(chǎn)生的氣體對試驗測量精度的影響，測量結(jié)果更加準確。

5、本實用新型可實現(xiàn)土-水特征曲線測試的全過程自動化控制，能夠提供豎向凈正應力控制，避免壓力室內(nèi)氣壓對軸向加載的影響，同時，軸向荷載采用氣壓施加，穩(wěn)定性更高，使用壽命長，精確度高。并可適用于控制基質(zhì)吸力和豎向凈正應力的非飽和土固結(jié)試驗，并能夠研究不同應力狀態(tài)下非飽和土的吸濕、脫濕過程的土-水特征曲線及其滯后現(xiàn)象

附圖說明

圖1是本實用新型所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀中軸向加載框架和壓力室的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實用新型所述的壓力室的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型所述的擴散氣泡沖刷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1至圖4所示，一種全自動土-水特征曲線壓力板儀，它包括控制柜1、與控制柜1相連的軸向加載框架2和壓力室3，壓力室3和擴散氣泡沖刷裝置4相連；

所述的控制柜1可對軸向加載框架2和壓力室3進行控制；所述的壓力室3位于軸向加載框架2的底板上，通過軸向加載框架2上的氣缸7對壓力室3內(nèi)的試樣進行軸向加載；

所述的擴散氣泡沖刷裝置4通過管線與壓力室3相連接；

所述的控制柜1通過微控制單元MCU嵌入式控制系統(tǒng)與計算機36相連。

控制柜1控制擴散氣泡沖刷裝置4對壓力室3底部的空腔27進行沖刷，排掉空腔27內(nèi)的氣泡。所述的控制柜1在試驗過程中既可單獨控制軸向加載框架2、壓力室3和擴散氣泡沖刷裝置4，又可通過與其相連接的計算機進行試驗控制。

以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的軸向加載框架2包括氣缸7、荷重傳感器9和高精度數(shù)顯位移傳感器10，對氣缸7施加一定的氣壓力，并通過荷重傳感器9和壓力室3上的中心桿19依次將所施加的氣壓力傳遞到試樣上；

所述的氣缸7安裝在軸向加載框架2的上底板5上，上底板5通過支桿6固定于下底板17上，且底板16固定在下底板17上；

所述的氣缸7下部安裝有傳感器連接頭8，傳感器連接頭8與荷重傳感器9相連，荷重傳感器9和傳感器加載頭14相連；

所述的支桿6上安裝有定位塊15，通過定位塊15可判斷荷重傳感器9的位置。

以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的壓力室3位于軸向加載框架2的底板16上，壓力室3包括中心桿19、中心桿密封座20、上蓋21、玻璃側(cè)筒22、T型螺桿23、底座24、陶瓷壓片25、陶土板26和空腔27；

所述的上蓋21固定于玻璃側(cè)筒22上，中心桿19穿過上蓋21，并通過中心桿密封座20與上蓋21相連，中心桿19上設有凸起，中心桿密封座20與中心桿19的凸出部位形成密封區(qū)域28；

所述的陶土板26位于壓力室3的底座24上，并由陶瓷壓片25固定，陶土板26與壓力室3的底座24間形成空腔27；

所述的上蓋21、玻璃側(cè)筒22、中心桿19、中心桿密封座20組成的壓力室3上部結(jié)構(gòu)與壓力室3的底座24通過T型螺桿23固定、密封。

以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的密封區(qū)域28通過氣壓管37與壓力室3的內(nèi)部相連通，使得密封區(qū)域28和壓力室3內(nèi)的氣壓相等，可抵消壓力室3內(nèi)氣壓對中心桿19的作用力，實現(xiàn)試驗過程中豎向凈正應力的控制。

以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的壓力室3內(nèi)的陶土板26通過飽和，可在陶土板26的表面形成一層水膜，使得陶土板26透水不透氣，進而采用軸平移技術(shù)，實現(xiàn)試驗過程中的吸力控制。所述的壓力室3上部與控制柜1氣壓輸出端相連，壓力室3下部與控制柜1水壓輸出端相連，通過計算機36控制壓力室3內(nèi)的氣壓u_a和水壓u_w，得到吸力s＝u_a-u_w，實現(xiàn)對試樣吸力的控制。

以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的高精度數(shù)顯位移傳感器10通過位移測量板11和儀表夾12固定在豎桿13上，豎桿13安裝在壓力室3的上蓋21上，位移測量板11固定在傳感器加載頭14上。

以上所述的全自動土-水特征曲線壓力板儀，所述的擴散氣泡沖刷裝置4包括底座29、氣泡收集器31、常閉電子閥33、精密水壓傳感器35和排氣泡閥門34；所述的氣泡收集器31、常閉電子閥33和精密水壓傳感器35安裝在底座29上，氣泡收集器31內(nèi)開設有漏斗空腔30和與漏斗空腔30底部相連接的漏斗細管32，漏斗細管32的下部通過輸水管線分別與常閉電子閥33和精密水壓傳感器35相連通。

以上所述的擴散氣泡沖刷裝置4，通過控制柜1或者計算機對其進行控制，當開始氣泡沖刷時，常閉電子閥33將被打開，使足夠量的水快速通過壓力室3中陶土板26下方的空腔27內(nèi)，帶動陶土板26下方空腔27內(nèi)的氣泡從壓力室3底座24的排水口內(nèi)排出，經(jīng)過常閉電磁閥33進入擴散氣泡沖刷裝置4的漏斗空腔30內(nèi)，進而排出空腔27內(nèi)的氣泡，當漏斗空腔30中的液面上升達到一定的高度時，精密水壓傳感器35采集到水壓力后反饋到計算機，由軟件控制儀器達到目標狀態(tài)，提高試驗的精確度。

本實用新型提供的全自動土-水特征曲線壓力板儀的測試方法如下：

步驟一：儀器管線排氣：通過控制柜1反復對壓力室3注排水操作，對儀器管線進行排氣操作；

步驟二：飽和陶土板26：通過設置5kPa的水壓力排出陶土板26下部空腔27內(nèi)的氣泡，并在陶瓷壓片25內(nèi)注入高出陶土板26表面10mm的水，將壓力室3安裝在軸向加載框架2的底板16上，在水面上施加約400kPa的氣壓力，靜止放置2天，2天后卸載氣壓力，并排出管線內(nèi)的水，重復以上操作步驟2次，完成陶土板26飽和；

步驟三：安裝試樣：按照要求將試樣安裝在飽和陶土板26上，試樣安裝完成后，通過T型螺桿23將壓力室3上部結(jié)構(gòu)與壓力室3的底座24進行固定、密封；

步驟四：試驗設置：根據(jù)試驗方案通過計算機36對試驗過程中的吸力、豎向凈正應力及試驗終止條件進行設置，完成設置后，開始進行試驗，計算機將自動記錄試驗過程中的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行初步處理；

步驟五：擴散氣泡沖刷，通過控制柜1打開常閉電子閥33，使水通過壓力室3中陶土板26下方的空腔27進入擴散氣泡沖刷裝置4的漏斗空腔30內(nèi)，進而排出空腔27內(nèi)的氣泡，沖刷完成后，關(guān)閉擴散氣泡沖刷裝置4。

以上僅為本實用新型的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些均屬于本實用新型的保護范圍。