本實用新型涉及一種全自動非飽和土固結(jié)儀，尤其涉及一種研究控制基質(zhì)吸力或者凈豎向應(yīng)力條件下，考慮不同應(yīng)力狀態(tài)的吸濕或者脫濕過程的土-水特征曲線及其滯后現(xiàn)象的全自動試驗儀器。

背景技術(shù)：

全自動非飽和土固結(jié)儀是用來檢測非飽和土的土-水特性，即非飽和土的土-水特征曲線，而土-水特征曲線能夠反映出非飽和土的強度、持水能力、滲透系數(shù)和收縮膜的滯后性等物理特性。對于同一特性的土體，不同應(yīng)力狀態(tài)下土體吸濕和脫濕過程表現(xiàn)出不同的土-水特征曲線，通常在相同的應(yīng)力狀態(tài)下，吸濕過程的土-水特征曲線位于脫濕過程的土-水特征曲線之下；同時，同一吸濕、脫濕過程，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下非飽和土的土-水特征曲線也將表現(xiàn)出不同程度的差異，而由此得到的非飽和土體的強度、持水能力和滲透系數(shù)等物理特性將存在著較大的差異，這對于研究非飽和土的水力與力學(xué)特性有著決定性的作用。故研究具備進(jìn)行不同工況下非飽和土體特性研究的固結(jié)試驗系統(tǒng)，對于科學(xué)研究以及土木工程設(shè)計具有重要意義。

目前研究非飽和土的水力與力學(xué)特性的實驗儀器主要有壓力板儀、非飽和土三軸儀以及非飽和土固結(jié)儀等，但是這些儀器在模擬工程實際應(yīng)力狀態(tài)和吸濕脫濕方面或多或少均存在著一些弊端，如非飽和土三軸儀受限于其加載方式和自動化程度，只能模擬簡單的應(yīng)力狀態(tài)；而現(xiàn)有的壓力板儀和非飽和土固結(jié)儀由于儀器設(shè)計方面的缺陷，豎直向加載桿易受到所加氣壓作用，將影響豎向應(yīng)力加載的精確度，且在試驗過程中壓力板儀多采用量管測量試樣的含水量，而量管內(nèi)的水會隨溫度的升高而蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致實測的含水量存在誤差，降低了試驗的可靠性。同時，大多數(shù)儀器未考慮非飽和試驗時間的影響，當(dāng)時間較長時，陶土板下方空腔內(nèi)可能產(chǎn)生封閉氣泡，這些氣泡的產(chǎn)生將會影響非飽和土試驗中對吸力的控制及其準(zhǔn)確性。

經(jīng)過專利文獻(xiàn)檢索，現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)力狀態(tài)和試驗自動化方面對非飽和土固結(jié)儀做了一些有益的探索和改進(jìn)，例如：一種多功能非飽和土固結(jié)儀(中國專利申請?zhí)枮?01420655972.X)，改進(jìn)了儀器的加載裝置，實現(xiàn)了一維(K0狀態(tài))固結(jié)試驗，但是其未考慮施加氣壓過程中氣壓對加載桿的影響，這將降低加載桿所施加的豎向應(yīng)力，且氣壓加載系統(tǒng)沒有形成閉合環(huán)路，系統(tǒng)不能實現(xiàn)有效的伺服循環(huán)控制，這將影響試驗的可靠度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實用新型目的：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高效、高精度的全自動非飽和土固結(jié)儀，本實用新型可用于研究分析非飽和土在控制基質(zhì)吸力或者凈豎向應(yīng)力條件下，考慮不同應(yīng)力狀態(tài)時的吸濕或者脫濕過程土-水特征曲線及其滯后現(xiàn)象，可解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種全自動非飽和土固結(jié)儀，它包括控制柜、與控制柜相連的固結(jié)儀本體，與固結(jié)儀本體相連的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置；

所述的固結(jié)儀本體包括壓力室、壓力加載裝置、吸力控制裝置、信息檢測裝置和數(shù)據(jù)采集裝置；

所述的控制柜與固結(jié)儀本體相連接，對固結(jié)儀本體中的壓力室進(jìn)行壓力控制；所述的壓力室位于壓力加載裝置之上，由壓力加載裝置對壓力室施加豎向應(yīng)力；所述的吸力控制裝置位于壓力室的內(nèi)部，并與計算機相連，通過計算機控制吸力；

所述的信息檢測裝置通過傳感器檢測試樣的壓力、軸向變形和體積變化，并將檢測到的信息傳輸給與信息檢測裝置相連的數(shù)據(jù)采集裝置；

所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置與壓力室相連，可消除由于試驗時間較長而陶土板(24)下方空腔內(nèi)產(chǎn)生氣泡的影響。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，其特征在于，所述的控制柜通過微控制單元MCU系統(tǒng)(嵌入式控制系統(tǒng))與計算機相連。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的壓力室包括底座、陶土板、陶瓷壓片、環(huán)刀、試樣、透水石、環(huán)刀尾圈、玻璃側(cè)筒、中心桿、中心桿密封座、上蓋和頂壓蓋；

所述的陶土板固定于壓力室的底座上，陶土板的周邊由環(huán)形的瓷板壓片密封，在陶土板和瓷板壓片之間安裝有密封墊，環(huán)刀嵌于環(huán)形瓷板壓片的內(nèi)部；

所述的試樣放置在環(huán)刀內(nèi)部，試樣的上方依次放置有透水石和頂壓蓋，并采用環(huán)刀尾環(huán)將透水石和環(huán)刀固定；

玻璃側(cè)筒固定在底座上，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，在中心桿密封座的頂部與中心桿相接觸的部位設(shè)置有O型密封圈；

所述的頂壓蓋通過頂壓蓋上部的凹槽與中心桿輕微相接觸。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的中心桿的中上部設(shè)置有凸起，在凸起與中心桿密封座相接處的部位安裝有O型密封圈，在中心桿的上部與中心桿密封座之間形成密閉區(qū)域A；密閉區(qū)域A和壓力室之間通過通氣管線相連通，使得區(qū)域A中的氣壓與壓力室中的氣壓保持平衡，區(qū)域A中的氣壓對中心桿的作用力抵消壓力室中氣壓對中心桿的作用力，實現(xiàn)固結(jié)儀的豎向凈應(yīng)力控制。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的壓力加載裝置包括依次相連的步進(jìn)電機、減速器和法蘭盤，通過步進(jìn)電機和減速器推動法蘭盤上下移動，控制試樣的軸向位移和軸向加載。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的步進(jìn)電機和減速器安裝在鋼架上，鋼架固定在箱體的底板上。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的吸力控制裝置包括陶土板，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，吸力為s＝u_a-u_w，實現(xiàn)對試樣吸力的控制。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的信息檢測裝置包括荷重傳感器和高精度數(shù)顯位移傳感器，荷重傳感器上部連接有傳感器連接頭，傳感器連接頭與連接板相連，連接板與安裝在支桿上的上底板相連，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壓力室的上蓋上；

所述的荷重傳感器下端連接有傳感器加載頭，傳感器加載頭與壓力室的中心桿相接觸。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的支桿固定在鋼架上，上底板通過調(diào)節(jié)帽固定在支桿的頂部。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置包括底座，安裝在底座上的氣泡收集器和常閉電子閥，氣泡收集器內(nèi)開設(shè)有漏斗空腔和與漏斗空腔底部相連的漏斗細(xì)管；所述的氣泡收集器底部設(shè)有氣泡收集器進(jìn)排水口和傳感器接口，傳感器接口連接有精密水壓傳感器；所述的氣泡收集器進(jìn)排水口與常閉電子閥一端相連，常閉電子閥另一端與壓力室中底座的進(jìn)排水口相連；所述的傳感器接口與排氣泡閥門連接。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置通過打開常閉電子閥，足量的水進(jìn)入陶土板下方空腔內(nèi)，從而可排除氣泡，并進(jìn)行氣泡體積的測量，修正試樣體變值。

與現(xiàn)有技術(shù)對比，本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型采用閉環(huán)控制的水/氣壓力體積控制系統(tǒng)，軸壓和圍壓自身實現(xiàn)伺服/步進(jìn)控制加載，而且整個系統(tǒng)又可實現(xiàn)閉環(huán)伺服/步進(jìn)控制。

2、本實用新型采用計算機控制基質(zhì)吸力或者凈豎向應(yīng)力，可實現(xiàn)非飽和土不同應(yīng)力狀態(tài)下的吸濕/脫濕過程的土水特征曲線及其滯后現(xiàn)象的研究。

3、本實用新型可進(jìn)行非飽和土一維(K0狀態(tài))固結(jié)試驗。

4、本實用新型采用高進(jìn)氣值陶土板和軸平移技術(shù)，可實現(xiàn)對基質(zhì)吸力的精確、長久、高效控制。

5、本實用新型采用擴(kuò)散氣泡沖刷裝置，可消除試驗時間較長情況下氣泡對吸力控制的影響，提高試驗的精確度。

6、本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，操作方便，自動化程度高，能大大提高非飽和土實驗的精確度，取得了很好的技術(shù)效果。

附圖說明

圖1是本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型所述的固結(jié)儀本體的剖面結(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壓力室頂壓蓋及中心桿的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實用新型所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀運行原理圖。

具體實施方式

如圖1至圖5所示，一種全自動非飽和土固結(jié)儀，它包括控制柜1、與控制柜1相連的固結(jié)儀本體2，與固結(jié)儀本體2相連的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置3；

所述的固結(jié)儀本體2包括壓力室12、壓力加載裝置、吸力控制裝置、信息檢測裝置和數(shù)據(jù)采集裝置；

所述的控制柜1與固結(jié)儀本體2相連接，對固結(jié)儀本體2中的壓力室12進(jìn)行壓力控制；所述的壓力室12位于壓力加載裝置之上，由壓力加載裝置對壓力室12施加豎向應(yīng)力；所述的吸力控制裝置位于壓力室12的內(nèi)部，并與計算機47相連，通過計算機47控制吸力；

所述的信息檢測裝置通過傳感器檢測試樣的壓力、軸向變形和體積變化，并將檢測到的信息傳輸給與信息檢測裝置相連的數(shù)據(jù)采集裝置；

所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置3與壓力室12相連，可消除在陶土板24下方空腔內(nèi)產(chǎn)生氣泡的影響。

所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，所述的控制柜1通過MCU系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)與計算機47相連。

所述的壓力室12包括底座22、陶土板24、陶瓷壓片25、環(huán)刀26、試樣27、透水石28、環(huán)刀尾圈29、玻璃側(cè)筒30、中心桿31、中心桿密封座32、上蓋34和頂壓蓋35；

所述的陶土板24固定于壓力室12的底座22上，陶土板24的周邊由環(huán)形的瓷板壓片25密封，在陶土板24和瓷板壓片25之間安裝有密封墊36，環(huán)刀26嵌于環(huán)形瓷板壓片25的內(nèi)部；

所述的試樣27放置在環(huán)刀26內(nèi)部，試樣27的上方依次放置有透水石28和頂壓蓋35，并采用環(huán)刀尾環(huán)29將透水石28和環(huán)刀26固定；

玻璃側(cè)筒30固定在底座22上，上蓋34固定于玻璃側(cè)筒30上，中心桿31穿過上蓋34，并通過中心桿密封座32與上蓋34相連，在中心桿密封座32的頂部與中心桿31相接觸的部位設(shè)置有O型密封圈33；

所述的頂壓蓋35通過頂壓蓋35上部的凹槽與中心桿31相接觸。

所述的中心桿31的中上部設(shè)置有凸起，在凸起與中心桿密封座32相接處的部位安裝有O型密封圈33，在中心桿31的上部與中心桿密封座32之間形成密閉區(qū)域A；密閉區(qū)域A和壓力室12之間通過通氣管線37相連通，使得區(qū)域A中的氣壓與壓力室12中的氣壓保持平衡，區(qū)域A中的氣壓對中心桿31的作用力抵消壓力室12中氣壓對中心桿31的作用力，實現(xiàn)固結(jié)儀的豎向凈應(yīng)力控制。

壓力室12的上部結(jié)構(gòu)與底座22通過T型螺桿固定、密封連接。

所述的壓力加載裝置包括依次相連的步進(jìn)電機8、減速器9和法蘭盤10，通過步進(jìn)電機8和減速器9推動法蘭盤10上下移動，控制試樣27的軸向位移和軸向加載。

所述的步進(jìn)電機8和減速器9安裝在鋼架5上，鋼架5固定在箱體4的底板上。

所述的吸力控制裝置包括陶土板24，壓力室12上部與控制柜1氣壓輸出端相連，壓力室12下部與控制柜1水壓輸出端相連，通過計算機47控制壓力室12內(nèi)的氣壓u_a和水壓u_w，吸力為s＝u_a-u_w，實現(xiàn)對試樣27吸力的控制。

所述的信息檢測裝置包括荷重傳感器16和高精度數(shù)顯位移傳感器17，荷重傳感器16上部連接有傳感器連接頭18，傳感器連接頭18與連接板19相連，連接板19與安裝在支桿6上的上底板20相連，高精度數(shù)顯位移傳感器17通過位移測量板13和儀表夾15固定在壓力室12的上蓋34上；

所述的荷重傳感器16下端連接有傳感器加載頭14，傳感器加載頭14與壓力室12的中心桿31相接觸。

所述的支桿6固定在鋼架5上，上底板20通過調(diào)節(jié)帽21固定在支桿6的頂部。

所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置3包括底座42，安裝在底座42上的氣泡收集器39和常閉電子閥41，氣泡收集器39內(nèi)開設(shè)有漏斗空腔38和與漏斗空腔38底部相連的漏斗細(xì)管40；所述的氣泡收集器39底部設(shè)有氣泡收集器進(jìn)排水口43和傳感器接口44，傳感器接口44連接有精密水壓傳感器45；所述的氣泡收集器進(jìn)排水口43與常閉電子閥41一端相連，常閉電子閥41另一端與壓力室12中底座22的進(jìn)排水口相連；所述的傳感器接口44與排氣泡閥門46連接。

所述的擴(kuò)散氣泡沖刷裝置3通過打開常閉電子閥41，足量的水進(jìn)入陶土板24下方空腔內(nèi)，排除氣泡，并進(jìn)行氣泡體積的測量，修正試樣體變值。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，控制柜1的工作方式。計算機和控制柜1、固結(jié)儀本體2依次通過串口線進(jìn)行串聯(lián)，通過計算機或者控制柜1上的控制面板設(shè)定相應(yīng)的孔隙水壓力和孔隙氣壓力，使得陶土板兩側(cè)的孔隙水壓力和孔隙氣壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對基質(zhì)吸力的控制。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，固結(jié)儀本體2的工作方式。固結(jié)儀本體2與控制柜1的管線和串口線對應(yīng)相連，通過控制柜1實現(xiàn)對基質(zhì)吸力的控制；并通過固結(jié)儀本體2上的面板或者計算機設(shè)定的豎向凈應(yīng)力，從串行接口獲得電信號，通過啟動步進(jìn)電機8和減速器9，帶動法蘭盤10產(chǎn)生豎向應(yīng)力，實現(xiàn)對豎向凈應(yīng)力的控制。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，擴(kuò)散氣泡沖刷裝置3的工作方式。通過打開常閉電子閥41，水流以較快的速度進(jìn)入陶土板24下方空腔內(nèi)，帶動陶土板24下方空腔內(nèi)的氣泡從壓力室12底座22的排水口內(nèi)排出，經(jīng)過常閉電磁閥41進(jìn)入氣泡收集器39的漏斗空腔38，氣泡上浮從漏斗空腔38中溢出，當(dāng)漏斗空腔38中的液面上升達(dá)到一定的高度時，精密水壓傳感器45采集到水壓力后反饋到計算機，由軟件控制儀器達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，基質(zhì)吸力控制的原理為：陶土板24表面存在著很多分布均勻的小孔，飽和后陶土板24的表面產(chǎn)生收縮膜將小孔連成一片形成貫通的水膜，使得陶土板只允許水分透過，通過控制柜1對陶土板的下面施加孔隙水壓力u_w，并對壓力室內(nèi)施加孔隙氣壓力u_a，此時陶土板上面的孔隙氣壓力為u_a，利用軸平移技術(shù)，試樣中的基質(zhì)吸力控制為s＝u_a-u_w。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，豎向凈應(yīng)力控制的原理為：中心桿31的中上部設(shè)置凸起，并在凸起與中心桿密封座32相接處的部位安裝O型圈33，使得中心桿31的上部與中心桿密封座32之間形成了密閉區(qū)域A；通過通氣管線37將區(qū)域A和壓力室12相連通，使得區(qū)域A中的氣壓與壓力室12中的氣壓保持平衡，并保持環(huán)形密閉區(qū)域A中的橫截面積與中心桿的截面積一致，進(jìn)而區(qū)域A中的氣壓對中心桿的作用力將抵消壓力室12中氣壓對中心桿的作用力，實現(xiàn)固結(jié)儀的豎向凈應(yīng)力控制。

本實用新型所述的全自動非飽和土固結(jié)儀，如圖6所示，工作運行指令加壓、位移加載速率等通過計算機或者鍵盤輸入MCU系統(tǒng)嵌入式微機控制系統(tǒng)，MCU系統(tǒng)嵌入式微機控制系統(tǒng)控制儀器相應(yīng)電機的速度及轉(zhuǎn)向，對試樣施加孔隙氣壓力、孔隙水壓力和豎向凈應(yīng)力，并通過信息檢測裝置孔隙氣壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、荷重傳感器等采集所輸出的壓力值，同時啟動電機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的壓力模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給MCU系統(tǒng)嵌入式微機控制系統(tǒng)，且將采集到的壓力與設(shè)置的目標(biāo)壓力值進(jìn)行不斷比較，不斷反饋逐漸向目標(biāo)值逼近，最終將采集到的傳感器值用LCD顯示屏顯示，進(jìn)而實現(xiàn)儀器的循環(huán)控制。

以上僅為本實用新型的實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)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(jìn)，這些均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。