一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪

技术领域

本发明涉及实验测量仪器技术领域，更具体地说，特别涉及一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪。

背景技术

非饱和问题是岩土工程的重要议题之一，诸多岩土工程灾害与材料非饱和特性密切相关，比如土质边坡由于地下水位的变化使得非饱和部分力学特性逐渐弱化而引起失稳，地下隧道由于湿度季节性周期性变化导致围岩产生大量裂纹，使得力学特性和水力特性弱化而对工程安全造成危险。目前，非饱和土力学测试技术相对于饱和土力学而言发展较慢。

非饱和土力学测试技术主要受制于吸力的精确控制和多相物理量的精确测量。根据对期刊文献和专利检索，关于非饱和岩土材料应力-渗透测量仪有以下结果：

不少研究者在吸力控制技术上提出了不少解决方案：英国帝国理工学院在快速高量程张力计(Soil matrix suction:some examples of its measurement andapplication in geotechnical engineering[J],Geotechnique,2003,53,241-253)取得了进展，他们研发了一种微型孔隙水压力传感器，可以快速量测1500kpa以下的吸力，武汉大学的王钊教授研制成功了基质吸力原位量测装置(滤纸法在现场基质吸力量测中的应用[J],岩土工程学报，2003，25，405-408)。

人们一般还是采用质量测量法确定不同饱和度下的岩土含水情况，但是目前，一般都是针对已经经过干燥或湿润过程的岩土试样进行质量测量。

非饱和土的渗透测量，陈正汉等(非饱和土的水气运动规律及其工程性质研究[J],岩土工程学报，1993，15，9-20)1991年设计了一种非饱和渗气试验装置，它可以保证试样不脱模，用量测试验过程中的出水量代替流过试样的空气体积，提高了测气体积精度。法国学者研制了(多孔介质中多相渗流的图像显示研究以及相对渗透率的理论与试验研究[D],北京石油勘探开发科学研究院，1989)一套一维水、气渗流联测装置，他们利用两种半渗透膜，一种透水不透气，置于水的进口和出口，另一种透气不透水，置于气的进口和出口，从而实现水、气的独立控制与量测。

但是，目前没有在已有文献中检索到关于非饱和岩土材料应力-渗透测量仪，同时进行不同应力条件下的非饱和渗透测量和水分跟踪测量设备。

经检索，中国专利授权公告号为CN103645128B，公开了一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，其包括加载平台、三角形金属垫块、下部加压垫块、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、金属连接钩、活动传力活塞、密封圈、受力油腔、密封螺丝、金属进油管、伺服加载泵、饱和盐溶液、器皿、长方形密闭容器、质量传感器、温度湿度传感器、应变片和数据采集系统，利用该设备针对粘土岩开展了非饱和试验，试验方案是针对高为40mm，直径为36mm的圆柱形试样施加6MPa轴向压力，并开展了干湿循环(湿度在98％到32％之间变化)试验。试验结果表明，轴向压力保持6MPa两周，密闭容箱内湿度控制与预设值只有2％的偏差，质量变化可以实时跟踪，最后测量精度为0.1g。通过该质量变化和Fick扩散方程，确定出了该材料的水气扩散系数为1.0x10-10m/s。同时，应变测量显示其变化规律与质量变化以及湿度变化一一对应的，因此，该设备可以顺利地进行非饱和岩土材料的应力-渗透测试，尤其是针对高应力条件下的测量。

但是该非饱和岩土材料应力渗透测量仪上并没有安装加快增加密封容器内部空气湿度或者降低密封容器内空气湿度的装置，导致该非饱和岩土材料应力渗透测量仪的使用效果不理想。

为此，我们提出一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，包括加载平台、密封容器、伺服加载泵、金属管和数据采集系统，所述加载平台设置在密封容器内，所述密封容器的顶部固定设置有质量传感器，所述质量传感器通过连接钩与加载平台连接，所述密封容器上设置有与连接钩对应的贯穿孔，所述伺服加载泵通过金属管与加载平台连接，所述密封容器的内顶部固定设置有温度湿度传感器，所述数据采集系统、伺服加载泵、质量传感器和温度湿度传感器之间电连，所述密封容器的底部密封设置有容器瓶，所述容器瓶内设置有饱和盐溶液，所述密封容器的内底部依次固定设置有输气管和L型管，所述输气管的底部和L型管的底部均依次贯穿密封容器并向容器瓶内延伸，所述L型管的一端安装有呈喇叭形设置的固定筒，所述固定筒的内侧壁安装有抽风扇b。

优选地，所述输气管的底部浸没在饱和盐溶液内。

优选地，所述密封容器的顶部固定设置有出气管，所述密封容器的外侧壁上固定设置有进气管，所述出气管上和进气管上均安装有控制阀。

优选地，所述出气管的顶部内侧壁固定设置有抽风扇a。

本发明的实施例提供的技术方案包括以下有益效果：

1、与现有技术相比，本发明中，该非饱和岩土材料应力渗透测量仪上安装有抽风扇b，通过抽风扇b转动的抽出容器瓶内部的空气，密封容器内的空气通过输气管进入到容器瓶的内部，使得容器瓶内部的气压保持平衡，加快了容器瓶内部的饱和盐溶液挥发到空气中的速度，加快了密封容器内部空气湿度的速度，缩短了进行非饱和岩土材料应力渗透测量实验所花费的时间，提高了对非饱和岩土材料应力渗透测量的效率；

2、与现有技术相比，本发明中，该非饱和岩土材料应力渗透测量仪上安装有出气管和进气管，可以排出密封容器内部潮湿的空气，降低密封容器内部的空气湿度，以便于根据需要调整密封容器内部的空气湿度。

附图说明

图1为本发明提出的一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪的结构示意图。

图中：1、加载平台；2、密封容器；3、伺服加载泵；4、金属管；5、数据采集系统；6、质量传感器；7、连接钩；8、温度湿度传感器；9、出气管；10、抽风扇a；11、控制阀；12、进气管；13、容器瓶；14、饱和盐溶液；15、输气管；16、L型管；17、固定筒；18、抽风扇b。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种非饱和岩土材料应力渗透测量仪，包括加载平台1、密封容器2、伺服加载泵3、金属管4和数据采集系统5，加载平台1设置在密封容器2内，密封容器2的顶部固定设置有质量传感器6，质量传感器6通过连接钩7与加载平台1连接，密封容器2上设置有与连接钩7对应的贯穿孔，伺服加载泵3通过金属管4与加载平台1连接，密封容器2的内顶部固定设置有温度湿度传感器8，数据采集系统5、伺服加载泵3、质量传感器6和温度湿度传感器8之间电连，密封容器2的底部密封设置有容器瓶13，容器瓶13内设置有饱和盐溶液14，密封容器2的内底部依次固定设置有输气管15和L型管16，输气管15的底部和L型管16的底部均依次贯穿密封容器2并向容器瓶13内延伸，L型管16的一端安装有呈喇叭形设置的固定筒17，固定筒17的内侧壁安装有抽风扇b18。

其中，加载平台1通过第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆连接三角形金属垫块和下部加压垫块，其中三角形金属垫块的中心预留了连接钩7与质量传感器6相连，用于实时跟踪整个加载平台1和测试试样在非饱和测试过程的质量变化；下部加压垫块包括活动传力活塞、密封圈和受力油腔，其中受力油腔和伺服加载泵3通过密封螺丝与一根管径为1/8英寸金属管4相连，用于控制油腔内的压力进而通过传力活塞施加到试样端部。整个加载平台1的质量为620g，若放置岩土试样，整个系统质量不超过1kg。

伺服加载泵3是采用美国ISCO的500D型加压泵，该泵可以提供持续稳定的压力，最大压力可达25MPa，精度为满量程的0.5％，而且该泵可以记录维持稳定压力过程中进、出油腔的液体体积。质量传感器6采用的法国的Scaime单点AR传感器，它可以记录整个加载平台1和试样质量总和，该传感器最大称重为1.2kg，精度为0.1g。该质量传感器6记录的质量变化实际是试样的含水量和油缸内的液体体积的变化总和，通过ISCO泵的准确记录进、出油腔内的液体体积，可以最终得到试样的真实含水变化情况。

更具体地，输气管15的底部浸没在饱和盐溶液14内。

输气管15的底部浸泡在饱和盐溶液14的内部，目的是通过输气管15进入到溶液瓶13内的空气均穿过饱和盐溶液14，提高了从L型管16输出空气的湿度。

更具体地，密封容器2的顶部固定设置有出气管9，密封容器2的外侧壁上固定设置有进气管12，出气管9上和进气管12上均安装有控制阀11。

控制阀11的作用是控制出气管9和进气管12的通断。

更具体地，出气管9的顶部内侧壁固定设置有抽风扇a10。

抽风扇a10的作用是加快密封容器2内部空气流通的速度，快速对密封容器2内部的空气进行更换，降低密封容器2内部的空气湿度。

本发明中，利用该设备针对粘土岩开展了非饱和试验，试验方案是针对高为40mm，直径为36mm的圆柱形试样施加6MPa轴向压力，并开展了干湿循环湿度在98％到32％之间变化试验。试验结果表明，轴向压力保持6MPa两周，密闭容箱内湿度控制与预设值只有2％的偏差，质量变化可以实时跟踪，最后测量精度为0.1g。通过该质量变化和Fick扩散方程，确定出了该材料的水气扩散系数为1.0x10-10m/s。同时，应变测量显示其变化规律与质量变化以及湿度变化一一对应的，因此，该设备可以顺利地进行非饱和岩土材料的应力-渗透测试，尤其是针对高应力条件下的测量。

在进行测量之前，首先将盛放有饱和盐溶液14的容器瓶13安装到密封容器2上，并使得输气管15的底部浸泡在饱和盐容器14内，再打开抽风扇b18，容器瓶13内的空气通过L型管16输送到密封容器2内，密封容器2内的空气通过输气管15进入到容器瓶13内，从而加快了容器瓶13内部的饱和盐溶液14挥发到空气中的速度，加快了密封容器2内部空气湿度的速度，缩短了进行非饱和岩土材料应力渗透测量实验所花费的时间，提高了对非饱和岩土材料应力渗透测量的效率。此外，该非饱和岩土材料应力渗透测量仪上安装有出气管9和进气管12，可以排出密封容器2内部潮湿的空气，降低密封容器2内部的空气湿度，以便于根据需要调整密封容器2内部的空气湿度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。