[发明专利]一种土的干燥收缩试验装置及其反演土水特征曲线的方法

权利要求书

1.一种土的干燥收缩试验装置，其特征在于：包括土样放置与称重采集平台(1)、环境支持与图像采集平台(2)、位移采集平台(3)，将位移采集平台(3)置于土样放置与称重采集平台(1)上，将环境支持与图像采集平台(2)与土样放置与称重采集平台(1)相连接，将土样(4)置于位移采集平台(3)内，并将土样放置与称重采集平台(1)分别与恒温水浴、水分雾化器和数据采集系统相连接。

2.根据权利要求1所述的土的干燥收缩试验装置，其特征在于：所述的土样放置与称重采集平台(1)的表面设置有数显屏(12)，其上设有温度设置键(13)、湿度设置键(14)、启动键(15)、复位键(16)、开关键(17)；

土样放置与称重采集平台(1)的还设置有水分雾化器接口(111)、恒温水浴接口(112)、数据输出接口(113)、相机连接接口(114)和充电接口(115)；在土样放置与称重采集平台(1)的上表面的中心设置有称重台(11)，在土样放置与称重采集平台(1)的上表面还设置有温度采集探头(18)和湿度采集探头(19)。

3.根据权利要求1所述的土的干燥收缩试验装置，其特征在于：所述的环境支持与图像采集平台(2)包括环境维护箱(21)、环境维护箱门(22)、数字相机(23)；环境支持与图像采集平台(2)的环境维护箱(21)呈正方体形式，环境维护箱(21)顶部设置有相机槽(211)，环境维护箱(21)侧面设置有磁力母坐(212)，环境维护箱(21)与环境维护箱门(22)通过铰链连接；环境维护箱门(22)内部边缘布置有密封胶垫(221)和磁力公坐(222)；将环境维护箱(21)与环境维护箱门(22)相连接，将数字相机(23)与相机槽(211)相连接，将相机数据线(231)与土样放置与称重采集平台(1)的相机连接接口(114)相连接。

4.根据权利要求1所述的土的干燥收缩试验装置，其特征在于：所述的位移采集平台(3)包括土样置样盒(31)、位移采集立杆(32)、千分表支撑杆(33)、千分表(34)、环刀(35)、垫片(36)；其中千分表(34)具有无线传输数据功能，位移采集平台(3)的千分表支撑杆(33)设置有双环状的千分表槽(331)，千分表支撑杆(33)的外侧设置有位移紧固螺栓孔(333)，将千分表(34)安装在千分表支撑杆(33)的千分表槽(331)，将位移紧固螺栓(332)安装在位移紧固螺栓孔(333)，将位移采集立杆(32)一端与千分表支撑杆(33)相连接，将位移采集立杆(32)另一端与土样置样盒(31)相连接，将环刀(35)置于土样置样盒(31)内，将垫片(36)置于千分表(34)支撑杆下部。

5.一种土的干燥收缩试验装置的反演土水特征曲线的方法，其特征在于步骤如下：

1)依据权利要求4所述的方法组装一种土的干燥收缩试验装置，将环境支持与图像采集平台(2)的相机数据线(231)与土样放置与称重采集平台(1)的相机连接接口(114)相连接，将土样放置与称重采集平台(1)的数据线(110)与数据采集系统相连接，将水分雾化器接口(111)、恒温水浴接口(112)分别与水分雾化器、恒温水浴相连接；

2)利用环刀(35)制备饱和的土样(4)，并将环刀(35)及环刀(35)内部所嵌的土样(4)放置在土样置样盒(31)内；

3)将千分表(34)的探头通过垫片(36)与土样(4)的上表面接触；将数字相机(23)探头对准土样(4)的表面；

4)通过土样放置与称重采集平台(1)的温度设置键(13)和湿度设置键(14)分别设置环境维护箱(21)的温度和湿度，通过启动键(15)开启一种土的干燥收缩试验装置记录t_i时刻土样放置与称重采集平台(1)的称重读数m_i、千分表(34)的读数h_i和数字相机(23)的图像数据，并将土样放置与称重采集平台(1)开始时的称重读数记为m₀，将土样放置与称重采集平台(1)开始时的千分表(34)的读数h₀，当土样放置与称重采集平台(1)的称重读数m_i恒定后停止试验并将此时称重读数记为m_e，将此时千分表(34)的读数h_e；

5)t_i时刻土样的有效饱和度S_e依据公式(1)计算，公式(1)为：

式(1)中，S_e为t_i时刻土样的有效饱和度；S_i为t_i时刻土样的饱和度，可依据公式(2)计算；S_r为土样的残余饱和度，可通过停机时的称重读数和公式(3)计算，公式(2)和公式(3)分别为；

式(2)和式(3)中，S_i为t_i时刻土样的饱和度；d_s为土样的相对密度；e为土样的初始孔隙比；m_w为土样的初始含水质量；m₀为土样的初始质量，即土样放置与称重采集平台(1)开始时的称重读数记为m₀；m_i为t_i时刻土样的质量，即步骤4)t_i时刻土样放置与称重采集平台(1)的称重读数m_i；m_e为土样的试验完成质量，即土样放置与称重采集平台(1)的称重读数m_i恒定后停机时称重读数记为m_e；m_s为土样中的土颗粒质量；S_r为土样的残余饱和度；m_e为土样放置与称重采集平台(1)的称重读数m_i恒定后停止试验时的称重读数；

6)土样的基质吸力u_a-u_w可依据公式(4)计算，公式(4)为：

式(4)中，u_a-u_w为t_i时刻土样的基质吸力；σ’为不含有孔隙流体压强作用的外力土骨架应力，可通过饱和土的三轴固结试验确定；σ_n为总法向应力，本方法的σ_n取值为0；u_a、u_w分别为孔隙气压强和孔隙水压强，u_a取值为0；S_e为t_i时刻土样的有效饱和度；

7)将基质吸力u_a-u_w作为横轴，土样的饱和度S_i作为竖轴绘制曲线，即为该土样所代表土体的土水特征曲线。