[发明专利]快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法

说明书

本发明公开了一种快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法，由压力室系统、压力控制系统、垂直气动加载系统、时域反射测量系统和多个水储存系统组成；压力控制系统的一个出气口与压力室系统的进气口连接，另一个出气口与垂直气动加载系统的进气口连接，控制压力室系统和垂直气动加载系统的气压；垂直气动加载系统的垂直加载端垂直作用压力室系统，控制土样吸水或脱水；时域反射测量系统检测端与压力室系统连接，测量土样含水率；水储存系统与压力室系统的出水端连接，存储土样脱除的水分。压力室系统包括冲刷凹槽底座、上底座、顶盖、螺杆、不锈钢试样室和多个土样加载模块。解决了测量土水特征曲线测量时间长、测量误差大的问题。

技术领域

本发明属于高端装备制造技术领域，具体涉及一种估算轨道交通路基土的强度和渗透系数的快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法。

背景技术

土水特征曲线是指土壤基质吸力与土的含水率、饱和度或体积含水率之间的关系曲线。土水特征曲线是非饱和土壤的本构模型的重要组成部分，可用以估算轨道交通路基土的强度和渗透系数等，也是非饱和土力学中关键的参数和基本的测试内容。但目前测试技术当中存在实验时间很长、自动化水平不高、数据采集不够精确、吸力平衡条件不易判断等缺点。因此，快速测量土水特征曲线的测试设备是轨道交通路基性能预测的关键设备。

目前国内较为流行的测量土水特征曲线的实验方法是基于轴平移技术的压力板仪测量方法，该方法通过提高孔隙气压力，使孔隙水压力由自然状态时的负值达到某一正值，从而实现对基质吸力的测量，但是，一些空气通过高进气值陶土板扩散，并有聚集到陶土板下方的趋势，导致测量期间产生误差；而且陶土板对于水流的渗透性极低，约为1×10^-11，使用高进气值陶土板测量土水特征曲线(SWCC)时平衡土体试样基质吸力需要消耗大量的时间，在测量土水特征曲线时，每个试验点需要7天左右时间才能达到吸力的平衡，每条土水特征曲线通常需要1~2个月的试验时间，其试验平衡吸力的时间较为漫长。

微孔膜是主要由葡萄糖组成的纤维素膜，基本上是纤维素生物质，微孔膜是亲水性过滤器。利用微孔膜测量土样特征曲线，其最大进气值可达250kPa，基于其厚度优势它的渗透性远优于陶土板，使用微孔膜进行土样特征曲线测量所需的平衡时间远远短于使用高进气值陶土板进行测量所需的平衡时间。因此，如果能用微孔膜代替陶土板来改善达到吸力平衡所需的时间，将会很大程度上缩短整个试验的时间。

在土水特征曲线中，试件含水率作为最为重要的参数之一，目前大多数土水特征曲线试验中的试件含水率是通过滴定管系统进行量测的。其原理是，在土水特征曲线试验前通过滴定管管壁刻度线读取管内水面的初始值，随着所加气压的改变，滴定管内水体积不断改变，待液面不再变化时，记录此时水面刻度值；试验结束后需立即取出试样称重烘干，测量并计算试件最终的含水率，然后依次反算相对应其他吸力值下的试件含水率。此方法测量试件含水率过分依赖试验人员，不断读取并记录滴定管内水位的变化，无法直观的显示某个气压值所对应的试件含水率，自动化水平低；不同试验人员读取刻度的习惯也不同，导致实验结果误差大。

时域反射测量(TDR)是一种基于电磁波时域反射原理的远程遥感测试技术。时域反射法测量土壤水分的基础是测定土壤的表观介电常数；土体中固、液、气三相的介电常数差异很大，在大部分TDR的频率范围内，土中自由水的介电常数是81，固体颗粒的介电常数是3～7，空气的介电常数是1，因此混合土体的表观介电常数主要取决于土的含水率。研究表明，无论土体的成分与质地有何差异，土的含水率与水土混合物复介电常数的实部分量总是呈确定性的单值函数关系，这一结论表明通过测量土体表观介电常数即可推算土壤含水率。目前，时域反射测量系统鲜有应用于测量土水特征曲线试验，如能够将时域反射技术运用在土水特征曲线试验中含水量的测量，会大大提高试验的自动化水平。

同时，在测量与应力相关的土水特征曲线时，通常使用LVDT位移传感器来量测土样固结过程中产生竖向变形量，但是在使用LVDT位移传感器的过程中常常会出现一些故障和各种问题，如传感器显示的参数不正确、位移传感器输出不正常、安装条件较为苛刻等。