一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置及其试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置及其试验方法。所述高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置包括含有土体试样、基座、上帽、外壁组成的试验腔室，试验腔室与气体循环泵、饱和盐溶液容纳瓶、混合气体缓冲容器连接成封闭气体回路，试样上下面设有透水石，装置还包括湿度计、节流阀、流量计、土壤水分传感器。本发明专利技术采用气相平衡法，实现了对试样进行高吸力控制的干湿循环试验方法，操作简便，含水率控制精确，可以对路基材料干湿循环试样条件进行更加精确地控制。

A high suction test device for dry and wet cycle of subgrade material and its test method

The invention provides a high suction control of the dry and wet cycle test device for the subgrade material and its test method. The roadbed material wet cycle test device of the high suction control includes test chamber consisting of soil sample, base, cap, the outer wall of the test chamber, and gas circulating pump, saturated salt solution containing mixed gas bottles, gas buffer container connected to form a closed loop, the specimen is arranged below the permeable stone device also comprises a humidity meter, the soil moisture sensor, flow meter, throttle valve. The gas-phase equilibrium method is adopted to realize the drying and wetting cycle test method with high suction control for the sample, which is simple in operation and precise in moisture content control. It can control the condition of dry and wet circulation of subgrade material more accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置及其试验方法
本专利技术属于岩土工程
，具体涉及一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置及其试验方法。
技术介绍
道路路基在使用过程中，不仅受到车辆荷载重复作用，还受到外部环境因素的综合作用，其内部含水率出现季节性重复变化。研究表明，路基填土材料在干湿循环条件作用下，其内部结构产生不可逆的变化，导致其强度、刚度降低，甚至使路基发生失稳。为了研究路基材料在干湿循环条件作用下，其物理力学特性的变化规律，目前，国内外学者主要通过室内干湿循环试验的手段进行研究，而传统的增湿方法一般是浸水法或喷水法，脱湿方法一般采用烘干法或风干法。这些方法在干湿循环过程中，增、脱湿作用过于剧烈，或者因为人工操作不当，造成试件表面开裂严重，颗粒损失等现象，影响最终试验结果，也与路基结构内部材料(距地下水位、边坡较远处)含水率变化缓慢、均匀的情况不符。在非饱和土理论中，描述土体含水率与基质吸力之间关系的曲线称为土-水特征曲线，含水率的重复变化过程可以看作是基质吸力的重复作用，因而试件在控制吸力一定的条件下平衡，就能够使土体试件均匀地达到目标含水率，实现干湿循环的过程。目前，仅有利用轴平移技术进行吸力控制的干湿循环试验装置，但由于轴平移技术受高进气陶瓷的进气值影响，只能够对MPa级以内的吸力进行控制，使其应用受到限制。
技术实现思路
鉴于现有干湿循环试验装置的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置与试验方法，以期适用于更广的基质吸力变化范围，满足室内干湿循环试验的需要。一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置，包括：容纳试样的试验腔室(10)和吸力控制装置(20)；所述试验腔室(10)包括基座(11)、外壁(12)、上帽(13)和试样(14)，基座(11)上表面设置有圆形凹槽，用于试验腔室外壁嵌入和固定，上帽(13)位于外壁内；基座(11)与上帽(13)的中心通过气体管道与吸力控制装置相连，所述试样(14)置于基座中心正上方，侧壁为橡胶膜(17)，试验土样置于橡胶膜(17)内包裹并且同时在上下部位用O型圈(18)密封，底部设置有底部透水石(15)和底部土壤水分传感器(S1)，顶部设置有顶部透水石(16)和顶部土壤水分传感器(S2)；所述吸力控制装置(20)包括第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)，混合气体缓冲容器(23)、湿度计(24)、气体循环泵(25)、第一节流阀(26)、第一流量计(27)、第二节流阀(28)、第二流量计(29)；所述基座(11)正中心的出气管连接至气体循环泵(25)，分流后分别插入第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)的底部，采用并联形式连接至混合气体缓冲容器(23)中，最终与上帽(13)的进气管道相连，湿度计(24)位于混合气体缓冲容器(23)中用于监测混合气体的相对湿度，第一饱和盐溶液容纳瓶(21)的出气管道上设置有第一节流阀(26)和第一流量计(27)，第二饱和盐溶液容纳瓶(22)的出气管道上设置有第二节流阀(28)和第二流量计(29)。优选的，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)内的饱和盐溶液为已知特定温度下相对湿度与吸力的稳定饱和盐溶液。优选的，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)内的饱和盐溶液为氯化镁、氯化钠或硫酸钾中的任意一种。优选的，所述第二饱和盐溶液容纳瓶(22)内的饱和盐溶液为氯化镁、氯化钠或硫酸钾中的任意一种，但与第一饱和盐溶液容纳瓶(21)内的饱和盐溶液不同。优选的，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)为密闭容器，进气管口距瓶底2～3cm，没入饱和盐溶液的液面以下，出气管口距瓶口2～3cm。优选的，所述混合气体缓冲容器(23)为密闭容器，进气管口距容器底部2～3cm，出气管口距容器顶部2～3cm以保证气体充分混合。优选的，所述试验腔室(10)内壁涂有隔热涂料，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)、第二饱和盐溶液容纳瓶(22)、所述混合气体缓冲容器(23)以及气体管道使用隔热材料制成。优选的，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)中所装溶液不超过容器容积的二分之一。一种应用上述试验装置进行高吸力控制的路基材料干湿循环方法，包括如下步骤：1)在土样上下部放置透水石，外部用橡胶膜包裹，同时用O型圈进行密封，并往土样中插入土壤水分传感器，形成试样组合，将试样组合放置在基座正中央，安置外壁，盖上上帽；2)将配制好的饱和盐溶液分别装入容纳瓶中，将两饱和盐溶液容纳瓶并联后，与混合气体缓冲容器、试样腔室、气体循环泵相连，混合气体缓冲容器中设置湿度计，饱和盐溶液容纳瓶的出气管道设置节流阀与流量计，连接完毕后，打开气体循环泵；3)调整节流阀，控制两种不同湿度气体的流量，使混合气体缓冲容器中湿度计读数与增湿过程目标吸力对应的相对湿度一致；4)开始增湿过程，使土体试样与混合气体充分进行水汽交换，达到平衡，待到土体上下两个土壤水分传感器读数的相对误差小于0.5％，结束增湿过程；5)重新调整节流阀，控制两种不同湿度气体的流量，使混合气体缓冲容器中湿度计读数与脱湿过程目标吸力对应的相对湿度一致；6)开始脱湿过程，使土体试样与混合气体充分进行水汽交换，达到平衡，待到土体上下两个土壤水分传感器读数的相对误差小于0.5％，结束脱湿过程，至此，完成一次干湿循环；7)重复步骤3)至步骤6)进行干湿循环的总次数为5～8次。非饱和土的孔隙中既存在液体，也存在气体，土体吸力反映的是土中水的自由能，也称土体的水势，某一固定的吸力代表一种特定的水气平衡状态。土体吸力从土体中水的相对蒸汽分压(相对湿度)算出，根据Kelvin公式，吸力的表达式如下：式(1)中，Ψ为吸力(kPa)，R为理想气体常数(8.31432J/(mol·K))，T为绝对温度，Mω是水的分子量(18.016kg/mol)，Vω是水的比体积(0.99565g/cm3)，P为水的蒸汽分压(kPa)，P0是水蒸气在同一温度下的饱和蒸气压(kPa)，RH是相对湿度(P/P0)。(1)式说明在一定温度下，土体吸力与土中气体的相对湿度存在一一对应的函数关系，故可以通过控制土体中气体的相对湿度来控制吸力。又由于在密闭环境中，饱和盐溶液上方的气体相对湿度恒定，因而可以保持气体的吸力，土样与饱和盐溶液之间通过水蒸气的形式进行水分的交换，直至平衡。由于一种饱和盐溶液仅对应一个恒定的吸力值，通过将装有两种不同饱和盐溶液的容器中的气体按一定比例进行混合，从而实现吸力的连续可调。根据对装有常见饱和盐溶液的容器内气体吸力的测量，气相平衡法所能控制的吸力范围一般在10MPa～1000MPa。有益效果：利用气相平衡技术，本专利技术实现了10MPa～1000MPa高吸力控制下的路基材料干湿循环试验，通过调节两种不同吸力气体的比例，实现了混合气体吸力的连续可控，而非传统气相平衡法的间断性控制；本专利技术使用常见饱和盐溶液产生吸力恒定的气体，材料简单，可重复使用，设备结构简单，成本低，使用方便；本专利技术通过对气体吸力的控制，可以对土体试样施加负孔隙压力，更加符合实际情况，增脱湿过程对土体扰动小，含水率控制精确。附图说明图1是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置，其特征在于，包括：容纳试样的试验腔室(10)和吸力控制装置(20)；所述试验腔室(10)包括基座(11)、外壁(12)、上帽(13)和试样(14)，基座(11)上表面设置有圆形凹槽，用于试验腔室外壁嵌入和固定，上帽(13)位于外壁内；基座(11)与上帽(13)的中心通过气体管道与吸力控制装置相连，所述试样(14)置于基座中心正上方，侧壁为橡胶膜(17)，试验土样置于橡胶膜(17)内包裹并且同时在上下部位用O型圈(18)密封，底部设置有底部透水石(15)和底部土壤水分传感器(S1)，顶部设置有顶部透水石(16)和顶部土壤水分传感器(S2)；所述吸力控制装置(20)包括第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)，混合气体缓冲容器(23)、湿度计(24)、气体循环泵(25)、第一节流阀(26)、第一流量计(27)、第二节流阀(28)、第二流量计(29)；所述基座(11)正中心的出气管连接至气体循环泵(25)，分流后分别插入第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)的底部，采用并联形式连接至混合气体缓冲容器(23)中，最终与上帽(13)的进气管道相连，湿度计(24)位于混合气体缓冲容器(23)中用于监测混合气体的相对湿度，第一饱和盐溶液容纳瓶(21)的出气管道上设置有第一节流阀(26)和第一流量计(27)，第二饱和盐溶液容纳瓶(22)的出气管道上设置有第二节流阀(28)和第二流量计(29)。...

【技术特征摘要】
1.一种高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置，其特征在于，包括：容纳试样的试验腔室(10)和吸力控制装置(20)；所述试验腔室(10)包括基座(11)、外壁(12)、上帽(13)和试样(14)，基座(11)上表面设置有圆形凹槽，用于试验腔室外壁嵌入和固定，上帽(13)位于外壁内；基座(11)与上帽(13)的中心通过气体管道与吸力控制装置相连，所述试样(14)置于基座中心正上方，侧壁为橡胶膜(17)，试验土样置于橡胶膜(17)内包裹并且同时在上下部位用O型圈(18)密封，底部设置有底部透水石(15)和底部土壤水分传感器(S1)，顶部设置有顶部透水石(16)和顶部土壤水分传感器(S2)；所述吸力控制装置(20)包括第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)，混合气体缓冲容器(23)、湿度计(24)、气体循环泵(25)、第一节流阀(26)、第一流量计(27)、第二节流阀(28)、第二流量计(29)；所述基座(11)正中心的出气管连接至气体循环泵(25)，分流后分别插入第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)的底部，采用并联形式连接至混合气体缓冲容器(23)中，最终与上帽(13)的进气管道相连，湿度计(24)位于混合气体缓冲容器(23)中用于监测混合气体的相对湿度，第一饱和盐溶液容纳瓶(21)的出气管道上设置有第一节流阀(26)和第一流量计(27)，第二饱和盐溶液容纳瓶(22)的出气管道上设置有第二节流阀(28)和第二流量计(29)。2.根据权利要求1所述的高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置，其特征在于，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)和第二饱和盐溶液容纳瓶(22)内的饱和盐溶液为已知特定温度下相对湿度与吸力的稳定饱和盐溶液。3.根据权利要求2所述的高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置，其特征在于，所述第一饱和盐溶液容纳瓶(21)内的饱和盐溶液为氯化镁、氯化钠或硫酸钾中的任意一种。4.根据权利要求3所述的高吸力控制的路基材料干湿循环试验装置，其特征在于，所述第二饱和盐溶液容纳瓶(22)内的饱和盐溶液为氯化镁、氯化钠或硫酸钾中的任意一种，但与第一饱和盐溶液容纳瓶(21)内的饱和盐溶液不同。5.根据权利要求1或4所述的高吸力控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华庆，罗志刚，廖公云，李植淮，黄晓明，孙培翔，
申请(专利权)人：中国路桥工程有限责任公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：北京,11