一种全自动水体积测记的压力板仪及其使用方法

本技术属于岩土工程试验仪器，具体涉及一种全自动水体积测记的压力板仪及其使用方法。

背景技术：

1、非饱和土是多相混合体，由固相、液相、气相和水-气分界面（也称收缩膜构成。收缩膜的两侧分别为气相和液相，膜具有表面张力，在气相压力和液相压力的长时间作用下处于张力平衡状态。研究平衡状态下的气液两相关系对非饱和土的力学、渗透、变形等研究具有重要意义。非饱和土的气相压力与液相压力之差为基质吸力，非饱和土中水与土体积之比为体积含水率。体积含水率会随着基质吸力的增大而减小。性质相同的土，基质吸力与体积含水率之间的关系是一定的，基质吸力与体积含水率的关系曲线称之为土水特征曲线。该曲线体现了土体的持水能力，在确定非饱和强度、非饱和渗透系数等重要参数时具有很高的地位。

2、压力板仪是最常用的研究土水特征曲线的设备。该设备工作原理为将土样放在陶土板上，陶土板在一定压力范围内下只透水不透气。将土样和陶土板放入密封筒中，在筒中施加气压，由于气相压力的作用，土中水分逐渐通过陶土板排出。只需要精确测量排出水的体积，便可计算得到体积含水率，基质吸力等于施加的气压值，由此土水特征曲线便可绘制出来。

3、传统的常规压力板仪的做法是，在管路气泡冲刷过程中采用手动用洗耳球吹气进行，或者使用滚轮碾压的方式将气泡赶至集气装置，这一过程需人工定时手动完成，严重影响试验效率；气泡是否冲刷完成依靠肉眼观察，无法自动识别；在测读排水体积时，通过刻度管用肉眼读取水位高度，严重降低试验精度；在数据记录及处理时，需要依靠实验者每天定时读数并记录，严重消耗人工劳力。

4、现有技术中也存在部分新型装置已对常规的压力板仪进行了自动化升级改造，其中“一种用于非饱和土试验的全自动扩散气泡冲刷测量仪（cn104034385a）”采用压力体积控制器和精密水压传感器来冲刷气泡，“全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪（cn111257201a）”和“一种改进气泡冲刷结构的土水特征曲线压力板仪（cn111257200a）”采用蠕动泵循环水流路径进行冲刷气泡，“一种完整土-水特征曲线的全自动量测系统（cn108507931a）”采用步进电机、压力传感器和压力体积控制器来实现自动化控制及测量。

5、但仍存在着以下不足之处：

6、1.水位高度采用水压计测量，精度普遍在±1-5mm量级，仍有较大的系统误差；

7、2.管路气泡冲刷过程为开环控制，即定时冲刷后仍需人工检查确认是否残留气泡，而人肉眼难以识别微小气泡，仍存在较大的随机误差；

8、3.管路气泡冲刷过程中气泡排出路径较长，导致气泡排出困难；

9、4.试验前后的管路充排水过程仍需手动控制；

10、5.试验过程中部分开关阀门仍需手动开启或关闭。

11、由此可见，现有技术仍存在一定的缺陷。

技术实现思路

1、本技术提供了一种全自动水体积测记的压力板仪及其使用方法，以解决上述技术问题中的至少一个。

2、本技术所采用的技术方案为：

3、第一方面，本技术提供了一种全自动水体积测记的压力板仪，其包括压力室系统，所述压力室系统包括用于装载试验土样的压力室以及与所述压力室相连接用于向所述试验土样施压的加载系统，还包括控制系统，通过所述控制系统对加载系统的加载动作进行自动控制，还包括自动气泡冲刷系统，所述自动气泡冲刷系统包括左侧量管、右侧量管及冲刷泵，所述左侧量管、所述右侧量管、所述冲刷泵与所述压力室的透水底座构成循环通路，试验土样在脱湿测量过程中挤出的水分进入所述循环通路中，所述左侧量管和所述右侧量管用于收集并读取试验土样脱湿测量过程排水量以及读取吸湿测量过程吸水量；所述自动气泡冲刷系统还包括第一排气件、第二排气件、进排气件组件以及集气装置，所述第一排气件与所述左侧量管内部液面上方的空间相连通，所述第二排气件与所述右侧量管内部液面上方的空间相连通，所述集气装置设置于所述循环通路上且位于所述左侧量管与所述右侧量管之间，所述集气装置包括储水腔，所述储水腔与所述循环通路相连通，所述进排气组件包括进排气管和气泵，所述进排气管与所述储水腔内部液面上方的空间相连通，所述气泵用于控制所述进排气件的开闭及通过所述进排气件排出气泡或向所述储水腔内部吸入气体以使所述储水腔内部液面高度处于预设标准高度；所述自动气泡冲刷系统与所述控制系统相连接，通过所述控制系统对所述自动气泡冲刷系统进行控制。

4、通过采用上述结构，能够实现对本技术循环通路的全自动进排水控制以及全自动气泡冲刷、全自动气泡冲刷结果检测，大大提升了进排水、气泡冲刷的效率且相较于人工操作或需要人工复查的气泡冲刷操作而言能够直接消除人工误差给试验结果精度带来的影响。

5、而且，在上述方案中自动气泡冲刷系统中的左侧量管、右侧量管实际上集成了冲刷循环及水体积测量的功能，无需另设额外的水体积测量装置/结构对脱湿测量中试验土样的排水量和脱湿测量过程中试验土样吸水量的检测，简化了设备结构，降低了试验难度。同时，本技术方案中通过在左侧量管和右侧量管之间设置集气装置缩短了气泡排出路径长度，更加便于气泡的收集排出。另外，相较于采用压力体积控制器进行气泡冲刷而言，采用上述结构在保证气泡冲刷效果以保证试验结果精度的同时还能够大量节省设备成本，特别适用于试验教学，且也适用于传统压力板仪的改造升级，进一步降低试验成本。

6、作为本技术的一个优选的实施方式，所述自动气泡冲刷系统还包括进排气控制组件，所述进排气控制组件包括与所述第一排气件相连接的第一电磁阀以及与所述第二排气件相连接的第二电磁阀，所述第一电磁阀用于控制所述第一排气件的开闭，所述第二电磁阀用于控制所述第二排气件的开闭。

7、在上述方案中，各阀门均通过控制系统自动控制，也就是说，采用本技术中的压力板仪进行土水特征曲线测绘试验时，在整个长试验周期中无需人工参与操作各阀门的控制，省去了大量的人力，且能够避免人工操作失误导致试验失败或试验过程被延长。

8、作为本技术的一个优选的实施方式，所述左侧量管顶端设置有第一超声波测距仪，所述右侧量管顶端设置有第二超声波测距仪，所述集气装置顶部设置有第三超声波测距仪，所述第一超声波测距仪用于测量所述左侧量管内部的液面高度并将液面高度信息传输所述控制系统，所述第二超声波测距仪用于测量所述右侧量管内部的液面高度并将液面高度信息传输至所述控制系统，所述第三超声波测距仪用于测量所述储水腔内部的液面高度并将液面高度信息传输至所述控制系统。

9、优选的，上述的第一、第二、第三超声波测距仪均采用测距精度为0.2mm、测距分辨率为0.1mm的高精度超声波测距仪，相较于传统的人工肉眼读数/水位计或压力传感器或浮球测量而言可以更加精确的测量左侧量管、右侧量管以及集气装置内部储水腔的液面高度，进而有利于保证试验结果的精度。

10、作为本技术的一个优选的实施方式，还包括进排水系统，所述进排水系统包括水泵及储水罐，所述水泵分别与所述储水腔和所述储水罐相连接，所述水泵在所述控制系统控制下将所述储水罐内的水注入所述循环通路中或将所述循环通路中的水抽取至所述储水罐中；所述左侧量管还设置有第一底部液位传感器、第一中部液位传感器、第一上部液位传感器，所述右侧量管还设置有第二底部液位传感器、第二中部液位传感器、第二上部液位传感器。

11、在上述方案中，通过上述多个液位传感器的设置能够在试验过程中更加精准的掌握左侧量管、右侧量管内部的液面高度变化，便于更加精准的控制进排水动作以及气泡冲刷过程中冲刷泵的正反转切换，提升气泡冲刷效率和冲刷效果。

12、作为本技术的一个优选的实施方式，所述透水底座具有朝向所述左侧量管一侧的左侧进排水口以及朝向所述右侧量管一侧的右侧进排水口，所述透水底座通过所述左侧进排水口和所述右侧进排水口连通在所述循环通路中，所述左侧进排水口处设置有左侧电磁阀用于控制所述左侧进排水口的开闭、所述右侧进排水口处设置有右侧电磁阀用于控制所述右侧进排水口的开闭，所述左侧电磁阀、所述右侧电磁阀通过所述控制系统控制。

13、作为本技术的一个优选的实施方式，所述压力室内部设置有用于承载试验土样的陶土板以及用于向试验土样传递竖向载荷的下压组件，所述陶土板设置于所述透水底座的上部，所述下压组件包括上压盖、t型透水石以及环形金属片，所述上压盖的内部设置有竖直方向上贯穿所述上压盖的内部流道，所述上压盖的上部设置有所述内部流道的入口，所述上压盖朝向所述t型透水石的一侧设置有所述内部流道的出口；所述内部流道的入口处还设置有上压盖电磁阀，所述上压盖电磁阀能够封闭或打开所述内部流道的入口。

14、采用上述结构，在正式进行脱湿测量试验时，可以先通过上压盖内部设置的内部流道在进行固结操作之前对设置于试验土样顶部的t型透水石注水使其饱和，通过设置上压盖电磁阀能够在进行固结操作时封闭内部流道，从而可以在固结过程中避免试验土样中的水受压排入顶部的t型透水石中，保证固结过程排出的水全部进入量管中，进而克服固结排水量测量不准的问题，进而有利于保证后续脱湿测量过程中排水量的测量精度。

15、作为本技术的一个优选的实施方式，还包括设备箱体，所述自动气泡冲刷系统设置于所述设备箱体内部；所述控制系统为plc触摸屏编程一体机，所述设备箱体设置有所述plc触摸屏编程一体机。

16、第二方面，本技术还提供了一种全自动水体积测记的压力板仪使用方法，其基于上述的全自动水体积测记的压力板仪，包括以下步骤：

17、步骤一，安放试验土样：打开压力室顶盖，将透水底座及陶土板安装到位，并将饱和后的试验土样安放在陶土板上；试验土样安放完成后将压力室与加载系统连接；

18、步骤二，管路自动充水：控制系统控制进排水系统动作将储水罐内的水抽取注入到循环通路中直至左侧量管、右侧量管内部液面到达指定高度；

19、步骤三，气泡自动冲刷：控制系统控制自动气泡冲刷系统多次动作将循环管路中的气泡排出；

20、步骤四，气泡自动检测：气泡自动冲刷过程中控制系统控制第一超声波测距仪、第二超声波测距仪监测每一次冲刷动作完成后左侧量管、右侧量管内的液面高度并计算左侧量管、右侧量管液面高度总和，当相邻两次冲刷动作左侧量管、右侧量管液面高度总和之差＜0.2mm时判定气泡冲刷完成，否则继续重复步骤三；

21、步骤五，脱湿测量水体积自动测记：通过控制系统控制第一超声波测距仪、第二超声波测距仪测量左侧量管、右侧量管内部的液面高度并将两量管内的液面高度之和记为，通过控制系统控制加载系统向压力室内部施加气压，通过控制系统控制每隔j小时（j数值可根据试验需要在控制系统中自由设置）执行一次步骤三并执行步骤四，当＜0.2mm时判定试验土样在下排水完成达到吸力平衡，通过控制系统控制第一超声波测距仪、第二超声波测距仪测量左侧量管、右侧量管内部的液面高度并将两量管内的液面高度之和记为，控制系统根据提前输入的土体孔隙比e和土样初始总体积以及测量的排水量=（-），其中为量管截面积，自动计算出试验土样在下的体积含水率=e-（1+e）/，通过控制系统控制加载系统逐级提升向压力室内部施加的气压并依次记为，，...，，...并重复前述测记操作，得到各级气压下的体积含水率；

22、步骤六，吸湿测量水体积自动测记：通过控制系统控制加载系统逐级降低向压力室内部施加的气压，参照步骤五中的计算方式计算出吸湿测量过程中各级气压下试验土样的体积含水率；

23、步骤七，土水特征曲线绘制，控制系统根据步骤五、步骤六获得的数据绘制试验土样脱湿过程、吸湿过程的土水特征曲线；

24、步骤八，完成步骤七后，通过控制系统控制进排水系统动作将循环通路中的水分全部抽取输送至储水罐中。

25、作为本技术的一个优选的实施方式，气泡自动冲刷具体包括：首先通过控制系统控制第一电磁阀关闭，第二电磁阀、左侧电磁阀、右侧电磁阀打开，控制冲刷泵正转带动循环通路中的水分正向流动，使左侧量管内的液面高度开始下降，右侧量管内的液面高度开始上升，气泡一部分被带动至右侧量管，经第二排气件排出，一部分被带动至集气装置中并聚集在储水腔内部液面上方空间中，待左侧量管内部液面高度下降至触发第一底部液位传感器、右侧量管内部液面升高至触发第二顶部液位传感器，通过控制系统控制第二电磁阀关闭、第一电磁阀、左侧电磁阀、右侧电磁阀打开，控制冲刷泵反转带动循环通路中的水分反向流动，使右侧量管内的液面高度开始下降，左侧量管内的液面高度开始上升，气泡一部分被带动至左侧量管，经第一排气件排出，一部分被带动至集气装置中并聚集在储水腔内部液面上方空间中，直至右侧量管内部液面高度下降至触发第二底部液位传感器、左侧量管内部液面升高至触发第一顶部液位传感器完成一次完整的气泡冲刷动作，如此重复n次，n数值可根据试验需要在控制系统中自由设置；

26、气泡自动检测具体包括：控制系统根据第三超声波测距仪测量结果控制气泵正转或反转以使储水腔内的液面高度维持在标准刻线处，通过第一超声波测距仪、第二超声波测距仪分别测量左侧量管、右侧量管内的液面高度、并计算+，随后再次完成一次气泡冲刷动作并再次测量左侧量管、右侧量管内的液面高度、并计算+，然后计算=|（+）-（+）|，若＞0.2mm则重复气泡冲刷动作直至＜0.2mm。

27、作为本技术的一个优选的实施方式，管路自动充水具体操作包括通过控制系统控制第一电磁阀、第二电磁阀、左侧电磁阀、右侧电磁阀打开，控制水泵动作将储水罐中的水抽取输入至循环通路中，直至左侧量管、右侧量管内部液面升高至触发第一中部液位传感器、第二中部液位传感器。

28、由于采用了上述技术方案，本技术所取得的有益效果为：

29、1.本技术方案中通过控制系统对前述压力室系统、加载系统、自动气泡冲刷系统以及进排水系统中的各项动作进行自动化控制，能够在完成试验土样安装后自动完成土水特征曲线测绘试验的全部剩余操作，大大减少了试验过程中的人工参与度，降低人工工作强度的同时也大大减少了人工操作误差对试验结果的影响。

30、2.本技术中循环通路的进排水过程、气泡冲刷过程、试验中的水体积测记过程实现了闭环控制，整个气泡冲刷过程及水体积测记过程中无需人工参与，既节省人力同时也能够直接避免人工操作/读数失误导致试验结果精度降低。

31、3.在上述方案中左侧量管、右侧量管集成了试验过程中的水体积测量和储水冲刷的功能，简化了设备结构，省去了进一步降低了试验设备的控制难度，便于设备自动化控制程序的编程和修改，特别适用于试验教学。另外，上述方案中采用的设备部件成本均较低，在保证同等测量精度的前提下能够大大降低设备成本。

32、4.本技术方案中，在正式进行脱湿测量试验时，可以先通过上压盖内部设置的内部流道在进行固结操作之前对设置于试验土样顶部的t型透水石注水使其饱和，通过设置上压盖电磁阀能够在进行固结操作时封闭内部流道，从而可以在固结过程中避免试验土样中的水受压排入顶部的t型透水石中，保证固结过程排出的水全部进入量管中，进而克服固结排水量测量不准的问题，进而有利于保证后续脱湿测量过程中排水量的测量精度。

33、5.本技术方案中，通过将集气装置及进排气组件设置于左侧量管、右侧量管之间的循环通路上大大缩短了气泡排出路径的长度，相较于现有技术中单纯依靠量管开口排出气泡而言大大降低了气泡排除难度，有利于提升气泡冲刷效率以节省冲刷时间，进而有利于缩短试验周期，提升试验效率。另外，通过将集气装置储水腔内的液面高度控制在标准刻线处能够保持除左侧量管、右侧量管之外的循环通路内的水量保持恒定，进而能够保证通过测量左侧量管、右侧量管水位变化读取脱湿测量过程排水量以及读取吸湿测量过程吸水量的准确性。