非饱和土试验操作手册

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1、非饱和土操作手册#14/11/2008非饱和土操作手册#14/11/2008GDS非饱和土模块GDS非饱和土三轴试验系统操作手册非饱和土操作手册#14/11/2008非饱和土操作手册#14/11/2008孔隙气压UL孔隙水压U,非饱和土操作手册#14/11/2008非饱和土操作手册#14/11/2008? GDS InstrumentsLtd, 2003http:/www.gdsi nstrume 关于本手册UNSA用户手册描述了作为目前GD三轴系统扩充的GD非饱和土试验系统。关于安装和运行UNSA系统软件请参考GDSLAB件手册。该手册也可以和相应的GDSTTSGDSTA等系统的手册结合使用

2、。关于本手册11 简介3.2 GDSLAB 非饱和土软件模块33 如何完成非饱和土试验？33.1 方法1 - GDS 1000cc气压/体积控制器 43.2 方法2 - HKUST内压力室/差压测量 63.3 测量大气压的要求 83.4 用于非饱和土试验的GDS UNSAT底座 83.5 高进气值陶土板的特性94 准备高进气值陶土板（饱和）115 准备用于非饱和土试验的试样 125.1 设置饱和度125.2 土水特征曲线12在饱和或不饱和条件下的排水试验13非饱和土操作手册214/11/20081简介GDS非饱和土系统是传统三轴试验的扩展，主要用来研究地下水位以 上的土地特性，可以模拟现场的应

3、力状态和饱和状态。应力路径的使用使得大多数标准试验可以模拟实际状态下饱和和非饱和 试样的轴向和径向应力和孔隙水压、孔隙气压试验。4D线性应力路径试验可以模拟现场的状态，轴向和径向应力，孔隙气压 和水压可以同时变化。在应力路径的每一个分支，计算每一个压力控制器的不连续的中间目 标值。对于这个试验，要进行下一个不连续的目标值，所有四个压力 控制器必须汇聚到他们的当前目标值。试验的影响是只能运行最慢的 压力控制器的最大速度（通常是孔隙气压控制器，因为气体比除气水 的压缩性更高）。2 GDSLAB非饱和软件模块GDSLAB非饱和土试验模块的主要部分是 4维应力路径。4D应力路径可以同时 控制孔隙气压、

4、孔隙水压、径向和轴向控制器。规则与饱和土试验中的应力版 本（2D ） 一样，只是增加了控制孔隙气压和孔隙水压的功能。同时控制孔隙气压、孔隙水压、轴向和径向参数可以完成大多数线性变化的非 饱和土试验。手册的最后介绍了这样的试验。绘制的新参数包括基质吸力（Ua-Uw），饱和度和孔隙比。3 女口何完成非饱和土试验 ？非饱和土三轴试验应用反压和气压来测试试样，这样可以进行控制除完全饱 和条件下非饱和土的试验。该系统可以使用数据采集界面来测量轴力、轴向位移、局部轴向和径向应变、 孔隙压力、差压和大气压力。非饱和土三轴试验的主要难度在于精确测量试样的体积变化 目前GDS使用两种方法测量体积变化。第一种通过

5、使用GDS压力/体积控制器。使用一个水压/体积控制器测量水的体 积变化，一个气压/体积控制器测量气体体积变化。这两个值加起来可以计算 试样中的总的体积变化。第二种，是HKUST （香港科技大学）型，通过测量位于主三轴压力室中内压力 室的体积，使用差压传感器测量水头的变化。3.1 方法1 -GDS 1000CC气压/体积控制器一个先进的充满除气水的水压/体积控制器，用来控制孔隙水压（反压）以及测 量孔隙水体积变化。一个充满空气的气压 /体积控制器，用来控制孔隙中空气体 积变化。将孔隙中空气和水的体积变化相加可以估算试样总体积的变化。高级2MPa/1000cc空气压力/体积控制器与高级2MPa/1

6、000cc充满除气水的压 力/体积控制器在结构上类似。该控制器的控制软件是经过特别设计的用于极低 刚度的空气。当使用空气压力控制器时，必须注意以下几点：控制器可以从零压力开始运转，控制器提供足够的体积变化。这里1000cc是必需的。该控制器可以通过一个压缩的空气源提供预压。这能够在自身压缩时“节省”体积。控制器被特别设计成控制气压。这是因为内置于控制器程序中 的目标压力搜寻规则对于空气（极软）与水（比空气硬的多）来说是不同的。气压量程为2MPa，分辨率为1 kPa。体积量程为1000 cc，分辨率为1 cu.mm （即 0.001 cc）。当进行非饱和土试验时，传感器的连接和空气/水压连接比完

7、全饱和的试样试验要复杂。为了满足这个要求，对非饱和土试验的GDS压力室有一个改进，提供额外连接的12通道接口。这个环通常叫做通道环。GDS 1000CC 空气压力/体积控制器非饱和土操作手册414/11/2008非饱和土操作手册#14/11/2008/体积控制器和改进非饱和土试验的直接体积测量方法是使用带有空气压力 的带有高进气值陶土板底座的标准饱和试验系统。气压连接到试样顶部。气压和水压保持在一个压力差，从而在非饱和土中产生 一个“吸力”值。通过测量空气体积变化和水的体积变化之和就可以计算出试 样体积总变化。轴向力当进行非饱和土试验时，知道试样的总体变是非常必要的。可以通过以下 技术得到：通

8、过控制器体变得到直接在试样内部控制/测量气压和水压及体变。 这需要使用一个GDS压力/体积 控制器控制试样中的空气压力和体变。第二个控制器用来控制孔隙水压和体 变。从这两个控制器得到的体积变化总和就是试样体积变化值。为了完成该计算，必须已知以下参数：试样干重 干比重 试样饱和度 控制器中空气的体积控制器中空气的体积可以通过向控制器充满除气水的方式计算出来。将控制 器的体变设为零，然后排空控制器。倒转控制器，使接头处于该设备的最低 点。取下塑料管，在接头的下面放一个已知质量的大口杯，充满（空气）和 排空控制器，直到再没有水出来为止。称大口杯的重量，从水的重量计算体 积。该体积为控制器的净体积。出

9、入排空命令使控制器活塞向前运动到极 限。将体积设为零。出入填充命令，使控制器活塞向后运动到极限，显示的 体变值应加入到净体积中。得到控制器的总体积。试验应该都是从后极限开 始。气管中的体积是多少立方毫米?必须回答以上所有问题才可以计算出整个系统中气体的体积。这是运用 Boyle气体方程（pV=krT）必须获得的常数。通过小应变测量值得到通过我们的霍尔效应局部应变传感器在试样上直接测量局部直径和轴向变形。 从测量到的局部应变值，你可以估算到试样体积的变化。这是一个估算值，因 为试样准确的几何尺寸无法得到。通过压力室体变得到通过测量压力室体积变化得到试样总体变。这种方法并不理想，因为压力室的 刚度

10、不是无限的，因此试样加载的变化和围压的变化都会使压力室产生变化。 另外，还要求系统的温度非常稳定。很小的温度变化都会使压力室中水的体积 产生较大的变化。3.2 方法2 - HKUST 内压力室/差压测量第二种方法测量体变的方法是通过使用三轴压力室中的内压力室，使用一个灵 敏的差压传感器测量体积。双通道气压控制器用来控制内压力室和外压力室的 围压以及控制试样中的孔隙气压。装有试样的内室通过差压传感器和参照管相连。由于试样变形会引起内室中水 的变化从而导致水位的上升和下降。通过比较内室中的压力和参照管中的压 力，有正确的标定系数就可以决定压力差变化引起的内室体积变化。使用一个双通道气压控制器替代了

11、一个水压和气压/体积控制器来控制围压和孔隙气压。使用外置的压力源例如空压机，双通道气压控制器控制压力最大可以达到 1000kPa 。孔隙气压和试样顶部连接。围压也用气压来施加。围压和三轴压力室顶部 相连，压力室充满一半水。一定要确保没有水从围压管路流到双通道气压 控制器中，否则会导致损坏。在三轴压力室中，试样位于第二个压力室中。这样测量内室体积的变化就可 以得到压力室体积的变化，最大限度地减少了温度和压力变化引起的误差F面是系统的示意图:气体（?3）双通道气压控制器施加在三轴压力室顶部的围压（？3）施加在试样顶部 的孔隙气压（Ua）关于该方法的详细介绍和描述，请参考下面的文章：Ng, C.W.

12、W., Zhan, L.T. & Cui, Y.J. (2002). A new simple system for measuring volume cha nges in un saturated soilsCa nadia n Geotech ni cal Jour nal. Vol. 39, No. 3, 757-764.非饱和土操作手册714/11/20083.5 HAEPD 的特性空气压力控制器中的压力传感器测量与空气有关的压力。对于系统压力测量来 说，这是正确的，因为是使用同一个参考值。然而，空气体积变化与气体绝对大 气压力值有关。如果我们假设大气压力可以从900毫巴变化到110

13、C毫巴（这是一个 很大的范围）这代表围绕大气压力变化土 10Kpa假设200cc体积的气体在15Kp下（约115Kp绝对大气压），气体规律可以表示为PV=KRT=数，即 PV=115*200=23000如果大气压力变化10Kpa控制器将调节压力至相对大气压 15Kpa但这时将是125 （100+10+15绝对大气压。此时，PV=23000=125*V其中V=184cg因此，由于大气压力变化，在控制压力中没有明显变化，但体积测量变 化为16cc。200Kpa绝对压力传感器连从该计算中可以看到将大气压力考虑进去的必要性。将 接到DTI，大气压力测量可以校正储存的结果。3.4 用于非饱和土试验的GD

14、S UNSAT底座当进行非饱和土试验时，将孔隙中的空气和孔隙中的水分隔开是很必要的，因为 只有这样才能水压和气压之间维持一个压力差。这个分离可以通过一个高进气值 陶土板（HAEPQ来实现。当H AEP被充分饱和后，将维持一个等于进气值的最大气/水压力差（气压大于 水压）。HAEP的性能描述如下：在GD系统中，HAEP是固定在底座上的。孔隙水从压力室的外部连接到HAEP的 底部。注意：保持HAEP底部的压力与顶部的压力之差不要超过50Kpa是很重要 的。“高进气值”陶土板有一个特别的功能（如果保持饱和）：在陶土板的一边水压为xkPa,而另外一边气压为（x+y） kPa,空气不能穿过该物质。Y值就

15、是“进气值”。通常（在非饱和土试验中）HAEF顶部的压力（孔隙中空气的压力）要高于底部的 压力。陶土板可以很好的维持这种状态并保持一个进气值的压力差。3.5.1孔隙尺寸陶土板的孔隙尺寸是关键性的，因为它直接关系到陶土板的进气值和渗透系数 （将在下节详细解释）。陶土板孔隙率的变化与孔隙的尺寸和分布有关。附图 显示了不同陶土板的孔隙尺寸。3.5.2进气值进气值，也叫气泡压力，对陶土板来说，就是阻止空气穿过陶土板的压力 陶土板的进气值定义为：P =30 x? /D.相反，陶土板的孔隙尺寸可以由以下方程决定：中DD P9.30 x ?/P,孔隙直径，以微米为单位进气值或者气泡压力以汞柱高（mm）表示水

16、的表面张力，单位为达因/cm.水的表面张力在20?C时为72 dynes/cm。例如，有1巴（也可表示为14.5 psi或100 kPa或750 mm汞柱高）气泡压 力的陶土板孔隙尺寸可以这样计算：30 x 72/7502.9微米从上面的方程可以看到，陶土板孔隙尺寸越小，陶土板的进气值就越高。相 反，陶土板的大孔隙将导致低进气值。陶土板的孔隙不是完美的球形。它们通常是不规则的形状。由于陶土板中孔隙的不规则性，进气值就取决于最大孔隙直径。由于这个原 因，根据进气值决定陶土板的有效孔隙尺寸是很重要的。注释：1 dyne = 10 ? N 也就是 1 dyne = 0.00001 Newtons非饱

17、和土操作手册914/11/20083.5.3渗透系数陶土板的渗透系数是对其渗透性能的一个测量，或者说是在一个已知的水力梯 度下，陶土板透水的能力。渗透系数是陶土板内在的能力，取决于孔隙尺寸， 总孔隙率和孔隙尺寸的分布。渗透系数按照达西公式计算，以 cm/秒表示：K =Q LA h 式中：一K =渗透系数，以 cm/秒表示Q =在给定时间流过给定面积的水的体积，以cm3表示L =水流长度，以cm表示。在陶土板中水流长度就是陶土板的厚度。A=水流通过的横截面积，以 cm2 表示 =水力梯度，以cm表示的水柱高度。测量水流的间隔时间，以秒表示例如，一个1/4”英寸的厚的陶土板，当压力为1巴时，通过直

18、径4英寸的陶土板 的孔隙的水流为81ml/小时，则渗透系数计算如下：Q =81 ml =81 cm3L=0.25 ”=0.635cm陶土板半径=2”= 5.08 cmA=?r2=(3.14)x(5.08)2= 81.03 cm2=1 bar=1020cmH?。=1 hr =3600sec.K =(81)(0.635)_ 一(81.03)(1020)(3600)K =1.73 x 10-7 cm/sec.陶土板的渗透系数见下表。非饱和土操作手册1014/11/20083.5.4阳离子交换设备多孔性陶瓷包括许多成分，如高岭土、矶土、球粘土和其它长石类物质等。 通常有一个离子交换以达到平衡。在土的研

19、究工作中，陶土板通常与土接触 一段时间。离子的自由交换会趋于平衡。由于土溶液中的这一趋势朝着化学 平衡方向发展，陶土板的化学影响通常是非常低的。离子在土溶液颗粒之间 毛细管中自由移动，在土块内扩散开来。同样的方式，土溶液中的离子向陶 土板中毛细管内移动，趋于平衡状态。4准备高进气值陶土板（饱和）饱和底座和陶土板分为三个阶段：阶段I在第一个阶段，你必须确保所有的水管中都没有气体。你选择的方法取决于你 使用的液压连接方式。记住：在任何阶段都要确保陶土板底部压力不要超过顶 部压力50Kps。如果有两个孔压连接头连接到你的底座上。第一步，在连接到底座前分别排 除各自管中的空气，然后在一个压力下，比如2

20、5Kpa将水从一个连接头流到 另一个连接头，没有压力的连接头应该低于水面。当再无气泡出现（在管中 看不到气泡）时，就可以停止了，然后，再倒过来，这样水就在两个方向都 流动。对于小直径的试样，只可能有一个孔隙水接头连到底座上，在这种情 况下，你只需再将水管连接到底座前让水流过水管，这样会使水管中空气的 体积降到最低。阶段II一个小的正的水压可以加到陶土板下部，比如30Kpa（绝对最大值为50Kpa。这种条件一直维持到陶土板顶部充满水。对于一个进气值为1500Kpa（15巴）的陶 土板，完成这个阶段通常要24个小时。对于一个进气值为500Kpa（5巴）的陶土 板，完成这个阶段通常要2-4小时。这个

21、过程可将空气从陶土板中排出。阶段III现在可以对陶土板按照常规方向施加水压。可以通过推动压力室里的底座来完 成，在压力室中充满水，并向压力室加压，同时打开孔压接头。通过选择一个高 的压力室压力（等于你通常试验压力）比如 500Kpa你可以让水按照一个相反的 方向流过HAEPD以确保水管中没有空气。对于 5巴的陶土板，你要在这种情况 下放置最少4-8小时，而对于15巴的陶土板，则放置1-2天。许多用户希望初次 饱和过程花费一周。注意：如果在试验结束时确保没有进气，则只需饱和24小时就可以进行下一个试验。在两个试验中间，为了保持某一个饱和度，可以将陶 土板马上浸入水中。这样可以减少下次饱和的时间。

22、在两个试验中间，为了保持某一个饱和度，可以将陶土板马上浸入水中。这样可 以减少下次饱和的时间。非饱和土操作手册1114/11/2008r. a1、一两个条件是必需的：合理的速度和在陶土板上有水。当安放试样时，不要让HAEPD 暴露在空气中-始终在表面铺一层水。同时在孔压接头要保持一个小的正水压，大 约10kPa 一般来说，非饱和土试验开始时是一个100%&和的试样。通常的方式是关闭孔隙 气阀门。当要求的“B值达到时（显示系统饱和）才可以在非饱和模式下运行试 验。当打开孔隙气压阀前，你必须确保孔隙气压与孔隙水压相近，但至少比孔隙 水压咼10kPa需要遵循的是:围压必须高于孔隙气压和孔隙水压。孔隙

23、气压必须高于孔隙水压。孔隙气压与孔隙水压之差不能超过底座高进气值陶土板的进气值。当陶土板饱和时，高进气值陶土板只能维持气压高于水压。5.1设置饱和度可以通过两步完成。第一步准备土水特征曲线。然后从一个可以设置孔隙气 压和孔隙水压的饱和条件开始，直到要求的饱和度。5.2 土水特征曲线这是一个步进过程，在这个过程中，孔隙气压和反压保持一个恒定的差值。施 加一个小的轴向荷载以确保试样和底座间接触良好。这个小的荷载将在系统闭 合回路控制下维持一个常量。一般来说，试验开始时，孔隙气压较高，而反压 较低。系统将允许有一端时间使之达到平衡而没有（或者很小）的体积变化。 然后减少孔隙气压，再等到平衡。这个过程

24、一直重复直到达到最后一个孔隙气 压值并且达到平衡。或者孔隙气压保持恒定，或者孔隙水压保持恒定。结果通 常表现为饱和度和吸力（孔隙气压和孔隙水压之差）之间的关系。要绘出土水特征曲线，就要用四维应力路径功能。该试验是在围压和偏应力不 变的条件下完成的。孔隙水压和孔隙气压是预先在程序中设置好的。根据孔隙 水体积变化与时间的关系曲线决定每个阶段的终止。典型的坐标如下：围压偏应力孔隙气压孔隙水压1200101160115012001011601050120010116095012001011608501200101160750120010116065012001011605501200101160450

25、120010116035012001011602501200101160150120010116050坐标点之间的时间周期应该根据材料的性质设置的长一些。根据孔隙水体积和 时间的曲线形状判断什么时候达到平衡状态。即在这个阶段，可以按F2键进入 下一个试验阶段。5.3 在饱和或不饱和条件下的排水试验这些试验允许用户在饱和或非饱和条件下完成标准排水试验。在试验过程中，轴向应力保持不变，而Uw （非饱和时为Ua）以线性方式变化。相反，c 3保 持不变，c i和Uw （非饱和时为 Ua）随时间线性变化。参考文献Ray, R.P. and Morris, K.B. (1995). Automated l

26、aboratory testing for soil/water characteristic curves. Proc.lstl nt. Conf. Un saturated Soils, Paris. Balkema, Rotterdam, pp547-552.Adams, B.A., Wulfsoh n , D. a nd Fredlu nd, D.G. (1996). Air volume cha nge measureme nt in un saturated soil testi ng using a digital pressure-volume con troller. Geo

27、tech ni cal Testi ng Jour nal, GTJODJ, Vol.19, No.1, pp 12-21.非饱和土操作手册1314/11/20084D非饱和土试验软件操作说明可以完成的试验?应力路径提供独立的轴向应力，径向应力，孔隙气压力和孔隙水压力的线性控制?应变路径提供独立的轴向应变，径向应变，孔隙气压力和孔隙水压力的线性控制硬件要求?应力/应变路径?轴向应力/应变控制/数据采集(即Bishop和Wesley压力室+体变控制, 荷载架等)?径向应力控制/采集?孔隙气压控制/采集?孔隙水压控制/采集 ?硬件选项?独立的大气压测量?独立的温度测量试验过程从站点试验计划(Sta

28、tion Test Plan)窗口中添加试验阶段(Add Test Stage )面板上选择试验控制模块：4DUNSAT .dll点击创建新试验阶段（Create New Test Stage ）按钮，打开试验阶段详细菜单（Test Stage Details ）。选择要求的试验类型，轴向应力或轴向应变控制轴向应力控制E34D应力/应变路径设置屏幕（如下）将在黄色窗口显示当前读数。试验类型（轴向 应力控制或轴向应变控制）可从试验类型下拉菜单选择。默认试验是轴向应力控 制，如下所示。 Station 1, Tetl Staga Numbet 5About HelpTest Type:|Axial

29、 Stress ControlledStress Controlled.this stge输入试验要求的目标轴向应力（C a）,径向应力（C r）,孔隙气压（卩a）和孔隙水 压值 5 w）（全部以kPa为单位）。这里，必须遵循一个规则：径向应力（C r）必须大于孔隙气压（卩a ）,孔隙气压 （卩a）必须大于孔隙水压值（卩w），孔隙水压值（卩w）必须大于0。说明：本试验将完成当前值和目标值之间的线性应力路径。软件将一直保持用户 设置的路径，但是，当其中任何一个参数达到较慢时，试验就会慢下来。该点在 非饱和土试验时非常关键，因为此时气压控制器需要较大体积的变化，以达到压 力变化。速度较慢。一部分原

30、因是孔隙气压一直都大于孔隙水压-这样保证高进气值陶土板的完整性。点击下一步（Next）按钮进入下一个阶段轴向应变控制轴向应变控制可以从“试验类型”下拉菜单选择。轴向应变控制试验设置屏幕显 示如下。输入试验要求的目标轴向应变（ a），径向应变（C r）,孔隙气压（卩a ）和孔 隙水压值（卩w）（全部以kPa为单位）。然后输入达到目标值的时间（以分钟为 单位）。点击下一步（Next）按钮进入下一个阶段试验终止屏幕试验设置下一步是选择估计试验时间或试验终止条件最大轴向荷载 (Maximum Axial Load) 用户可以输入最大轴向荷载限值，当轴向荷载达到该值时，试验结束。最长试验时间 ( Max

31、imum Test Length ) 如果用户知道确切的试验时间，则选择该项。如果不选择该项，试验将一直进 行下去，直到用户终止试验为止。最大轴向应变 (Maximum Axial Strain) 用户可以输入最大轴向应变临界值，当轴向应变达到该值时，试验就结束。最小轴向应变 (Minimum Axial Strain) 用户可以输入最小轴向应变限值，当轴向应变达到该值时，试验结束。 (当卸 载时经常用到)最大偏应力 (Max Deviator Stress) 可能用户希望计算机能够检测试验的最大偏应力。计算机通过检测连续 4 个偏 应力读数，看最近的读数是否与前一个读数相等或低于前一个读数时

32、，则当第4 个偏应力读数小于第 3 个偏应力读数时，表示达到最大偏应力，试验将终 止。最大应力比 (Max Stress Ratio) 可能用户希望计算机能够决定试验的最大应力比。计算机通过检测连续 4 个偏 应力读数，看最近的读数是否与前一个读数相等或低于前一个读数时，则当第4 个偏应力读数小于第 3 个偏应力读数时，表示达到最大应力比，试验将终 止。在试验结束保持压力不变 ( Hold Pressure at end of test)选择该项，将使压力源达到最终压力(这里计算机控制是可能的) 。如果不选 择，则压力源将保持体积不变。试验设置可以通过返回( Back )按钮查看非饱和土试验参

33、数屏幕试验的最后一步是输入与非饱和土试验有关的参数。任何在试样描述中没有输入 的参数都可以在这里输入。这些参数对试验结果没有影响，但必须输入注释：控制器中气体体积( Volume of air in Controller)这是对GDS气压控制器中气体体积的一个估计值。开始试验的理想状态是气压控制器充满气体，需要知道总的气体体积。(所有2000年版本的气压控制器都会标 明总的气体体积-这包括活塞顶部的“死角”面积。)管路中气体体积( Volume of air in Pipes )这是对气压控制器和试样间所有管路中气体体积的一个估计值。大气压(Atmospheric Air Pressure )如果存在大气压，则需要获得这个压力值。如果不存在，则需要输入一个值。如果不输入，缺省值为100kPa。一旦试验设置好后，就可以加入到试验计划中。点击“ start ”按钮就可以开始试验了。