CN105865685B - 一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置 - Google Patents

Abstract

一种可模拟浸泡‑风干循环作用的土体膨胀应力试验装置包括水盒，及与水盒连通的蓄水箱、气水交换器、废水箱；水盒包括设在其底部的多孔套环、及设在多孔套环内的下透水石，下透水石上设有环刀，环刀中间为土样，土样上设在上透水石，上透水石上设有多孔盖板，多孔盖板伸出的传压杆穿过连接在水盒上的带翼盒盖，多孔盖板伸出的传压杆的顶部设有上压板，上压板顶部通过接头固定荷载传感器，荷载传感器通过电缆与电阻应变仪相连接，电阻应变仪与计算机连接。本试验装置可以在水盒内直接进行土样的干湿循环操作和相关膨胀试验，避免了手工操作的繁琐，提高了试验效率，减小了由于人工操作而带来的误差。

Description

一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置。

背景技术

近年来，干湿循环对特定地区的膨胀土的土体强度的影响研究已取得一些进展，但是相关库岸边坡消落带土体的干湿循环作用下研究目前仍然很少。典型的三峡工程竣工后，三峡库区的库水位大幅提升并且在145~175m之间循环变化，库区的水文地质环境也随之发生了巨大的变化，这必然会影响岸坡的稳定性。三峡库区蓄水后，库岸边坡消落带岩土体在水库周期性升降作用下处于一种“风干—浸泡”交替状态。现有土体干湿循环作用模拟试验中，一般是将所取的土样用静水浸泡24h后，然后将土样先放置在干燥箱中进行烘干，然后放入真空饱和缸内进行抽真空饱和，该过程作为一次干湿循环。此过程不能真实模拟库岸边坡消落带土体的浸泡风干循环过程，在试验过程中各环节需要人工操作，过程繁琐，耗时长，试验精度低；而且现有土体膨胀仪，只能做最基本的自然吸水膨胀试验，无法模拟浸泡-风干循环作用下的膨胀试验。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力测试试验装置，该装置在现有膨胀仪的基础上进行改进创新，能够实现以下两种实验过程：第一，可以进行最基础的自然吸水膨胀试验，也是目前的膨胀仪的主要功能，从而测试土体的膨胀应力；第二，安装好相关试件后，在一的基础上进行改进，实现模拟浸泡-风干循环作用下的膨胀试验，从而测试土体的膨胀应力。改进后的土体膨胀应力测试试验装置包括了现有膨胀仪的基本试验功能，更重要的是对浸泡-风干循环作用进行了试验模拟，而且此二种过程均实现了自动化，简化了试验流程，控制了人为因素对实验结果的影响。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置包括水盒，及与水盒连通的蓄水箱、气水交换器、废水箱；

所述水盒包括设在其底部的多孔套环、及设在多孔套环内的下透水石，下透水石上设有环刀，环刀中间为土样，土样上设在上透水石，上透水石上设有多孔盖板，多孔盖板伸出的传压杆穿过连接在水盒上的带翼盒盖，多孔盖板伸出的传压杆的顶部设有上压板，上压板顶部通过接头固定荷载传感器，荷载传感器通过电缆与电阻应变仪相连接。

进一步讲，环刀内设有分隔板，至少将环刀内部分隔成二个独立的空间，至少将环刀5内部分隔成二个独立的空间，试验时将制作的半圆形的土样分别装入不同的独立空间里，不同独立空间的土样可以是同一种土样，也可以是不同类型的土样，不同独立空间的土样上各分设一个上透水石；

还可以，其中至少一个上透水石上设有多孔盖板，至少一个上透水石上设有支撑板，支撑板与设在带翼盒盖内壁上的弹性部件相接触，带翼盒盖上设有接近开关，指示灯通过接近开关与电源连通，支撑板接近接近开关，接近开关启动，指示灯与电源形成回路。

进一步讲，环刀外壁缠绕螺旋加热管，螺旋加热管外接温度控制仪。

进一步讲，应力试验装置还包括门式框架，门式框架与底座通过固定螺栓固定，水盒设在底座上；

手柄设在门式框架上，荷载传感器与手柄相接触。

进一步讲，底座底部设有可以调节水平的水平调节螺栓。

本发明优点在于， 试样安装好之后，可以按照设定要求先进行自然吸水膨胀试验，而后在加压的状态下，进行模拟浸泡-风干循环作用下的膨胀试验；结束之后进行土体的膨胀应力的测试试验。

本装置将土样的干燥和浸湿过程均简化为在水盒内进行，实现了土样浸泡-风干循环作用的全自动化控制，包括水压力的大小和施加的过程、时间，同时可以控制风干的时间和温度，避免将土样移出水盒再进行干燥和饱和的操作，避免手工操作的繁琐，加快了试验进程，有效控制了由于人工操作而带来的误差。

附图说明

图1是膨胀应力试验装置结构示意图。

图2是膨胀应力试验装置供、排水结构示意图

图3是膨胀应力试验装置供气结构示意图。

图4是膨胀应力试验装置加热结构示意图。

图5是膨胀应力试验装置优选结构示意图。

图6是环刀优选结构示意图。

图7环刀另一优结构示意图。

图8是膨胀应力试验装置设置门式框架结构示意图。

如图中，1-手柄，2-门式框架，3-上压板，4-多孔盖板，5-环刀，6-带翼盒盖，7-透水石，8-水盒，9-底座，10-水平调节螺栓，11-固定螺栓，12-密封螺栓，13-多孔套环，14-螺旋加热管，15-出气孔，16-密封橡胶圈，17-精密数显压力器，18-精密调压器，19-气水交换器，20-气水交换器接口，21-气水交换器开关，22-压力计，23-土样，24-接头，25-荷载传感器，26-电缆，27-电阻应变仪，28-进水口，29A-进水阀门，29B-出水阀门,30-进水管，31-蓄水箱，32-出水口，33-出水管，34-废水箱，35-温度控制仪，36-弹性部件,37-接近开关, 38-指示灯,39-上透水石，40-分隔板，41-支撑板，42-计算机。

以下结合附图和实施例对本发明具体内容作进一步详细说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

如图1所示，一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置包括水盒8，及与水盒8连通的蓄水箱31、气水交换器19、废水箱34，优选的，水盒8设有出气孔15, 水盒8上还设有压力计22；

如图2所述，蓄水箱31通过进水管30与水盒8的进水口28连通，进水管30上设有进水阀门29A，废水箱34通过出水管33与水盒8的出水口32连通，出水管33上设有出水阀门29B，工作时，打开进水阀门29A，蓄水箱31内的水通过进水管30进入水盒8内，排水时，打开出水阀门29B，水盒8内的水通过出水管33排入废水箱34；

如图3中，气水交换器19通过精密调压器18与气源连通，精密调压器18上设有精密数显压力器17，工作时，通过精密调压器18、精密数显压力器17可以精确控制水盒8内的气压。

如图1中，水盒8包括设在其底部的多孔套环13、及设在多孔套环13内的下透水石7，下透水石7上设有环刀5，环刀5中间为土样23，土样23上设在上透水石39，上透水石39上设有多孔盖板4，多孔盖板4伸出的传压杆穿过连接在水盒8上的带翼盒盖6（如图8中，多孔盖板4的传压杆穿过处通过密封橡胶圈16来保证水气密性的良好）；

优选的，如图8中，带翼盒盖6与水盒8在翼缘处通过密封橡胶圈16及密封螺栓12密封连接，多孔盖板4伸出的传压杆的顶部设有上压板3，上压板3顶部通过接头24固定荷载传感器25，荷载传感器25通过电缆26与电阻应变仪27相连接。优选的，带翼盒盖6上也设有出气孔15。

优选的，如图4中，环刀5外壁缠绕螺旋加热管14，螺旋加热管14外接温度控制仪35。

优选的，如图8中，应力试验装置还包括门式框架2，门式框架2与底座9通过固定螺栓11固定，水盒8设在底座9上，底座9底部设有可以调节水平的水平调节螺栓10；手柄1设在门式框架2上，荷载传感器25与手柄1相接触。

工作步骤

步骤1：首先将水盒放在底座上，在水盒底部的多孔套环中放入透水石，再放置环刀，接着制备好的土样装入装置环刀套筒内，然后在土样上面依次放入透水石、多孔盖板，随后将带翼盒盖与水盒在翼缘处通过密封橡胶圈及密封螺栓连接，并打开各出气孔的阀门，随后安装压力计及在上压板顶部安装荷载传感器，并通过电缆将荷载传感器和电阻应变仪相连。

步骤2：将蓄水箱和废水箱分别通过进水管和出水管与水盒相连通，保证管道的畅通以及阀门连接的效果良好，方便后续入水和出水。

步骤3：将气水交换器与水盒通过连接管连接起来，保证连接管两端的气水交换器接头和加压盒接头连接效果良好，便于后续对储水盒内水进行加压操作。

步骤4：土样的饱水处理，为了更加真实模拟库岸边坡消落带土体的浸泡饱水过程，在本装置中采用自由浸水法饱和试样，先通过蓄水箱向水盒注水至试样高度1/4处，水盒底部设置的多孔套环将水盒中的水通过下透水石输送给土样，土样中的气体通过多孔盖板出气孔排出土样，然后每隔2h分别注水至试样高度的1/2处和3/4处，6h后全部浸泡试样，然后浸泡48h，土样达到自由饱水状态。

步骤5：水压力的施加，通过蓄水箱向水盒注满水，直到水盒上出气孔不再冒出气泡为止，关上各出气孔阀门。打开气水交换器开关，设定气水压力，通过控制气水交换器的气压并将气压转化为水压，可按照设计要求施加相应的水压力，具体加压和稳压时间根据试验方案具体设定。

步骤6：土样的干燥处理，打开加压盒接头和水盒底部的出水阀门，通过出水管将水盒中的水排出到废水箱中，当水盒中的水排完之后，然后打开螺旋加热管的控制开关，并对温度进行调节控制，从而对土样进行加热烘干，具体的烘干温度和时间，根据试验方案具体设定。

步骤7：重复上述步骤4~6，按此循环规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。

在进行自然吸水膨胀试验时，可只需对步骤1、2、4进行操作，无需加压操作。

如图5、6中，环刀5内设有分隔板40，至将环刀5内部分隔成二个体积相等的独立空间，将制作的半圆形的土样23分别装入不同的独立空间里，不同独立空间的土样23可以是同一种土样，也可以是不同类型的土样，不同独立空间的土样23上各分设一个上透水石39。

其中上透水石39上设有多孔盖板4，多孔盖板4伸出的传压杆穿过连接在水盒8上的带翼盒盖6，多孔盖板4伸出的传压杆的顶部设有上压板3，上压板3顶部通过接头24固定荷载传感器25，荷载传感器25通过电缆26与电阻应变仪27相连接，其工作方法如下，荷载传感器25进行土样膨胀应力定量测定；另一个上透水石39上设有支撑板41，支撑板41与设在带翼盒盖6内壁上的弹性部件36相接触，带翼盒盖6上设有接近开关37，指示灯38通过接近开关37与电源连通，支撑板35接近接近开关37，接近开关37启动，指示灯38与电源形成回路。

工作时，通过预先设置弹性部件36弹力，可以对支撑板41滑动所需要的力，当支撑板41对应的土样23产生的膨胀应力达到支撑板41滑动的力时，即达到了弹性部件36变形所需力后，支撑板41被推动，近接接近开关37时，接近开关37启动，指示灯38与电源形成回路，指示灯38亮起，在反复进行干湿循环试验时，可以很方便的对土样应力进行预警标识，即在什么样的条件下土样23应力变化达到某个设定值。

还可以将环刀5分成三个独立的空间，或是如图7中，将环力5分成四个独立的空间，每个空间的所装的土样可以是不一样的，即可以进行相同条件下不同土样应力的变化测定。

本发明在实际使用过程中，可以实现对不同土样的相同条件下应力释放的规律进行测定，还可以针对相同土样，不同温度条件下的应力释放的规律进行测定，通过设置支撑板41、接近开头37、指标灯38应力定性测定系统，可以很方便的对土样超过极限应力变化进行测定，其极限值可以通过预先设定弹性部件36弹性变形力来进行设置，例如要对三峡坝区某种土样A极限应力释放值B（经过测算土样A在释放应力值达到B值时，会将与其接触的岩石进行推动，为了保证三峡库区的安全，即要研究土样A在什么样的条件下达到可以释放应力达到B,）,通过设置弹性部件36，预设弹性部件36对支撑板41的支撑力正好在B值，在试验过程中，可以通过调整不同的参数，以测定土样A的应力变化情况（由荷载传感器25进行测定），是否能达到极限值B则由支撑板41、接近开头37、指标灯38应力定性测定系统测定。荷载传感器25数据需要反复计算才能得出最终数值，在计算过程事受计算公式的影响，其计算的结果是理想条件下的数据，而非接近真实条件下的数据，支撑板41、接近开头37、指标灯38组成的定性测定系统，不用经过任何公式换算，结果可以直接得出，其结果的更接近真实条件下的数据。

本发明另一优势在于，其测试数值是完整保留的、其试验结果可以重复再现，避免了现有设置试验数据不能完整保留、试验结果重复较为困难等弊病。

本发明还可用于测试土石配方在不同参数条件下的变化情况，可以用于对土石配比的改进，以增加土石配方适应不同条适应性。例如，在寒带地区，用于路基的土石配方，主要以防冻-溶循环对土路基的破坏，则在试验时，可以通过输入冰水、再加温、再输入冰水的方式，对土石配方在冻溶循环情况下的稳定性（应力释放的较为均匀），或是在热带雨林地区，用于路基的土石配方，主要以防赶干-湿循环对土路基的破坏，在试验时，可以先通入水，然后再热烘干，再通入水的方式进行循环试验，对土石配方在干湿循环条件下的稳定性进行测定。或其它条件下试验，只要预先设置土石配方所受自然条件，即可开展试验。

Claims (4)

1.一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置，其特征是: 所述应力试验装置包括水盒（8），及与水盒（8）连通的蓄水箱（31）、气水交换器（19）、废水箱（34）；

所述水盒（8）包括设在其底部的多孔套环（13）、及设在多孔套环（13）内的下透水石（7），下透水石（7）上设有环刀（5），环刀（5）中间为土样（23），土样（23）上设有上透水石（39），上透水石（39）上设有多孔盖板（4），多孔盖板（4）伸出的传压杆穿过连接在水盒（8）上的带翼盒盖（6），多孔盖板（4）伸出的传压杆的顶部设有上压板（3），上压板（3）顶部通过接头（24）固定荷载传感器（25），荷载传感器（25）通过电缆（26）与电阻应变仪（27）相连接，电阻应变仪（27）通过电缆（26）与计算机（42）连接;

所述环刀（5）内设有分隔板，至少将环刀（5）内部分隔成二个独立的空间，

试验时将制作的半圆形的土样（23）分别装入不同的独立空间里，不同独立空间的土样（23）上各分设一个上透水石（39）;

其中至少一个上透水石（39）上设有多孔盖板（4），至少一个上透水石（39）上设有支撑板（41），支撑板（41）与设在带翼盒盖（6）内壁上的弹性部件（36）相接触，带翼盒盖（6）上设有接近开关（37），指示灯（38）通过接近开关（37）与电源连通，支撑板（41）接近接近开关（37），接近开关（37）启动，指示灯（38）与电源形成回路。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置，其特征是:所述的环刀（5）外壁缠绕螺旋加热管（14），螺旋加热管（14）外接温度控制仪（35）。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置，其特征是:所述应力试验装置还包括门式框架(2)，门式框架(2)与底座（9）通过固定螺栓固定，水盒（8）设在底座（9）上；

手柄（1）设在门式框架（2）上，荷载传感器（25）与手柄（1）相接触。

4.根据权利要求3所述的一种可模拟浸泡-风干循环作用的土体膨胀应力试验装置，其特征是:所述底座（9）底部设有可以调节水平的水平调节螺栓（10）。