CN101285745A - 一种土工三轴仪压力室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土工三轴仪压力室。它包括一个安置试样的试样底座、一个下端开口而罩住试样和试样底座的压力罩、以及一个与压力罩顶盖中心滑配的活塞，所述的活塞的断面面积和形状与压力室中具体试验的试样的断面面积和形状相同。本发明实现了土样无侧限条件，试验土样的种类和最大高度都得到了增加，同时一个压力室可以完成对多种不同尺寸的试样的加卸荷，提高了压力室的通用性，并且可以使试样轴向压力不再与围压相关。

Description

一种土工三轴仪压力室

技术领域

本发明涉及土木工程土工试验领域的一种三轴仪压力室。

背景技术

1930年，美国哈佛大学卡萨格兰德(A.Casagrande)研究用应力边界条件的圆柱形试样的压缩试验代替直剪试验，以确定土的强度指标，以后经过许多土力学专家的研究与完善，发展成目前广泛应用的三轴试验。它可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程。因而既可以作强度试验，也可作应力应变关系试验。它可以模拟不同的工况，进行一些不同应力路径的试验；也可很好地控制排水条件，不排水条件下还可量测试样的超静孔隙水压力。三轴试验中试样应力状态明确，应变量测简单可靠，可较容易地判断试样的破坏，操作比较简单。这样，三轴仪成为土工试验中不可缺少的仪器。

三轴仪压力室是三轴仪的一个重要组成部分，对试样的加卸荷都是在其中完成的。三轴仪压力室包括底座、压力罩和加载活塞三个主要部件。三轴试验的标准试样尺寸有直径39.1mm，61.8mm和101mm三种。底座中央是凸出底座上表面几个厘米的试样底座，直径与具体试样一致。

传统压力室(如图1)的活塞的断面面积小于试样的截面积，在测得试样体积变形(要求试样只能是饱和砂、土)的前提下，才能将试样的侧向变形控制在一定范围内，还无法完全限制住试样的侧向变形。而且试样在轴向也受到围压的作用，真正的轴向压力是活塞传递的压力与围压之差，所以必须同时控制活塞传递的压力和压力室围压才能控制试样受到的轴向压力；

传统压力室底座和压力罩的尺寸与标准试样的尺寸一一对应，各不相同，无法满足通用的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土工三轴仪压力室，在不影响三轴仪原有功能的基础上，使试样满足没有侧向变形条件(侧限)，完成饱和砂、饱和土、非饱和砂、非饱和土、干砂和干土等试样的固结、超固结、孔隙水压力消散及静止土压力系数K0和孔压系数的测定等，并提高其通用性。

为达到上述目的，本发明的构思是：

活塞断面面积和形状与具体试验的试样的断面面积和形状相同(如图2)。或者在活塞与压力罩顶盖之间加若干个活塞套筒(如图3(a)和4(a))，活塞、活塞套筒和压力罩顶盖滑配在一起，其上径向布置插销，通过插销的闭合实现多种形式的组装，可以得到两个组合件：固定于压力罩上的组合件和可以滑动的活塞组合件，活塞组合件的断面面积和形状与具体试验的试样的断面面积和形状相同(如图3(b)、(c)和图4(b)、(c)、(d))。试验时，它们之间的接触面满足密封性，高压水无法通过。

同时，在底座的试样座上加若干个套筒(如图3(a)和图4(a))构成底座组合件，试样底座或者底座组合件的断面面积和形状与具体试验的试样的断面面积和形状相同。底座套筒滑套在底座上后，所有套筒的上顶面与试样底座的上端面齐平。试验时，它们之间的接触面满足密封性，高压水无法通过。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种土工三轴仪压力室，包括一个安置试样的试样底座、一个下端开口而罩住试样和试样底座的压力罩、以及一个与压力罩顶盖中心孔滑配的活塞，其特征在于活塞的断面面积和形状与压力室中具体试验试样的断面面积和形状相同。

上述试样底座的断面面积和形状与压力室中具体试验试样的断面面积和形状相同。

上述的活塞上滑套n层活塞套筒构成n种活塞组合件，n为自然数1、2…n，内层活塞套筒与活塞滑配，相邻活塞套筒之间相互滑配，外层活塞套筒与压力罩顶盖中心孔滑配；内层活塞套筒与活塞之间、相邻活塞套筒之间、以及外层活塞套筒与压力罩顶盖之间，分别通过一个径向插销实现轴向定位连接；每一种活塞组合件的断面面积和形状分别各与一种压力室中具体试验试样的断面面积和形状相同。

上述的试样底座上滑套n层底座套筒构成n种底座组合件，n为自然数1、2…n，所有底座套筒的上顶面与试样底座的上端面齐平；每一种试样底座组合件的断面面积与形状分别各与一种压力室具体试验试样的断面面积和形状相同。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优点：1、本发明的三轴仪压力室中的活塞或者活塞组合件的断面面积和形状与试样的断面面积和形状相同，得到侧限条件和静止土压力系数K0(试样的水平有效应力与竖向有效应力之比)的原理简单，容易实现，并完全满足理论上的定义。由于压力室内的水的体积不变，且与土体相比，认为水不可压缩，活塞或者活塞组合件压入压力室内的体积也就等于试样体积的改变量，于是试样体应变可以表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_v=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\frac{S\·\mathrm{\ΔL}}{S\·H}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{H}=\frac{\mathrm{\ΔH}}{H}={\mathrm{\ϵ}}_a$

式中，ε_v为试样体积应变；

      ε_a为试样轴向应变；

      ΔL为活塞或者活塞组合件压入压力室的长度，等于试样的高度的改变量ΔH；

      S为试样和活塞或者活塞组合件的截面积；

      H为试样原始高度。

根据力学公式，侧向变形ε_r＝(ε_v-ε_a)/2＝0。

2、试样的材料种类大大扩展，在饱和砂、土的基础上，扩展到了非饱和砂、非饱和土、干砂与干土等。

3、试样最大高度增加，可以完成多层加筋土、纤维土等试样的试验。

4、仪器的通用性大大提高，一台仪器可以完成多个不同尺寸试样的试验。

5、通过保证压力室构件与试样的上下接触面的密封性，可以做到试样的轴向压力只是活塞传递过来的压力，不再与围压有关。

附图说明

图1为已有技术的土工三轴仪压力室的结构示意图。

图2为本发明第一个实施例的土工三轴仪压力室结构示意图。

图3为本发明第二个实施例的土工三轴仪压力室结构示意图(图中的图(a)为未置试样的压力室结构图，图(b)为活塞套筒与压力罩顶盖固定时的试验状态结构图，图(c)为活塞套筒与活塞固定时的试验状态结构图)。

图4为本发明第三个实施例的土工三轴仪压力室结构示意图(图中的图(a)为未置试样的压力室结构图，图(b)为内外活塞套筒均与压力罩顶盖固定时的试验状态结构图，图(c)为内活塞套筒与活塞固定而外活塞套筒与压力罩顶盖固定时的试验状态结构图，图(d)为内外活塞套筒均与活塞固定时的试验状态结构图)。

具体实施方式

实施例一：参见图2，本土工三轴仪压力室包括一个安置试样5的试样底座4、一个下端开口而罩住试样5和试样底座4的压力罩、以及一个与压力罩2顶盖中心孔滑配的活塞1，所述的活塞1的断面面积和形状与压力室中具体试验试样5的断面面积和形状相同。所述的试样底座4的断面面积和形状与压力室中具体试验试样5的断面面积和形状相同。

实施例二：参见图3，本实施例基本与实施例一相同，所不同之处是活塞1上滑套一个活塞套筒8-1构成活塞组合件，活塞套筒8-1与活塞1之间以及与压力罩顶盖之间可通过一个径向插销11实现轴向定位连接，活塞套筒8-1和压力罩上顶盖上均有插销孔10与插销匹配。试样底座4上滑套一个底座套筒9-1构成底座组合件，底座套筒9-1上顶面与试样底座9上端面齐平。

活塞1的断面直径和活塞套筒8-1的断面外径依次与标准试样尺寸相同，而且它们上面布置插销11，通过多种形式的组装，可以得到两个组合件：固定于压力罩2上的组合件和可以滑动的活塞组合件，并且活塞组合件的断面面积和形状与具体试验的试样5的断面面积和形状相同(如图3(b)、(c)和4(b)、(c)、(d))。试样底座4的断面直径和底座套筒9-1的断面外径依次与标准试样尺寸相同。活塞1与活塞组合件以及试样底座4与底座组合件尺寸见表1。

表1活塞与活塞组合件以及试样底座与底座组合件的尺寸(mm)

组合	第一组	第二组	第三组
				D1	39.1	61.8	39.1
D2	61.8	101	101

注：D₁和D₂分别是活塞1(试样底座4)和活塞组合件(底座组合件)的断面直径。

加荷时，活塞组合件与试样5顶面之间的接触面满足密封性，高压水无法通过。

实施例三：参见图4，本实施例基本与实施例二相同，所不同之处是活塞套筒8-1上再套一个活塞套筒8-2，在底座套筒9-1上在增套一个底座套筒9-2。活塞1(试样底座4)断面直径和活塞套筒8-1、8-2(底座套筒9-1、9-2)的断面外径分别为：D₁＝39.1mm，D₂＝61.8mm和D₃＝101mm。

加荷时，活塞组合件与试样5顶面之间的接触面满足密封性，高压水无法通过。

Claims (4)

1、一种土工三轴仪压力室，包括一个安置试样(5)的试样底座(4)、一个下端开口而罩住试样(5)和试样底座(4)的压力罩、以及一个与压力罩(2)顶盖中心孔滑配的活塞(1)，其具体特征在于所述的活塞(1)的断面面积和形状与压力室中具体试验试样(5)的断面面积和形状相同。

2、根据权利要求1所述的土工三轴仪压力室，其特征在于所述的试样底座(4)的断面面积和形状与压力室中具体试验试样(5)的断面面积和形状相同。

3、根据权利要求1所述的土工三轴仪压力室，其特征在于所述的活塞(1)上滑套n层活塞套筒(8-1、8-2…8-n)构成几种活塞组合件，n为自然数1、2…n，内层活塞套筒(8-1)与活塞(1)滑配，相邻活塞套筒之间相互滑配，外层活塞套筒(8-n)与压力罩(2)顶盖中心孔滑配；内层活塞套筒(8-1)与活塞(1)之间、相邻活塞套筒之间、以及外层活塞套筒(8-n)与压力罩(2)顶盖之间，分别通过一个径向插销实现轴向定位连接；每一种活塞组合件的断面面积和形状分别各与一种压力室中具体试验试样的断面面积和形状相同。

4、根据权利要求3所述的土工三轴仪压力室，其特征在于所述的试样底座(4)上滑套n层底座套筒(9-1、9-2…9-n)构成n种底座组合件，n为自然数1、2…n，所有底座套筒(9-1、9-2…9-n)的上顶面与试样底座(9)的上端面齐平；每一种试样底座组合件的断面面积与形状分别各与一种压力室具体试验试样的断面面积和形状相同。

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