CN102156186B - 温控非饱和高压固结仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控非饱和高压固结仪，其包括压力室、高压力加载装置、吸力控制装置、温度控制装置、数字化量测装置和数据采集装置，压力室置于高压力加载装置内，由高压力加载装置对压力室施压；温度控制装置罩在压力室外部，对压力室进行温度控制；压力室还与吸力控制装置连接控制压力室吸力；数字化量测装置监测试样的压力、温度和位移，并传输给与数字化量测装置相连的数据采集装置进行处理。本发明在传统的非饱和固结仪基础上，结合高压力加载装置、吸力控制装置和温度控制装置实现了全吸力范围、高温度和高压力情况下的土体体变特征的试验研究。另外结合数字化量测装置和数据采集装置，实现了试验数据的自动采集。

Description

温控非饱和高压固结仪

技术领域

本发明涉及岩土工程试验研究领域的一种新型土工试验设备，尤其是一种温控高压非饱和固结仪。

背景技术

非饱和固结仪主要是用于研究非饱和土的体变特征。现有非饱和固结仪仅能够测定土样在室温条件下、低吸力土体材料的固结特性，且在试验过程中所能施加的竖向压力较小，而对于需要在较高温度、较大吸力和较高压力情况下的进行固结试验的材料来说则无能为力。例如当前研究热点问题，高放废物深地质处置库中采用的缓冲/回填材料——高压实膨润土需要在高温、高压和高吸力进行试验以期对膨润土所处的现实环境进行模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温控非饱和高压固结仪，解决了常规非饱和固结仪的上述不足，可用于高吸力、高温和高压下的土体固结特性的试验研究。

本发明实现了温度、吸力和压力控制下的高压实膨润土体变特征试验研究，即热-水-力三相耦合试验研究。具体包括温度和吸力控制情况下的加卸载试验、温度和应力控制下的干湿循环试验、吸力和应力控制下的温度循环试验。对不同应力路径情况下土体的体变特征进行研究，以期获得土体在三相耦合情况下的本构模型。

为达到以上目的，本发明的解决方案是：

一种温控非饱和高压固结仪，其包括压力室、高压力加载装置、吸力控制装置、温度控制装置、数字化量测装置和数据采集装置，压力室置于高压力加载装置内，由高压力加载装置对压力室施压；温度控制装置罩在压力室外部，对压力室进行温度控制；压力室还与吸力控制装置连接控制压力室吸力；数字化量测装置监测试样的压力、温度和位移，并传输给与数字化量测装置相连的数据采集装置进行处理。

进一步，所述压力室包括环形底座、基座、试样环、上盖、试样帽和活塞，环形底座底部设有供温度传感器穿入的孔；基座固设于环形底座上方，底部设有与环形底座相对应的温度传感器的放置孔，基座的侧壁设有孔；试样环置于基座上，且其为环形中空结构供置入试样，试样环的侧壁设有孔；上盖置于试样环上，且其为中空结构供活塞置入限制其水平位移；试样帽置于试样环的环形中空结构内，压于试样之上，且试样帽的侧壁设有孔；活塞嵌于上盖内，且其下端与试样帽接触；基座、试样环和试样帽的侧壁上所设的孔用于连接吸力控制装置。

所述试样两端固定有透水石。

所述高压力加载装置包括工作台、下压板、上压头、活动横梁和立柱，工作台支撑高压力加载装置上部结构；下压板置于工作台上；立柱置于工作台的两侧；活动横梁两端安装于立柱上，沿立柱可滑动；上压头设于活动横梁的下端。

所述立柱设有限位环，限制活动横梁在立柱上的位移。

所述活动横梁上安装有力传感器以调节上压头的加力位置。

所述吸力控制装置包括气体循环泵、饱和盐溶液和过滤装置，气体循环泵一端连接饱和盐溶液，饱和盐溶液另一端与过滤装置的一端相连，过滤装置另一端与压力室的一端相连，压力室另一端与气体循环泵的另一端连接形成气体循环，对试样进行吸力控制。

所述温度控制装置采用电热丝和云母片制作，通过导电加热。

所述数字化量测装置包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，温度传感器安装于压力室的基座底部放置孔内，压力传感器安装于压力室的活塞顶部，位移传感器安装于压力室的活塞侧壁。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：①实现了竖向最大压力为30KN的高压力控制；②实现了全吸力范围的吸力控制；③实现了高温控制；④实现了数字化量测和数据自动采集，数据精度较高；⑤试验方法简便；⑥设计开发和生产制造的周期短。

附图说明

图1是本发明一种实施例温控非饱和高压固结仪示意图。

图2是本发明一种实施例压力室、数字化量测装置和温度控制装置示意图。

图3是本发明一种实施例数据采集装置示意图。

图4是本发明一种实施例吸力控制装置示意图。

图5是本发明另一种实施例数据采集装置示意图。

图6是本发明一种实施例高压力加载装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种实施例温控非饱和高压固结仪的结构。如图所示，包括：压力室1、高压力加载装置2、吸力控制装置3、温度控制装置4、数字化量测装置5和数据采集装置6。压力室1置于高压力加载装置2的工作台上，高压力加载装置2对压力室1施加高压力；温度控制装置4罩在压力室1外部，通过电热丝8连接数据采集装置6控制压力室1温度；压力室1通过导管7与吸力控制装置3连接控制压力室1吸力；数字化量测装置5通过数据线9连接数据采集装置6，记录压力、温度和位移数据。

图2为本发明一种实施例压力室1、数字化量测装置5和温度控制装置4的结构。如图所示，压力室1，内径50mm，高度190mm，通体采用耐磨性好和刚度大的不锈钢制成，其包括基座11，其侧壁设有孔，顶部放置透水石62和密封圈63；试样环12，其盖在基座11上，用来压制试样61和固定透水石62，且试样环12的侧壁设有孔；上盖13，其置于试样环12上，保持活塞15与试样帽14垂直接触，限制水平位移；试样帽14，其压在试样环12的透水石62上，且试样帽14的侧壁设有孔；活塞15，嵌入上盖13内，和试样帽14接触，传递所受压力，以对土样进行压缩；基座11、试样环12和试样帽14侧壁上设置的对应的孔可与吸力控制装置3连接可控制试样吸力；环形底座16，其底部设有可供温度传感器18穿入的孔；数字化量测装置5包括：压力传感器17，置在活塞顶部，量测试样所受压力；温度传感器18，可采用热电阻式或热电偶式温度传感器，通过环形底座16底部的孔插入基座11底部，量测试样温度变化；位移传感器19，可采用光栅、电删或电感调频式位移传感器，固定在活塞15侧壁，量测试样竖向变形；温度控制装置4通过导电加热，采用电热丝和云母片制作，罩在压力室外部，控制试样温度，测量范围是0-100℃，精度±2℃。

图3、图5是本发明一种实施例数据采集装置结构，如图所示，数据采集装置1包括：温度显示器41、42；温度控制按钮43、44、45。数据采集装置2主要是电脑46，获得温度、压力和竖向位移数据。

图4是本发明一种实施例吸力控制装置结构，如图所示，包括：气体循环泵31、饱和盐溶液瓶32和过滤瓶33，气体循环泵31一端连接饱和盐溶液瓶32，饱和盐溶液瓶32另一端与过滤瓶33的一端相连，过滤瓶33另一端与压力室1的一端相连，压力室1另一端与气体循环泵31的另一端连接形成气体循环，对试样进行吸力控制。气体循环泵31，可加快一定湿度的气体在压力室中循环；饱和盐溶液瓶32，可通过饱和盐溶液的相对湿度控制压力室试样吸力，控制范围9MP-309MP；过滤瓶33，可防止饱和盐溶液瓶32的盐分34运移至压力室试样中。气体循环泵31出来的气体首先进入饱和盐溶液瓶32，然后通过滤气瓶33进入到压力室1右侧，气体进入透水石62，与试样61进行水分交换，此后气体从压力室1左侧排出，进入循环泵31，完成一次循环。

图6是本发明一种实施例高压力加载装置结构，如图所示，包括：工作台21，支撑高压力加载装置上部结构；下压板22，置于工作台上，可承受高压力；立柱25置于工作台的两侧，保证活动横梁24垂直运行；活动横梁24两端安装于立柱25上，沿立柱25可滑动，活动横梁24上安装有力传感器以调节上压头23的加力位置；上压头23设于活动横梁24的下端，施加高压力；立柱25设有限位环26，限制活动横梁在立柱上的位移保证活动横梁24运行到极限位置时，切断驱动电源，使活动横梁24立即停止。

解决方案具体操作步骤：

首先压制土样，在试样干密度已定的情况下，称取定质量的土以获得半径为25mm，高度为20mm的试样；将一定刚度的钢板置在高压力加载装置2的工作台21上，其上放置试样环12；定质量的土倒入试样环12中，并搅拌均匀；通过电脑46控制高压力加载装置2对土进行24小时分级压实；压实好的土样与试样环12充分接触；按照图2所示，将压力室1按照基座11、试样环12、试样帽14、上盖13、活塞15、环形底座16的顺序依次组装好；按照图1所示，将压力室1置于高压力加载装置2平台上，通过导管7与吸力控制装置3连接，通过电热丝8与数据采集装置6连接，数字化量测装置5通过数据线与数据采集装置6连接，高压力加载装置2通过数据线与电脑6连接，开始试验。

试验开始时，高压力加载装置2逐级给试样施加0.1MPa的竖向应力，固定在活塞上的位移传感器19量测试样的竖向位移变化，同时数据采集装置记录变化数据，待试样竖向位移6小时内变化量小于0.01mm，则达到稳定状态；随后，温度控制装置4对试样(温度控制速率：5℃/1h)逐级升温到指定温度，并保持恒定(变化范围在±0.5℃)，位移传感器19量测试样竖向位移变化，同时数据采集装置记录变化数据，待试样竖向位移6小时内变化量小于0.01mm，达到稳定状态；吸力控制装置3与压力室侧壁阀门连接，控制到指定吸力(由于吸力是通过不同饱和盐溶液控制压力室内气体相对湿度来实现，吸力值在试验过程中无法量测，可根据相对湿度与吸力一一对应关系获知。)，位移传感器19量测试样的竖向位移变化，待试样竖向位移6小时内变化量小于0.01mm，达到稳定状态；在恒定温度、恒定吸力情况下，试样竖向位移变化稳定时，高压力加载装置2按照预设的应力分级顺序：0.1MPa-0.2MPa-0.5MPa-1.0MPa-2.0MPa-5.0MPa-10.0MPa-20.0MPa-50.0MPa-80.0MPa，对试样施加应力，每施加一级荷载，位移传感器19量测试样的竖向位移变化，同时数据采集装置记录变化数据，待试样竖向位移6小时内变化量小于0.01mm，则达到稳定状态，试样在该级荷载下竖向变形为稳定值与初始值之差。待试样在80.0MPa应力下稳定时，高压力加载装置2按照预设的应力分级顺序：80.0MPa-50.0MPa-20.0MPa-10.0MPa-5.0MPa-2.0MPa-1.0MPa-0.5MPa-0.2MPa-0.1MPa卸载。每卸一级荷载，位移传感器19量测试样的竖向位移变化，同时数据采集装置记录变化数据，待试样竖向位移6小时内变化量小于0.01mm，则达到稳定状态，试样在该级荷载下竖向变形为稳定值与初始值之差。最后，经公式变换，求得温度和吸力控制情况下土样的加卸载固结曲线，以及相应的弹性、塑性指数。

本发明的温控高压非饱和固结仪主要可以实现以下测试：

1、保持恒定温度、恒定吸力的情况下，通过高压力加载装置对试样分级加、卸载实验，通过数字化量测装置测定试验过程中试样压力和竖向位移的变化，求得温度和吸力控制情况下土样的加卸载压缩曲线。

2、保持恒定温度、恒定压力的情况下，通过吸力控制装置对试样施加不同的吸力，使试样处于干湿循环的状态，通过数字化量测装置测定试验过程中试样压力和竖向位移的变化，求得温度和应力控制下土样的干湿循环应变曲线。

3、保持恒定温度、恒定吸力的情况下，通过温度控制装置对试样分级升、降温度，使试样处于温度循环的状态，通过数字化量测装置测定试验过程中试样压力和竖向位移的变化，求得吸力和应力控制下土样的温度循环应变曲线。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种温控非饱和高压固结仪，其特征在于：其包括压力室、高压力加载装置、吸力控制装置、温度控制装置、数字化量测装置和数据采集装置，压力室置于高压力加载装置内，由高压力加载装置对压力室施压；温度控制装置罩在压力室外部，对压力室进行温度控制；压力室还与吸力控制装置连接控制压力室吸力；数字化量测装置监测试样的压力、温度和位移，并传输给与数字化量测装置相连的数据采集装置进行处理；

所述压力加载装置包括工作台、下压板、上压头、活动横梁和立柱，工作台支撑高压力加载装置上部结构；下压板置于工作台上；立柱置于工作台的两侧；活动横梁两端安装于立柱上，沿立柱滑动；上压头设于活动横梁的下端；

所述高压力加载装置施加的最大压力为80.0MPa。

2.如权利要求1所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述压力室包括环形底座、基座、试样环、上盖、试样帽和活塞，环形底座底部设有供温度传感器穿入的孔；基座固设于环形底座上方，底部设有与环形底座相对应的温度传感器的放置孔，基座的侧壁设有孔；试样环置于基座上，且其为环形中空结构供置入试样，试样环的侧壁设有孔；上盖置于试样环上，且其为中空结构供活塞置入限制其水平位移；试样帽置于试样环的环形中空结构内，压于试样之上，且试样帽的侧壁设有孔；活塞嵌于上盖内，且其下端与试样帽接触；基座、试样环和试样帽的侧壁上所设的孔用于连接吸力控制装置。

3.如权利要求2所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述试样两端固定有透水石。

4.如权利要求1所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述立柱设有限位环，限制活动横梁在立柱上的位移。

5.如权利要求1所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述活动横梁上安装有力传感器以调节上压头的加力位置。

6.如权利要求1所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述吸力控制装置包括气体循环泵、饱和盐溶液和过滤装置，气体循环泵一端连接饱和盐溶液，饱和盐溶液另一端与过滤装置的一端相连，过滤装置另一端与压力室的一端相连，压力室另一端与气体循环泵的另一端连接形成气体循环，对试样进行吸力控制。

7.如权利要求1所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述温度控制装置采用电热丝和云母片制作，通过导电加热。

8.如权利要求1所述的温控非饱和高压固结仪，其特征在于：所述数字化量测装置包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，温度传感器安装于压力室的基座底部放置孔内，压力传感器安装于压力室的活塞顶部，位移传感器安装于压力室的活塞侧壁。