CN102519796B - 一种便携式岩石膨胀试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式岩石膨胀试验仪，压力传感器和位移传感器设置在由上下两部分组成并通过凹、凸卡槽旋转对接的圆柱状试验仓内，压力传感器和位移传感器分别通过压力柱和位移柱连接试验仓内用土工环刀采集的膨胀岩试样，以实现在采样现场及时测量膨胀岩试样的膨胀率和膨胀力。本发明涉及的岩石膨胀试验仪结构紧凑、体型小、重量轻，现场使用方便；既能进行膨胀率试验，又能进行膨胀力试验，在岩土工程领域具有广阔的应用前景。

Description

一种便携式岩石膨胀试验仪

技术领域

本发明涉及膨胀性岩石试验测试设备。

背景技术

膨胀岩是指能与水发生物理化学作用而引起含水量增加、体积增大的岩石，对其膨胀性进行试验测试是岩土工程领域的一项重要工作。岩石膨胀性试验主要包括膨胀率试验和膨胀力试验，膨胀率试验是测量膨胀岩遇水后轴向变形的膨胀率，膨胀力试验是测量膨胀岩遇水后变形趋势被约束的轴向膨胀力。

现有膨胀性试验设备主要有实验室用的固结仪，将现场采集的膨胀岩试样，在实验室内分别进行膨胀率和膨胀力试验。实验室用的固结仪利用安装在试样上部的垂直千分表，测取膨胀岩遇水后的轴向变形量，以求得膨胀率；利用仪器加载横梁悬挂砝码并通过杠杆原理对试样施加轴向荷载以约束其膨胀变形趋势，记录所施加荷载以求得膨胀力。现有实验室固结仪结构笨重、体型较大，便携性差，只适宜在实验室使用；而且，岩石膨胀性与初始含水量关系密切，现场采集的试样再拿到实验室测试，会增加试验过程中的数据误差。

现有膨胀性试验设备也有现场使用的性能单一的试验仪，主要有测试岩石膨胀率的膨胀率试验仪和测试岩石膨胀力的膨胀压力试验仪。膨胀率试验仪由上部开口的盒状试验仓、测试杆和千分表组成，通过试样上部安装的千分表读取试样轴向变形量，以求得膨胀率。膨胀压力试验仪由试验仓、反力钢架、螺纹轴力柱和压力表组成，通过手动旋转安装在反力钢架上的螺纹轴力柱约束试样轴向膨胀变形，并由压力表读取膨胀力数据。现有膨胀率试验仪和膨胀压力试验仪都具有体积小、重量轻的特点，但是，前者只能进行岩石膨胀率试验，而后者则只能进行膨胀压力试验，存在功能单一、适用性有限的问题。

发明内容

针对现有岩石膨胀性试验设备存在的问题，本发明推出便携式多功能的岩石膨胀试验仪，其目的在于，将压力传感器、位移传感器设置在由上下两部分组成并通过凹、凸卡槽接合的圆柱状试验仓内，压力传感器和位移传感器分别通过压力柱和位移柱连接试验仓内土工环刀采集的膨胀岩试样，以实现在采样现场及时测量膨胀岩试样的膨胀率和膨胀力。

本发明涉及的便携式岩石膨胀试验仪包括试验仓、压力传感器、位移传感器、压力柱、位移柱、土工环刀、护环，试验仓为上部试验仓和下部试验仓对接而成的圆柱状结构，压力传感器、位移传感器、压力柱、位移柱、土工环刀和护环设置在试验仓内。

对接试验仓的上部试验仓和下部试验仓为各有一端口的圆筒体，两者的内径和外径相等，上部试验仓的下端口和下部试验仓的上端口分别设置了凹、凸卡槽，两端口处的凹、凸卡槽相互吻合并可转动对接。对接后，上部试验仓卡槽的外端口和下部试验仓卡槽的内端口平齐，上部试验仓卡槽的内端口和下部试验仓卡槽的外端口平齐。

上部试验仓的上顶设置与试验仓内部相通的注水孔，下部试验仓上部侧壁设置与试验仓内部相通的溢水孔。

上部试验仓的上顶外侧设置气泡式水平尺，水平尺设在上部试验仓外顶面中心处预设的圆形浅槽内，试验前应使气泡居中，以保证试验仓水平放置。

上部试验仓的上顶外侧设置选择开关，选择开关与试验仓内的压力传感器和位移传感器通过控制电路连接。

压力传感器和位移传感器设置在上部试验仓内。压力传感器为圆柱状，由螺栓固定在上部试验仓内顶面的中心。位移传感器位于上部试验仓侧壁与压力传感器之间的空隙中，由螺栓固定在上部试验仓的内侧壁，位移传感器伸出的感知位移的位移杆竖直向下。压力传感器下部的接触面和位移传感器位移杆下端与上部试验仓卡槽的内端口平齐。

土工环刀为一端带刃的不锈钢薄壁圆环刀具，用于现场采集膨胀岩试样，所采集的柱状膨胀岩试样置于环刀的内侧。

土工环刀下端置于下部试验仓内底部的护环内。护环为圆筒形，用于安置土工环刀及其采集的膨胀岩试样，护环下端固定在下部试验仓的下底内。护环内径略大于土工环刀外径，土工环刀及采集的膨胀岩试样嵌入护环内达到紧密配合。

下端置于护环内的土工环刀上下两侧设置透水石，透水石的直径与土工环刀内径相同。底部透水石置于护环内，底部透水石的上面是土工环刀，土工环刀的上面是顶部透水石。土工环刀的上部和顶部透水石的下部由圆形导环连接，导环环绕在土工环刀上部和顶部透水石下部的外侧。                                                                             

顶部透水石的上面放置压力柱或者位移柱，压力柱和位移柱为选择性部件，进行膨胀率试验时选用位移柱，进行膨胀力试验时则选用压力柱。

压力柱为短圆柱状刚体结构，放置在顶部透水石上，其上端面与下部试验仓卡槽外端口平齐。压力柱的轴心与顶部透水石下面土工环刀内膨膨胀岩试样的轴心在同一条轴线上。

位移柱由圆形钢板及其上表面一侧焊接的小圆柱构成，小圆柱外径小于设置位移传感器的上部试验仓侧壁与压力传感器之间空隙的宽度。位移柱的整体高度与压力柱一致，位移柱小圆柱的上端面与下部试验仓卡槽外端口平齐。

上部试验仓侧壁与压力传感器之间的空隙处设置集线盒，集线盒内设置控制电路，控制电路连接上部试验仓内的压力传感器和位移传感器，控制电路连接上部试验仓上顶外侧设置的选择开关和上部试验仓侧壁外部设置的读数接口。读数接口用于从外部插入专门的读数仪，读取压力传感器和位移传感器的试验数据。

本发明进行膨胀性试验时，将土工环刀连同内部的膨胀岩试样插入下部试验仓底部的护环内并置于底部透水石之上，土工环刀上面放置顶部透水石，顶部透水石的上面再放置压力柱或者位移柱。顶部透水石的上面放置压力柱还是位移柱，要根据不同的膨胀试验模式确定。测量膨胀力的膨胀力试验模式下，顶部透水石的上面放置压力柱；测量膨胀率的膨胀率试验模式下，顶部透水石的上面放置位移柱。放置压力柱或者位移柱后，将上部试验仓和下部试验仓设置凹、凸卡槽的端口对准并旋转，使试验仓成为一体。上部试验仓和下部试验仓结合为一体时，内部的压力柱的上顶面正好与压力传感器的下表面紧贴，或者内部的位移柱上端的凸起部位正好与位移传感器下部设置的位移杆紧贴。

上部试验仓和下部试验仓结为一体后，调整上部试验仓上顶外侧设置的选择开关，控制其工作状态与相应膨胀试验模式一致。然后，从设在上部试验仓顶部的注水孔向试验仓内注水，所注的水到下部试验仓两侧的溢水孔位置后会自动溢出，以保证试验水位合适。

进行膨胀力试验时，试样吸水膨胀产生的轴向膨胀力通过压力柱传递给压力传感器，并被从读数接口外部插入的读数仪读取和记录下来。

进行膨胀率试验时，试样吸水膨胀产生的轴向位移通过位移柱传递给位移传感器，并被从读数接口外部插入的读数仪读取和记录下来。

本发明涉及的便携式岩石膨胀试验仪结构紧凑、体型小、重量轻，现场使用方便；既能进行膨胀率试验，又能进行膨胀力试验，在岩土工程领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为便携式岩石膨胀试验仪总体外观示意图；

图2为膨胀力试验模式下岩石膨胀试验仪剖面结构示意图；

图3为膨胀率试验模式下岩石膨胀试验仪剖面结构示意图。

图中标记说明：

1、上部试验仓          2、读数接口        3、凸卡槽      

4、凹卡槽         5、溢水孔              6、下部试验仓       

7、注水孔              8、水平尺        9、选择开关           

 10、集线盒       11、线路孔             12、压力传感器      

13、位移传感器         14、位移杆         15、压力柱     

  16、顶部透水石      17、滤纸               18、底部透水石     

19、导环          20、土工环刀        21、膨胀岩试样    

  22、护环        23、位移柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。图1显示本发明涉及的岩石膨胀试验仪总体外观，图2显示本发明涉及的膨胀力试验模式下岩石膨胀试验仪剖面结构，图3显示本发明涉及的膨胀率试验模式下岩石膨胀试验仪剖面结构。

实施例一：

如图1和图2所示，在膨胀力试验模式下，本发明涉及的岩石膨胀试验仪包括试验仓、压力传感器12、位移传感器13、压力柱15、土工环刀20、护环22，试验仓为上部试验仓1和下部试验仓6对接而成的圆柱状结构，其中，压力传感器12、位移传感器13、压力柱15、土工环刀20和护环22设置在试验仓内。

对接试验仓的上部试验仓1和下部试验仓6为各有一端口的圆筒体，两者的内径和外径相等，上部试验仓1的下端口和下部试验仓6的上端口分别设置了凹、凸卡槽，两端口处的凹卡槽4和凸卡槽3相互吻合并可转动对接。对接后，上部试验仓1下端口卡槽的外端口和下部试验6仓卡槽的内端口平齐，上部试验仓1下端口卡槽的内端口和下部试验仓卡槽6的外端口平齐。

上部试验仓1的上顶设置与试验仓内部相通的注水孔7，下部试验仓6上部侧壁设置与试验仓内部相通的溢水孔5。

上部试验仓1的上顶外侧设置气泡式水平尺8，水平尺8设在上部试验仓1外顶面中心处预设的圆形浅槽内，试验前应使气泡居中，以保证试验仓水平放置。

上部试验仓1的上顶外侧设置选择开关9，选择开关9与试验仓内的压力传感器12和位移传感器13通过控制电路连接。

压力传感器12和位移传感器13设置在上部试验仓1内。压力传感器12为圆柱状，由螺栓固定在上部试验仓1内顶面的中心。位移传感器13位于上部试验仓1侧壁与压力传感器12之间的空隙中，由螺栓固定在上部试验仓1的内侧壁，位移传感器13伸出的感知位移的位移杆14竖直向下。压力传感器12下部的接触面和位移传感器13的位移杆14下端与上部试验仓1卡槽的内端口平齐。

土工环刀20为一端带刃的不锈钢薄壁圆环刀具，用于现场采集膨胀岩试样，所采集的柱状膨胀岩试样21置于环刀的内侧。

土工环刀20下端置于下部试验仓6内底部的护环22内。护环22为圆筒形，用于安置土工环刀20及其采集的膨胀岩试样21，护环22下端固定在下部试验仓6的下底内。护环22内径略大于土工环刀20外径，土工环刀20及采集的膨胀岩试样21嵌入护环22内达到紧密配合。

下端置于护环22内的土工环刀20上下两侧设置透水石，透水石的直径与土工环刀20内径相同，土工环刀20及采集的膨胀岩试样21与透水石之间设置滤纸17。底部透水石18的下部置于护环22内，底部透水石18的上面是土工环刀20，土工环刀20的上面是顶部透水石16。土工环刀20的上部和顶部透水石16的下部由圆形导环19连接，导环19环绕在土工环刀20上部和顶部透水石16下部的外侧。                                                                    

顶部透水石16的上面放置压力柱15，压力柱15为短圆柱状刚体结构，放置在顶部透水石16上，其上端面与下部试验仓6卡槽外端口平齐。压力柱15的轴心与顶部透水石16下面土工环刀20内膨膨胀岩试样21的轴心在同一条轴线上。

上部试验仓1侧壁与压力传感器12之间的空隙处设置集线盒10，集线盒10内设置控制电路，控制电路连接上部试验仓1上顶外侧设置的选择开关9和上部试验仓1侧壁外部设置的读数接口2。控制电路通过选择开关9连接上部试验仓1内的压力传感器12，读数接口2用于从外部插入专门的读数仪，读取压力传感器12的试验数据。

实施例二：

如图1和图3所示，在膨胀率试验模式下，本发明涉及的岩石膨胀试验仪包括试验仓、压力传感器12、位移传感器13、位移柱23、土工环刀20、护环22，试验仓为上部试验仓1和下部试验仓6对接而成的圆柱状结构，压力传感器12、位移传感器13、位移柱23、土工环刀20和护环22设置在试验仓内。

对接试验仓的上部试验仓1和下部试验仓6为各有一端口的圆筒体，两者的内径和外径相等，上部试验仓1的下端口和下部试验仓6的上端口分别设置了凹、凸卡槽，两端口处的凹卡槽4和凸卡槽3相互吻合并可转动对接。对接后，上部试验仓1下端口卡槽的外端口和下部试验6仓卡槽的内端口平齐，上部试验仓1下端口卡槽的内端口和下部试验仓卡槽6的外端口平齐。

上部试验仓1的上顶设置与试验仓内部相通的注水孔7，下部试验仓6上部侧壁设置与试验仓内部相通的溢水孔5。

上部试验仓1的上顶外侧设置气泡式水平尺8，水平尺8设在上部试验仓1外顶面中心处预设的圆形浅槽内，试验前应使气泡居中，以保证试验仓水平放置。

上部试验仓1的上顶外侧设置选择开关9，选择开关9与试验仓内的压力传感器12和位移传感器13通过控制电路连接。

压力传感器12和位移传感器13设置在上部试验仓1内。压力传感器12为圆柱状，由螺栓固定在上部试验仓1内顶面的中心。位移传感器13位于上部试验仓1侧壁与压力传感器12之间的空隙中，由螺栓固定在上部试验仓1的内侧壁，位移传感器13伸出的感知位移的位移杆14竖直向下。压力传感器12下部的接触面和位移传感器13的位移杆14下端与上部试验仓1卡槽的内端口平齐。

土工环刀20为一端带刃的不锈钢薄壁圆环刀具，用于现场采集膨胀岩试样，所采集的柱状膨胀岩试样21置于环刀的内侧。

土工环刀20下端置于下部试验仓6内底部的护环22内。护环22为圆筒形，用于安置土工环刀20及其采集的膨胀岩试样21，护环22下端固定在下部试验仓6的下底内。护环22内径略大于土工环刀20外径，土工环刀20及采集的膨胀岩试样21插入护环22内达到紧密配合。

下端置于护环22内的土工环刀20上下两侧设置透水石，透水石的外径与土工环刀20外径相同，土工环刀20及采集的膨胀岩试样21与透水石之间设置滤纸17。底部透水石18的下部置于护环22内，底部透水石18的上面是土工环刀20，土工环刀20的上面是顶部透水石16。土工环刀20的上部和顶部透水石16的下部由圆形导环19连接，导环19环绕在土工环刀20上部和顶部透水石16下部的外侧。                                                                       

顶部透水石16的上面放置位移柱23，位移柱23由圆形钢板及其上表面一侧焊接的小圆柱构成，小圆柱外径小于设置位移传感器13的上部试验仓1侧壁与压力传感器12之间空隙的宽度。位移柱23的小圆柱上端面与下部试验仓6卡槽外端口平齐。

上部试验仓1侧壁与压力传感器12之间的空隙处设置集线盒10，集线盒10内设置控制电路，控制电路连接上部试验仓1上顶外侧设置的选择开关9和上部试验仓1侧壁外部设置的读数接口2。控制电路通过选择开关9连接上部试验仓1内的位移传感器13，读数接口2用于从外部插入专门的读数仪读取位移传感器13的试验数据。

Claims (6)

1.一种便携式岩石膨胀试验仪，其特征在于：所述膨胀试验仪包括试验仓、压力传感器（12）、位移传感器（13）、压力柱（15）、土工环刀（20）、护环（22），试验仓为上部试验仓（1）和下部试验仓（6）对接而成的圆柱状结构，压力传感器（12）和位移传感器（13）设置在上部试验仓（1）内；压力传感器（12）为圆柱状，由螺栓固定在上部试验仓（1）内顶面的中心，位移传感器（13）位于上部试验仓（1）侧壁与压力传感器（12）之间的空隙中，由螺栓固定在上部试验仓（1）的内侧壁，位移传感器（13）伸出的感知位移的位移杆（14）竖直向下；压力传感器（12）下部的接触面和位移传感器（13）的位移杆（14）下端与上部试验仓（1）卡槽的内端口平齐；上部试验仓（1）的上顶设置与试验仓内部相通的注水孔（7），下部试验仓（6）上部侧壁设置与试验仓内部相通的溢水孔（5）；土工环刀（20）下端置于下部试验仓（6）内底部的护环（22）内，护环（22）下端固定在下部试验仓（6）的下底内，圆筒形护环（22）用于安置土工环刀（20）及其采集的膨胀岩试样（21）；土工环刀（20）上下两侧设置透水石，底部透水石（18）的下部置于护环（22）内，底部透水石（18）的上面是土工环刀（20），土工环刀（20）的上面是顶部透水石（16），顶部透水石（16）的上面放置压力柱（15）；压力柱（15）为短圆柱状刚体结构，压力柱（15）的轴心与顶部透水石（16）下面土工环刀（20）内膨胀岩试样（21）的轴心在同一条轴线上，压力柱（15）的上端面与下部试验仓（6）卡槽外端口平齐；上部试验仓（1）的上顶外侧设置选择开关（9），选择开关（9）与试验仓内的压力传感器（12）和位移传感器（13）通过控制电路连接；上部试验仓（1）内设置集线盒（10），集线盒（10）内的控制电路连接选择开关（9）和上部试验仓（1）侧壁外部设置的读数接口（2），读数接口（2）用于从外部插入读数仪读取压力传感器（12）的试验数据。

2.根据权利要求1所述的便携式岩石膨胀试验仪，其特征在于：所述护环（22）内径略大于土工环刀（20）外径，土工环刀（20）及采集的膨胀岩试样（21）嵌入护环（22）内达到紧密配合。

3.根据权利要求1所述的便携式岩石膨胀试验仪，其特征在于：所述下端置于护环（22）内的土工环刀（20）的上部和顶部透水石（16）的下部由圆形导环（19）连接，导环（19）环绕在土工环刀（20）上部和顶部透水石（16）下部的外侧。

4.一种便携式岩石膨胀试验仪，其特征在于：所述膨胀试验仪包括试验仓、压力传感器（12）、位移传感器（13）、位移柱（23）、土工环刀（20）、护环（22），试验仓为上部试验仓（1）和下部试验仓（6）对接而成的圆柱状结构，压力传感器（12）和位移传感器（13）设置在上部试验仓（1）内；压力传感器（12）为圆柱状，由螺栓固定在上部试验仓（1）内顶面的中心，位移传感器（13）位于上部试验仓（1）侧壁与压力传感器（12）之间的空隙中，由螺栓固定在上部试验仓（1）的内侧壁，位移传感器（13）伸出的感知位移的位移杆（14）竖直向下；压力传感器（12）下部的接触面和位移传感器（13）的位移杆（14）下端与上部试验仓（1）卡槽的内端口平齐；上部试验仓（1）的上顶设置与试验仓内部相通的注水孔（7），下部试验仓（6）上部侧壁设置与试验仓内部相通的溢水孔（5）；土工环刀（20）下端置于下部试验仓（6）内底部的护环（22）内，护环（22）下端固定在下部试验仓（6）的下底内，圆筒形护环（22）用于安置土工环刀（20）及其采集的膨胀岩试样（21）；土工环刀（20）上下两侧设置透水石，底部透水石（18）的下部置于护环（22）内，底部透水石（18）的上面是土工环刀（20），土工环刀（20）的上面是顶部透水石（16），顶部透水石（16）的上面放置位移柱（23）；位移柱（23）由圆形钢板及其上表面一侧焊接的小圆柱构成，小圆柱外径小于设置位移传感器（13）的上部试验仓（1）侧壁与压力传感器（12）之间空隙的宽度，位移柱（23）的上端面与下部试验仓（6）卡槽外端口平齐；上部试验仓（1）的上顶外侧设置选择开关（9），选择开关（9）与试验仓内的压力传感器（12）和位移传感器（13）通过控制电路连接；上部试验仓（1）内设置集线盒（10），集线盒（10）内的控制电路连接选择开关（9）和上部试验仓（1）侧壁外部设置的读数接口（2），读数接口（2）用于从外部插入读数仪读取位移传感器（13）的试验数据。

5.根据权利要求4所述的便携式多功能岩石膨胀试验仪，其特征在于：所述护环（22）内径略大于土工环刀（20）外径，土工环刀（20）及采集的膨胀岩试样（21）嵌入护环（22）内达到紧密配合。

6.根据权利要求4所述的便携式多功能岩石膨胀试验仪，其特征在于：所述下端置于护环（22）内的土工环刀（20）的上部和顶部透水石（16）的下部由圆形导环（19）连接，导环（19）环绕在土工环刀（20）上部和顶部透水石（16）下部的外侧。

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