CN102854055A - 多级式温控非饱和蠕变仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程试验研究领域，公开了一种多级式温控非饱和蠕变仪，该蠕变仪包括压力室（1）、吸力控制装置（2）、温度控制箱（3）、压力传递装置（4）、加载装置（5）和量测装置（6）；压力室（1）固设于温度控制箱（3）内；吸力控制装置（2）置于温度控制箱（3）外，温度控制箱（3）置于加载装置（5）下端刚性平台上，压力传递装置（4）置于各压力室（1）之间，加载装置（5）置于温度控制箱（3）外，量测装置（6）顶端固设于轴向传力杆（19）上，底端置于压力室（1）下平板上。本发明实现了一台蠕变仪同时进行四个蠕变试验，大大缩短了非饱和蠕变试验时间。

Description

多级式温控非饱和蠕变仪

技术领域

本发明涉及岩土工程试验研究领域，具体涉及一种土工试验仪器，特别涉及一种多级式温控非饱和蠕变仪。

背景技术

非饱和土力学的发展对传统土工试验仪器提出了更高、更精密的要求。现有非饱和土工试验仪主要通过对传统土工试验仪器的改装而成，如非饱和固结仪、非饱和直剪仪和非饱和三轴仪等。考虑到蠕变试验的加载特点，饱和土的一维蠕变试验一般在传统固结仪上完成。因此，非饱和土的蠕变试验亦可采用非饱和固结仪完成。根据陈正汉等（2004），国内现有非饱和固结仪主要包括以下几个部件：台架、试样盒、气压室、加载系统、排水系统、变形量测系统、孔压与荷载量测系统等。该仪器部件多，操作较复杂，且试验过程中竖向压力和吸力的控制范围有限；此外，仪器未设置温度控制装置，不能进行温控条件下的蠕变试验。因此，对于需要在温度控制条件下进行高固结压力、高吸力的蠕变试验来说，则无能为力。例如，为模拟高放废物深地质处置库中的缓冲/回填材料——高压实膨润土在处置库环境中的长期热-水-力耦合特性，需要开展温控条件下，高压和高吸力情况下的蠕变试验，采用现有非饱和固结仪则无法进行研究。更为重要的是，对于非饱和蠕变试验而言，由于吸力平衡和蠕变均需要较长时间，因此试验周期非常漫长。而传统固结仪一台仪器一次只能开展一个蠕变试验，这势必会增加整个蠕变试验的周期，降低试验效率和增大试验成本，严重制约了非饱和蠕变理论的发展。为此，设计一种同时可以进行多个蠕变试验的多级式温控高压蠕变仪对于非饱和土力学的发展和完善具有重要意义。（陈正汉，扈胜霞，孙树芳等.非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用[J].岩土工程学报，2004，26（2）：161-162.）

发明内容

针对现有技术中蠕变试验竖向压力和吸力控制范围有限，不能控温及试验周期长等缺陷，本发明的目的是提供一种多级式温控非饱和蠕变仪，用于对温控条件下，高吸力和高蠕变压力情况下的岩土材料一维蠕变特性进行试验研究。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种多级式温控非饱和蠕变仪，该蠕变仪包括压力室、吸力控制装置、温度控制箱、压力传递装置、加载装置和量测装置；压力室固设于温度控制箱内；吸力控制装置置于温度控制箱外，温度控制箱置于加载装置下端刚性平台上，压力传递装置置于各压力室之间，加载装置置于温度控制箱外，量测装置顶端固设于轴向传力杆上，底端置于压力室下平板上。

所述的压力室包括底座、螺栓、试样环、钢罩、密封圈、上透水石、下透水石、活塞、顶盖、导管和轴向传力杆；

底座通过螺栓与顶盖相连；螺栓固设于底座和顶盖之间；试样环位于底座上，钢罩底部罩在试样环上用于固定试样环和活塞，钢罩顶部设有环形密封槽，密封圈放置于环形密封槽内，用来密封钢罩与顶盖的缝隙；试样、上透水石和活塞位于试样环内，下透水石位于环形排水槽上及试样的底端，上透水石位于试样的上端；活塞置于上透水石上方；活塞设有贯穿孔，侧壁设有密封圈以密封其与试样环之间的缝隙；顶盖置于钢罩上，通过螺栓与底座固定；顶盖中间设有大孔供轴向传力杆穿过，顶盖中间对称设有两个贯穿小孔供导管贯穿；导管一端与活塞的贯穿孔连通，另一端通过顶盖两端设置的贯穿孔并与吸力控制装置连接；轴向传力杆穿过顶盖中间大孔与活塞连接。

所述的底座侧壁分别设有底座侧壁进气孔和底座侧壁出气孔，用于连接吸力控制装置，底座顶部中间设有环形密封槽和环形排水槽；环形密封槽设于环形排水槽外部，环形排水槽底部边缘处设环形排水槽进气孔，底部中央设环形排水槽出气孔，分别与底座侧壁进气孔和底座侧壁出气孔连通，环形排水槽顶部放置下透水石，环形密封槽放置密封圈以实现底座与钢罩之间的密封；螺栓孔设于环形密封槽外部，四个螺栓孔均匀分布于底座的外侧，螺栓穿过螺栓孔连接底座和顶盖。

所述的吸力控制装置包括气体循环泵、饱和盐溶液瓶和过滤装置，气体循环泵排气端通过导管连接饱和盐溶液瓶的进气端，饱和盐溶液瓶的出气端与过滤装置的进气端相连，过滤装置的出气端与压力室一侧的导管和底座侧壁进气孔相连，压力室另一侧的导管和底座侧壁出气孔与气体循环泵的吸气端连接。

所述的温度控制箱包括保温箱、通线孔、循环风扇、基座和下压板；通线孔固设于保温箱侧壁底端侧壁，循环风扇位于保温箱底部边缘位置，基座位于保温箱底部，下压板位于保温箱下方，基座穿过保温箱底部与下压板连接。

所述的压力传递装置包括竖直圆柱、滚珠导套和平衡板；竖直圆柱位于基座上，竖直圆柱有三个，竖直放置，呈三角分布，滚珠导套位于竖直圆柱上与竖直圆柱活动连接，平衡板设有多层，位于三根竖直圆柱之间，通过滚珠导套与竖直圆柱连接。

所述的加载装置包括动横梁、上压头、立柱和工作台；工作台位于下压板下方，温度控制箱位于加载装置的底部，立柱位于工作台上，底部与工作台连接，动横梁位于立柱上与立柱活动连接，上压头位于动横梁上，顶部与动横梁连接，底部穿过保温箱与最上层的轴向传力杆连接。

所述的量测装置包括金属导杆和数显千分表；金属导杆和数显千分表以螺栓连接，金属导杆和轴向传力杆以螺栓连接。

所述的压力室外径为150mm，高度为150mm。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明实现了20-100℃范围内的温度循环控制。

2、本发明实现了最大竖向固结压力为150kN的高压控制。

3、本发明实现了吸力变化范围为0-309MPa的吸力控制。

4、本发明实现了一台蠕变仪同时进行四个蠕变试验，大大缩短了非饱和蠕变试验时间。

5、本发明四台蠕变仪采用相同的加载控制系统，减小了仪器开发生产成本。

6、本发明实现了蠕变变形数字化自动采集。

附图说明

图1为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪的结构示意图。

图2为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中压力室的结构示意图。

图3为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中底座的结构示意图。

图4为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中吸力控制装置的结构示意图。

图5为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中加载装置、温度控制箱及压力传递装置的结构示意图。

图6为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中量测装置的结构示意图。

其中：1为压力室、2为吸力控制装置、3为温度控制箱、4为压力传递装置、5为加载装置、6为量测装置、7为试样、10为底座、11为螺栓、12为试样环、13为钢罩、14为密封圈、151为上透水石、152为下透水石、16为活塞、17为顶盖、18为导管、19为轴向传力杆、101为底座侧壁进气孔、102为底座侧壁出气孔、103为环形密封槽、104为环形排水槽、105为环形排水槽进气孔、106为环形排水槽出气孔、107为螺栓孔、21为气体循环泵、22为饱和盐溶液瓶、23为过滤装置、31为保温箱、32为通线孔、33为循环风扇、34为基座、35为下压板、41为竖直圆柱、42为滚珠导套、43为平衡板、51为动横梁、52为上压头、53为立柱、54为工作台、61为金属导杆、62为数显千分表。

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。

实施例1

如图1所示，图1为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪的结构示意图。

本发明的多级式温控非饱和蠕变仪包括以下几个部件：压力室1、吸力控制装置2、温度控制箱3、压力传递装置4、加载装置5和量测装置6；压力室1固设于温度控制箱3内；吸力控制装置2置于温度控制箱3外，温度控制箱3置于加载装置5下端刚性平台上，压力传递装置4置于各压力室1之间，加载装置5置于温度控制箱3外，温度控制箱3位于加载装置5的底部，加载装置5从上部对温度控制箱3内的压力室1施加竖向蠕变压力；量测装置6顶端固设于轴向传力杆19上，底端置于压力室1下平板上。

如图2所示，图2为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中压力室的结构示意图。

压力室1外径为150mm，高度为150mm，包括底座10、螺栓11、试样环12、钢罩13、密封圈14、上透水石151、下透水石152、活塞16、顶盖17、导管18和轴向传力杆19；

底座10通过螺栓11与顶盖17相连；螺栓11固设于底座10和顶盖17之间；试样环12位于底座10上，钢罩13底部罩在试样环12上，固定试样环12和活塞16，钢罩13顶部设有环形密封槽103，密封圈14放置于环形密封槽103内，用来密封钢罩13与顶盖17的缝隙；试样7、上透水石151和活塞16位于试样环12内，下透水石152位于环形排水槽104上及试样7的底端，上透水石151位于试样7的上端；活塞16置于上透水石151上方；活塞16设有贯穿孔，侧壁设有密封圈14以密封其与试样环12之间的缝隙；顶盖17置于钢罩13上，通过螺栓11与底座10固定；顶盖17中间设有大孔供轴向传力杆19穿过，顶盖17中间对称设有两个贯穿小孔供导管18贯穿；导管18一端与活塞16的贯穿孔连通，另一端通过顶盖17两端设置的贯穿孔并与吸力控制装置2连接；轴向传力杆19穿过顶盖17中间大孔与活塞16连接。

如图3所示，图3为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中底座的结构示意图。

底座10侧壁分别设有底座侧壁进气孔101和底座侧壁出气孔102，用于连接吸力控制装置2，底座10顶部中间设有环形密封槽103和环形排水槽104；环形密封槽103设于环形排水槽104外部，环形排水槽104底部边缘处设环形排水槽进气孔105，底部中央设环形排水槽出气孔106，分别与底座侧壁进气孔101和底座侧壁出气孔102连通，环形排水槽104顶部放置下透水石152，环形密封槽103放置密封圈14以实现底座10与钢罩13之间的密封；螺栓孔107设于环形密封槽103外部，四个螺栓孔107均匀分布于底座10的外侧，螺栓11穿过螺栓孔107连接底座10和顶盖17。

如图4所示，图4为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中吸力控制装置的结构示意图。

吸力控制装置2包括气体循环泵21、饱和盐溶液瓶22和过滤装置23，气体循环泵21排气端通过导管连接饱和盐溶液瓶22的进气端，饱和盐溶液瓶22的出气端与过滤装置23的进气端相连，过滤装置23的出气端与压力室1一侧的导管18和底座侧壁进气孔101相连，压力室1另一侧的导管18和底座侧壁出气孔102与气体循环泵21的吸气端连接。

如图5所示，图5为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中加载装置、温度控制箱及压力传递装置的结构示意图。

温度控制箱3包括保温箱31、通线孔32、循环风扇33、基座34和下压板35；通线孔32固设于保温箱31侧壁底端侧壁，循环风扇33位于保温箱31底部边缘位置，基座34位于保温箱31底部，下压板35位于保温箱31下方，基座34穿过保温箱31底部与下压板35连接。循环风扇33保持保温箱内空气流动，使各部位温度均衡，其温度设置和测量均为数字显示，噪音低，升、降温速度快，控温范围25-100℃，精度0.1℃。

压力传递装置4包括竖直圆柱41、滚珠导套42和平衡板43；竖直圆柱41位于基座34上，竖直圆柱41有三个，竖直放置，呈三角分布，滚珠导套42位于竖直圆柱41上与竖直圆柱41活动连接，平衡板43设有多层，位于三根竖直圆柱41之间，通过滚珠导套42与竖直圆柱41连接。

加载装置5包括动横梁51、上压头52、立柱53和工作台54；工作台54位于下压板35下方，温度控制箱3位于加载装置5的底部，立柱53位于工作台54上，底部与工作台54连接，动横梁51位于立柱53上与立柱53活动连接，上压头52位于动横梁51上，顶部与动横梁51连接，底部穿过保温箱31与最上层的轴向传力杆19连接。

如图6所示，图6为本发明的多级式温控非饱和蠕变仪中量测装置的结构示意图。

量测装置6包括金属导杆61和数显千分表62；金属导杆61和数显千分表62以螺栓连接，金属导杆61和轴向传力杆19以螺栓连接。数显千分表62量测范围是0~12.7mm，精度0.001mm。

具体实施的操作步骤：

首先将温度控制箱3置于加载装置5上，在基座34上装上压力传递装置4，调节其以确保平衡板43水平，测试滚珠导套42的滑动性，减小其与金属杆的摩擦力。压制土样：首先根据试样干密度和含水率，计算出所需称量土的质量。然后放入压样模具中通过压力机按一定速率将试样均匀压实。将压实后的试样放入盛有饱和盐溶液的干燥皿中，采用气相法将试样控制到目标吸力，待试样质量和高度变化稳定时，试样内吸力即达到平衡。

安装试样。按照图1所示，将压力室1固设于温度控制箱3内，置于压力传递装置4的平衡板43之上，吸力控制装置2置于温度控制箱3外，将温度控制箱3置于加载装置5的平台上。按照图2所示，将压力室1按照底座10、螺栓11、下透水石152、试样环12、密封圈14、钢罩13、上透水石151、活塞16、导管18、顶盖17的顺序依次组装好，将轴向传力杆19穿入压力室1顶盖17的孔，其底端接触活塞16。调整轴向传力杆19，使其保持竖直。通过导管18将吸力控制装置2与压力室1的导管18和底座10的底座侧壁进气孔101和底座侧壁出气孔102连接，形成闭合的气体循环，保持试样吸力恒定。最后将量测装置6的金属导杆61一端固定于轴向传力杆19上，数显千分表62上端与金属导杆61连接，下端与平衡板43保持垂直接触，然后将数显千分表62置零。按以上步骤装设下一级压力室1和试样，并设置相应的吸力控制装置2，并使下一级的轴向传力杆19竖直，使上一级压力完整的传递下来。如此一共安装4组，组装成一个压力室组，顶部接触于加载装置5的上压头52，底部接触于温度控制箱3下部的基座34。整个过程需保持压力室组严格竖直。

试验开始时，吸力控制装置2连接压力室1，通过加载装置5给试样7施加0.1MPa的初始竖向应力，同时量测装置6量测试样7的竖向变形，待试样7竖向变形8小时内变化量小于0.001mm，则认为稳定；随后加载装置5给试样7施加下一级蠕变应力，量测装置6量测试样7的竖向变形，待试样7竖向变形8小时内变化量小于0.001mm，则达到稳定；在恒定吸力、恒定压力的情况下，试样7竖向变形稳定时，温度控制箱3按照预设的升温分级顺序：25℃-30℃-40℃-50℃-60℃-70℃-80℃，对试样7升温，每加一级温度，量测装置6量测试样7的竖向变形，待试样7竖向位移8小时内变化量小于0.001mm，则稳定，试样7在该级温度下竖向变形为稳定值与初始值之差。待试样在80℃下稳定时，温度控制箱3按照预设降温分级顺序80℃-70℃-60℃-50℃-40℃-30℃-25℃，对试样7降温，每降一级温度，量测装置6量测试样7的竖向变形，待试样7竖向变形8小时内变化量小于0.001mm，则稳定，试样7在该级温度下竖向变形为稳定值与初始值之差。最后，经公式变换，求得吸力和温度控制条件下的蠕变曲线。本发明的多级式温控非饱和蠕变仪主要可以实现以下测试：

1、温度循环条件下的蠕变试验：保持压力和吸力恒定，采用温度控制箱对试样进行分级升降温，通过变形量测装置测定温度循环过程中试样的竖向变形，求得温度循环条件下非饱和土的蠕变曲线。

2、干湿循环条件下的蠕变试验：保持温度和压力恒定，采用吸力控制装置对试样施加不同吸力，使试样处于干湿循环的状态，通过变形量测装置测定干湿循环程中试样的竖向变形，求得干湿循环条件下的蠕变曲线。

3、加卸载条件下的蠕变试验：保持温度和吸力恒定，采用电子压力机对试样进行分级加卸载，通过变形量测装置测定试验过程中试样的竖向变形，求得加卸载条件下的蠕变曲线。

本发明实现了温度、吸力和压力控制条件下的高压实粘土蠕变特性试验研究。具体包括温度循环条件下的蠕变试验、干湿循环条件下的蠕变试验、加卸载条件下的蠕变试验。通过上述试验研究，可以建立岩土材料在热水力三相耦合条件下的蠕变模型。此外，本发明的最大特点在于能够同时对多组试样进行蠕变试验，大大缩短蠕变试验时间，降低试验风险和试验成本，这对于复杂耗时的非饱和土蠕变特性的研究具有重大意义。

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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：该蠕变仪包括压力室（1）、吸力控制装置（2）、温度控制箱（3）、压力传递装置（4）、加载装置（5）和量测装置（6）；压力室（1）固设于温度控制箱（3）内；吸力控制装置（2）置于温度控制箱（3）外，温度控制箱（3）置于加载装置（5）下端刚性平台上，压力传递装置（4）置于各压力室（1）之间，加载装置（5）置于温度控制箱（3）外，量测装置（6）顶端固设于轴向传力杆（19）上，底端置于压力室（1）下平板上。

2.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的压力室（1）包括底座（10）、螺栓（11）、试样环（12）、钢罩（13）、密封圈（14）、上透水石（151）、下透水石（152）、活塞（16）、顶盖（17）、导管（18）和轴向传力杆（19）；

底座（10）通过螺栓（11）与顶盖（17）相连；螺栓（11）固设于底座（10）和顶盖（17）之间；试样环（12）位于底座（10）上，钢罩（13）底部罩在试样环（12）上用于固定试样环（12）和活塞（16），钢罩（13）顶部设有环形密封槽（103），密封圈（14）放置于环形密封槽（103）内，用来密封钢罩（13）与顶盖（17）的缝隙；试样（7）、上透水石（151）和活塞（16）位于试样环（12）内，下透水石（152）位于环形排水槽（104）上及试样（7）的底端，上透水石（151）位于试样（7）的上端；活塞（16）置于上透水石（151）上方；活塞（16）设有贯穿孔，侧壁设有密封圈（14）以密封其与试样环（12）之间的缝隙；顶盖（17）置于钢罩（13）上，通过螺栓（11）与底座（10）固定；顶盖（17）中间设有大孔供轴向传力杆（19）穿过，顶盖（17）中间对称设有两个贯穿小孔供导管（18）贯穿；导管（18）一端与活塞（16）的贯穿孔连通，另一端通过顶盖（17）两端设置的贯穿孔并与吸力控制装置（2）连接；轴向传力杆（19）穿过顶盖（17）中间大孔与活塞（16）连接。

3.根据权利要求2所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的底座（10）侧壁分别设有底座侧壁进气孔（101）和底座侧壁出气孔（102），用于连接吸力控制装置（2），底座（10）顶部中间设有环形密封槽（103）和环形排水槽（104）；环形密封槽（103）设于环形排水槽（104）外部，环形排水槽（104）底部边缘处设环形排水槽进气孔（105），底部中央设环形排水槽出气孔（106），分别与底座侧壁进气孔（101）和底座侧壁出气孔（102）连通，环形排水槽（104）顶部放置下透水石（152），环形密封槽（103）放置密封圈（14）以实现底座（10）与钢罩（13）之间的密封；螺栓孔（107）设于环形密封槽（103）外部，四个螺栓孔（107）均匀分布于底座（10）的外侧，螺栓（11）穿过螺栓孔（107）连接底座（10）和顶盖（17）。

4.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的吸力控制装置（2）包括气体循环泵（21）、饱和盐溶液瓶（22）和过滤装置（23），气体循环泵（21）排气端通过导管连接饱和盐溶液瓶（22）的进气端，饱和盐溶液瓶（22）的出气端与过滤装置（23）的进气端相连，过滤装置（23）的出气端与压力室（1）一侧的导管（18）和底座侧壁进气孔（101）相连，压力室（1）另一侧的导管（18）和底座侧壁出气孔（102）与气体循环泵（21）的吸气端连接。

5.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的温度控制箱（3）包括保温箱（31）、通线孔（32）、循环风扇（33）、基座（34）和下压板（35）；通线孔（32）固设于保温箱（31）侧壁底端侧壁，循环风扇（33）位于保温箱（31）底部边缘位置，基座（34）位于保温箱（31）底部，下压板（35）位于保温箱（31）下方，基座（34）穿过保温箱（31）底部与下压板（35）连接。

6.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的压力传递装置（4）包括竖直圆柱（41）、滚珠导套（42）和平衡板（43）；竖直圆柱（41）位于基座（34）上，竖直圆柱（41）有三个，竖直放置，呈三角分布，滚珠导套（42）位于竖直圆柱（41）上与竖直圆柱（41）活动连接，平衡板（43）设有多层，位于三根竖直圆柱（41）之间，通过滚珠导套（42）与竖直圆柱（41）连接。

7.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的加载装置（5）括动横梁（51）、上压头（52）、立柱（53）和工作台（54）；工作台（54）位于下压板（35）下方，温度控制箱（3）位于加载装置（5）的底部，立柱（53）位于工作台（54）上，底部与工作台（54）连接，动横梁（51）位于立柱（53）上与立柱（53）活动连接，上压头（52）位于动横梁（51）上，顶部与动横梁（51）连接，底部穿过保温箱（31）与最上层的轴向传力杆（19）连接。

8.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的量测装置（6）包括金属导杆（61）和数显千分表（62）；金属导杆（61）和数显千分表（62）以螺栓连接，金属导杆（61）和轴向传力杆（19）以螺栓连接。

9.根据权利要求1所述的多级式温控非饱和蠕变仪，其特征在于：所述的压力室（1）外径为150mm，高度为150mm。

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