CN102914631A - 实时量测土样膨胀力的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时量测土样膨胀力的试验装置，属于岩土工程测量仪器制造技术领域。包括一个采用钢化玻璃水槽的固结仪，置于透水石上的环箍外侧设有护环，环箍内侧直接与带有土样的环刀紧密接触，土样上下表面设有薄滤纸，土样顶部放置上透水石和加压盖，橡胶帽上部分与环刀紧密接触，下部分与固结仪水槽外侧紧密接触，固结仪旁边摆放的水箱位于铁架上，水箱与橡胶帽的进水孔连接，固结仪外侧设置的钢架横梁中部设有带螺纹竖向传力杆，传力杆与加压盖接触，固结仪和铁架都置于天平上，可以实时量测土样膨胀力，可以得到土样的膨胀力时程曲线，并且能控制土样竖向变形，从而使土样保持体积不变，装置结构简单合理，测试精度高，操作方便，易于控制。

Description

实时量测土样膨胀力的试验装置

技术领域

本发明涉及一种土工试验量测装置，特别是涉及一种实时量测土样水力学性能的试验装置，属于岩土工程测量仪器制造技术领域。

背景技术

非饱和状态下的膨润土、膨胀土等广泛应用于路基、地基、挡土墙、垃圾填埋场、核废料深层地质处置库等工程领域，与此同时其工程质量安全，引起国内外的岩土工程科研人员关注。这些具有膨胀性的土在降雨入渗作用后，其物理性质会发生相应的变化，尤其膨胀力会随着土的含水率增加而变化的。膨胀力是指在保持土样体积不变下增加含水率所产生的力。因为土体体积膨胀与约束反力是一对矛盾，所以膨胀力的形成机制也就是土体增湿膨胀的形成机制。膨胀力的影响因素很多，有土的矿物成分、孔隙比、含水量、结构以及应力历史等。

膨胀力测试方法有膨胀反压法、加压膨胀法、零体积改变法三种。膨胀反压法是使试样充分吸水自由膨胀稳定后再施加荷载使其恢复到初始体积。加压膨胀法是通过一系列荷载与膨胀量对应关系曲线确定膨胀力值，分为多试样法和单试样法。零体积改变法是在试样吸水开始膨胀时，逐步施加荷载维持体积不变。但通过以上方法得到的膨胀力大小往往与人为控制因素有关，其中因加载而产生的人为误差对试验准确性和精度影响很大，并且在试验过程中，所记录的数据不能反映膨胀力因试样进水随时间变化的规律。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明克服现有技术的不足，提供一种简易的实时量测土样膨胀力的试验装置，可以精确量测土样的膨胀力，并且得到膨胀力与时间的关系曲线。该装置具有较高的精度，构造简单，操作方便。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种实时量测土样膨胀力的试验装置，包括固结仪、橡胶帽、加载组件、输水装置和载荷测量装置，固结仪包括水槽、护环、环箍、环刀、加压盖和透水组件，在环箍的内侧直接与带有土样的环刀紧密接触，透水组件包括大透水石和小透水石，环箍置于大透水石上，环箍的外侧还设有护环，土样上下表面分别通过薄滤纸与大透水石的上表面和小透水石的底表面接触，小透水石上还设置加压盖，橡胶帽为环形，橡胶帽的内缘与环刀的外表面密封接触，橡胶帽的外缘与水槽外壁密封，加压盖在环刀内压实小透水石的上表面，输水装置通过橡胶帽的进水孔向水槽输水，水槽被加满水时，橡胶帽的排气孔被塞子塞进密封，加载组件向加压盖的顶部施压，限制加压盖在竖向上没有位移，使土样一直保持与实验初始时的体积不变，载荷测量装置对土样的膨胀力进行实时测量。

上述输水装置包括水箱、水龙头和输水管，水箱架设在铁架上，使水箱底部的高度都高于水槽中水位高度，通过水箱顶部的进水口向水箱中注水，水箱的出水口通过水龙头与输水管的一端连通，输水管的另一端与橡胶帽的进水孔连通，水龙头控制水箱向水槽的输水量。

上述载荷测量装置为天平，固结仪和载有输水装置的铁架同时置于天平上。

上述加载组件为竖向传力杆，竖向传力杆通过设置于固结仪外侧的钢架悬于固结仪的正上方，竖向传力杆的施压端正对加压盖的上表面中央位置。

上述环刀的外侧沿其周向设有环形凸肋，水槽的外壁沿其周向设有环形沟槽，使用绳子箍在环刀外壁的环形凸肋上和水槽外壁的环形沟槽中。

上述护环、环箍和加压盖优选采用铜材料制作。

上述环刀优选采用不锈钢材料制作。

上述水槽优先采用钢化玻璃材料制作。

上述水箱优选采用玻璃材料制作。

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优点：

1.利用本发明实时量测土样膨胀力的试验装置，可以精确量测土样的膨胀力，并且得到膨胀力与时间的关系曲线，该装置具有较高的精度，构造简单，操作方便。

2.本发明实时量测土样膨胀力的试验装置能得到土样的膨胀力时程曲线，并且能控制土样竖向变形，从而使土样保持体积不变。

附图说明

图1是本发明实时量测土样膨胀力的试验装置的结构示意图。

图2是本发明的固结仪的结构示意图。

图3是图2的剖视图。

图4是本发明的橡胶帽的结构示意图。

图5是图4的剖视图。

图6是本发明的水箱和铁架的剖视图。

图7是本发明的试验装置的环刀的结构示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：

参见图1～图7，一种实时量测土样膨胀力的试验装置，包括固结仪、橡胶帽12、加载组件3、输水装置和载荷测量装置1，固结仪包括水槽11、护环15、环箍16、环刀9、加压盖10和透水组件，在环箍16的内侧直接与带有土样19的环刀9紧密接触，透水组件包括大透水石18和小透水石17，环箍16置于大透水石18上，环箍16的外侧还设有护环15，土样19上下表面分别通过薄滤纸与大透水石18的上表面和小透水石17的底表面接触，小透水石17上还设置加压盖10，使大透水石18的底表面完全浸入水槽11中的水中，使土样19吸水膨胀，橡胶帽12为环形，橡胶帽12的内缘与环刀9的外表面密封接触，橡胶帽12的外缘与水槽11外壁密封，加压盖10在环刀9内压实小透水石17的上表面，输水装置通过橡胶帽12的进水孔14向水槽11输水，水槽11被加满水时，橡胶帽12排气孔13被塞子塞进密封，加载组件3向加压盖10的顶部施压，限制加压盖10在竖向上没有位移，使土样19一直保持与实验初始时的体积不变，载荷测量装置1对土样19的膨胀力进行实时测量。使用本发明实时量测土样膨胀力的试验装置可以得到土样的膨胀力时程曲线，并且能控制土样竖向变形，从而使土样保持体积不变，本装置具有结构简单合理，有较好的测试精度，操作方便，易于控制。在本实施例中，参见图2、图3、图7，水槽11外径为120±5mm，内径为110±5mm，高度为50±5mm，底部厚度为10±2mm；护环15外径为90±2mm，内径为86±2mm，高度为35±2mm；护环15内侧的环箍16外径为86±2mm，内径为66±2mm，高度为22±2mm；环箍16内侧的环刀9外径为66±2mm，内径为62±2mm，高度为40±2mm；置于大透水石18上的加压盖10直径为61±0.5mm，厚度为10±5mm；大透水石18直径为82±2mm，高度为10±2mm；小透水石17直径为59±2mm，高度为10±2mm；土样19的上表面，下表面分别与小透水石17，大透水石18接触。

参见图4、图5，橡胶帽12上部分外径为72±2mm，内径为70±2mm，高度为15±2mm，其下部分外径为122±2mm，内径为120±2mm，高度为30±2mm；橡胶帽12的进水孔14和出气孔13间距为93±2mm，外径都为12±2mm，内径都为10±2mm，高度都为10±2mm。橡胶帽12可以防止水槽11的水蒸发，进水孔14可让水箱4水流入水槽11，出气孔13在水槽11进水后打开，使被橡胶帽12紧密包裹的固结仪内部气体排出。

在本实施例中，上述输水装置包括水箱4、水龙头6和输水管7，水箱4架设在铁架8上，使水箱4底部的高度都高于水槽11中水位高度，通过水箱4顶部的进水口5向水箱4中注水，水箱4的出水口通过水龙头6与输水管7的一端连通，输水管7的另一端与橡胶帽12的进水孔14连通，水龙头6控制水箱4向水槽11的输水量。参见图6，水箱4外径为110±2mm，内径为100±2mm，高度为30±5mm，底部和顶部厚度都为6±2mm，位于顶部中央的进水孔5直径为20±2mm。铁架8顶部直径为110±2mm，高度为50±2mm，厚度为2±1mm，其四个角柱直径为3±1mm，高度为48±2mm，为了让水箱4底部的高度在试验前后都高于固结仪水槽11的高度，利于水箱4里面所有的水流入水槽11。

在本实施例中，上述载荷测量装置1为天平，固结仪和载有输水装置的铁架8同时置于天平上。天平清零后，打开水龙头6，水箱4的水会自动流入水槽11。当水槽11加满水时，便把橡皮帽12的排气孔13关上，因为固结仪和铁架8都放在天平上，水槽11的水在试验过程中会不断蒸发，使摆放在天平上的试验仪器的总质量减小。电子天平显示的数据也会因试样不断吸水而不断变化，土样的膨胀力值便是天平显示的数据。

在本实施例中，上述加载组件3为带螺纹的竖向传力杆，竖向传力杆通过设置于固结仪外侧的钢架2悬于固结仪的正上方，竖向传力杆的施压端正对加压盖10的上表面中央位置。传力杆与加压盖10接触，使加压盖10在土样进水后，没有竖向位移。参见图1，钢架2的柱截面50mm×50mm，高度为200±5mm，两柱间距为500±10mm，梁截面50mm×50mm。位于钢架2的梁中央的竖向传力杆3直径为10±2mm，长度为150±5mm，传力杆与加压盖10接触，使加压盖10在土样19进水后，没有竖向位移。

在本实施例中，上述环刀9的外侧沿其周向设有环形凸肋，水槽11的外壁沿其周向设有环形沟槽，使用绳子箍在环刀9外壁的环形凸肋上和水槽11外壁的环形沟槽中。

在本实施例中，上述护环15、环箍16和加压盖10优选采用铜材料制作。

在本实施例中，上述环刀9优选采用不锈钢材料制作。

在本实施例中，上述水槽11优先采用钢化玻璃材料制作。

在本实施例中，上述水箱4优选采用玻璃材料制作。

参见图1，天平量程为300～500kg，用来实时测量土样19的膨胀力。固结仪，铁架8都放在天平上。天平上的仪器在试验前后总质量未发生改变，打开水龙头6同时天平也要清零，天平显示的数据便由零开始，之后不断增大。但这和仪器质量无关，加压盖10会随土样19吸水有向上竖向位移，而竖向传力杆则阻止其向上运动趋势即土样19一直保持初始体积，此时土样19通过加压盖10传递到竖向传力杆的力为土样19的膨胀力，同时水槽11底部会受到由土样19通过大透水石18传递的的膨胀力且方向向下，同理天平1也受到通过水槽11传递的向下的膨胀力，所以天平显示的数据就是土样19的膨胀力值。

本发明试验装置适于测量直径为为62±2mm，高为20±5mm的圆柱形土样19，具体试验过程如下：

1．在固结仪内放置护环15，大透水石18，环箍16和薄滤纸，将带有环刀9的土样19放入环箍16，并且手按住环刀9顶部后用力往下使劲，确保土样19下表面与大透水石18接触，再向土样19上表面放薄滤纸，小透水石17，加压盖10；

2．橡胶帽12上部分与环刀9接触，其下部分与固结仪水槽11外壁接触，再用橡皮绳把环刀9和水槽11箍紧，并把这些橡皮绳箍在环刀9外壁和水槽11外壁的凹槽中；

3．进满水的水箱4置于铁架8上，装水管，水管一端与水龙头6连通，另一端与橡胶帽12的进水孔14连接；

4．固结仪和铁架8都放在天平上，再让竖向传力杆与加压盖10充分接触；

5．打开水龙头6和拿掉橡胶帽12的排气孔13的塞子，天平清零，记录数据，水槽11快加满水时，用塞子关排气孔13。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化。凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明实时量测土样膨胀力的试验装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种实时量测土样膨胀力的试验装置，包括固结仪、橡胶帽（12）、加载组件（3）、输水装置和载荷测量装置（1），其特征在于：所述固结仪包括水槽（11）、护环（15）、环箍（16）、环刀（9）、加压盖（10）和透水组件，在所述环箍（16）的内侧直接与带有土样（19）的所述环刀（9）紧密接触，所述透水组件包括大透水石（18）和小透水石（17），所述环箍（16）置于所述大透水石（18）上，所述环箍（16）的外侧还设有所述护环（15），土样（19）上下表面分别通过薄滤纸与所述大透水石（18）的上表面和所述小透水石（17）的底表面接触，所述小透水石（17）上还设置加压盖（10），使所述大透水石（18）的底表面完全浸入水槽（11）中的水中，使土样（19）吸水膨胀，所述橡胶帽（12）为环形，所述橡胶帽（12）的内缘与所述环刀（9）的外表面密封接触，所述橡胶帽（12）的外缘与所述水槽（11）外壁密封，所述加压盖（10）在所述环刀（9）内压实所述小透水石（17）的上表面，所述输水装置通过所述橡胶帽（12）的进水孔（14）向所述水槽（11）输水，水槽（11）被加满水时，所述橡胶帽（12）排气孔（13）被塞子塞进密封，所述加载组件（3）向所述加压盖（10）的顶部施压，限制所述加压盖（10）在竖向上没有位移，使土样（19）一直保持与实验初始时的体积不变，所述载荷测量装置（1）对土样（19）的膨胀力进行实时测量。

2.根据权利要求1所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述输水装置包括水箱（4）、水龙头（6）和输水管（7），所述水箱（4）架设在铁架（8）上，使所述水箱（4）底部的高度都高于所述水槽（11）中水位高度，通过所述水箱（4）顶部的进水口（5）向所述水箱（4）中注水，所述水箱（4）的出水口通过水龙头（6）与所述输水管（7）的一端连通，所述输水管（7）的另一端与所述橡胶帽（12）的进水孔（14）连通，所述水龙头（6）控制所述水箱（4）向所述水槽（11）的输水量。

3.根据权利要求2所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：载荷测量装置（1）为天平，所述固结仪和载有所述输水装置的铁架（8）同时置于天平上。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述加载组件（3）为竖向传力杆，所述竖向传力杆通过设置于固结仪外侧的钢架（2）悬于所述固结仪的正上方，所述竖向传力杆的施压端正对所述加压盖（10）的上表面中央位置。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述环刀（9）的外侧沿其周向设有环形凸肋，所述水槽（11）的外壁沿其周向设有环形沟槽，使用绳子箍在所述环刀（9）外壁的环形凸肋上和所述水槽（11）外壁的环形沟槽中。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述护环（15）、环箍（16）和加压盖（10）采用铜材料制作。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述环刀（9）采用不锈钢材料制作。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述水槽（11）采用钢化玻璃材料制作。

9.根据权利要求1～3中任意一项所述的实时量测土样膨胀力的试验装置，其特征在于：所述水箱（4）采用玻璃材料制作。

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