CN103713109B - 温控体变仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种温控体变仪，包括外轴室和内轴室，外轴室和内轴室都扣装在底座上。在底座内设有5根外端与外部连通的管道，其中两根管道的内端与外轴室内连通，3根管道的内端与内轴室内连通。在内轴室顶部设有一根内测压管；在底座上设有一根外测压管。在底座的中央位置形成有一凸台，实验土样安装在凸台上。内轴室和外测压管压力的压差信号通过压差传感器传给电脑读取。并实现用空压机对土样施加反压与用传感器测量土样内部孔隙水压力的功能。本发明可以准确的模拟低温或温度变化情况下，土样受力的情况，同时能够准确测量实验过程中土样的体积变化，用于冻土体积变化的研究，问寒区地基、路基工程建设提供建议。

Description

温控体变仪

技术领域

本发明设计岩土工程设备领域，具体来说，本发明设计一种精确测量低温下冻土体积变化的体变仪。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，由于经济发展对能源、矿产、淡水以及森林的资源的巨大需求，各种资源蕴藏丰富的广袤冻土区必将成为人们关注的焦点。因此人类在冻土地区开放建设将日趋频繁，这也将势必带来大量寒区工程建设。现如今，我国能源、交通、通讯、水利、给排水、石油输送管线等许多工程将要建设或己经建设广袤但土性复杂的冻土区。我国还有一些关系到国家发展战略的大型项目也要涉及到冻土工程，例如南水北调、西气东输等战略工程。

公路作为战略性基础设施，在冻土地区的开发中具有举足轻重的作用。在季节性冻土地区的地表层都存在一层冬冻夏融的冻结-融化层，作为地基的冻结－融化层，在冻融过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物的稳定与安全。因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。

路面结构的长期性能和路基土的性能有很大的关系，尤其是在季节性冻土区，道路在一年内至少经历一次冻融循环，冬冻春融时路面结构内部及周围湿度和温度都在波动。在冻融条件下，路基材料特性会出现大幅度的改变，严重影响道路承载重交通荷载的能力，更严重的可能使道路发生严重破坏。在中国的季节性冻土区，路面温度变化范围-40℃到50℃，路基最大冻深线可达路面以下2米甚至更深。很明显，这些环境条件的变化会对路面结构的承载能力产生重大的影响。对于季节性冻土区道路路基土的力学参数研究资料比较分散，路基设计和施工缺乏成熟经验，在一些路段出现了较严重的路基冻害现象，冬季较强烈的冻胀导致春季较严重的融沉和翻浆，并形成槽沟状车辙。

因此开展季节性冻土区土在冻融循环过程中体积变化的研究具有重要的现实意义。

目前，国内外测量土体积变化的实验仪器一般是基于常温实验下的固结仪，包括：垂直加载力系统、直剪环刀、水平位置固定装置、测定土样竖向变形的装置等部分组成。常规的体变测量仪器，不能测量低温下土的体积变化，对于温度变化情况下的体积测量更加束手无策；同时，由于土样在刚性的环刀中受到了环刀的径向的约束，对于体积的测量以为径向约束而与实际情况不一致，直接导致了实验结果误差较大。

发明内容

鉴于现有的技术中存在的问题，本发明提供了一种解决技术背景中所描述的传统体变仪无法测量温度变化以及低温情况下土的体积变化，未考虑径向约束对实验精度影响的问题，一种能精确模拟现实情况并精确测量土样体积变化的实验仪器。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：

一种温控体变仪，包括外轴室和内轴室，外轴室和内轴室都扣装在底座上；在所述的底座内设有5根外端与外部连通的管道，其中两根管道的内端与外轴室内连通，3根管道的内端与内轴室内连通；与外轴室内连通的管道为管道a、管道e，与内轴室内连通的管道为管道b、管道c、管道d；在内轴室顶部设有一根与内轴室内部相通的内测压管，内测压管置于外轴室中；在底座上设有一根置于外轴室中、并位于内轴室外的外测压管，外测压管下端与底座内所述的管道a连接；在底座的中央位置形成有一凸台，凸台被包封在内轴室内部，凸台中设有通过底座与外部连通的所述的管道d。

本发明应用温控体变仪在低温下进行实验的步骤，为：

1）、制备土样；

2）、将土样安装在凸台上；

3）、安装内轴室；

4）、将内测压管安在内轴室上，将外测压管安在底座上；

5）、安装外轴室；

6）、向管道a、管道b内加入乙二醇溶液，至液面高度到达内测压管内停止，再将管道a和管道b外接压差传感器的两端；压差传感器的输出信号接入电脑或信号处理装置，得到内测压管液面变化情况；

7）、管道c、管道d外接压力传感器和反压装置，对测量土样的空隙水压力、对土样施加反压,可以实现用空压机对土样施加反压与用传感器测量土样内部孔隙水压力的功能；

8）、通过管道e，向外轴室加入乙二醇溶液至内测压管液面高度处，关闭阀门；

9）、向外轴室输入压缩空气；

10）、将整个实验装置放入可温控的冷浴箱内；

11）、通过测量压差传感器的输出信号，可以得到内测压管内液面的变化情况，从而计算出土样的体积变化情况。

本发明的有益效果是：

本发明解决了传统的固结仪式的体变仪只能测量常温环境下因为压力变化引起的体积变化的问题。可以准确的模拟低温或温度变化情况下，土样受力的情况，同时能够准确测量实验过程中土样的体积变化，用于冻土体积变化的研究，问寒区地基、路基工程建设提供建议。

附图说明

图1是本发明温控体变仪的外形图，

图2是温控体变仪的俯视（透视）图，

图3是去除外轴室后的立体（透视）图，

图4是图2中的A-A剖视图，

图5是图2中的B-B剖视图，

图6是图2中的C-C剖视图。

图中标记：

1.外轴室，2.内轴室，3.底座，4.凸台，5.顶管，6.内测压管，7.外测压管。

具体实施方式

参照图1-图6，对本发明的实施例作说明：

本发明的一种温控体变仪，包括外轴室1和内轴室2。外轴室1和内轴室2都扣装在底座3上，通过螺栓固定，并用密封圈进行密封。

在所述的底座3内设有5根外端与外部连通的管道，其中两根管道的内端与外轴室1内连通，3根管道的内端与内轴室2内连通；与外轴室内连通的管道设为管道a、管道e，与内轴室内连通的管道设为管道b、管道c、管道d。外轴室1和内轴室2中的设施及各管道在外轴室1和内轴室2中的设置方式如下：

在内轴室2顶部设有一根与内轴室2内部相通的内测压管6，内测压管6置于外轴室1中。内测压管6和内轴室2之间通过螺纹连接，用生料带密封。在底座3上设有一根置于外轴室1中、并位于内轴室2外的外测压管7，外测压管7下端通过螺纹与底座3内的管道a连接，并用生料带密封；管道a的外端与外部连通。在底座3的中央位置形成有一凸台4，凸台4被包封在内轴室2内部。凸台4为φ62mm×h20mm。凸台4中设有一根通过底座3与外部连通的管道d，管道d顶端与内轴室2连通。在底座3中另设有两根管道b和管道c，管道b和管道c的内端与内轴室2连通、外端与外部连通。在底座3中还设有一根内端与外轴室1连通、外端与外部连通的管道e。在外轴室1顶端安有一根通向外部的顶管5,可以为与外轴室1相连的内、外测压管提供相同的气压。

应用上述温控体变仪在低温下进行实验的步骤为：

1、通过实验计划，确定使用土的类型，将土碾碎，过筛，放入烘箱烘干。

利用制备土样的三瓣膜制备土样，土样的尺寸为φ61.8mm×h50mm，干土的质量、含水量都根据实验计划计算结果确定。

2、土样制备完成后，套上橡皮膜，与内轴室内部空间隔绝不透水。将土样安装在底座3的凸台4上，上部通过软管与底座3的管道c连通，密封；下部与管道d连通。使得土样上端的水可以通过管道c流出，土样下端的水可以通过管道d流出。

3、安装内轴室2及其密封圈，用螺栓和螺母配合使用将内轴室2压紧、密封在底座3上。

4、将内测压管6拧在内轴室2上，将外测压管7拧在底座3上，其中内测压管6、外测压管7的螺纹上缠绕生料带用于密封。

5、安装外轴室1及其密封圈，同样用螺栓和螺母将其压紧，密封在底座3上。

6、将管道a、管道b外端先连通，向内加入乙二醇溶液，至液面高度到达内测压管6内停止，此时内、外测压管（6、7）的液面高度相同。然后关闭阀门再将管道a和管道b外接压差传感器的两端。所述的压差的传感器工作的静压范围为0～800KPa，压差变化范围为0～3KPa。压差传感器的输出信号接入电脑或信号处理装置，对压差进行测量，得到内测压管6液面变化情况。

7、若实验需要，管道c、管道d外接压力传感器和反压装置，对测量土样的空隙水压力、对土样施加反压,可以实现用空压机对土样施加反压与用传感器测量土样内部孔隙水压力的功能。

8、通过管道e，向外轴室1加入乙二醇溶液至内测压管6液面高度处，关闭阀门。

9、外轴室1顶部的顶管5外接限压阀，再接空气压缩机向外轴室1输入压缩空气，根据实验计划确定外轴室的气压大小。

10、将整个实验装置放入可温控的冷浴箱内，温度控制情况按照实验计划确定。

11、通过测量压差传感器的输出信号，可以得到内测压管6内液面的变化情况，从而计算出土样的体积变化情况。实验的过程中，为测量体积准确，可以根据土样体积变化的大小调整使用不同内径的内测压管6，使得液面变化范围在压差传感器的精确测量范围内。

实验的过程中，整个实验仪器可以至于可以控温的环境中，如冷浴箱，通过设置冷浴箱内的温度及其变化情况，从而模拟温度的变化情况。为加快温度的传递，可以在外轴室内，加不高于测压管的液体，使得实验过程中冷浴箱内的温度与试样的温度尽快的达到一致。

实验过程中，内轴室内与外轴室内的液体使用乙二醇溶液，在低温的环境下仍可流动，继续提供原来的功能——传递气压、传递热量（温度）。

实验过程中，内轴室的液体一直在内测压管内变化，当土样体积变化的过程中，内测压管内的液面随之变化，从而反应在压差传感器的输出数据上。

本发明温控体变仪实验的基本原理是：

外轴室上端开口，与空气压缩机相连，可以为与外轴室相连的内、外测压管提供相同的气压，内轴室不会因为外轴室的气压而变形。内轴室和外测压管通过底座内部的管道与实验仪器外的压差传感器相连接，传感器测得的内轴室（内测压管）、外测压管的压差信号可以通过与之相连的电脑读取。土样内部上下通过底座内部的管道与外部的管道相连，可以实现用空压机对土样施加反压与用传感器测量土样内部孔隙水压力的功能。在内轴室内外气压相同的情况下，气压通过内轴室的液体施加在土样周围。此时改变外轴室的气压大小，便可改变对土样施加的围压大小；由于内、外测压管同时在外轴室提供的相同的气压下，压差传感器测得的压差便反应了周围测压管的液面变化情况。

Claims (8)

1.一种温控体变仪，包括外轴室(1)和内轴室(2)，外轴室(1)和内轴室(2)都扣装在底座(3)上；其特征在于：

在所述的底座(3)内设有5根外端与外部连通的管道，其中两根管道的内端与外轴室(1)内连通，3根管道的内端与内轴室(2)内连通；与外轴室(1)内连通的管道为管道a、管道e，与内轴室(2)内连通的管道为管道b、管道c、管道d；

在内轴室(2)顶部设有一根与内轴室(2)内部相通的内测压管(6)，内测压管(6)置于外轴室(1)中；

在底座(3)上设有一根置于外轴室(1)中、并位于内轴室(2)外的外测压管(7)，外测压管(7)下端与底座(3)内所述的管道a连接；

在底座(3)的中央位置形成有一凸台(4)，凸台(4)被包封在内轴室(2)内部，凸台(4)中设有通过底座(3)与外部连通的所述的管道d；

在外轴室(1)顶端安有一根通向外部的顶管(5),可以为与外轴室(1)相连的内、外测压管提供相同的气压。

2.根据权利要求1所述的温控体变仪，其特征在于：外轴室(1)和内轴室(2)都通过螺栓固定底座(3)上，并用密封圈进行密封。

3.根据权利要求1所述的温控体变仪，其特征在于：内测压管(6)和内轴室(2)之间通过螺纹连接，用生料带密封。

4.根据权利要求1所述的温控体变仪，其特征在于：外测压管(7)下端通过螺纹与管道a连接，并用生料带密封。

5.根据权利要求1所述的温控体变仪，其特征在于：所述的凸台(4)为φ62mm×h20mm。

6.一种应用权利要求1所述的温控体变仪在低温下进行实验的方法，其步骤为：

1)、制备土样；

2)、土样制备完成后，套上橡皮膜，与内轴室内部空间隔绝不透水；将土样安装在底座(3)的凸台(4)上，上部通过软管与底座(3)的管道c连通，密封；下部与管道d连通；使得土样上端的水可以通过管道c流出，土样下端的水可以通过管道d流出；

3)、安装内轴室(2)；

4)、将内测压管(6)安在内轴室(2)上，将外测压管(7)安在底座(3)上；

5)、安装外轴室(1)；

6)、将管道a、管道b外端先连通，向内加入乙二醇溶液，至液面高度到达内测压管(6)内停止，此时内、外测压管的液面高度相同；然后关闭阀门再将管道a和管道b外接压差传感器的两端；压差传感器的输出信号接入电脑或信号处理装置，对压差进行测量，得到内测压管(6)液面变化情况；

7)、管道c、管道d外接压力传感器和反压装置，对测量土样的空隙水压力、对土样施加反压,可以实现用空压机对土样施加反压与用传感器测量土样内部孔隙水压力的功能；

8)、通过管道e，向外轴室(1)加入乙二醇溶液至内测压管(6)液面高度处，关闭阀门；

9)、外轴室(1)顶部的顶管(5)外接限压阀，再接空气压缩机向外轴室(1)输入压缩空气，根据实验计划确定外轴室的气压大小；

10)、将整个实验装置放入可温控的冷浴箱内，温度控制情况按照实验计划确定；

11)、通过测量压差传感器的输出信号，可以得到内测压管(6)内液面的变化情况，从而计算出土样的体积变化情况。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述的步骤1)中，制备土样是通过实验计划，确定使用土的类型，将土碾碎，过筛，放入烘箱烘干；利用制备土样的三瓣膜制备土样，干土的质量、含水量都根据实验计划计算结果确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述的步骤6)中，压差传感器工作的静压范围为0～800KPa，压差变化范围为0～3KPa。