CN104614256B - 一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，属于岩土工程中的试验仪器技术领域。本发明提出一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，包括加载台架、三轴压力室、压力控制系统、数据量测采集系统、温度控制系统，所述压力控制系统与所述数据量测采集系统相连。本发明实现了对试验温度进行增温也可降温，扩大了温度控制范围，亦可对非饱和土试样进行冷热循环的有益效果。

Description

一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪

技术领域

本发明涉及一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，属于岩土工程中的试验仪器技术领域。

背景技术

土是一种分布广泛、成本低廉、自然环保的建筑材料，广泛应用于岩土工程中，包括边坡、垃圾填埋场、路基及各种土工建筑物（如挡土墙、大坝和隧道等）。土的孔隙中既有水又有空气的土称为非饱和土。非饱和土在自然界分布广泛，地球表面很多区域尤其是浅层的土体往往处于非饱和状态，人工填土、膨胀土、湿陷性黄土等都是典型的非饱和土。非饱和土的剪切模量、抗剪强度等力学特性是岩土工程安全可靠设计的重要依据。为了研究非饱和土的力学特性，利用非饱和土三轴仪对土样进行各种应力路径的室内试验是有效且常用的方法。然而常规的非饱和土三轴仪无法控制温度，大多是在常温下进行试验的。

自然条件下的土体，尤其是浅层的非饱和土，由于受天然气候和周围自然环境的作用，其温度是不断变化的，包括昼夜温差和季节性温度变化等。温度的变化会影响非饱和土的剪切模量、抗剪强度等力学特性，从而引起土体变形甚至破坏。如高放核废料、地下电缆埋设、地热资源的开发等过程中，周围土体温度逐渐升高。温度的变化引起热源附近的非饱和土中的吸力、水气分布等发生变化，进而引起非饱和土热-水-力特性的改变，影响非饱和土的剪切模量，引发变形开裂等问题。又如路基填土温度随着昼夜和四季循环交替而发生变化，在冷热循环过程中土体的物理性质不断发生变化，导致土体的剪切模量、抗剪强度等力学特性发生劣化，引起不均匀沉降等问题，大大增加路基的维护费用。因此，研究温度和冷热循环对非饱和土力学特性的影响有着重要的理论意义和工程应用价值。

对于温控式非饱和土三轴仪，国内外部分单位也进行了研究。在本发明之前，中国专利ZL201110058340.6公开了一种温控式非饱和土三轴压力室系统，该压力室系统在常规GDS非饱和土三轴仪基础上实现了对试验温度的精确控制和量测，可以开展不同温度下的非饱和土三轴试验。然而该装置采用的温度控制系统包括电热板、导线、温度控制器和温度传感器，即该装置只能升高试验温度，不能对土样进行降温。对于自然状态下的土体，由于昼夜和四季交替而引起土体冷热循环，该装置的模拟受限。

VJ非饱和土三轴仪为一种双压力室非饱和土三轴仪，在控制方式以及数据采集等方面全部采用电脑自动控制，通过数字加压系统准确的模拟试样所处的应力状态，可对试样进行不同应力路径的三轴试验。通过压力传感器、轴向荷载传感器、位移传感器和体变仪可及时反馈试样的压力状态、体积变化量和位移变化量，从而实现对试验过程高精度地控制和自动化采集。VJ非饱和土三轴仪采用双压力室系统，内外压力室水相通，保证内外压力相等，从而阻止由于内压力室壁变形而引起量测土体积变化的误差。然而VJ非饱和土三轴仪不能控制试验过程的温度，无法满足考虑温度和冷热循环影响的非饱和土试验要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，来实现对非饱和土进行试验的温度控制，同时对非饱和土试样进行冷热循环。

本发明采用如下技术方案：一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，包括加载台架、三轴压力室、压力控制系统、数据量测采集系统、温度控制系统，所述压力控制系统与所述数据量测采集系统相连，所述三轴压力室包括外压力室、内压力室，所述外压力室包括外压力室壁、外压力室顶盖、外压力室固定螺杆、外压力室底座，所述外压力室顶盖通过所述外压力室固定螺杆固定设置于所述外压力室底座上，所述外压力室底座与所述加载台架固定连接；所述内压力室包括内压力室壁、内压力室顶盖、内压力室固定螺杆、内压力室底座，所述内压力室顶盖通过所述内压力室固定螺杆固定设置于所述内压力室底座上，所述内压力室底座上方设置有固定连接的试样底座，所述内压力室底座通过升降台与所述加载台架相连，所述试样底座上部内嵌陶土板，所述陶土板上方从下到上依次为试样、透水石、试样帽。

优选地，压力控制系统包括围压控制器、反压控制器、轴压控制器、气压控制器，围压控制器同时与外压力室围压接口和内压力室围压接口相连，围压控制器可对内压力室和外压力室施加相等的围压以消除内压力室壁变形而引起体变量测误差；反压控制器与陶土板底部的反压接口相连，可对试样施加孔隙水压力；轴压控制器与轴压接口相连，通过抬升升降台可对试样施加一定的轴压；气压控制器通过气压接口与试样帽相连，可对试样施加孔隙气压力。

优选地，数据量测采集系统包括轴向荷载传感器、竖向位移传感器、孔隙水压力传感器、数据采集器和体变仪；轴向荷载传感器设置于内压力室内，轴向荷载传感器上端通过内压力室活塞杆与外压力室活塞杆相接触，轴向荷载传感器下端与试样帽相接触，外压力室活塞杆通过固定螺栓固定设置于外压力室顶盖上；竖向位移传感器通过支架固定设置于升降台上，竖向位移传感器底端与加载台架相接触；孔隙水压力传感器设置于反压排水口上，用来对试样孔隙水压力变化进行量测；数据采集器与计算机相连，用于采集记录各个传感器的输出数据，轴向荷载传感器、竖向位移传感器、孔隙水压力传感器均与数据采集器相连；体变仪一端与数据采集器相连，体变仪另一端与三轴压力室相连，体变仪用来对内压力室水体积变化进行量测。

优选地，温度控制系统包括螺旋铜管、软管、温度传感器、保温隔热材料层、冷热水循环仪。

优选地，螺旋铜管包括外壁螺旋铜管和内壁螺旋铜管。

优选地，外壁螺旋铜管固定设置于外压力室壁的内侧，外壁螺旋铜管底部通过软管与外压力室底座上的冷热水进水口相连。

优选地，内壁螺旋铜管固定设置于内压力室壁内侧，内壁螺旋铜管顶部的内壁冷热水进水口设置在内压力室壁外侧，内壁螺旋铜管顶部的内壁冷热水进水口通过软管与外壁螺旋铜管顶部的外壁冷热水出水口相连；内壁螺旋铜管底部的内壁冷热水出水口设置于内压力室壁外侧，内壁螺旋铜管底部的内壁冷热水出水口通过软管与外压力室底座上的外壁冷热水出水口相连。

优选地，外压力室底座上的外壁冷热水出水口通过软管与冷热水循环仪相连；外压力室底座上的冷热水进水口通过软管与冷热水循环仪相连。

优选地，温度传感器固定设置于内压力室顶盖上，温度传感器一端设置于内压力室内部，温度传感器另一端则通过导线与冷热水循环仪相连。

优选地，保温隔热材料层设置于外压力室外壁外侧，保温隔热材料层厚度为3~10mm。

本发明所达到的有益效果：（1）在VJ双压力室非饱和土三轴仪基础上改进增加了温度控制系统，可对双压力室的试验温度进行有效控制，开展不同温度下的多种非饱和土三轴试验，可控温度范围为0~80℃；（2）采用螺旋铜管通过冷热水循环仪来实现对试验温度的控制，故可对试验温度进行增温也可降温，扩大了温度控制范围，亦可对非饱和土试样进行冷热循环；（3）对数据的量测和采集实现自动化，对温度控制采用温控式冷热水循环仪，操作简便，且所得数据精确。

附图说明

图1是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的外部连接示意图。

图2是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的结构示意图。

图3是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪沿试样中部的截面图的结构示意图。

图4是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的外压力室底座的俯视图的结构示意图。

图5是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的螺旋铜管的三维效果图。

图中标记的含义：1-固定螺栓，2-外压力室顶盖，3-外压力室固定螺杆，4-内压力室顶盖，5-内压力室活塞杆，6-轴向荷载传感器，7-试样帽，8-试样，9-内压力室壁，10-内壁冷热水出水口，11-软管，12-内压力室底座，13-外压力室壁，14-外压力室围压接口，15-外壁冷热水出水口，16-轴向荷载传感器接口，17-内压力室围压接口，18-反压接口，19-支架，20-竖向位移传感器，21-加载台架，22-软管，23-外压力室活塞杆，24-外压力室排气口，25-内压力室排气口，26-外壁冷热水出水口，27-软管，28-温度传感器，29-内壁冷热水进水口，30-外壁螺旋铜管，31-内壁螺旋铜管，32-透水石，33-保温隔热材料层，34-陶土板，35-内压力室固定螺杆，36-试样底座，37-软管，38-温度传感器接口，39-外压力室进出水口，40-外压力室底座，41-冷热水进水口，42-气压接口，43-孔隙水压力传感器，44-反压排水口，45-升降台，46-轴压接口，47-软管，48-导线，49-冷热水循环仪，50-橡皮圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提出一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，包括加载台架21、三轴压力室、压力控制系统、数据量测采集系统、温度控制系统，压力控制系统与数据量测采集系统相连，如图1所示是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的外部连接示意图。

如图2所示的是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的结构示意图，如图3所示的是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪沿试样中部的截面图的结构示意图，三轴压力室包括外压力室、内压力室，外压力室包括外压力室壁13、外压力室顶盖2、外压力室固定螺杆3、外压力室底座40，外压力室顶盖2通过外压力室固定螺杆3固定设置于外压力室底座40上，外压力室底座40与加载台架21固定连接；内压力室包括内压力室壁9、内压力室顶盖4、内压力室固定螺杆35、内压力室底座12，内压力室顶盖4通过内压力室固定螺杆35固定设置于内压力室底座12上，内压力室底座12上方设置有固定连接的试样底座36，内压力室底座12通过升降台45与加载台架21相连，试样底座36上部内嵌陶土板34，陶土板34上方从下到上依次为试样8、透水石32、试样帽7。

压力控制系统包括围压控制器、反压控制器、轴压控制器、气压控制器，围压控制器同时与外压力室围压接口14和内压力室围压接口17相连，围压控制器可对内压力室和外压力室施加相等的围压以消除内压力室壁9变形而引起体变量测误差；反压控制器与陶土板34底部的反压接口18相连，可对试样8施加孔隙水压力；轴压控制器与轴压接口46相连，通过抬升升降台45可对试样8施加一定的轴压；气压控制器通过气压接口42与试样帽7相连，可对试样8施加孔隙气压力。

数据量测采集系统包括轴向荷载传感器6、竖向位移传感器20、孔隙水压力传感器43、数据采集器和体变仪；轴向荷载传感器6设置于内压力室内，轴向荷载传感器6上端通过内压力室活塞杆5与外压力室活塞杆23相接触，轴向荷载传感器（6）下端与试样帽7相接触，外压力室活塞杆23通过固定螺栓1固定设置于外压力室顶盖2上；竖向位移传感器20通过支架19固定设置于升降台45上，竖向位移传感器20底端与加载台架21相接触；孔隙水压力传感器43设置于反压排水口44上，用来对试样8孔隙水压力变化进行量测；数据采集器与计算机相连，用于采集记录各个传感器的输出数据，轴向荷载传感器6、竖向位移传感器20、孔隙水压力传感器43均与数据采集器相连；体变仪一端与数据采集器相连，体变仪另一端与三轴压力室相连，体变仪用来对内压力室水体积变化进行量测。

温度控制系统包括螺旋铜管、软管、温度传感器28、保温隔热材料层33、冷热水循环仪49；外压力室底座40上的外壁冷热水出水口15通过软管22与冷热水循环仪49相连；外压力室底座40上的冷热水进水口41通过软管47与冷热水循环仪49相连；温度传感器28固定设置于内压力室顶盖4上，温度传感器28一端设置于内压力室内部，温度传感器28另一端则通过导线48与冷热水循环仪49相连；保温隔热材料层33设置于外压力室外壁13外侧，保温隔热材料层33厚度为3~10mm。

如图4所示的是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的外压力室底座的俯视图的结构示意图，外压力室壁13底部中心位置还设置有橡皮圈50，用于外压力室的密封。

如图5所示的是本发明的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪的螺旋铜管的三维效果图，所述螺旋铜管包括外壁螺旋铜管30和内壁螺旋铜管31；外壁螺旋铜管30固定设置于外压力室壁13的内侧，外壁螺旋铜管30底部通过软管37与外压力室底座40上的冷热水进水口41相连；内壁螺旋铜管31固定设置于内压力室壁9内侧，内壁螺旋铜管31顶部的内壁冷热水进水口29设置在内压力室壁9外侧，内壁螺旋铜管31顶部的内壁冷热水进水口29通过软管27与外壁螺旋铜管30顶部的外壁冷热水出水口26相连；内壁螺旋铜管31底部的内壁冷热水出水口10设置于内压力室壁9外侧，所述内壁螺旋铜管31底部的内壁冷热水出水口10通过软管11与外压力室底座40上的外壁冷热水出水口15相连。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，包括加载台架(21)、三轴压力室、压力控制系统、数据量测采集系统、温度控制系统，所述压力控制系统与所述数据量测采集系统相连，所述三轴压力室包括外压力室、内压力室，所述外压力室包括外压力室壁(13)、外压力室顶盖(2)、外压力室固定螺杆(3)、外压力室底座(40)，所述外压力室顶盖(2)通过所述外压力室固定螺杆(3)固定设置于所述外压力室底座(40)上，所述外压力室底座(40)与所述加载台架(21)固定连接；所述内压力室包括内压力室壁(9)、内压力室顶盖(4)、内压力室固定螺杆(35)、内压力室底座(12)，所述内压力室顶盖(4)通过所述内压力室固定螺杆(35)固定设置于所述内压力室底座(12)上，所述内压力室底座(12)上方设置有固定连接的试样底座(36)，所述内压力室底座(12)通过升降台(45)与所述加载台架(21)相连，所述试样底座(36)上部内嵌陶土板(34)，所述陶土板(34)上方从下到上依次为试样(8)、透水石(32)、试样帽(7)；所述压力控制系统包括围压控制器、反压控制器、轴压控制器、气压控制器，所述围压控制器同时与外压力室围压接口(14)和内压力室围压接口(17)相连，所述围压控制器可对内压力室和外压力室施加相等的围压以消除内压力室壁(9)变形而引起体变量测误差；所述反压控制器与所述陶土板(34)底部的反压接口(18)相连，可对试样(8)施加孔隙水压力；所述轴压控制器与轴压接口(46)相连，通过抬升升降台(45)可对试样(8)施加一定的轴压；所述气压控制器通过气压接口(42)与所述试样帽(7)相连，可对试样(8)施加孔隙气压力；所述数据量测采集系统包括轴向荷载传感器(6)、竖向位移传感器(20)、孔隙水压力传感器(43)、数据采集器和体变仪；所述轴向荷载传感器(6)设置于所述内压力室内，所述轴向荷载传感器(6)上端通过所述内压力室活塞杆(5)与外压力室活塞杆(23)相接触，所述轴向荷载传感器(6)下端与所述试样帽(7)相接触，所述外压力室活塞杆(23)通过固定螺栓(1)固定设置于所述外压力室顶盖(2)上；所述竖向位移传感器(20)通过支架(19)固定设置于所述升降台(45)上，所述竖向位移传感器(20)底端与所述加载台架(21)相接触；所述孔隙水压力传感器(43)设置于反压排水口(44)上，用来对试样(8)孔隙水压力变化进行量测；所述数据采集器与计算机相连，用于采集记录各个传感器的输出数据，所述轴向荷载传感器(6)、竖向位移传感器(20)、孔隙水压力传感器(43)均与所述数据采集器相连；所述体变仪一端与所述数据采集器相连，所述体变仪另一端与所述三轴压力室相连，所述体变仪用来对内压力室水体积变化进行量测。

2.根据权利要求1所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述温度控制系统包括螺旋铜管、软管、温度传感器(28)、保温隔热材料层(33)、冷热水循环仪(49)。

3.根据权利要求2所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述螺旋铜管包括外壁螺旋铜管(30)和内壁螺旋铜管(31)。

4.根据权利要求3所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述外壁螺旋铜管(30)固定设置于所述外压力室壁(13)的内侧，所述外壁螺旋铜管(30)底部通过软管(37)与所述外压力室底座(40)上的冷热水进水口(41)相连。

5.根据权利要求4所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述内壁螺旋铜管(31)固定设置于所述内压力室壁(9)内侧，所述内壁螺旋铜管(31)顶部的内壁冷热水进水口(29)设置在所述内压力室壁(9)外侧，所述内壁螺旋铜管(31)顶部的内壁冷热水进水口(29)通过软管(27)与所述外壁螺旋铜管(30)顶部的外壁冷热水出水口(26)相连；所述内壁螺旋铜管(31)底部的内壁冷热水出水口(10)设置于所述内压力室壁(9)外侧，所述内壁螺旋铜管(31)底部的内壁冷热水出水口(10)通过软管(11)与所述外压力室底座(40)上的外壁冷热水出水口(15)相连。

6.根据权利要求5所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述外压力室底座(40)上的外壁冷热水出水口(15)通过软管(22)与所述冷热水循环仪(49)相连；所述外压力室底座(40)上的冷热水进水口(41)通过软管(47)与所述冷热水循环仪(49)相连。

7.根据权利要求6所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述温度传感器(28)固定设置于所述内压力室顶盖(4)上，所述温度传感器(28)一端设置于所述内压力室内部，所述温度传感器(28)另一端则通过导线(48)与所述冷热水循环仪(49)相连。

8.根据权利要求7所述的一种温控式冷热循环非饱和土三轴仪，其特征在于，所述保温隔热材料层(33)设置于所述外压力室外壁(13)外侧，所述保温隔热材料层(33)厚度为3～10mm。