CN104749343A - 一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，属于岩土工程测量仪器制造技术领域。该装置包括多功能试验筒、取芯系统、固定支座、测力组件、端盖、输排水系统、加热烘干系统、透水元件，其中多功能试验筒内置加热线圈孔、透水石和轴向压力传感器，取芯系统包括环刀固定架和环刀，测力组件包括轴向压力传感器和径向压力传感器，端盖通过螺栓与试验筒固定，加热烘干系统包括加热线圈、温度控制器和烘干架。本发明与以往技术相比具以下优点：测试过程中保持土样体积不变，可控制温度，能同时获取土样轴向和径向两条膨胀力时程曲线，能使土样快速烘干，节省干湿循环试验时间，操作简单。

Description

一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪

技术领域：

本发明涉及一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，特别是在膨胀力测试过程中可控制温度、可同时测量轴向及径向的土体膨胀力大小并能快速得到干湿循环作用与土体膨胀力大小的关系，属于岩土工程测量仪器制造技术领域。

背景技术：

膨胀土作为一种广泛分布的土体，其膨胀性质对于交通、水利、建筑等工程建设有着十分重要的影响，膨胀力作为评价膨胀土性质的重要指标之一，其测量的准确性具有十分重要的意义。

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。目前，已知的土体膨胀力测试方法有很多，主要的有膨胀反压法、分级加荷膨胀法和平衡加压法。①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。从其过程上看，可以说是一种固结试验，测量结果偏大。试验采用环刀与固结仪进行。②分级加荷膨胀法通过一系列荷载与膨胀量对应关系曲线确定膨胀力值，曲线中体积变化为零时对应的压力即为膨胀力。该方法实际上并没有直接测量土样膨胀力。试验采用环刀和固结仪进行。③平衡加压法。试样浸水后，当开始产生膨胀时就逐级施加较小荷载，直到体积恢复到初始状态，使试样在浸水膨胀过程中始终保持体积不变，最终施加的总荷载即为膨胀力。该方法的测试结果较符合膨胀力定义，但操作复杂，测试结果受人为因素影响大。试验装置主要也是环刀和固结仪。

由上述可见，传统的土体膨胀力测试方法及试验装置存在一定缺陷。为此，本发明对土体膨胀力测试中的主要问题做了以下考虑：①应严格按照定义，在膨胀力测试过程中保持土体体积不变；②由于温度变化对膨胀土性质具有影响，所以测试过程中应考虑温度变化的影响；③轴向膨胀力和径向膨胀力具有相当意义，应同时测定土体的轴径向膨胀力大小；④干湿循环作用对土体性质影响较大，应测定干湿循环作用下土体膨胀力的变化，但由于自然条件下膨胀土的风干需要较长时间，为节省试验时间并减少试验误差，应采取有效的措施实现土样快速烘干。

发明内容：

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试装置，可以精确量测土样的膨胀力，并且在实验过程中可控制土样的温度，可同时测量轴向及径向膨胀力大小，并能加快干湿循环试验时间，快速得到干湿循环作用与土体膨胀力的关系。该仪器具有精度高、构造简单、操作方便的特点。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试装置(图1)，包括多功能试验筒、取芯系统、固定支座、加热烘干系统、测力组件、端盖、输排水系统、透水元件等，分述如下：

多功能试验筒(图4、图5)用高强度陶瓷制造，多功能试验筒壁内开设有加热线圈孔(A3)，顶端外沿对称分布有4个平滑圆孔(A9、A10、A11、A12)和4个螺栓孔(A13、A14、A15、A16)，前者用于与环刀固定架(J2)、烘干架(K)的固定，后者用于与端盖(D)的固定；两个平滑圆孔(A10、A12)旁有电源正负极触点(A6、A5)，电源触点开关(A7)位于多功能试验筒壁；多功能试验筒底部内置轴向压力传感器(A1、A2)和透水石(A4)，轴向压力传感器在下，透水石在上；底部中心圆孔(A8)有与计算机(H)、温度控制器(G)及水箱(E)连接的接头。

取芯系统(图6)包括环刀固定架(J2)和环刀(J1)，其中环刀固定架为金属质，底部对称分布有四个小圆柱，方便与多功能试验筒固定，环刀固定架中心设有一定厚度的圆环(J3)，能保证环刀垂直插入土样中，取出土条。

固定支座(I)，四方，金属质，用于多功能试验筒的固定，底部中心有圆孔(I1)，便于各管线的连接。

加热烘干系统(图7)由加热线圈(K6)、温度控制器(G)和烘干架(K)组成，加热线圈(K6)内置于多功能试验筒(A)中，其通过接线(G1)与温度控制器(G)连接，以控制温度；烘干架包括风扇(K1)、正负极触点(K3、K2)、通气孔(K4)和气流孔(K5)，当烘干架上的正负极触点(K3、K2)与电源正负极触点(A6、A5)对应相接触，打开位于多功能试验筒壁的电源触点开关(A7)，烘干架上的风扇(K1)即可转动，冷空气从通风孔(K4)进入，经过冷热交替，热空气从气流孔(K5)流出，如此，在不扰动土样结构的前提下，使土样快速干燥。

测力组件包括径向压力传感器(B)和轴向压力传感器(A1、A2)和计算机(H)，其中轴向压力传感器(A1、A2)内置于多功能试验筒底部，其为两个圆饼状金属，径向压力传感器(B) 置于土样(C)中心，需利用取芯系统(图6)在土样中心取出土条再将其放入，轴向和径向压力传感器通过数据线(H1、H2)连接计算机(H)后可同时生成两条膨胀力时程曲线。

端盖(D)通过螺栓(D3)与多功能试验筒(A)固定，使土样不发生轴向变形，端盖一侧有顶柱(D2)，螺栓的旋入既起固定作用，也可通过调节其高低使顶柱(D2)对土样进行轻微预压，使位于土样上方的透水石与土样紧密接触，端盖中心有预留圆孔，称端盖中心有预留圆孔(D1)，用于数据线的接入。

输排水系统包括水箱(E)、水箱开关阀(E1)、水表(E2)、导水管(E3)、排水开关阀(E4)和排水管(E5)，导水管(E3)与排水管(E5)连接于多功能试验筒(A)底部，测试土样膨胀力时，打开水箱开关阀(E1)，为土样(C)注水，需要对土体进行烘干时，关闭水箱开关阀(E1)，打开排水开关阀(E4)，进行排水，便于土样烘干。

透水元件为两个透水石(A4、F)，一个内置于多功能试验筒底部，一个在土样上方，土样上方的透水石(F)中间有透水石预留圆孔(F1)，用于数据线的接入。

一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试装置各部分的连接关系如下：多功能试验筒固定于固定支座上；测力组件的轴向压力传感器内置于多功能试验筒底部，径向压力传感器置于土样中间，两个压力传感器通过数据线与计算机相连；端盖通过螺栓固定在多功能试验筒上；输排水系统的导水管、排水管与多功能试验筒连接；透水元件的两块透水石一块内置于多功能试验筒底部，一块置于土样上方；取芯系统用于土样中间土条的取出，以放入径向压力传感器，其在使用时通过环刀固定架固定在多功能试验筒上，取完土条后即取下；加热烘干系统的加热线圈内置于多功能试验筒内，加热线圈与温度控制器相连，当需要对土样进行烘干时，将端盖与置于土样上方的透水石取下，然后将烘干架固定于多功能试验筒上方，即可进行烘干操作。

本发明与现有技术相比较，具有如下较突出的优点：

(1)利用本发明一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，可在试验过程中使土体体积不发生变化，并能控制温度和含水量的变化；

(2)利用本发明一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，能同时从土体内外部测试土样膨胀压力，从而获取轴向和径向两条膨胀力时程曲线；

(3)本发明一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，具加热烘干系统，能使土体快速烘干，节省试验时间，有效获得干湿循环作用与土体膨胀力的关系；

(4)本发明一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，其试验筒为一体式试验筒，具加热、烘干、测量膨胀压力及均匀渗水功能，大大简化了试验操作步骤，使实验结果更加精确。

附图说明：

图1一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪结构示意图

图2是图1的B-B面俯视图

图3是图1的C-C面俯视图

图4多功能试验筒结构示意图

图5多功能试验筒俯视图

图6取芯系统结构示意图

图7加热烘干系统结构示意图

其中：A-多功能试验筒；A1-轴向压力传感器；A2-轴向压力传感器；A3-加热线圈孔；A4-透水石；A5-电源负极触点；A6-电源正极触电；A7-电源触点开关；A8-试验筒底部中心圆孔；A9-平滑圆孔；A10-平滑圆孔；A11-平滑圆孔；A12-平滑圆孔；A13-螺栓孔；A14-螺栓孔；A15-螺栓孔；A16-螺栓孔；B-径向压力传感器；C-土样；D-端盖；D1-端盖中心预留圆孔；D2-顶柱；D3-螺栓；E-水箱；E1-水箱开关阀；E2-水表；E3-导水管；E4-排水管开关阀；E5-排水管；F-透水石；F1-透水石预留圆孔；G-温度控制器；G1-接线；H-计算机；H1-数据线；H2-数据线；I-固定支座；I1-圆孔；J1-环刀；J2-环刀固定架；J3-圆环；K-烘干架；K1-风扇；K2-烘干架负极触点；K3-烘干架正极触点；K4-通风孔；K5-气流孔；K6-加热线圈

具体实施方式：

(1)检查仪器各零部件完好无损，并逐一清洁，清洁后在多功能试验筒中放入适量土样，架上环刀固定架，在环刀外侧涂上润滑油，将环刀垂直插入环刀固定架中心的圆环中，直至底部，取出土条；

(2)将径向压力传感器放入土样中心，亦即步骤1土样取出土条后的空心位置，在土样顶部放置透水石；

(3)将数据线穿过端盖中心预留圆孔，并穿过透水石预留孔，与径向压力传感器接好，然后盖上端盖，通过螺栓的旋入对土体进行轻微预压，使土样与透水石紧密接触，同时 使端盖与多功能试验筒固定；

(4)将多功能试验筒放入固定支座中，连接底部数据线与计算机，连接上部数据线与计算机，连接温度控制器与多功能试验筒，连接导水管；

(5)打开温度控制器，设一定温度，预热，使土样均匀受热；

(6)打开计算机，将初始膨胀力调零；

(7)打开水箱开关阀，根据水表读数控制注入水量，并控制水流速度；

(8)计算机将自动获取轴向及径向膨胀力时程曲线，一旦发现数据异常需终止试验，查明原因，并重复1-6的步骤，如无异常情况，试验继续；

(9)获取膨胀力时程曲线后，保存计算机数据记录，关闭水箱开关阀，打开排水开关阀，架上烘干架，注意对准电源正负极触点与烘干架正负极触点，打开电源触点开关，并调节加热线圈温度，烘干土样；

(10)待土样烘干后，重复步骤5-9，直至干湿循环5次以后，结束测试；

(11)测试结束后，导出全部数据，拔去接线、数据线、导水管等，洗净装置，细心维护，以便下一次实验使用。

Claims (5)

1.一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，其特征在于：包括多功能试验筒、取芯系统、固定支座、加热烘干系统、测力组件、端盖、输排水系统、透水元件；所述多功能试验筒用高强度陶瓷制造，其固定于固定支座上，内开设有加热线圈孔，顶端外沿对称分布有4个平滑圆孔和4个螺丝孔，底部内置轴向压力传感器及透水石；所述测力组件包括径向压力传感器、轴向压力传感器和计算机，轴向压力传感器内置于多功能试验筒底部，径向压力传感器置于土样中间，两个压力传感器通过数据线与计算机相连；所述端盖通过螺栓固定在多功能试验筒上；所述输排水系统包括水箱、水箱开关阀、水表、导水管、排水开关阀和排水管，输排水系统的导水管、排水管与多功能试验筒连接；透水元件为两块透水石，一块内置于多功能试验筒底部，一块置于土样上方；所述取芯系统包括环刀固定架和环刀，用于土样中间土条的取出，以放入径向压力传感器，其在使用时通过环刀固定架固定在多功能试验筒上，取完土条后即取下；所述加热烘干系统包括加热线圈、温度控制器和烘干架，加热线圈内置于多功能试验筒内，加热线圈与温度控制器相连，当需要对土样进行烘干时，将端盖与置于土样上方的透水石取下，然后将烘干架固定于多功能试验筒上方，即可进行烘干操作。

2.根据权利要求1所述的一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，其特征在于：所述多功能试验筒采用高强度陶瓷制作，顶部外沿对称分布有4个平滑圆孔和4个螺丝孔，分别用于和环刀固定架、烘干架及端盖的固定；其中两个平滑圆孔旁有正负极触点，触点开关位于多功能试验筒壁；多功能试验筒壁内开设有加热线圈孔，用于内置加热线圈；多功能试验筒底部内置两个圆饼状轴向压力传感器与透水石，其中轴向压力传感器位于透水石上方。

3.根据权利要求1所述的一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，其特征在于：所述环刀固定架有4根对称的短柱与具有一定厚度的圆环，短柱用于与多功能试验筒的固定，圆环用于在环刀插入时保证环刀垂直。

4.根据权利要求1所述的一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，其特征在于：所述测力组件包括轴向压力传感器、径向压力传感器和计算机，其中轴向压力传感器内置于多功能试验筒底部，径向压力传感器置于土样中心，以内外结合的方式同时测量轴向与径向的土样膨胀力，并能通过计算机获得两条膨胀力时程曲线。

5.根据权利要求1-2所述的一种常体积可控温的轴径向土体膨胀力测试仪，其特征在于：所述加热烘干系统包括加热线圈、温度控制器和烘干架，加热线圈与温度控制器相连，调节温度，烘干架上有风扇、通风孔和气流孔及正负极触点，当烘干架上的正负极触点与电源正负极触点对应相接触，打开位于多功能试验筒壁的电源触点开关，烘干架上的风扇即可转动能使土样快速烘干，操作简便。