CN105891105B - 一种多边界条件膨胀仪及土体膨胀试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多边界条件膨胀仪及土体膨胀试验方法，包括下部支撑平台、上部固定框架、边界条件模拟机构、载样室和测量机构，所述上部固定框架、边界条件模拟机构、载样室均安装在下部支撑平台上，测量机构安装在上部固定框架中。本发明设计了等刚度柔性边界模拟单元，同时集成了恒体积和恒应力边界模拟单元，与传统的膨胀仪器相比，可在多种边界条件下进行试验，分析边界条件对土体膨胀性能的影响；且本发明可设计不同试验路径，分析试验路径对土体膨胀性能的影响；采用了传感测量装置和数据采集装置，测试精度高，数据采集方便；装置结构简单新颖，操作简便，受人为因素影响小，成本低，数据可靠。

Description

一种多边界条件膨胀仪及土体膨胀试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程与地质工程中室内试验技术领域，更具体地说，涉及一种能够模拟不同边界条件(恒应力、恒体积和等刚度)且可自由设计试验路径的膨胀仪及土体膨胀试验方法。

背景技术

膨胀性土体广泛地分布于世界的各个区域。由于地理位置的限制，许多建筑物不得不建造在基于膨胀性土体的地基上。近年来，在极端气候的影响下，因土体吸水膨胀变形引发地基破坏产生的工程事故经常发生，对人民财产安全造成了极大的影响。相反，利用膨胀性土体的特殊性质，以膨润土为主的缓冲/回填材料也可用于垃圾填埋场、核废物地质处置库等特殊工程的防渗结构中，在此工况下产生的膨胀力对工程结构的影响不容忽视。因此，近年来关于土体的膨胀特性及如何准确测量土体的膨胀指标受到了许多岩土与地质工程领域学者的重视。

目前，学界对土体膨胀性能的研究主要在假定的理想边界条件下开展一维膨胀试验。常用的试验方法可以归结为以下三种：(1)恒体积法；(2)恒应力法；(3)膨胀-加载平衡法。其中，恒体积法包括刚性室法和加载平衡法，刚性室法主要通过刚性结构对试样的轴向膨胀变形进行限制，利用传感器对膨胀力进行测量；加载平衡法则通过不断对试样施加轴向荷载，保持其轴向变形不变，计算累积荷载从而求出膨胀力；恒应力法是向试样施加一个恒定的轴向荷载，使其在该应力下吸水膨胀，利用百分表对其膨胀率进行测量；膨胀-加载平衡法则一般先使试样进行自由膨胀，测量膨胀率，在试样变形稳定后再逐级加载压缩，以此绘制压缩曲线并根据初始孔隙比确定相应的膨胀力。

总的来说，利用以上几种方法可以对土体的膨胀特性进行一定程度的了解。但是，上述测试方法主要模拟了两种极端的边界条件，即恒应力条件和恒体积条件，所获得的膨胀指标也无法反映土体真实的膨胀性能。事实上，在实际的岩土、地质工程环境中，处于不同位置的土体都会对应不同的边界条件，除上述的恒体积与恒应力边界外，还有无数种与结构刚度有关的柔性边界条件。而传统的膨胀试验方法仅能对恒应力或恒体积两种极端边界条件进行模拟，所得结果对实际工程的参考价值也非常有限。因此，完善膨胀试验方法，掌握不同边界条件下土体的膨胀特性，对合理评价膨胀土的工程地质特性及指导膨胀土地区的工程实践具有重要理论意义和现实意义。

在传统的试验方法中，膨胀试验一般利用固结仪完成，在测试方法上存在一些不足之处。如刚性室法中，通常仅通过传感器对试样的膨胀力测量，而对限制结构在试验过程中是否发生变形一般不予考虑，在测试干密度较高的试样时，由于膨胀力较高，限制结构产生的弹性变形非常可观；加载平衡法中，通过不断加载来控制试样的轴向变形，该方法不仅操作繁琐，而且很难保证试样体积恒定；恒应力法中，当初始荷载过高时，在试验初期很容易引起试样压缩变形，该条件下测得的膨胀率必然与真实情况不符。此外，考虑到随着时间的迁移，土体在环境中所处的边界条件也会发生改变，如某些位置的柔性边界条件会随着变形的增加转变为恒体积边界，恒应力边界条件也会随着荷载的增加过渡为恒体积边界等。边界条件的改变必然会对土体的膨胀性能造成影响，而这些问题过去常常被忽略，也无法利用传统的仪器设备进行研究。

综上所述，当前国内外膨胀试验中采用的仪器主要存在以下不足：

(1)仅考虑了恒应力与恒体积两种极端的边界条件，而对实际工程中广泛存在的柔性边界条件缺乏考虑；

(2)常用的边界条件控制方法操作复杂，易受人为因素影响；

(3)试验过程中无法转换边界条件。

经检索，中国专利申请号201510322064.8，申请日为2015年6月2日，发明创造名称为：膨胀土二维膨胀仪；该申请案包括试验台和设置在试验台上的压力室，压力室是由上下相间设置的底板、顶板和前、后相间设置的前夹板、后夹板围成的左右两端开口的方形管状结构，两侧压板、加压板、底板、前夹板和后夹板之间共同围成的空间构成试验土样的容纳空间，滑动机构经柔性绳与设置在试验台上的加载机构相连，传压板上设置有用于测量其竖向位移的第一位移传感器，传力杆上设置有用于测量其水平位移的第二位移传感器；该申请案是一种膨胀土二维膨胀仪，可有效解决膨胀仪同时测得竖向和侧向两个方向的膨胀变形和膨胀力的问题；但该申请案不能改变试样所处的边界条件，并实现多种边界条件(恒压力、恒体积及等刚度)的任意转换，仍需进一步改进。

因此，开发和研制一种操作简便、性能稳定、测量方便、结果可靠、适用于多种边界条件且可实现不同边界转换的膨胀试验仪，对深入研究土体的膨胀特性和指导岩土工程实践具有重要意义。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

为了克服当前国内外膨胀试验中采用仪器存在的不足，本发明提供了一种多边界条件膨胀仪及土体膨胀试验方法；本发明设计了一种基于量力环的柔性边界模拟装置，在整合传统的恒应力、恒体积边界条件模拟机构的基础上，可进行三种边界条件自由切换，可以利用位移与压力传感器精确测量不同边界条件下的膨胀率与膨胀力、边界条件对土体膨胀性能的影响和试验路径对膨胀性能的影响；该仪器较常规的膨胀试验仪同时集成了三种边界条件模拟机构，增加了边界条件转换机构和高精度的位移与压力传感器，具有较好的测试精度，装置构造简单，操作方便。

2.技术方案

为达到上述发明的目的，解决现有的测试方法中存在的问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种多边界条件膨胀仪，包括下部支撑平台、上部固定框架和载样室，下部支撑平台支撑上部固定框架，载样室置于上部固定框架内部，还包括边界条件模拟机构和测量机构，所述的边界条件模拟机构包括恒体积边界模拟单元、恒应力边界模拟单元和等刚度柔性边界模拟单元，可针对试验所需的边界条件，实现三种边界模拟的自由切换；所述的测量机构对试验所需参数进行测量。

更进一步地，所述的上部固定框架包括固定拉杆、第一调节螺母和刚性板，固定拉杆下端与下部支撑平台固定，上端通过第一调节螺母与刚性板连接，第一调节螺母调节刚性板完全固定、只向上移动、只向下移动或自由移动。

更进一步地，所述的恒体积边界模拟单元包括U形限制拉杆和第二调节螺母，U形限制拉杆上端穿过刚性板与第二调节螺母连接。

更进一步地，所述的恒应力边界模拟单元包括一加载装置，该加载装置包括砝码吊盘、杠杆装置、平衡锤、偏心轴和加载拉杆，其中，加载拉杆上端与刚性板固定，下端通过偏心轴与杠杆装置连接；砝码吊盘与杠杆装置前端连接，用于放置砝码进行加载；平衡锤与杠杆装置后端连接，用于对加载装置进行初始调平。

更进一步地，所述的等刚度柔性边界模拟单元包括量力环和调节杆，量力环安装于U形限制拉杆内部，量力环的下端与U形限制拉杆底部接触，上端与调节杆接触；调节杆穿过刚性板，调节杆上下移动决定量力环是否受力。

更进一步地，所述的测量机构包括压力传感器、第一位移传感器、第二位移传感器、测量标杆和数据采集装置；压力传感器上部与U形限制拉杆固定；第一位移传感器安装于U形限制拉杆底部，并与测量标杆接触；第二位移传感器安装于U形限制拉杆中部；数据采集装置通过导线与三个传感器相连，用于在试验过程中对数据进行自动采集与储存。

本发明利用多边界条件膨胀仪进行土体膨胀试验的方法，可针对试验所需的边界条件，实现恒体积边界模拟、恒应力边界模拟和等刚度柔性边界模拟的自由切换；其中，

恒体积边界模拟的控制方式为，同时控制第一调节螺母和第二调节螺母为固定状态；

恒应力边界模拟的控制方式为，控制第一调节螺母为活动状态，第二调节螺母为固定状态；

等刚度柔性边界模拟的控制方式为，控制第一调节螺母为固定状态，第二调节螺母为活动状态。

更进一步地，模拟恒体积边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母，使刚性板固定于固定拉杆上，然后控制第二调节螺母，使U形限制拉杆与刚性板固定；此时，刚性板和U形限制拉杆受第二调节螺母控制相对静止，同时刚性板受第一调节螺母控制无法移动，恒体积边界条件达成；

模拟恒应力边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母活动，使刚性板沿着固定拉杆上下滑动；然后控制第二调节螺母，使U形限制拉杆与刚性板固定；通过调节平衡锤使加载装置初始平衡，最后根据预设的轴向应力，向砝码吊盘中添加砝码，恒应力边界条件达成；

模拟等刚度柔性边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母，使上部固定框架固定；然后控制第二调节螺母，使U形限制拉杆自由活动；再控制调节杆，使量力环上下分别与调节杆、U形限制拉杆接触，此时，当试样吸水膨胀时，试样仅受量力环的限制作用，等刚度柔性边界条件达成。

更进一步地，开展单一边界条件下的土体膨胀试验的步骤为：

1)制备环刀样，将其放入载样室中，然后将载样室放置于载样平台上；

2)根据所需的边界条件，调节达成恒体积边界条件、恒应力边界条件或等刚度柔性边界条件；

3)在边界条件控制基本完成后，对各部分构件进行微调，确保压力传感器与载样室中的试样接触；

4)调整第一位移传感器与测量标杆接触，同时调整第二位移传感器与U形限制拉杆下部接触，并控制数据采集装置中的基础数据清零；

5)设置试验编号，向载样室中注水，开始试验。

更进一步地，以“恒应力-等刚度柔性-恒体积”为实验路径进行多边界条件下的土体膨胀试验的步骤为：

1)制备环刀样，将其放入载样室中，然后将载样室放置于载样平台上；

2)控制第一调节螺母为自由状态，控制第二调节螺母为固定状态，使边界条件切换为恒应力条件；

3)调节平衡锤使加载装置初始处于水平状态，最后根据预设的轴向应力，向砝码吊盘中添加砝码；

4)对各部分构件进行微调，包括调节杠杆装置使压力传感器与载样室接触；调整调节杆，使量力环与刚性板脱离；调节第一位移传感器与测量标杆接触；

5)向载样室中注水，开始试验，同时利用数据采集装置对传感器数据进行采集；当轴向膨胀变形达到预设点时，控制第一调节螺母为固定状态，使刚性板无法继续向上运动；

6)控制调节杆，使量力环向上与调节杆接触，向下与U形限制拉杆接触；同时，调节第二位移传感器与U形限制拉杆底部接触；

7)控制第二调节螺母为自由状态，此时，试样仅受到量力环的限制作用，边界条件切换为等刚度柔性边界条件；

8)当量力环变形达到预设点时，控制第二调节螺母为固定状态，此时，由于受到U形限制拉杆的作用，试样后续产生的膨胀力不再对量力环产生作用，而是直接作用于U形限制拉杆上；同时，由于第一调节螺母处于固定状态，刚性板无法移动，对试样而言，边界条件切换为恒体积边界条件。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种多边界条件膨胀仪，同时集成了恒应力、恒体积和等刚度柔性边界三种边界条件模拟机构，可根据土体所处的不同环境进行模拟，试验结果更符合真实情况；

(2)本发明的一种多边界条件膨胀仪，根据土体在实际工程环境中所处的边界条件，可实现三种边界条件之间的自由切换，以适应不同的试验路径，仪器适用范围广，操作简便，数据可靠；

(3)本发明的一种多边界条件膨胀仪，设计了一套模拟等刚度柔性边界的装置，可实现对不同刚度的柔性边界条件的控制；

(4)本发明的一种多边界条件膨胀仪，采用了新型的传感式测量装置，可实时地对试验过程中试样的膨胀力与膨胀率进行测量，试验精度高。

附图说明

图1为本发明的多边界条件膨胀仪的下部结构示意图；

图2为本发明的多边界条件膨胀仪的上部结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、下部框架；2、下部平台；3、载样平台；4、砝码吊盘；5、杠杆装置；6、平衡锤；7、载样室；8、偏心轴；9、固定拉杆；10、第一调节螺母；11、刚性板；12、加载拉杆；13、U形限制拉杆；14、量力环；15、调节杆；16、第二调节螺母；17、压力传感器；18、第一位移传感器；19、第二位移传感器；20、测量标杆。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1和图2(图2的视角为从图1的右侧看过去)，本实施例的一种多边界条件膨胀仪，包括下部支撑平台、上部固定框架、边界条件模拟机构、测量机构和载样室7，所述上部固定框架、边界条件模拟机构、载样室7均安装在下部支撑平台上，测量机构安装在上部固定框架中。

所述下部支撑平台包括下部框架1和下部平台2，下部框架1为四脚支撑的铁制框架，下部平台2的上、下表面通过螺丝分别与载样平台3、下部框架1固定，下部框架1的主要作用是支撑下部平台2和其他上部结构，所述下部平台2的主要作用是固定上部结构和支撑载样平台3。载样室7置于载样平台3上，载样室7内部设有载样空腔，载样空腔用于盛放试验模具，向空腔内加水可使试样从底部进行饱和。

所述上部固定框架包括两根固定拉杆9，两枚第一调节螺母10和刚性板11，固定拉杆9与第一调节螺母10均以上部结构的中轴线为参照左右对称，固定拉杆9穿过下部平台2并通过螺母与之固定，固定拉杆9上端通过第一调节螺母10与刚性板11连接，其中，刚性板11为一块厚度为3cm的长方形钢制铁板，可通过第一调节螺母10实现自由移动或固定，从而使整个装置沿着固定拉杆9上下自由滑动或固定。上部固定框架的主要作用有两个，一是为仪器上部结构中的其他构件提供支撑，二是可以通过控制第一调节螺母10控制仪器上部结构活动或固定。

所述边界条件模拟机构包括恒体积边界模拟单元、恒应力边界模拟单元和等刚度柔性边界模拟单元，可针对试验所需的边界条件进行选择。其中：

恒体积边界模拟单元包括U形限制拉杆13和第二调节螺母16，U形限制拉杆13为一刚性“U”形框架，其上端穿过刚性板11与第二调节螺母16连接。模拟恒体积边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母10，使刚性板11固定于固定拉杆9上，然后控制第二调节螺母16，使U形限制拉杆13与刚性板11固定。此时，对载样室7而言，在竖直方向上仅受到载样平台3和U形限制拉杆13的限制，刚性板11和U形限制拉杆13受第二调节螺母16控制相对静止，同时刚性板11受第一调节螺母10控制无法移动，整个系统固定，恒体积边界条件达成。

恒应力边界模拟单元包括一加载装置，加载装置包括安装于下部支撑平台上的平衡锤6、杠杆装置5、砝码吊盘4、偏心轴8和加载拉杆12。加载拉杆12上端与刚性板11固定，下端通过偏心轴8与杠杆装置5连接。加载装置的主要工作原理如下：向砝码吊盘4中添加砝码，砝码重力会通过杠杆装置5传递至偏心轴8，进而通过加载拉杆12传递至整个刚性板11，在控制第一调节螺母10使刚性板11不受固定拉杆9作用的条件下，U形限制拉杆13将刚性板11传递来的力反向向下传递至其下端固定的压力传感器17中，通过控制砝码吊盘4中砝码的数量从而调节压力传感器17施加于试样的荷载。

模拟恒应力边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母10活动，使刚性板11沿着固定拉杆9上下滑动；然后控制第二调节螺母16，使U形限制拉杆13与刚性板11固定；通过调节平衡锤6使加载装置初始平衡，最后根据预设的轴向应力，向砝码吊盘4中添加砝码。对载样室7中的试样而言，吸水后可向上发生膨胀变形，同时所受到的轴向荷载保持恒定，恒应力边界条件达成。

等刚度柔性边界模拟单元包括量力环14和调节杆15，量力环14安装在U形限制拉杆13内部，量力环14刚度为2112kN/cm，其上下两端分别与调节杆15和U形限制拉杆13接触，调节杆15穿过刚性板11，可通过旋转调节进行上下移动，从而调节量力环14是否受力。值得说明的是，由于量力环14安装在U形限制拉杆13内部，所以当第二调节螺母16控制U形限制拉杆13固定时，量力环14与整个上部系统隔离，不再受力。该部分构件的工作原理如下：当控制第一调节螺母10固定时，整个上部固定框架在竖直方向上无法移动，使上部结构整体无法活动，同时控制U形限制拉杆13在竖直方向上自由活动，使载样室7中的试样仅受到量力环14的限制作用。

模拟等刚度柔性边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母10，使上部固定框架固定；然后控制第二调节螺母16，使U形限制拉杆13自由活动；再控制调节杆15，使量力环14上下分别与调节杆15和U形限制拉杆13接触，此时，当试样吸水膨胀时，试样仅受量力环14的限制作用，等刚度柔性边界条件达成。

本实施例主要通过控制第一调节螺母10实现整个系统的自由活动或固定；通过控制第二调节螺母16调节U形限制拉杆13活动或固定的状态，实现量力环14是否作用于下方试样。在实际的操作中，同时调节第一调节螺母10与第二调节螺母16的状态，实现对三种边界条件的转变，具体如下：(1)控制第一调节螺母10自由，第二调节螺母16固定，实现恒应力边界条件；(2)控制第一调节螺母10固定，第二调节螺母16固定，实现恒体积边界条件；(3)控制第一调节螺母10固定，第二调节螺母16自由，同时调整调节杆15，使量力环14与U形限制拉杆13接触，实现等刚度柔性边界条件。

所述测量机构包括压力传感器17、第一位移传感器18、第二位移传感器19、测量标杆20和数据采集装置。压力传感器17上部与U形限制拉杆13固定，其量程为0-10kN，精度为0.001kN，压力传感器17下部与载样室7中试样接触，可对试样轴向应力进行实时测量，包括恒应力条件下对试样施加的荷载，和其他条件下试样产生的膨胀力；第一位移传感器18安装在U形限制拉杆13的底部，与测量标杆20接触，其量程为0-50mm，精度为0.01mm；第一位移传感器18与测量标杆20配合可对整个上部结构的位移进行测量，测量标杆20则用于测量上部结构的位移；第二位移传感器19安装在U形限制拉杆13中部，可对量力环14的变形进行测量，其量程为0-10mm，精度为0.01mm。以上所有传感器均与相应的数据采集装置连接，整个测试过程可实现自动化数据采集与储存。

本实施例开展单一边界条件下的土体膨胀试验的典型步骤为：

(1)制备环刀样，将其放入载样室7中，然后将载样室7放置于载样平台3上；

(2)根据所需的边界条件，按照上述的操作方法进行调节，如恒体积条件控制第一调节螺母10与第二调节螺母16均为固定状态；恒应力条件控制第一调节螺母10自由，第二调节螺母16固定；等刚度柔性条件控制第一调节螺母10固定，第二调节螺母16自由，同时调整调节杆15的位置；

(3)在边界条件控制基本完成后，对各部分构件进行微调，确保压力传感器17与载样室7中的试样接触，其它限制条件保持良好；

(4)调整第一位移传感器18与测量标杆20接触，同时调整第二位移传感器19与U形限制拉杆13下部接触，通过电脑操作，使采集软件中的基础数据清零；

(5)设置试验编号，向载样室7中注水，开始试验。

实施例2

本实施例的一种多边界条件膨胀仪，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例通过同时调节第一调节螺母10和第二调节螺母16的活动状态，控制刚性板11、U形限制拉杆13和量力环14为活动或固定，从而实现三种边界条件间的自由切换。下面结合“恒应力——等刚度柔性——恒体积”这一试验路径阐述本实施例进行多边界条件下的膨胀试验的具体操作：

(1)制备环刀样，将其放入载样室7中，然后将载样室7放置于载样平台3上；

(2)控制第一调节螺母10为自由状态，控制第二调节螺母16为固定状态，使仪器的边界模拟装置切换为恒应力条件；

(3)调节平衡锤6使加载装置初始处于水平状态，向砝码吊盘4中添加砝码，使得轴向荷载等于100kPa；

(4)对各部分构件进行微调，包括调节杠杆装置5使压力传感器17与载样室7轻微接触；调整调节杆15，使量力环14与刚性板11脱离；调节第一位移传感器18与测量标杆20接触；

(5)向载样室7中注水，开始试验，同时利用自动采集装置对传感器数据进行采集；当轴向膨胀变形达到预设点时，控制第一调节螺母10为固定状态，使刚性板无法继续向上运动；

(6)通过控制调节杆15，使量力环14向上与调节杆15接触，向下与U形限制拉杆13接触；同时，调节第二位移传感器19与U形限制拉杆13底部接触；

(7)控制第二调节螺母16为自由状态，此时，试样仅受到量力环14的限制作用，边界条件切换为等刚度柔性边界；

(8)当量力环14变形达到预设点时，控制第二调节螺母16为固定状态，此时，由于受到U形限制拉杆13的作用，试样后续产生的膨胀力不再对量力环14产生作用，而是直接作用于U形限制拉杆13上；同时，由于第一调节螺母10处于固定状态，刚性板11无法移动，对试样而言，整个系统处于恒体积状态。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多边界条件膨胀仪，包括下部支撑平台、上部固定框架和载样室(7)，下部支撑平台支撑上部固定框架，载样室(7)置于上部固定框架内部，其特征在于：还包括边界条件模拟机构和测量机构，所述的边界条件模拟机构包括恒体积边界模拟单元、恒应力边界模拟单元和等刚度柔性边界模拟单元，可针对试验所需的边界条件，实现三种边界模拟的自由切换；所述的测量机构对试验所需参数进行测量，其中：

所述的恒体积边界模拟单元包括U形限制拉杆(13)和第二调节螺母(16)，U形限制拉杆(13)上端穿过刚性板(11)与第二调节螺母(16)连接；

所述的恒应力边界模拟单元包括一加载装置，该加载装置包括砝码吊盘(4)、杠杆装置(5)、平衡锤(6)、偏心轴(8)和加载拉杆(12)，其中，加载拉杆(12)上端与刚性板(11)固定，下端通过偏心轴(8)与杠杆装置(5)连接；砝码吊盘(4)与杠杆装置(5)前端连接，平衡锤(6)与杠杆装置(5)后端连接；

所述的等刚度柔性边界模拟单元包括量力环(14)和调节杆(15)，量力环(14)安装于U形限制拉杆(13)内部，量力环(14)的下端与U形限制拉杆(13)底部接触，上端与调节杆(15)接触；调节杆(15)穿过刚性板(11)，调节杆(15)上下移动决定量力环(14)是否受力。

2.根据权利要求1所述的一种多边界条件膨胀仪，其特征在于：所述的上部固定框架包括固定拉杆(9)、第一调节螺母(10)和刚性板(11)，固定拉杆(9)下端与下部支撑平台固定，上端通过第一调节螺母(10)与刚性板(11)连接，第一调节螺母(10)调节刚性板(11)完全固定、只向上移动、只向下移动或自由移动。

3.根据权利要求2所述的一种多边界条件膨胀仪，其特征在于：所述的测量机构包括压力传感器(17)、第一位移传感器(18)、第二位移传感器(19)、测量标杆(20)和数据采集装置；压力传感器(17)上部与U形限制拉杆(13)固定；第一位移传感器(18)安装于U形限制拉杆(13)底部，并与测量标杆(20)接触；第二位移传感器(19)安装于U形限制拉杆(13)中部；数据采集装置通过导线与三个传感器相连，用于在试验过程中对数据进行自动采集与储存。

4.利用权利要求1～3任一项所述的多边界条件膨胀仪进行土体膨胀试验的方法，其特征在于：可针对试验所需的边界条件，实现恒体积边界模拟、恒应力边界模拟和等刚度柔性边界模拟的自由切换；其中，

恒体积边界模拟的控制方式为，同时控制第一调节螺母(10)和第二调节螺母(16)为固定状态；

恒应力边界模拟的控制方式为，控制第一调节螺母(10)为活动状态，第二调节螺母(16)为固定状态；

等刚度柔性边界模拟的控制方式为，控制第一调节螺母(10)为固定状态，第二调节螺母(16)为活动状态。

5.根据权利要求4所述的一种土体膨胀试验的方法，其特征在于：

模拟恒体积边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母(10)，使刚性板(11)固定于固定拉杆(9)上，然后控制第二调节螺母(16)，使U形限制拉杆(13)与刚性板(11)固定；此时，刚性板(11)和U形限制拉杆(13)受第二调节螺母(16)控制相对静止，同时刚性板(11)受第一调节螺母(10)控制无法移动，恒体积边界条件达成；

模拟恒应力边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母(10)活动，使刚性板(11)沿着固定拉杆(9)上下滑动；然后控制第二调节螺母(16)，使U形限制拉杆(13)与刚性板(11)固定；通过调节平衡锤(6)使加载装置初始平衡，最后根据预设的轴向应力，向砝码吊盘(4)中添加砝码，恒应力边界条件达成；

模拟等刚度柔性边界条件的具体操作为：先控制第一调节螺母(10)，使上部固定框架固定；然后控制第二调节螺母(16)，使U形限制拉杆(13)自由活动；再控制调节杆(15)，使量力环(14)上下分别与调节杆(15)、U形限制拉杆(13)接触，此时，当试样吸水膨胀时，试样仅受量力环(14)的限制作用，等刚度柔性边界条件达成。

6.根据权利要求5所述的一种土体膨胀试验的方法，其特征在于：开展单一边界条件下的土体膨胀试验的步骤为：

1)制备环刀样，将其放入载样室(7)中，然后将载样室(7)放置于载样平台(3)上；

2)根据所需的边界条件，调节达成恒体积边界条件、恒应力边界条件或等刚度柔性边界条件；

3)在边界条件控制基本完成后，对各部分构件进行微调，确保压力传感器(17)与载样室(7)中的试样接触；

4)调整第一位移传感器(18)与测量标杆(20)接触，同时调整第二位移传感器(19)与U形限制拉杆(13)下部接触，并控制数据采集装置中的基础数据清零；

5)设置试验编号，向载样室(7)中注水，开始试验。

7.根据权利要求6所述的一种土体膨胀试验的方法，其特征在于：以“恒应力-等刚度柔性-恒体积”为实验路径进行多边界条件下的土体膨胀试验的步骤为：

1)制备环刀样，将其放入载样室(7)中，然后将载样室(7)放置于载样平台(3)上；

2)控制第一调节螺母(10)为自由状态，控制第二调节螺母(16)为固定状态，使边界条件切换为恒应力条件；

3)调节平衡锤(6)使加载装置初始处于水平状态，最后根据预设的轴向应力，向砝码吊盘(4)中添加砝码；

4)对各部分构件进行微调，包括调节杠杆装置(5)使压力传感器(17)与载样室(7)接触；调整调节杆(15)，使量力环(14)与刚性板(11)脱离；调节第一位移传感器(18)与测量标杆(20)接触；

5)向载样室(7)中注水，开始试验，同时利用数据采集装置对传感器数据进行采集；当轴向膨胀变形达到预设点时，控制第一调节螺母(10)为固定状态，使刚性板(11)无法继续向上运动；

6)控制调节杆(15)，使量力环(14)向上与调节杆(15)接触，向下与U形限制拉杆(13)接触；同时，调节第二位移传感器(19)与U形限制拉杆(13)底部接触；

7)控制第二调节螺母(16)为自由状态，此时，试样仅受到量力环(14)的限制作用，边界条件切换为等刚度柔性边界条件；

8)当量力环(14)变形达到预设点时，控制第二调节螺母(16)为固定状态，此时，由于受到U形限制拉杆(13)的作用，试样后续产生的膨胀力不再对量力环(14)产生作用，而是直接作用于U形限制拉杆(13)上；同时，由于第一调节螺母(10)处于固定状态，刚性板(11)无法移动，对试样而言，边界条件切换为恒体积边界条件。