CN107422097B - 一种测量土体固结性能和膨胀力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量土体固结性能和膨胀力的装置，涉及土工试验技术领域，包括支架、加载组件、土壤膨胀仪、量力环、智能终端，支架上端设有横梁，横梁的中部竖直设有螺孔；加载组件包括伺服电机，伺服电机传动连接有螺杆，螺杆设于螺孔内，底端连接量力环；土壤膨胀仪设于所述量力环的测量表测量头的正下方，量力环的测量表和土壤膨胀仪的位移表均连接智能终端的输入端，伺服电机连接智能终端的输出端。本发明结构简单合理，体积小，易于组装，操作方便，可实时采集固结压缩和膨胀力数据，并根据采集到的数据自动调节载荷保持恒定不变，能够精确测量不同载荷下的固结压缩性能，同时还可以测量土体恒体积下的膨胀力，测量准确度高。

Description

一种测量土体固结性能和膨胀力的装置

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种测量土体固结性能和膨胀力的装置。

背景技术

膨胀性粘土在建筑、交通等工程领域有广泛应用，其在荷载状态下的固结压缩性能与吸水后产生的膨胀力是评价土体性能的重要指标。膨胀性粘土排水固结压缩形变量较大，当吸水后具有很强的膨胀力，对工程安全产生较大影响，因此，对膨胀性粘土的排水固结压缩性能和吸水膨胀力进行准确的检测具有极其重要的意义。

传统的固结压缩性能测试实验，主要是采用WG型三联单杠杆固结仪，通过砝码利用杠杆原理对测试土样进行荷载调节，而在此过程中测试土体会不断发生形变，从而导致杠杆失去原有的平衡，产生一定的角度偏移，造成土体承受的荷载并非设定的额定荷载数，且试验过程不能确定荷载的具体值，需要根据应力路径不断改变砝码数量调整荷载量，数据的读取麻烦。

在《岩土工程基本技术术语标准》中对土体膨胀力的描述是：膨胀力等于土体吸水后为保持土体体积不变所需要的反作用力。目前，测试土体膨胀力的方法主要有三种，包括膨胀反压法、加压膨胀法和平衡加压法。膨胀反压法是土体充分吸水后膨胀至体积不再发生改变，为使土体恢复到初始体积而施加的荷载力；加压膨胀法是指通过一系列的荷载—膨胀量对应关系曲线确定膨胀力值；平衡加压法是指土体吸水开始膨胀时，逐步施加荷载以维持其体积不变。上述前两种方法测得的膨胀力均与实际结果有较大偏差，采用平衡加压法测得的膨胀力与实际膨胀力较为接近，而在工程实际中，利用平衡加压法测量膨胀力的仪器一般都是通过应力应变的对应关系根据胡克定律计算应力的大小，既要保持测试土样体积不变又要测量较大的膨胀力范围，还要保持测量微小应力变化的敏感性，现有仪器均不能满足上述要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作便捷，能够提供恒定荷载并可随意调节应力路径，能够同时检测土体固结性能和膨胀力，可对固结压缩和膨胀力数据进行自动采集并实时监测，提高了测量准确性的土壤固结性能和膨胀力检测的装置，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种测量土体固结性能和膨胀力的装置，包括支架(1)、加载组件(2)、土壤膨胀仪(3)、量力环(4)、智能终端(5)，所述支架(1)上端可拆卸连接有一横梁(110)，所述横梁(110)的中部竖直设有一螺孔(111)；

所述加载组件(2)包括伺服电机(210)，所述伺服电机(210)固定设置于所述横梁(110)上，所述伺服电机(210)传动连接有一螺杆(211)，所述螺杆(211)设于所述螺孔(111)内；所述螺杆(211)的底端连接所述量力环(4)，所述土壤膨胀仪(3)设于所述量力环(4)的测量表(410)测量头的正下方；

待测量土体(317)置于所述土壤膨胀仪(3)的内部，所述量力环(4)的测量表(410)和所述土壤膨胀仪(3)的位移表(310)均连接所述智能终端(5)的输入端，所述伺服电机(210)连接所述智能终端(5)的输出端。

进一步地：所述支架(1)的底部可拆卸连接有底座(112)，所述土壤膨胀仪(3)设于所述底座(112)上。

进一步地：所述土壤膨胀仪(3)包括水槽(311)，所述水槽(311)内底部通过压板(312)固定设置有下透水石(313)，所述下透水石(313)上设置有环刀(314)，所述环刀(314)内部设有上透水石(315)，所述上透水石(315)上端面盖设有顶盖(316)，所述位移表(310)设于所述顶盖(316)的上方；所述待测量土体(317)置于所述上透水石(315)和所述下透水石(313)之间，所述待测量土体(317)位于所述环刀(314)内部。

进一步地：所述底座(112)上还设有一表架(113)，所述土壤膨胀仪(3)的位移表(310)设于所述表架(113)上。

进一步地：所述表架(113)为开关式万向强磁力表架。

进一步地：所述环刀(314)和所述顶盖(316)均由304不锈钢材料制成，所述环刀(314)的直径为61.8mm，高为20mm。

进一步地：所述测量表(410)和所述位移表(310)均为数显百分表，所述测量表(410)和所述位移表(310)均与所述智能终端通过数据线(6)连接。

进一步地：所述测量表(410)的测量头位于所述顶盖(316)上表面中心位置。

进一步地：测量待测量土体(317)的固结性能时，每当测量表(410)的读数改变0.01mm，智能终端(5)控制伺服电机(210)带动螺杆(211)向下移动，使测量表(410)的读数恢复到改变前的读数。

进一步地：测量待测量土体(317)的膨胀力时，每当位移表(310)的读数改变0.01mm，智能终端(5)控制伺服电机(210)带动螺杆(211)向下移动，提供与所述膨胀力大小相等、方向相反的荷载压力，使位移表(310)的读数恢复到改变前的读数。本发明的有益效果是：结构简单合理，体积小，易于组装，能够精确测量不同载荷下的固结压缩性能，同时还可以测量土体恒体积下的膨胀力，测量过程操作简单方便，可实时采集固结压缩和膨胀力数据，并根据采集到的数据调节自动调节载荷保持恒定不变，测量准确度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的土体固结压缩性能和膨胀力检测装置的结构图。

其中：1-支架；110-横梁；111-螺孔；112-底座；113-表架；2-加载组件；210-伺服电机；211-螺杆；3-土壤膨胀仪；310-位移表；311-水槽；312-压板；313-下透水石；314-环刀；315-上透水石；316-顶盖；317-待测量土体；4-量力环；410-测量表；5-智能终端；6-数据线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，本发明实施例所述的一种测量土体固结性能和膨胀力的装置，包括支架1、加载组件2、土壤膨胀仪3、量力环4、智能终端5，所述支架1上端可拆卸连接有一横梁110，所述横梁110的中部竖直设有一螺孔111；

所述加载组件2包括伺服电机210，所述伺服电机210固定设置于所述横梁110上，所述伺服电机210传动连接有一螺杆211，所述螺杆211设于所述螺孔111内；所述螺杆211的底端连接所述量力环4，所述土壤膨胀仪3设于所述量力环4的测量表410测量头的正下方；

待测量土体317置于所述土壤膨胀仪3的内部，所述量力环4的测量表410和所述土壤膨胀仪3的位移表310均连接所述智能终端5的输入端，所述伺服电机210连接所述智能终端5的输出端。

在本发明的一个具体实施例中，所述支架1的底部可拆卸连接有底座112，所述土壤膨胀仪3设于所述底座112上。

在本发明的一个具体实施例中，所述土壤膨胀仪3包括水槽311，所述水槽311内底部通过压板312固定设置有下透水石313，所述下透水石313上设置有环刀314，所述环刀314内部设有上透水石315，所述上透水石315上端面盖设有顶盖316，所述位移表310设于所述顶盖316的上方，所述待测量土体317置于所述上透水石315和所述下透水石313之间，所述待测量土体317位于所述环刀314内部。

在本发明的一个具体实施例中，所述底座112上还设有一表架113，所述土壤膨胀仪3的位移表310设于所述表架113上。

在本发明的一个具体实施例中，所述表架113为可进行微调的开关式万向强磁力表架。

在本发明的一个具体实施例中，所述环刀314和所述顶盖316均由304不锈钢材料制成，所述环刀314的直径为61.8mm，高为20mm。

本领域技术人员应能理解上述环刀314的直径和高度的数值仅为举例，其他现有的或今后可能出现的环刀314的高度和直径的数值如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。

在本发明的一个具体实施例中，所述测量表410和所述位移表310均为数显百分表，所述测量表410和所述位移表310均与所述智能终端通过数据线6连接。

在本发明的一个具体实施例中，所述测量表410的测量头位于所述顶盖316上表面中心位置。

在本发明的一个具体实施例中，测量待测量土体317的固结性能时，每当测量表410的读数改变0.01mm，智能终端5会自动控制伺服电机210带动螺杆211向下移动，使测量表410的读数恢复到改变前的读数，以保持恒定荷载。

在本发明的一个具体实施例中，测量待测量土体317的膨胀力时，每当位移表310的读数改变0.01mm，智能终端5会自动控制伺服电机210带动螺杆211向下移动，提供与所述膨胀力大小相等、方向相反的荷载压力，使位移表310的读数恢复到改变前的读数，以保持待测量土体317总体积不变。

本发明在具体使用时，首先将底座112与支架1螺纹连接，并用螺母固定，然后将横梁110螺纹连接在支架1上，并用螺母固定，保证横梁110不会发生上下移动。

在环刀314内壁均匀涂抹一薄层凡士林，切取土样，将上下两面修理平整，制成高度为20mm的待测量土体317，并称取环刀314和待测量土体317的质量，其中，土样要经过抽气饱和处理。将待测量土体317放置在下透水石313上，并通过压板312固定，然后在待测量土体317上表面加盖上透水石315，再在上透水石315上覆盖顶盖316，调节横梁110的高度使量力环4的测量表410的测量头与顶盖316恰好接触，最后在水槽311中注入水，使待测量土体317完全浸没于水中，调节好位移表310，使其测量头与顶盖316相接触，记录位移表310的初始读数。

当测量待测量土体317固结性能时，首先通过智能终端5对测量表410和位移表310进行初始化，设置应力路径，智能终端5控制伺服电机210旋转一定角度，带动螺杆211向下移动，进一步带动量力环4向下移动，进而对顶盖316施加与设置的应力路径相对应的荷载，当待测量土体317受到荷载压力时，发生形变，位移表310读数发生变化并自动采集固结压缩数据发送给智能终端5，由于待测量土体317发生形变收缩，导致待测量土体317受到的压力减小，从而测量表410的读数发生相应变化，每当测量表410的读数改变0.01mm，则智能终端5就会自动调节伺服电机210进行相应的动作，带动螺杆211下移，通过量力环4对顶盖316施加向下的压力，使测量表410的读数变化量基本保持在0.01mm，荷载大小变化不会超过0.01KPa，以保证提供预设的恒定的荷载，直到智能终端5判定位移表310的读数稳定时，智能终端5调节伺服电机210驱动螺杆211下移，对待测量土体317加载下一级别的荷载，重复上述实验原理完成固结压缩性能检测。

当检测膨胀力时，智能终端5对测量表410和位移表310进行初始化，在水槽311中加入水后，待测量土体317吸水膨胀，产生竖向形变，位移表310的读数就发生相应变化，每当位移表310读数改变0.01mm，智能终端5接收位移表310的位移信号控制伺服电机210作出相应动作，使螺杆211向下移动，通过量力环4对顶盖316施加与膨胀力大小相等、方向相反的荷载压力，进而控制待测量土体317不发生膨胀，使其不产生竖向变形，使位移表310的读数变化量基本保持在0.01mm内，直到测量表410的读数稳定时，此时螺杆211通过量力环4对试样产生的压力即为此刻待测量土体317的吸水膨胀力，测量表410上采集的数据即为待测量土体317的膨胀力值。

本装置测量时，百分表控制在0.01m变化幅度，荷载变化在0.01kpa变化，则对应膨胀力体积形变与固结压缩的荷载变化基本是不变的，且调节时间短时间效应可以忽略，符合土工实验规范要求。

综上所述，本发明实施例通过智能终端5接收的测量表410和位移表310的数据自动调节伺服电机210，进而驱动螺杆211向下移动对待测量土体317施加荷载，实时监测待测量土体317的荷载变化和形变量，避免了通过调节加载砝码的数量调整荷载的复杂步骤，保证了待测量土体317恒体积状态下的膨胀力测量，提高了对待测量土体317固结性能和膨胀力测量的精确性。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本技术领域的技术人员在本发明揭露的原则和技术范围内，所作的任何修改、等同替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种测量土体固结性能和膨胀力的方法，其特征在于：包括支架、加载组件、土壤膨胀仪、量力环、智能终端，支架上端可拆卸连接有一横梁，横梁的中部竖直设有一螺孔；

加载组件包括伺服电机，伺服电机固定设置于横梁上，伺服电机传动连接有一螺杆，螺杆设于螺孔内；螺杆的底端连接量力环，土壤膨胀仪设于量力环的测量表测量头的正下方；

待测量土体置于土壤膨胀仪的内部，量力环的测量表和土壤膨胀仪的位移表均连接智能终端的输入端，伺服电机连接智能终端的输出端；

支架的底部可拆卸连接有底座，土壤膨胀仪设于底座上；

土壤膨胀仪包括水槽，水槽内底部通过压板固定设置有下透水石，下透水石上设置有环刀，环刀内部设有上透水石，上透水石上端面盖设有顶盖，位移表设于顶盖的上方；待测量土体置于上透水石和下透水石之间，待测量土体位于环刀内部；

底座上还设有一表架，土壤膨胀仪的位移表设于表架上；

表架为开关式万向强磁力表架；

环刀和所述顶盖均由304不锈钢材料制成，环刀的直径为61.8mm，高为20mm，

测量表和位移表均为数显百分表，测量表和位移表均与智能终端通过数据线连接；

测量表的测量头位于顶盖上表面中心位置；

测量待测量土体的固结性能时，每当测量表的读数改变0.01mm，智能终端控制伺服电机带动螺杆向下移动，使测量表的读数恢复到改变前的读数；

测量待测量土体的膨胀力时，每当位移表的读数改变0.01mm，智能终端控制伺服电机带动螺杆向下移动，提供与膨胀力大小相等、方向相反的荷载压力，使位移表的读数恢复到改变前的读数，

待测量的土体置于土壤膨胀仪的内部，

在环刀内壁均匀涂抹一薄层凡士林，切取土样，将上下两面修理平整，制成高度为20mm的试样，并称取环刀和土样的质量，

土样经过抽气饱和处理，将试样放置在下透水石上，并通过压板固定，然后在试样上表面加盖上透水石，再在上透水石上覆盖顶盖，调节横梁的高度使量力环的测量表的测量头与顶盖恰好接触，最后在水槽中注入水，使试样完全浸没于水中，调节好位移表，使其测量头与顶盖相接触，记录位移表的初始读数，

当进行固结压缩性能检测时，首先通过智能终端对测量表和位移表进行初始化，设置应力路径，智能终端控制伺服电机旋转一定角度，带动螺杆向下移动，进一步带动量力环向下移动，进而对顶盖施加一定的荷载，当试样受到荷载压力时，发生形变，位移表读数发生变化并自动采集固结压缩数据发送给智能终端，由于试样发生形变收缩，导致试样受到的压力减小，从而测量表的读数发生相应变化，每当测量表的读数改变0.01mm，则智能终端就自动调节伺服电机进行相应的动作，带动螺杆下移，通过量力环对顶盖施加向下的压力，使测量表恢复到原来的读数，以保证提供恒定的荷载，直到智能终端判定位移表的读数稳定时，智能终端调节伺服电机驱动螺杆下移，对试样加载下一级别的荷载，重复上述实验原理完成固结压缩性能检测，

当检测膨胀力时，智能终端对测量表和位移表进行初始化，在水槽中加入水后，土体试样吸水膨胀，产生竖向形变，位移表的读数就发生相应变化，每当位移表读数改变0.01mm，智能终端接收位移表的位移信号控制伺服电机作出相应动作，使螺杆向下移动，通过量力环对顶盖施加向下的压力，进而控制试样不发生膨胀，使其不产生竖向变形，使位移表的读数恢复到初始读数，直到测量表的读数稳定时，此时螺杆通过量力环对试样产生的压力即为此刻土体试样的吸水膨胀力，测量表上采集的数据即为土体试样的膨胀力值，通过智能终端接收的测量表和位移表的数据自动调节伺服电机，进而驱动螺杆向下移动对试样施加荷载，实时监测试样的荷载变化和形变量，避免了通过调节加载砝码的数量调整荷载的复杂步骤，保证了试样恒体积状态下的膨胀力测量，提高了对土体试样固结压缩性能和膨胀力测量的精确性。