CN109141720B - 一种测量粘土膨胀力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于膨胀土的膨胀力量测技术，涉及一种测量粘土膨胀力的装置。干燥的粘土试样经过底部的透水石吸水膨胀，顶着竖向加载轴向上运动，位移传感器采集位移数据并传输到计算机中，并采用闭环控制算法对数据进行处理。当位移传感器采集的数值与初始位移不同时，计算机驱动伺服电机工作，对竖向加载轴开始施加轴力使竖向加载轴向下移动，当位移传感器采集到的数值回到固定值时，计算机指令伺服电机停止加载，以保证设置的位移值不变。整个装置继续重复上述闭环控制，以使位移一直维持在固定值。经过多次上述循环步骤，最后粘土试样达到饱和状态，整个试验结束，通过荷载传感器测得粘土试样的膨胀力。

Description

一种测量粘土膨胀力的装置

技术领域

本发明属于膨胀土的膨胀力量测技术，涉及一种测量粘土膨胀力的装置。

背景技术

根据《岩土工程基本术语标准》的定义，膨胀力是指土样在限制侧向变形的条件下充分吸水且保持其不发生竖向变形所产生的最大内应力。目前测量膨胀力的方法主要有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法以及恒体积法四种。膨胀反压法，是指土体在无荷条件下充分吸水待其自由膨胀稳定后再施加荷载使土体恢复至初始体积，这种方法在加载过程中，土体发生固结压缩，土体的固结是组成骨架的土颗粒发生破碎、滑移、重组、孔隙比与含水量不断减小的过程。加压膨胀法，主要是在多级荷载作用下与膨胀量的关系曲线得出土体的膨胀力。平衡加压法，是指土体在刚开始发生吸水膨胀，就逐步对土体施加荷载从而使得土样的体积保持不变，直到土体上覆荷载不发生变化而达到稳定时，这种方法土体结构基本不保持一致，较为符合膨胀力的定义，得到广泛的认可。恒体积法，是指土在样吸水膨胀过程中始终保持土体体积不变，同时能够实时测量出土体随着含水量变化时的上覆荷载值(即膨胀力)，直到土样饱和，此时测量出来的膨胀力就是所定义的膨胀力。

目前，大多膨胀力的量测采用的方法为平衡加压法，所得的结果较为接近实际值，但是实际操作中很难控制，因为膨胀过程中很难确定到底需要施加多少荷载才能恰好平衡因膨胀而增加的体积，所以对仪器设备的要求最为精密，最难控制。目前还没有一种可以测量粘土膨胀力精确很高的且比较成熟的装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高精度量测粘土膨胀力的装置，利用荷载传感器、位移传感器、伺服电机和膨胀力测量盒共同完成测量，测量精度高，测量方法成熟可靠，，尤其适用于膨胀力量测精度要求比较高的情况。

本发明的技术方案如下：

一种测量粘土膨胀力的装置，主要由底座F7、粘土试样S10、透水石S22、环刀H18、固定帽C6、支柱C4、横梁B2、位移传感器S3、伺服电机M13、荷载传感器S14、竖向加载轴A15、试样帽M17、放水瓶B19、储水瓶B21和计算机C12组成；

所述的底座F7上设有圆形凹槽，用于放置透水石S22和环刀H18，圆形凹槽的底部设有放水管I8和排水管I16，放水管I8与外部的放水瓶B19相连，放水瓶B19内装有无气纯水W20，为粘土试样S10提供水源；排水管I16与外部的储水瓶B21相连，用于收集排出的水；放水管I8上设有开关阀门aK9，排水管I16上设有开关阀门bK23；

所述的透水石S22共两块，其中一块透水石S22水平置于底座F7的圆形凹槽内，粘土试样S10置于环刀H18内，环刀H18置于透水石S22上；另一块透水石S22置于粘土试样S10的上表面，两块透水石S22将粘土试样S10夹紧，透水石S22与粘土试样S10相接处的表面之间设有滤纸；所述的固定帽C6套装在环刀H18和透水石S22外，固定帽C6的底部与底座F7相接处，并通过螺栓R5将固定帽C6、底座F7和环刀H18连接成为整体；所述的试样帽M17置于上方的透水石S22上，试样帽M17上设有与大气连通的通道，用于排水和排气，试样帽M17的上表面设有凹槽，与竖向加载轴A15相配合；

所述的支柱C4共两个，对称固定安装在底座F7上，并分别位于粘土试样S10的两侧；所述的横梁B2上对称设有两个通孔，通孔与两个支柱C4的位置相对应，通过螺帽N1与通孔的配合，将横梁B2固定在两个支柱C4之间；

所述的伺服电机M13安装在横梁B2下表面的中心位置；所述的荷载传感器S14安装在伺服电机M13的底端；所述的竖向加载轴A15，一端与荷载传感器S14相连，另一端卡在试样帽M17上表面的凹槽内，使试样帽M17与透水石S22紧密接触；竖向加载轴A15上设有一个水平的横杆；通过伺服电机M13为竖向加载轴A15施加竖向的加载力，并通过荷载传感器S14测量加载力大小；

所述的位移传感器S3，安装在其中一个支柱C4的侧面，位于横梁B2下方，位移传感器S3下部的测头与竖向加载轴A15上的横杆相接触；

所述的计算机C12通过数据线W11分别与伺服电机M13、荷载传感器S14和位移传感器S3相连，对采集到的数据进行处理并给出相应的指令。

所述的底座F7上的圆形凹槽与位于下方的透水石S22的直径相同；所述的环刀H18、试样帽M17和位于上方的透水石S22的直径相同。

所述的底座F7、固定帽C6、螺栓R5、支柱C4、横梁B2、竖向加载轴A15和试样帽M17的材质为钢结硬质合金，其硬度约为HRC65。

所述的位移传感器S3为线性位移传感器，测量精度0.01mm。

工作原理：底座F7、粘土试样S10、透水石S22、环刀H18和固定帽C6共同组成膨胀力测量盒，干燥的粘土试样S10经过底部的透水石S22缓慢吸水，粘土试样S10相应地膨胀，膨胀的粘土试样S10会顶着竖向加载轴A15向上运动，附在竖向加载轴A15上的位移传感器S3也会发生位移，位移传感器S3采集位移数据并传输到计算机C12中，并采用闭环控制算法对数据进行处理。设定初始位移值为固定值，当粘土试样S10发生吸水膨胀时，位移传感器S3采集的数值发生变化，当位移传感器S3采集的数值与初始位移不同时，计算机C12驱动伺服电机M13工作，对竖向加载轴A15开始施加轴力使竖向加载轴A15向下移动，当位移传感器S3采集到的数值回到固定值时，计算机C12指令伺服电机M13停止加载，以保证设置的位移值不变。短暂时间内，粘土试样S10继续吸水膨胀，整个装置继续重复上述闭环控制，以使位移一直维持在固定值。经过多次上述循环步骤，最后粘土试样S10达到饱和状态，整个试验结束，通过荷载传感器S14测得粘土试样S10的膨胀力。

本发明的有益效果：

1、本发明可以准确的测量粘土的膨胀力，方法简单可靠，最重要的是此装置成熟稳定，适合大规模推广并生产。

2、本发明利用高精度荷载传感器和位移传感器，避免了初始和终止条件的影响，使测量结果更准确。

3、闭环控制系统是有正反馈的，是一个自我稳定系统，控制后根据结果的反馈再去修正控制，使结果在一个合适的状态，当出现干扰时，可以自动减弱其影响，使测量结果更准确。

4、本发明采用了高硬度的底座和支柱，可以减少在试验过程中仪器本身变形造成的误差，保证了试验的准确性。

5、本发明装置数据量是通过传感器采集的，避免了人工读取数据的误差，使测量结果更准确。

6、本发明的加载装置采用高级伺服电机，极快的动态响应，直线直接驱动系统的主要优点就是避免了弹性、游隙、摩擦和固有振荡的影响，由此可实现较高的动态响应性能和精度。

7、环刀外表面弧线构造可以使固定帽和钢制底座无缝连接，使得环刀、固定帽和钢制底座紧紧固定在一起，避免了粘土在吸水膨胀过程中把环刀顶出，使测量结果更准确。

8、下透水石的尺寸稍比试样大一些，保证了透水石内的水可以充分均匀的进入到试样中，使测量结果更准确。

9、本发明装置采用计算机采集数据和输出命令，比较智能准确，使测量结果更准确。

10、试样帽内部含有与外部大气连通的通道，可以排气和排水，避免了试样在试验过程中粘土内部水和气没法排出产生的附加应力，使测量结果更准确。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图中：N1螺帽；B2横梁；S3位移传感器；C4支柱；R5螺栓；C6固定帽；F7底座；I8放水管；K9开关阀门a；S10粘土试样；W11数据线；C12计算机；M13伺服电机；S14荷载传感器；A15竖向加载轴；I16排水管；M17试样帽；H18环刀；B19放水瓶；W20无气纯水；B21储水瓶；S22透水石；K23开关阀门b。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种测量粘土膨胀力的装置，主要由底座F7、粘土试样S10、透水石S22、环刀H18、固定帽C6、支柱C4、横梁B2、位移传感器S3、伺服电机M13、荷载传感器S14、竖向加载轴A15、试样帽M17、放水瓶B19、储水瓶B21和计算机C12组成；计算机C12连接位移传感器S3、伺服电机M13和荷载传感器S14，可以采集粘土试样S10的位移和轴向力，并可以驱动伺服电机M13工作；放水瓶B19、储水瓶B21、放水管I8、排水管I16和透水石S22连成通路，可以为粘土试样S10提供水源。

位移传感器S3采用线性位移传感器，测量精度0.01mm，量程：±0.50英寸，工作温度：-25℃～85℃。

伺服电机M13的额定电压：380V，功率：0.37KW。

透水石S22分为上下两块，具有很高的渗透性，能使水以2×10^-8m/s的速度通过，同时又具有很低的导气性，并且刚度很大。上方的透水石S22规格为直径61.8mm，高20mm；下方的透水石S22规格为直径64.8mm，高20mm。

环刀H18的内径61.8mm，高20mm，环刀H18下部厚度为1.5mm，厚度逐渐向上部变薄，使环刀H18外表面呈弧线构造。环刀H18外表面弧线构造可以使固定帽C6和底座F7无缝连接，使得环刀H18、固定帽C6和钢制底座F7紧紧固定在一起。

底座F7、固定帽C6、螺栓R5、支柱C4、横梁B2、竖向加载轴A15和试样帽M17均采用钢结硬质合金GT35c1加工制造，其硬度约为HRC65。

具体的安装和工作过程如下：

(1)检查装置的各零件完好无损，并保证装置的清洁度，将底座F7放置在平整的试验台上，将两根支柱C4竖直安插在固定底座F7的安装孔中；横梁B2两端的通孔对准支柱C4，通过螺帽N1将横梁B2固定并保持水平。

(2)制作试样。利用标准压样法、击样法、泥浆样法或者原状样制成直径61.8mm和高度20mm的标准环刀样作为粘土试样S10，并保持粘土试样S10一直处于干燥的状态。

(3)将一个透水石S22水平放置于底座F7的圆形凹槽内，并在透水石S22的上方放置一张同样大小的滤纸；将装有粘土试样S10的环刀H18放置于下方的透水石S22的上并置于圆形凹槽内；把固定帽C6套在环刀H18和透水石S22上，环刀H18外表面弧线构造可以使固定帽C6和底座F7无缝连接，使得环刀H18、固定帽C6和底座F7紧紧固定在一起，并利用螺栓R5紧紧固定。

(4)在粘土试样S10的上方放置一张同样尺寸的滤纸；另一个透水石S22放置于试样S10上方，且使其水平放置；再将试样帽M17置于透水石S22的上方，也使其水平放置。

(5)伺服电机M13固定安装在横梁B2的上，并把荷载传感器S14和竖向加载轴A15安装在伺服电机M13上，通过数据线W11与计算机C12连接。

(6)把位移传感器S3固定安装在其中一个支柱C4上，位移传感器S下部测头与竖向加载轴A15左侧的横杆完全接触，位移传感器S通过采集线W11与计算机C12连接。

(7)放水瓶B19装满无气纯水W20，并置于一定的高度。并把放水瓶B19和下方的透水石S22通过进水管I8进行连接，并保持开关阀门aK9为关闭状态。再把储水瓶B21和下方的透水石S22通过排水管I16进行连接，并保持开关阀门bK23为关闭状态。

(8)开启计算机C12和伺服电机M13，并施加2kPa的预压力使粘土试样S10与上下各部件之间充分接触，静置五分钟。把最终位移传感器S3采集的位移值作为位移固定值，开始试验。

(9)依次打开开关阀门bK23和开关阀门aK9，使放水瓶B19中的水缓慢浸湿下透水石S22，并静置两个小时，保证使无气纯水W20充满整个管路和下方的透水石S22，此时关闭阀门bK23。

(10)保证整个装置正常运行，直到粘土试样S10不再吸水膨胀为止，整个过程计算机C12自动保存所采集的数据，包括位移、轴向力等数值。

(11)试验结束后，首先关闭开关阀门aK9，并卸载轴向力。脱掉试样帽M17，拿掉上方的透水石S22。取下固定帽C6，并把环刀H18和粘土试样S10拿出，去除上下面的滤纸，去测含水量。取下下方的透水石S22，并清洗底座F7的凹槽。

Claims (5)

1.一种测量粘土膨胀力的装置，其特征在于，所述的测量粘土膨胀力的装置主要由底座(F7)、粘土试样(S10)、透水石(S22)、环刀(H18)、固定帽(C6)、支柱(C4)、横梁(B2)、位移传感器(S3)、伺服电机(M13)、荷载传感器(S14)、竖向加载轴(A15)、试样帽(M17)、放水瓶(B19)、储水瓶(B21)和计算机(C12)组成；

所述的底座(F7)上设有圆形凹槽，用于放置透水石(S22)和环刀(H18)，圆形凹槽的底部设有放水管(I8)和排水管(I16)，放水管(I8)与外部的放水瓶(B19)相连，放水瓶(B19)内装有无气纯水(W20)，为粘土试样(S10)提供水源；排水管(I16)与外部的储水瓶(B21)相连，用于收集排出的水；放水管(I8)上设有开关阀门a(K9)，排水管(I16)上设有开关阀门b(K23)；

所述的透水石(S22)共两块，其中一块透水石(S22)水平置于底座(F7)的圆形凹槽内，粘土试样(S10)、 环刀(H18)置于该透水石(H18)上，粘土试样(S10)置于环刀(H18)内；另一块透水石(S22)置于粘土试样(S10)的上表面，两块透水石(S22)将粘土试样(S10)夹紧，两块透水石(S22)与粘土试样(S10)相接处的表面之间均设有滤纸；所述的固定帽(C6)套装在环刀(H18)和透水石(S22)外，固定帽(C6)的底部与底座(F7)相接处，并通过螺栓(R5)将固定帽(C6)、底座(F7)和环刀(H18)连接成为整体；所述的试样帽(M17)置于上方的透水石(S22)上，试样帽(M17)上设有与大气连通的通道，用于排水和排气，试样帽(M17)的上表面设有凹槽，与竖向加载轴(A15)相配合；

所述的支柱(C4)共两个，对称固定安装在底座(F7)上，并分别位于粘土试样(S10)的两侧；所述的横梁(B2)上对称设有两个通孔，通孔与两个支柱(C4)的位置相对应，通过螺帽(N1)与通孔的配合，将横梁(B2)固定在两个支柱(C4)之间；

所述的伺服电机(M13)安装在横梁(B2)下表面的中心位置；所述的荷载传感器(S14)安装在伺服电机(M13)的底端；所述的竖向加载轴(A15)，一端与荷载传感器(S14)相连，另一端卡在试样帽(M17)上表面的凹槽内，使试样帽(M17)与透水石(S22)紧密接触；竖向加载轴(A15)上设有一个水平的横杆；通过伺服电机(M13)为竖向加载轴(A15)施加竖向的加载力，并通过荷载传感器(S14)测量加载力大小；

所述的位移传感器(S3)，安装在其中一个支柱(C4)的侧面，位于横梁(B2)下方，位移传感器(S3)下部的测头与竖向加载轴(A15)上的横杆相接触；

所述的计算机(C12)通过数据线(W11)分别与伺服电机(M13)、荷载传感器(S14)和位移传感器(S3)相连，对采集到的数据进行处理并给出相应的指令。

2.根据权利要求1所述的一种测量粘土膨胀力的装置，其特征在于，所述的底座(F7)上的圆形凹槽与位于下方的透水石(S22)的直径相同；所述的环刀(H18)、试样帽(M17)和位于上方的透水石(S22)的直径相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量粘土膨胀力的装置，其特征在于，所述的底座(F7)、固定帽(C6)、螺栓(R5)、支柱(C4)、横梁(B2)、竖向加载轴(A15)和试样帽(M17)的材质为钢结硬质合金，硬度为HRC65。

4.根据权利要求1或2所述的一种测量粘土膨胀力的装置，其特征在于，所述的位移传感器(S3)为线性位移传感器，测量精度0.01mm。

5.根据权利要求3所述的一种测量粘土膨胀力的装置，其特征在于，所述的位移传感器(S3)为线性位移传感器，测量精度0.01mm。

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