CN109142082A - 一种非饱和土高温高压高吸力三轴仪及制样模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非饱和土高温高压高吸力的三轴仪及制样模具，包括：台架和压力室、轴向加载活塞和荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水电气控制柜和具有特殊构造的温控箱。本发明研发了两种型号：高温‑高压‑低吸力型和高温‑高压‑高吸力型。前者工作温度范围从常温到150℃左右，围压范围从0到10MPa，吸力范围从0到1.5MPa，适用于一般非饱和土；后者的工作温度范围和围压范围与前者相同，但吸力可从0到500MPa，适用于缓冲/回填材料。本发明配套的制样装置及模瓣式制样模具，使制样和脱模都很便捷，提高了工作效率，减少了在脱模过程中对试样的扰动，同时克服了用传统方法制备高密度试样时试样不易脱模的困难。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程测试设备技术领域，尤其涉及一种非饱和土高温高压高吸力三轴仪及制样模具。
背景技术
缓冲/回填材料具有很高的吸力(可达数百兆帕)，长期在高温(100℃左右) 和高压下工作，如此特殊的工程材料和严酷的工作条件在土木工程中迄今未曾遇到。为了给我国深地质库的设计提供科学依据，研究缓冲/回填材料的热力学特性是当务之急，但现有土工三轴仪不能控制试验温度、不能测试土样吸力(特别是高吸力)，因而对揭示具有高吸力、在高温环境中工作的缓冲/回填材料的热力学特性规律、测定其变形强度参数无能为力现有土力学试验设备均对此无能为力。为此，特研制成高温-高压-高吸力土工三轴仪及其制样模具。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非饱和土高温高压高吸力三轴仪及制样模具，旨在揭示缓冲/回填材料的热力学特性规律、测定其变形强度参数，为我国高放废物深地质处置库的设计提供科学依据。
本发明是这样实现的，一种非饱和土高温高压高吸力的三轴仪，所述非饱和土高温高压高吸力的三轴仪包括：具有特殊构造的温控箱、台架和压力室、轴向加载活塞和轴向荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/ 数据采集处理系统、水电气控制柜。
进一步，所述温控箱的加热元件置于侧面；内表面为不锈钢板；在电热鼓风温控箱侧壁设有3个直径2cm的贯穿孔。
进一步，所述台架和压力室均用特殊合金加工而成；在压力活塞轴套上部设置一个小水室。
进一步，在三轴仪底座上安装高进气值陶土板；在试样底座专门刻设螺旋槽，水从底座中心进入螺旋槽。
进一步，轴向加载部件固定于台架横梁下方，是一圆柱形液压活塞，内装纯净无气水。活塞下端连接轴向荷载传感器。
进一步，所述精密量测装置是一支装在有机玻璃罩中的注射器，与内压力室联结；经过气压调压阀输出的压缩空气进入精密体变量测装置的有机玻璃罩；注射器的位移用安装传感器的百分表量测，百分表每走一格，代表的体变为 0.006cm3；在注射器的活塞顶端开有通气孔。
本发明的另一目的在于提供一种所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪使用的制样装置，所述制样装置为模瓣式，由三个模瓣组成。
进一步，所述制样模具的使用方法包括：
制样前，先给三瓣模内面抹一点凡士林；土样分5层压实，层间挫毛；
土样压成后，松开三瓣膜固定螺钉，将三瓣模连同土样放置在平板上，去掉三瓣模。
本发明提供的非饱和土高温高压高吸力三轴仪及制样模具，与传统土工三轴仪相比，本发明的优点是：①传统土工三轴仪只能做普通常温下的试验，而本发明能在从常温到150℃左右的温度范围内工作；②传统土工三轴仪不能做非饱和土的试验，而本发明设备不仅能够做低吸力范围(0—1MPa)的非饱和土试验，而且能做高吸力范围的非饱和土试验，吸力最高可达500MPa；③传统土工三轴仪的围压低于1MPa，而本发明设备的围压范围可从零到10MPa；④传统三轴仪不能做控制温度和吸力为常数的湿干循环试验，而本发明设备可方便地实现；⑤本发明获得了两种型号的设备：高温-低围压-低吸力型和高温-高压-高吸力型，用以模拟不同的工作环境条件，分别适用于一般非饱和土与缓冲/ 回填材料；⑥本发明配套的模瓣式制样装置，制样和脱模都很便捷，提高了工作效率，减少了在脱模过程中对试样的扰动，同时克服了用传统方法制备高密度试样时试样不易脱模的困难。使用本发明的模瓣式制样模具，制备一个三轴试样的时间不超过10min，而传统制样方法超过60min且无法准确控制试样密度。
附图说明
图1a是本发明实施例提供的非饱和土高温高压低吸力三轴仪结构示意图；
其中：图1a-Ⅰ是非饱和土高温高压低吸力三轴仪设备整体结构示意图；
图1a-Ⅱ是非饱和土高温高压低吸力三轴仪台架和压力室结构示意图；
图1b是本发明实施例提供的非饱和土高温高压高吸力三轴仪结构示意图；
其中：图1b-Ⅰ是非饱和土高温高压高吸力三轴仪设备整体结构示意图；
图1b-Ⅱ是非饱和土高温高压高吸力三轴仪台架和压力室结构示意图；
图2是本发明实施例提供的制样装置结构示意图。
图1a中：1、台架；1-1、台架横梁；1-2、台架立柱；1-3、台架底板；2、压力室；2-1、小水室；2-2、压力室活塞杆；2-3、压力室罩；2-4、试样帽；2-5-1、进气多孔铜板；2-6、试样及外套乳胶膜；2-7-1、高进气值陶土板；2-7-2、螺旋槽；2-8-1、低吸力型压力室底座；2-9-1、气压力管路；3、轴向加载活塞；4-1、轴向荷载传感器；4-2、位移传感器；4-3、精密体变量测装置；4-3-1、有机玻璃罩；4-3-2、注射器；4-3-3、注射器通气孔；4-3-4、百分表；4-4、排水量量测管； 5-1、步进电机；5-3、采集控制系统；6-1、低吸力型水电气压力控制柜；7、温控箱；7-1、温控箱测试孔；9-1、轴向加压活塞进水管路；9-2、气体管路；9-3、围压管路；9-4、排水管路；9-5、气泡冲洗管路；10、数据采集线。
图1b中：1、台架；1-1、台架横梁；1-2、台架立柱；1-3、台架底板； 2、压力室；2-1、小水室；2-2、压力室活塞杆；2-3、压力室罩；2-4、试样帽；2-5-2、试样顶部的多孔不锈钢板；2-6、试样；2-7-3、试样底部的多孔不锈钢板；2-8-2、高吸力型压力室底座；2-9-2、压力室内气体循环管路；2-10、过气土工布；3、轴向加载活塞；4-1、轴向荷载传感器；4-2、位移传感器；5-1、步进电机；5-2、GDS压力/体积控制器；5-3、采集控制系统；6-2、高吸力型水电气压力控制柜；7、温控箱；7-1、温控箱管线穿进孔；8-1、盐溶液罐；8-2、蠕动泵；9-1、轴向加压活塞进水管路； 9-2、气体管路；9-3、围压管路；9-6、吸力控制气体循环管路I；9-7、吸力控制气体循环管路II；10、数据采集线。
图2中：11、制样装置及设备；11-1、三瓣膜；11-2、制样模具底座； 11-3、压样活塞；11-4、高度控制环；11-5、台架；11-6、千斤顶；11-7、三瓣膜固定螺钉；11-8、试样。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并限定用于本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的非饱和土高温高压高吸力的三轴仪包括两种型号：高温-高压-低吸力型(图1a)和高温-高压-高吸力型(图1b)。高温-高压-低吸力型(图1a)的工作温度范围从常温到150℃左右，围压范围从0到 10MPa，吸力范围从0到1.5MPa，适用于一般非饱和土；高温-高压-高吸力型(图1b)后者的工作温度范围和围压范围与前者相同，但吸力可从0到 500MPa，适用于缓冲/回填材料。
两种型号的设备照片分别如图1a和图1b所示，二者的主要部件基本相同，主要由具有殊构造的温控箱(7)、台架(1)和压力室(2)、轴向加载活塞(3) 和荷载传感器(4-1)及位移传感器(4-2)、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统(5-1、5-2、5-3)、水电气控制柜(图1a的6-1和图1b的6-2) 等部件组成。
(1)具有殊构造的温控箱
为满足高温、高压和高吸力的需要，对温控箱(7)的内部尺寸、构造和材料进行了专门设计。温控箱的内部空间尺寸是80cm×80cm×100cm；加热元件置于侧面，工作温度范围为20—300℃，温度波动范围为±1℃；内表面为不锈钢板，底板可承受150kg的重量，以放置三轴仪的台架(1)、压力室(2) 和控制试样吸力的盐溶液罐(图1b的8-1)；为便于各种联结温控箱内、外部件的管道和信号线穿过，在温控箱(7)侧壁设有3个直径2cm的贯穿孔(7-1)。
(2)台架与压力室.
台架(1)和压力室(2)均用特殊合金加工而成，不生锈，热膨胀系数很小(与殷钢接近)；压力室(2)的侧壁厚1cm，能承受的最大围压为10MPa，可用于常温、高温和高压环境的试验；与压力室(2)及轴向加载活塞(3)相连的水、气管道(共7条)均采用内径1mm、外径3.2mm的不锈钢管，能承受100个大气压(大于10MPa)，在温度较高时不会发生明显的膨胀，对提高体变、排水的量测精度和减少恒温箱(7)内外热量交换有利。
非饱和土的温控试验历时较长，为了防止试验温度较高时压力室中的水从压力室活塞杆(2-2)与其轴套之间蒸发渗漏，在压力活塞轴套上部专门设置了一个小水室(2-1)，其中的水压力与压力室中的水压力相等，因而压力室(2) 中的水与小水室(2-1)中的水就不会互相侵入。由于有压力水源不断补充，故小水室(2-1)中始终充满着水。当试验温度高于80℃时，水易蒸发，则用硅油取代小水室(2-1)里的水。
(3)吸力的施加和控制
如试验的吸力不超过1500kPa，就选用图1a所示的高温-高压-低吸力型设备，利用轴平移技术施加吸力。在三轴仪底座(图1a的2-8-1)上安装一高进气值陶土板(2-7-1)，其进气值是为1500kPa。饱和的陶土板(2-7-1)透水不透气，试样中的水可通过陶土板(2-7-1)排出，气体则不能直接通过，从而可实现水、气的独立控制，进而可控制基质吸力。溶解在水中的气体可随水一起透过陶土板(2-7-1)而积聚在陶土板(2-7-1)下面，在试样底座专门刻设螺旋槽 (2-7-2)，水从压力室底座(图1a的2-8-1)中心进入螺旋槽(2-7-2)，最后从螺旋槽(2-7-2)末端流出，这样即可冲走陶土板下的气泡，提高量测排水量的精度。
如试验的吸力超过1500kPa，就选用图1b所示的高温-高围压-高吸力型设备，利用放置在温控箱(7)中饱和盐溶液罐(8-1)，用蠕动泵(8-2)循环盐溶液上方与试样(2-6)中的气体，以控制试样吸力。试验过程中，需将土样中的气体的湿度控制在某一恒定数值。为缩短试样(2-6)湿度达到预定值的时间，试样(2-6)和盐溶液罐(8-1)之间，采用蠕动泵(8-2)进行循环。气体从装有饱和盐溶液罐(8-1)中(饱和盐溶液可保持气体湿度恒定)出来后，依次通过蠕动泵(8-2)、土样底部的多孔不锈钢板(2-7-3)、土样顶部的不锈钢板(2-5-2)，最终再回到装饱和盐溶液罐(8-1)中。用盐溶液罐(8-1)和蠕动泵(8-2)施加高吸力并控制吸力为常数。
(4)制样模具
由于膨润土的粘性很大，当土样的干密度超过1.6g/cm3时，用重塑土制样设备制成的土样脱模比较困难。为此，设计了模瓣式制样模具。模具由三个模瓣(图2的11-1)组成，相互嵌套，确保密合。制样前，先给三瓣模内面抹一点凡士林；土样分5层压实，层间挫毛。土样压成后，松开三瓣膜固定螺钉 (11-7)，将三瓣模连同土样放置在平板上，然后就很容易去掉三瓣模。从而不仅使土样易于脱模，而且大大减少了对土样的扰动。
(5)轴向加载活塞(3)和荷载传感器(4-1)及位移传感器(4-2).轴向加载活塞(3)横截面积较大，可以提供最大的轴向荷载为50000kN，轴向应力可达40MPa以上；其余部件与本申请人申请的组合专利—“非饱和土多功能三轴仪”的相应部件相同。
(6)精密体变量测装置(图1a的4-3).精密量测装置(图1a的4-3)其主要部件是一支装在有机玻璃罩(图1a的4-3-1)中的注射器(图1a的4-3-2)，与压力室(图1a的2)的内部联结。经过气压调压阀输出的压缩空进入精密体变量测装置的有机玻璃罩(图1a的4-3-1)，推动注射器(图1a的4-3-2)的活塞向下运动，将活塞下的纯净水压入压力室(图1a的2)，同时把液压传递给试样(图1a的2-6)，为试样施加围压。注射器(图1a的4-3-2)的位移用安装传感器的百分表(图1a的4-3-4)量测，百分表每走一格，代表的体变为0.006cm3，比传统量测试样体变的精度提高了16.7倍。在注射器的活塞顶端开有通气孔(图 1a的4-3-3)，故活塞侧壁内外和注射器筒侧壁内外均受到等值的压力而不会产生胀缩变形，二者侧壁的压缩变形则在进行内压力室体变标定时一并考虑；进一步提高了量测试样体变的精度。
(7)轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统(图1a的5-1和5-3，图1b的5-1、5-2和5-3).轴向加载部件(3)固定于台架横梁下方，是一圆柱形液压活塞(3)，内装纯净无气水。活塞下端连接轴向荷载传感器(4-1)。试样的轴向变形用位移传感器(4-2)量测，安装在压力室罩(2-3)的顶部。
(8)水-气-电路控制柜(图1a的6-1，图1b的6-1)；其上安装有控制围压和气压的阀门及电源开关。
下面结合试验对本发明的应用效果作详细的描述。
1.1试验过程描述
1.1.1试验前的准备工作
试验前的准备主要有六项。
一是饱和陶土板(图1a的2-7-1)。二是标定压力室(2)及其管道的体变，在完成第一项准备工作后进行。先在常温下标定，然后在不同温度下标定。三是标定轴向荷载传感器(4-1)和位移传感器(4-2)。先在常温下标定，然后在不同温度下标定。四是系统检查，包括检查乳胶膜是否渗漏、各阀门的开关是否处于正确位置等。五是制备试样。六是安装试样。有关细节与本申请人申请的组合专利—“非饱和土多功能三轴仪”试验的方法步骤相同。
以下分别对高温-高压-低吸力试验和高温-高压-高吸力试验描述如下。
1.1.2高温-高压-低吸力试验过程描述
图1a是高温-高压-低吸力三轴仪及其控制系统示意图。应用该设备，可以做以下4类试验。
1.1.2.1控制吸力、净围压和温度为常数的非饱和土三轴各向等压固结排水试验。所谓的净围压是围压与气压之差。由于是排水试验，试样的孔隙水压力等于零，试样的吸力就等于所施加的气压力。
①给内、外压力室同时施加10kPa的围压，使乳胶膜、试样、薄铜板、透水石、试样帽之间紧密接触，待变形稳定后记录体变和排水读数，作为试验的初值，在整理试验资料时予以扣除。
②逐级、同时、同步给试样施加围压和气压力，必须保证围压高于气压；在每级压力稳定后记录体变读数和排水读数；直到达到预定的气压力和净围压。
③设定温控箱的温度，接通电源，每间隔1小时记录体变和排水量，直到二者不再变化为止。
1.1.2.2控制净围压和温度等于常数的广义持水特性试验(即广义SWCC试验)。试验中，控制净围压和温度为常数，待试样的体变和排水量稳定后，逐级同步等值增大气压力(即基质吸力)和围压，使净围压保持不变，在每级压力稳定后记录体变读数和排水读数；直到施加的气压力接近陶土板的进气值为止。
1.1.2.3控制吸力、净围压和温度等于常数的三轴固结排水剪切试验Ⅰ—应变控制。试验分为两个阶段：固结阶段和剪切阶段。第一阶段按1.1.2.1的方法进行。第二阶段的试验方法如下：保持净围压、气压和温度不变，选择合适的应变速率进行剪切，实时记录试样的轴向变形、体变和排水，直到试样破坏为止。试样破坏的标准是：偏应力出现峰值后下降，或轴向应变达到15％。
1.1.2.4控制吸力、净围压和温度等于常数的三轴固结排水剪切试验Ⅱ—应力控制。
试验分为两个阶段：固结阶段和剪切阶段。第一阶段按1.1.2的方法进行。第二阶段的试验方法如下：①保持围压、气压和温度不变；②根据1.1.1节的第三项准备工作得到的荷载传感器标定曲线，在电脑中预先设置各级目标荷载值；③选择应变速率进行剪切，当荷载传感器读数达到第一级荷载目标值时，命令步进电机自锁，从而保持荷载为常数；还可通过电机正、反转对荷载大小进行适当调整，再通过自锁达到稳压目的；保持第一级目标荷载为常数，直到变形和排水稳定。重复这一步骤，直到试样破坏为止。
1.1.3高温-高压-高吸力试验过程描述
亦可做上述4类试验，不同之处仅在于用盐溶液罐和蠕动泵施加高吸力并控制吸力为常数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限制用于本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，所述非饱和土高温高压高吸力三轴仪包括：台架和压力室、加载活塞和轴向荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水电气控制柜和具有殊构造的温控箱。
2.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，所述温控箱具有特殊构造，其加热元件置于侧面；内表面为不锈钢板；在箱体侧壁设有3个直径2cm的贯穿孔。
3.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，所述台架和压力室均用热膨胀系数很小的特殊合金加工而成；在压力活塞轴套上部设置一个小水室。
4.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，轴向加载活塞固定于台架横梁下方，是一圆柱形液压活塞，内装纯净无气水；活塞下端连接轴向荷载传感器。
5.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，高温-高压-低吸力型在三轴仪底座上安装高进气值陶土板；在试样底座专门刻设螺旋槽，水从底座中心进入螺旋槽；通过给试样施加气压控制其吸力。
6.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，高温-高压-低吸力型的精密体变量测装置是一支装在有机玻璃罩中的注射器，与压力室内部联结，为试样提供围压，同时量测试样的体变；经过气压调压阀输出的压缩空气进入精密体变量测装置的有机玻璃罩；注射器的位移用安装传感器的百分表量测，百分表每走一格，代表的体变为0.006cm3；在注射器的活塞顶端开有通气孔，以保证活塞壁内外所受压力相同不会发胀缩变形。
7.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，高温-高压-低吸力型的排水装置是一支内径4mm的有机玻璃管，置于恒温箱外侧，其中1mm的水柱的体积等于0.012cm3。
8.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，高温-高压-高吸力型用盐溶液罐上方的气体湿度控制试样的吸力，用蠕动泵使盐溶液罐上方的气体和试样中的气体在试验过程中保持相同的湿度。
9.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，其特征在于，高温-高压-高吸力型用GDS压力/体积控制器给试样施加围压，同时量测试样的体变。
10.如权利要求1所述的非饱和土高温高压高吸力三轴仪，所使用的制样装置，其特征在于，所述制样装置由三瓣模、制样模具底座、压样活塞、高度控制环、台架、千斤顶、三瓣模固定螺钉组成。
11.如权利要求10所述的制样模具，其特征在于，所述制样模具的使用方法包括：
制样前，先给三瓣模内面抹一点凡士林；土样分5层压实，层间挫毛；
土样压成后，松开三瓣膜固定螺钉，将三瓣模连同土样放置在平板上，去掉三瓣模。
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