CN109187924A - 一种微型土样水力固结加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型土样水力固结加载系统，包括内置控制系统的主箱体以及设置在主箱体内的动力驱动装置、水力加载装置以及测量装置，水力加载装置设置在升降平台上，动力驱动装置与升降平台连接用于提供动力，测量装置通过传感器实时测量水力加载装置内试样承受的压力和产生的位移。本发明便于安装调试、可操作性强，能够给出定量的压力‑位移曲线，便于试样的安装和拆卸，其可分离设计允许在试验过程中任意状态下取出试样并进行高精度CT扫描，为微型土样的固结试验和微结构观测提供了一种有效的途径和方法。

Description

一种微型土样水力固结加载系统

技术领域

本发明属于岩土工程领域试验技术领域，具体涉及一种微型土样水力固结加载系统，尤其适合黄土等结构性土体湿陷性的试验和观测研究。

背景技术

黄土等结构性土在一定压力作用下受水浸湿后，结构迅速破坏面产生显著附加沉陷的性能，称为湿陷性。黄土的湿陷性容易造成工程建筑地基的变形，进而导致建筑的不均匀沉降，此外在降雨条件下还会诱发滑坡等地质灾害，因此国内外学者长期以来针对湿陷性机理开展大量的研究。目前针对黄土湿陷性的室内试验技术主要是利用传统固结仪装置，通过放置重物对土样施加压力，并在保持压力不变的条件下对土样进行浸水操作来模拟实际工况中的的湿陷过程。

对于岩土类材料，从微观角度进行观测和表征是研究其物理力学特性及其机理的重要手段。近年来分辨率达到微米、纳米尺度的微观无损观测技术、尤其是高精度CT扫描技术发展迅速，已越来越多地被应用到岩土材料微观结构的观测中，例如在土样加载变形过程中观测其微观结构的动态演化过程。微结构动态观测试验的试验效果取决于土体微结构特征尺寸、扫描分辨率和土样尺寸之间的关系：以黄土为例，其颗粒尺寸大小集中于几微米到几十微米，这就决定了清晰的微结构观测必须采用微米级CT扫描装置；另一方面，微米级分辨率的实现要求土样最大仅具有毫米级尺寸并非常贴近X射线光源。目前常规固结仪装置以及相关加载方案都不能满足上述微型土样测试的要求，极大制约了黄土等结构性土在水、力共同作用下微观响应机理的相关研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微型土样水力固结加载系统，能够弥补现有试验装置无法对微型土样进行加载和观测的不足，可对微型土样施加压力和进行浸水操作，并允许在加载过程中将土样从系统中分离并进行高精度CT扫描观测。

本发明采用以下技术方案：

一种微型土样水力固结加载系统，包括内置控制系统的主箱体以及设置在主箱体内的动力驱动装置、水力加载装置以及测量装置，水力加载装置设置在升降平台上，动力驱动装置与升降平台连接用于提供动力，测量装置通过传感器实时测量水力加载装置内试样承受的压力和产生的位移。

具体的，水力加载装置包括透水垫片、底座、固定套和压头，透水垫片设置在升降平台上，底座设置在透水垫片上，试样通过试样套管设置在底座上，压头设置在试样上方，通过固定套与底座连接。

进一步的，升降平台的上表面开有圆盘状的圆盘状槽，透水垫片为圆盘形结构，设置在圆盘状槽内。

进一步的，圆盘状槽内侧设置有开口并向外延申至升降平台的上表面作为注水通道，透水垫片的一侧与注水通道连通形成U形管结构，水经由注水通道、透水垫片浸入至试样的内部。

进一步的，底座为回转体结构，上表面开有固定槽，固定槽的底面开有用于固定试样的贯通孔。

更进一步的，试样套管的外径与贯通孔的内径相同，固定套为空心圆柱体，设置在固定槽内，试样套管和固定套均采用有机玻璃或透明固体材料制成。

进一步的，压头由两个同轴圆柱体组成一体式结构，一端圆柱体直径与试样固定套内径相同，另一端圆柱体直径与试样的直径相同，加载过程中压头嵌入在固定套中，一端与固定套内表面紧密贴合并与测量装置的压力传感器探头接触，另一端与试样上表面接触。

具体的，动力驱动装置包括步进电机，步进电机通过联轴器与滚珠丝杠连接，主箱体内侧设置有导轨，导轨上设置有滑块，升降平台套装在滚珠丝杠上，一端与滑块连接。

具体的，测量装置包括压力传感器和自复位位移传感器，压力传感器设置在压头的正上方，与设置在主箱体上的压力显示器连接，自复位位移传感器与设置在主箱体上的位移显示器连接，自复位位移传感器的探头与升降平台接触。

具体的，主箱体的底部还设置有可调支腿，主箱体的内侧下表面装有水平仪。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种微型土样水力固结加载系统，水力加载装置设置在升降平台上，由动力驱动装置为升降平台提供动力，测量装置通过传感器实时测量水力加载装置内试样承受的压力和产生的位移；本发明能够针对毫米级微型土样进行水、力加载的湿陷固结试验并完成压力和位移的测量和记录；同时能够在加载过程中将试样从加载系统中取出，并配合高精度CT扫描装置进行加载前后土样微观结构演化的实时观测。

进一步的，水力加载装置能够独立的或同时对试样进行可控的压力施加和浸水操作，尤其是能够在保持一定压力下对试样进行浸水操作，与实际工况下黄土等土体遇水发生湿陷的工况一致，是对土体湿陷性进行试验研究的必要条件。

进一步的，透水垫片须低于升降平台圆盘状槽的上端一定距离，这样在注水通道注满水时，透水垫片中相比注水处水头低、压力高，能够给水自下而上的流动提供驱动力，有助于试样的完全浸润。

进一步的，注水通道是连接试样底部与系统外部的唯一通道，与透水垫片及试样套管形成U形管，当需要对试样进行浸水操作时，水必须从注水通道口注入，并在水头差的作用下经由注水通道、透水垫片进入试样内部。

进一步的，试样底座为回转体结构，便于配合试样及其他圆柱体部件进行安装；上表面开有固定槽用于放置压头固定套，使试验过程中压头及固定套与升降平台之间不发生横向的相对位移；固定槽底面开有贯通孔用于固定试样，使实验过程中试样与移动平台间无横向相对位移，并使试样下表面与透水垫片直接接触保证浸水操作的进行。

进一步的，压头固定套为空心圆柱体，设置在固定槽内，用于在试验过程中约束压头的横向位移使其保持竖直；试样套管和固定套均采用有机玻璃或透明固体材料制成，能够便于在试验过程中通过肉眼实时观察土样的状态变化，例如浸水过程中通过试样颜色变化判断其浸润程度等。

进一步的，压头为一体的两个同轴圆柱体，下方较小的圆柱体直接与试样接触并对其进行压缩，因此要求其截面大小必须与试样一致；上方较大的圆柱体与上方压力传感器探头直接接触。若整个压头均为截面大小与试样相同的圆柱体，压头形状过于细长，精准加工难度较大，且对压力传感器的安装和定位要求过高。

进一步的，动力装置为整个系统提供动力，通过步进电机、联轴器和滚珠丝杠使升降平台及试样根据特定指令进行竖直方向的移动，由此实现试样可控的的压缩加载过程。

进一步的，测量装置包括压力测量装置和位移测量装置，其作用在于记录试样在压缩及浸水过程中压力和位移的变化，便于对试验结果进行量化以及曲线的绘制，并能够判断在土样压缩过程中是否达到预设浸水压力进行判断。

综上所述，本发明便于安装调试、可操作性强，能够给出定量的压力-位移曲线，便于试样的安装和拆卸，其可分离式设计允许在试验过程中不同加载状态下取出试样并进行高精度CT扫描，为微型土样的固结试验和微结构观测提供了一种有效的途径和方法。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的整体组装正视图；

图2为本发明的整体组装三轴等视图；

图3为本发明水力加载装置内部结构图；

图4为采用本发明获得的试验结果曲线图。

其中：1.主箱体；2.电源开关；3.压力显示器；4.位移显示器；5.步进电机；6.水平仪；7.联轴器；8.升降平台；9.滑块；10.导轨；11.滚珠丝杆；12.压力传感器；13.自复位位移传感器；14.把手；15.可调支腿；16.试样；17.试样套管；18.压头；19.固定套；20.底座；21.透水垫片；22.注水通道。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种微型土样水力固结加载系统，针对毫米级、圆柱形微型土样的水-力固结加载系统，包括内置控制系统的主箱体1、动力驱动装置、水力加载装置以及测量装置。

主箱体1包括外壳、导轨、显示器、电源及内置控制系统等部件。外壳为半开放式箱体，优选的，采用不锈钢、铝合金等金属材料以达到对其他部件更好的保护和支撑作用；

外壳下表面四角装有四个可调支腿15，箱体内侧下表面装有水平仪6，系统通过分别调节四个可调支腿15的高度、参照水平仪6的气泡位置来进行整体调平。

压力显示器3、位移显示器4与电源开关2位于主箱体1的前表面，通过数据传输线经由预留孔分别与压力传感器12、自复位位移传感器13和电源相连接，分别用来显示实时测量数据和控制系统电力供应的通断。

导轨10固定于主箱体1内侧左表面，作用是使升降平台8及滑块9沿其作竖直上下方向的移动。

动力驱动装置包含步进电机5、联轴器7以及滚珠丝杠11，为本加载系统提供动力。

步进电机5固定于主箱体1内侧下表面，输出轴向上；滚珠丝杠11上端固定于主箱体1内侧上表面，其下端通过联轴器7与步进电机5的输出轴相连接。

加载或卸载过程中，步进电机5接收内置控制系统的数字指令、输出轴产生旋转，通过联轴器7令滚珠丝杠11发生转动，与滚珠丝杠11连接的升降平台8则进行竖直上下方向的运动。

水力加载装置是本加载系统的核心，包含升降平台8、透水垫片21、试样底座20、压头固定套19、压头18，作用是固定试样16并对其进行压力施加、浸水等操作。

升降平台8通过滑块9与导轨10、滚珠丝杠11相连接，在试样的加载及卸载过程中与其他部件一同沿竖直上下方向移动；升降平台8上表面开有圆盘状槽(圆盘状槽直径35～40mm，深10～12mm)，自圆盘状槽内侧加工出于槽等高、宽7～10mm的开口并向外延申至升降平台上表面作为注水通道22。

透水垫片21为圆盘形，截面大小与圆盘状槽相同，高4～5mm，置于圆盘状槽底部并于侧面紧密贴合，其作用是容许水通过其内部流入试样并防止土颗粒经由其向外扩散。

可选的，透水垫片21采用混凝土透水石、陶土板或金属多孔板作为加工原材料。

底座20为回转体，置于圆盘状槽中、透水垫片21的上方，与圆盘状槽内壁紧密贴合；上表面开有固定槽，深7.5～8mm，槽底面开有直径4～4.5mm的贯通孔用于固定试样16；

试样6为直径2～3mm、高3～6mm的圆柱形土样，以相同高度的有机玻璃套管作为容器，试样套管17的外径与固定槽底开孔内径相同，二者紧密贴合；

对于黄土等粘结力较强的土体，在体积不变的情况下试样与套管间并不会由于重力作用而产生相对滑动。

压头固定套19为空心圆柱体，置于底座20的固定槽中，内径为7～7.5mm，外径与固定槽内径相同，二者紧密贴合；

优选的，试样固定套19采用有机玻璃或玻璃等透明固体材料，便于实时用肉眼观察土样在水、力加载作用下的状态变化。

压头18为一体的两个同轴圆柱体，较大的圆柱体直径与试样固定套内径相同，长16～18mm，较小的圆柱体直径与试样16的直径相同，长2.5～3mm，压头18无需与系统连接，加载过程中将其嵌入压头固定套19中，较小圆柱体朝下并与土样上表面直接接触，较大圆柱与固定套19内表面紧密贴合并与压力传感器12的探头接触。

加载时，升降平台8整体向上移动，压头18接触压力传感器12探头后静止，试样16承受压力并产生压缩变形。

需要浸水时，升降平台8停止移动，用注射器向注水通道22内注水，水经由注水通道22、透水垫片21浸入到试样16的内部，形成“U形管”，在水压力和毛细作用下土样实现完全浸润。

测量装置的作用是通过传感器实时测量土样承受的压力和产生的位移，主要包括压力测量装置和位移测量装置。

压力测量装置固定于主箱体1内侧上表面，位于压头18正上方，主体部件为压电式压力传感器12，优选的，精度为0.1g或以上；加载及卸载过程中压力传感器12探头与压头18相接触，土样承受的压力通过压头18传递至压力传感器12，并在压力显示器3上显示实时压力读数。

位移测量装置固定于主箱体1内侧上表面，位于压力测量装置右侧，主要部件为自复位位移传感器13，自复位位移传感器13采用可复位式光栅位移传感器，优选的，精度为0.005mm或以上；在加载及卸载过程中自复位位移传感器13探头与升降平台8接触，由此对升降平台8的位移进行实时测量并经由位移显示器4显示读数；由于土样的上表面不发生移动，因此可基于土样初始高度计算其竖直方向的应变。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种微型土样水力固结加载系统的试验方案如下：

1、将系统置于水平桌面或平台上，调节底面支腿高度并观察水平仪中气泡位置，对系统进行调平。

2、将干燥的透水垫片放入升降平台的内槽中，上方可放置滤纸保持垫片清洁；

3、将试样底座置于槽中、透水垫片上方；

4、将装有土样的有机玻璃管嵌入试样底座底部中心孔内，管壁与孔内壁紧密贴合；

5、将压头固定套放入试样底座槽内，固定套外壁与槽内壁紧密贴合；

6、将压头竖直放入固定套中，组成压头的两个同轴圆柱体中直径较小的在下，端面与土样上表面直接接触，直径较大的在上，外壁与压头固定套内壁贴合；

7、打开系统电源开关，压力传感器调零；

8、输入指令启动动力驱动装置，升降平台整体向上移动，当压头上表面与压力传感器探头接触时，停止移动平台，压力传感器重新清零，位移传感器清零；

9、按照试验要求再次启动动力驱动装置，土样在压力作用下开始产生压缩变形，实时读取压力传感器及位移传感器数据并记录；

10、当压力达到预设浸水压力时，停止加载，压力停留在当前值；

11、用注射器经注水通道注水，水依次通过注水通道、透水垫片进入有机玻璃管内土样中，在水压和毛细作用下完全浸润土样；由于土样浸水后强度降低，压力传感器读数将开始下降，此时启动动力装置，使平台缓慢上升，令压力近似保持不变，同时记录位移传感器数值；

12、当压力和读数稳定后，设置动力装置步进电机反转，土样进入卸载阶段，平台整体向下移动直至压力传感器数值减小到零；依次取下压头、压头固定套后，小心取出有机玻璃管及土样，用有机保湿薄膜封装后可放入CT扫描室进行扫描；

13、如有必要进行后续加载，可拆下有机保湿膜，并按上述步骤重新放置土样并重复加载过程；

14、如有扫描浸水前土样微结构的需要，可于步骤11实施前进行步骤12、13的操作。

请参阅图4，图中给出了采用本发明获得的试样位移-压力曲线，试验采用黄土土样，该曲线重现了黄土试样非常明显的湿陷性特征。图中的照片为试样湿陷前后通过CT扫描观测获得的同一位置的微结构图像，可以清楚的看到湿陷前后该处的颗粒移动与孔隙变化等微结构演化特征，实现了本发明的试验和观测目的。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，包括内置控制系统的主箱体(1)以及设置在主箱体(1)内的动力驱动装置、水力加载装置以及测量装置，水力加载装置设置在升降平台(8)上，动力驱动装置与升降平台(8)连接用于提供动力，测量装置通过传感器实时测量水力加载装置内试样(16)承受的压力和产生的位移。

2.根据权利要求1所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，水力加载装置包括透水垫片(21)、底座(20)、固定套(19)和压头(18)，透水垫片(21)设置在升降平台(8)上，底座(20)设置在透水垫片(21)上，试样(16)通过试样套管(17)设置在底座(20)上，压头(18)设置在试样(16)上方，通过固定套(19)与底座(20)连接。

3.根据权利要求2所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，升降平台(8)的上表面开有圆盘状的圆盘状槽，透水垫片(21)为圆盘形结构，设置在圆盘状槽内。

4.根据权利要求3所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，圆盘状槽内侧设置有开口并向外延申至升降平台(8)的上表面作为注水通道(22)，透水垫片(21)的一侧与注水通道(22)连通形成U形管结构，水经由注水通道(22)、透水垫片(21)浸入至试样(16)的内部。

5.根据权利要求2所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，底座(20)为回转体结构，上表面开有固定槽，固定槽的底面开有用于固定试样(16)的贯通孔。

6.根据权利要求5所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，试样套管(17)的外径与贯通孔的内径相同，固定套(19)为空心圆柱体，设置在固定槽内，试样套管(17)和固定套(19)均采用有机玻璃或透明固体材料制成。

7.根据权利要求2所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，压头(18)由两个同轴圆柱体组成一体式结构，一端圆柱体直径与试样固定套内径相同，另一端圆柱体直径与试样(16)的直径相同，加载过程中压头(18)嵌入在固定套(19)中，一端与固定套(19)内表面紧密贴合并与测量装置的压力传感器(12)探头接触，另一端与试样(16)上表面接触。

8.根据权利要求1所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，动力驱动装置包括步进电机(5)，步进电机(5)通过联轴器(7)与滚珠丝杠(11)连接，主箱体(1)内侧设置有导轨(10)，导轨(10)上设置有滑块(9)，升降平台(8)套装在滚珠丝杠(11)上，一端与滑块(9)连接。

9.根据权利要求1所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，测量装置包括压力传感器(12)和自复位位移传感器(13)，压力传感器(12)设置在压头(18)的正上方，与设置在主箱体(1)上的压力显示器(3)连接，自复位位移传感器(13)与设置在主箱体(1)上的位移显示器(4)连接，自复位位移传感器(13)的探头与升降平台(8)接触。

10.根据权利要求1所述的一种微型土样水力固结加载系统，其特征在于，主箱体(1)的底部还设置有可调支腿(15)，主箱体(1)的内侧下表面装有水平仪(6)。