CN110017763B - 一种长方体试样的侧向变形测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长方体试样的侧向变形测量系统，属于土工模型技术领域，其IPC分类号为E02B 1/02，E02D 33/00。本发明的侧向变形测量系统，由测量装置和辅助装置组成，测量装置包括电阻应变式引伸计、右引伸杆、左引伸杆、限位杆和导向杆，所述辅助装置包括定位柱、定位块、椭圆形橡胶块、固定板、支撑柱、悬挑杆和吊绳。本发明的测量不但可以直接测量圆柱形试样侧向变形，而且也可以直接测量长方体试样的侧向变形，克服采用常规方法间接求得侧向变形的不足。

Description

一种长方体试样的侧向变形测量系统

技术领域

本发明涉及一种不同围压条件下长方体试样的的侧向变形测量系统，属于土工模型技术领域，其IPC分类号为E02B 1/02，E02D 33/00。

背景技术

测试土体固结变形特征的室内大型三轴试验，一般都采用圆柱形试样，直径Ф为30cm，高度H为60cm或75cm，进行固结试验时在试样周围施加围压。根据《土工试验规程》(SL237-1999)中试样固结后高度、面积、体积分别采用公式(1)～(3)进行计算，主要假定固结过程中试样的不同高度位置处的侧向变形量相同，这种假定与实际有一定的出入，主要原因如下。

(1)由于室内大型三轴装置上的上帽和底座对试样两端的端部约束，试样固结结束时试样形状为两头大中间小的哑铃型，并不是等量缩小的圆柱形。

(2)土体本身的不均性，分层制样引起的各项异性等，导致固结试验过程中试样不同高度处侧向变形也不相同的。

因此，固结后试样实际面积与公式(2)计算结果存在一定偏差。

试样高度

h_c＝h₀-Δh_c (1)

试样面积

试样体积

V_c＝h_cA_c (3)

式中：

h₀-试样起始高度，cm；

V₀-试样起始体积，cm3；

Δh_c-固结下沉量，由轴向位移计测得，cm；

ΔV-固结排水量，cm3。

在大型三轴试验过程中，试样的轴向变形量通过测量轴向活塞相对位置来确定，而三轴试验过程中试样面积根据公式(2)求得，但该公式成立前提条件是在假定试样不同高度处的侧向变形量相同，与试验过程中试样实际面积有一定的出入，主要原因如下。

(1)无论是圆柱形试样还是长方体试样，大型三轴试验过程中，由于轴向压缩的作用试样中部出现鼓状现象。

(2)试样两端由于端部约束的影响，在剪切过程中试样两端界面尺寸变化可以忽略，采用公式(2)计算截面面积与实际有出入。

对于圆柱形试样，通过环形变形装置测量圆柱形试样的环向变形量进而求得试样的面积，主要是环形变形仪是一种柔性测量装置，通过张拉力使其紧贴在圆柱形试样橡皮膜表面，在大型三轴试验过程中随试样一起变形，从而测量试样的环向变形量，进而得到试样侧向平均变形。而对于长方体试样如果采用环形变形装置测量其侧向变形量，由于环形变形装置无法紧贴在长方体试样的橡皮膜表面，故而无法准确测量试样的侧向变形。

发明内容

本发明的目的在于克服在不同围压条件下，针对现有室内大型三轴试样(圆柱形)侧向变形间接求得或长方体三轴试样侧向变形量无法获得的不足，提出一种能够测量长方体试样侧向变形的测量系统，为土工三轴试验提供一种新的、更为合理的变形测量手段。本发明的技术解决方案是：

一种长方体试样的侧向变形测量系统，由测量装置和辅助装置组成，所述测量装置包括电阻应变式引伸计、右引伸杆、左引伸杆、限位杆和导向杆，所述辅助装置包括定位柱、定位块、椭圆形橡胶块、固定板、支撑柱、悬挑杆和吊绳；

所述右引伸杆和左引伸杆为铝合金材料，断面为L形；所述限位杆、导向杆和定位柱为不锈钢材质；所述固定板的材质为合金钢镀铬；

所述定位块为直径25mm、高度5mm的圆柱，圆柱上表面中心处设有深度3mm、直径2.5mm的定位孔，圆柱侧面设有两个5mm深的螺孔，两螺孔之间成90°夹角，在每个螺孔上固定有螺钉；

所述电阻应变式引伸计通过导向杆与左引伸杆和右引伸杆的后端部连接，所述左引伸杆和右引伸杆的前端部分别与一个固定板固定连接，所述限位杆设置在所述左引伸杆和右引伸杆靠近后端部处；在所述固定板上固定连接一个定位柱，将所述定位柱安放到所述定位块的定位孔内，用橡皮筋将所述所述定位块上的两个螺钉和所述固定板缠绕在一起并拉紧，使所述固定板和所述定位块之间不发生相对位移；

所述支撑柱的不同高度位置处设有直径2.5mm、深30mm的圆孔；所述悬挑杆直径为2mm，长度18cm，所述悬挑杆一端插入所述支撑柱(14)的所述圆孔中，使其固定在所述支撑柱上，另一端刻有凹槽；所述吊绳上端系在所述凹槽内，下端系在所述限位杆的中间，用于悬吊所述测量装置。

进一步地，所述电阻应变式引伸计的应变片阻值350Ω，供桥电压≤6V，输出灵敏度2mV/V，输出端接头四芯或五芯，可承受2MPa的气体压力。

本发明的测量系统，具有以下优点：

(1)该侧向变形测量系统不但可以直接测量圆柱形试样侧向变形，而且也可以直接测量长方体试样的侧向变形，克服采用常规方法间接求得侧向变形的不足。

(2)该测量系统实现了试样无论是在固结过程还是在竖向加载过程，试样压缩变形过程中各测量点始终为同一点，克服传统测量的缺陷。

(3)该侧向变形测量系统可以承受最高压力2MPa的围压，除满足常规三轴试验对围压的要求还可以满足部分有特殊要求的土工试验，如大型三轴渗透剪切试验。

(4)该侧向变形测量系统测量方向与竖向加载方向正交，可以有效消除竖直方向与水平方向间的影响，提高测量精度。

(5)与试样的尺寸(长30cm，宽20cm，高60cm)相比，本发明的侧向变形测量系统测量精度可达到0.05mm，量程可以达到试样尺寸的20％，测量数据稳定。

(6)单个测量装置可以单独使用，各个测量装置相互独立，互不影响，且可重复使用，降低了科研项目的成本。

附图说明

图1是本发明的侧向变形测量系统布置图；

图2是图1的A-A断面俯视图(不包括底座及以下部分)；

图3是图2的B部放大图；

图4是图2的引伸杆侧视图；

图5是图4的C部放大图。

其中，1为数据线，2为电阻应变式引伸计，3为右引伸杆，4为左引伸杆，5为限位杆，6为导向杆，7为螺栓，8为定位柱，9为定位块，10为螺钉，11为椭圆形橡胶块A，12为固定板，13为橡皮膜，14为支撑柱，15为悬挑杆，16为吊绳，17为底座，18为上帽，19为球形压头和活塞杆，20为试样。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

本发明的一种长方体试样的侧向变形测量系统，由测量装置和辅助装置组成，所述测量装置包括电阻应变式引伸计2、右引伸杆3、左引伸杆4、限位杆5和导向杆6，所述辅助装置包括定位柱8、定位块9、椭圆形橡胶块11、固定板12、支撑柱14、悬挑杆15和吊绳16。

所述电阻应变式引伸计2：应变片阻值350Ω，供桥电压≤6V(直流、交流均可)，输出灵敏度2mV/V，输出端接头四芯或五芯，可承受2MPa的气体压力。

所述右引伸杆3和左引伸杆4为铝合金材料，断面为L形，选用铝合金材料的主要目的是保证测量装置的质量足够轻，且L形断面最大限度的消除测量过程左右引伸杆自身变形，以免引起测量误差。

所述限位杆5为不锈钢材质，直径4mm，用于防止测量装置侧向变形过大，超出电阻应变式引伸计2的量程。

所述导向杆6为不锈钢材质，直径3mm，用于保证整个测量装置的变形在一个平面内，保障测量精度。

所述定位柱8为不锈钢材质，直径5mm，用于将左、右引伸杆3、4固定到所述定位块9上的定位孔上。

所述固定板12的材质为合金钢镀铬，用于连接左右引伸杆3、4和所述定位柱8。

所述定位块9为直径25mm、高度5mm的圆柱，圆柱上下两个表面平整，其中一面中心处设有深度3mm、直径2.5mm的定位孔，圆柱侧面设有两个5mm深的螺孔，两螺孔之间成90°夹角，在每个螺孔上固定所述螺钉10。所述定位块9采用尼龙材质，既坚固，质量又轻，而且钻孔方便，又有一定的弹性。

椭圆形橡胶块11的厚度为3mm，面积略大于定位块9，粘贴在试样20外部的橡皮膜13与定位块9之间，起到过渡作用，以防定位块9过早从橡皮膜13上脱落。

所述支撑柱14，优选木质材料，也可以选用其他符合要求的材质，直径30mm，长度100cm，在其上不同高度位置处设有直径2.5mm，深30mm的圆孔，用来固定悬挑杆15。所述支撑柱14的下端固定在基座上，上部不同高度处的所述圆孔内插设所述悬挑杆15。

所述悬挑杆15直径为2mm，长度18cm，其一端插入所述支撑柱14的所述圆孔中，使其固定在所述支撑柱14上，另一端刻有凹槽。所述吊绳16上端系在所述凹槽内，下端系在所述限位杆5的中间，用于悬吊所述测量装置，使所述左引伸杆4和右引伸杆3保持水平。

电阻应变式引伸计2通过导向杆6与左引伸杆4和右引伸杆3的后端部连接，所述左引伸杆4和右引伸杆3的前端部分别与一个固定板12固定连接，在所述左引伸杆4和右引伸杆3靠近后端部处设置限位杆5；在所述固定板12上固定连接一个定位柱8，将两个定位柱8分别安放到两个相对的侧面上的定位孔内，用橡皮筋将所述两个螺钉10和所述固定板12缠绕在一起并拉紧，使所述固定板12和所述定位块9之间不发生相对位移，保证实测值就是试样的侧向变形。

采用本发明的测量系统进行室内大型三轴试验时，包括以下步骤：

一、试验准备

(1)检查大型三轴试验装置压力室内外所有的管路，必须保证管路通畅，阀门关闭自如，封闭的水、气系统在施加最大围压(2.0Mpa)的情况下应无漏水、漏气现象；

(2)试验所用的橡皮膜13应保证完好，无破损；

(3)检查试验使用的围压压力表、轴向压力传感器和轴向位移传感器，保证处于正常工作状态。

二、试样安放

(1)检查试样20四个侧面外观有无缺陷，顶面和底面是否平整，测量长方体试样20的实际长度、宽度和高度；本实施例采用的试样20为长方体试样，长30cm，宽20cm，高60cm；

(2)利用成模筒将橡皮膜13安装到试样20上，用毛刷抚平橡皮膜13使其与试样20侧面紧贴；

(3)将套有橡皮膜13的试样20安放到底座17的长方形平台上，然后将上帽18的长方形平台面与试样20的顶面对齐，调整试样20的位置，使得球形压头和活塞杆19的形心、上帽18的形心、试样20的形心和底座17的形心重合；绑扎橡皮膜13使其上下两端分别与上帽18和底座17贴紧，以防止施加围压时向橡皮膜13内渗气；最后将试样20抽真空，使橡皮膜13紧贴在长试样20表面，并检查绑扎位置处是否漏气。

三、安装侧向变形测量系统

(1)在试样20的两个相对的侧面上各确定一个粘贴位置，利用粘贴剂将两块椭圆形橡胶块11分别粘贴到两个粘贴位置处的橡皮膜13上，然后，再利用粘贴剂将两个定位块9分别粘贴到两块所述椭圆形橡胶块11上，并使两个定位块9上的定位孔处于相对位置(即两个定位孔的连线与试样20的两个侧面垂直)；在所述定位块9的两个螺孔内分别安装螺钉10。

(2)用橡皮筋将所述两个螺钉10和所述固定板12缠绕在一起并拉紧，使所述固定板12和所述定位块9之间不发生相对位移；

采用橡皮筋将定位柱8、固定板12和定位块9连接在一起，既能提供足够的固定力度，防止三者之间发生相对位移、导致测量不准确，也避免了其他连接力度过大导致的测量装置变形。

(3)将支撑柱14的下端固定在基座上，上部不同高度处的圆孔内插设悬挑杆15，吊绳16上端系在所述悬挑杆15上的凹槽内，下端系在所述限位杆5的中间，用于悬吊所述测量装置，调整吊绳16的长度，使所述左引伸杆4和右引伸杆3处于水平状态。

(4)重复上面操作，在两个相对的侧面的上、中、下三个位置处各安装一个测量装置，在另两个相对的侧面的上、中、下三个位置处也各安装一个测量装置，并保证六个测量装置互不影响。

(5)将测量装置上的数据线1连接到数据采集系统，检查测量装置是否处于正常状态，并将初始位移值归零。

四、施加围压

安装压力罩，施加围压，进行大型三轴试验，测量试样20的侧向变形。

Claims (2)

1.一种长方体试样的侧向变形测量系统，其特征在于，由测量装置和辅助装置组成，所述测量装置包括电阻应变式引伸计(2)、右引伸杆(3)、左引伸杆(4)、限位杆(5)和导向杆(6)，所述辅助装置包括定位柱(8)、定位块(9)、椭圆形橡胶块(11)、固定板(12)、支撑柱(14)、悬挑杆(15)和吊绳(16)；

所述右引伸杆(3)和左引伸杆(4)为铝合金材料，断面为L形；所述限位杆(5)、导向杆(6)和定位柱(8)为不锈钢材质；所述固定板(12)的材质为合金钢镀铬；

所述定位块(9)为直径25mm、高度5mm的圆柱，圆柱上表面中心处设有深度3mm、直径2.5mm的定位孔，圆柱侧面设有两个5mm深的螺孔，两螺孔之间成90°夹角，在每个螺孔上固定有螺钉(10)；

所述电阻应变式引伸计(2)通过导向杆(6)与左引伸杆(4)和右引伸杆(3)的后端部连接，所述左引伸杆(4)和右引伸杆(3)的前端部分别与一个固定板(12)固定连接，所述限位杆(5)设置在所述左引伸杆(4)和右引伸杆(3)靠近后端部处；在所述固定板(12)上固定连接一个定位柱(8)，将所述定位柱(8)安放到所述定位块(9)的定位孔内，用橡皮筋将所述所述定位块(9)上的两个螺钉(10)和所述固定板(12)缠绕在一起并拉紧，使所述固定板(12)和所述定位块(9)之间不发生相对位移；

所述支撑柱(14)的不同高度位置处设有直径2.5mm、深30mm的圆孔；所述悬挑杆(15)直径为2mm，长度18cm，所述悬挑杆(15)一端插入所述支撑柱(14)的所述圆孔中，使其固定在所述支撑柱(14)上，另一端刻有凹槽；所述吊绳(16)上端系在所述凹槽内，下端系在所述限位杆(5)的中间，用于悬吊所述测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种长方体试样的侧向变形测量系统，其特征在于，所述电阻应变式引伸计(2)的应变片阻值350Ω，供桥电压≤6V，输出灵敏度2mV/V，输出端接头四芯或五芯，可承受2MPa的气体压力。

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