CN110082217A - 内嵌式土工三轴仪及其试验操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内嵌式土工三轴仪，包括压力室，压力室包括试样底座、压力罩；试样安置于压力室的试样底座上，并与试样顶部的试样顶帽相接；试样周边包裹有不透水的橡皮膜；试样通过孔隙水压力管与孔隙水压力传感器连接；通过周围压力连接管与周围压力控制系统连接；压力室底座固定试验台升降主轴上，压力室安置于原试验仪器的压力室中，孔隙水排水管通过连接阀门与原试验仪器的孔隙水量测管相连后与孔隙水压力传感器连接，反压连接管通过阀门与原试验仪器的反压量测管相连后再与反压力控制系统连接。本发明还提供了操作方法。该内嵌式三轴仪在不影响原有三轴仪功能的条件下，使试样能够在外部独立完成三轴试验过程中的试样安装、饱和、固结阶段。

Description

内嵌式土工三轴仪及其试验操作方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程土工试验领域的内嵌式土工三轴仪。本发明还涉及上述内嵌式土工三轴仪的试验操作方法。

背景技术

在研究土的变形特性和强度特性时通常需要进行三轴试验，三轴试验的实验过程可分为试样安装、饱和、固结和加载四个部分，目前传统三轴试验的试样安装、饱和、固结、加载等步骤均利用一套三轴仪压力室在三轴仪上进行试验，对于渗透系数较小的粘性土土样，饱和、固结过程要花费大量的时间，对于颗粒类材料试样，试样安装、饱和往往要耗费大量时间，而精密三轴仪的高级加载系统和数据采集系统在试样制备与安装、饱和、常规固结阶段未能得到有效利用，这样的试验流程需要耗费大量的试验时间，若通过购置多台三轴仪来提高试验效率，则大大提高试验成本并占据大量实验室空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种内嵌式三轴仪，该内嵌式三轴仪在不影响原有三轴仪功能的条件下，使试样能够在外部独立完成三轴试验过程中的试样安装、饱和、固结阶段，当试样在该内嵌式三轴仪压力室中完成安装、饱和、固结后，能够将该装有固结后试样的内嵌式三轴仪压力室安置于原试验仪器的压力室中继续进行试验的加载过程并完成试验。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：

内嵌式土工三轴仪，包括压力室，压力室包括一个带有连接底圈的试样底座、一个下端开口且罩住试样及试样底座的压力罩；压力罩由连接底圈、固定于该连接底圈的透明筒身和筒身顶部的压力室顶盖组成；试样安置于压力室的试样底座上，并与试样顶部的试样顶帽相接；试样周边包裹有不透水的橡皮膜；试样通过孔隙水压力管与孔隙水压力传感器连接；通过反压连接管与反压力控制系统连接；通过周围压力连接管与周围压力控制系统连接；其特征是：所述压力室底座固定于试验台升降主轴上，所述压力室安置于原试验仪器的压力室中，所述孔隙水排水管通过连接阀门与原试验仪器的孔隙水量测管相连后再与孔隙水压力传感器连接，所述反压连接管通过阀门与原试验仪器的反压量测管相连后再与反压力控制系统连接。

上述内嵌式土工三轴仪的试验操作方法，包括以下步骤：

A、在内嵌式土工三轴仪的压力室内安装试样，安装试样顶帽，在压力室内充水，打开周围压力控制系统，通过周围压力连接管在所述压力室内对试样施加围压，打开反压力控制系统对试样施加反压，使试样在该压力室中进行饱和、固结过程，通过孔隙水压力和体积变化检测试样饱和、固结是否完成；

B、待试样达到饱和状态并固结完成后，关闭第一阀门、第二阀门和第三阀门，关闭反压力控制系统，关闭周围压力控制系统；断开与第二阀门902连接的反压量测管，断开与第三阀门903连接的周围压力连接管8；

C、将装有已饱和固结完成的所述试样的所述压力室与试验仪器的升降主轴相连接，连接时所述试样底座与试验仪器的升降主轴螺纹连接，向底座一侧的径向螺孔内拧入定位螺钉，使定位螺钉嵌入升降主轴表面轴向凹槽中；打开压力室顶盖上的的中心顶盖，使固定于顶盖下侧的顶头对准所述中心顶盖打开后形成的中心通孔；

D、使用孔隙水压力量测管连接内嵌式三轴仪压力室的连接阀门与孔隙水压力传感器，其一端与连接阀门的外侧接头连接，另一端与孔隙水压力量测孔连接；使用反压力量测管连接内嵌式三轴仪压力室与反压力控制系统，其一端与连接阀门的外侧接头连接，另一端与反压连接孔连接；调节反压控制系统及其连接管线内的压力至与该内嵌式压力室中连接试样的管线内的压力相等；打开各连接阀门的内侧接头，使各管线连通；拉下试验仪器的压力罩，试验仪器压力室的法兰式金属连接底圈通过螺栓与试验台底座固定连接；打开周围压力控制系统，调节压力室内压力，直至原三轴仪压力室中的压力与内嵌式三轴仪压力室中的压力一致，打开连接阀门，通过周围压力连接管对内嵌式三轴仪压力室中的压力进行调节；

E启动顶升装置将整个压力室向上顶起；

F、当一个压力室在试验仪器内进行加载的同时，在另外一个压力室中进行其它土样的安装、饱和和固结试验准备过程，待上个试验完成、拆除其中的内嵌式压力室后，将在压力室中安装、饱和和固结完成的试样连同压力室放入试验仪器中进行试验；

G、收集试验数据，并对试验数据进行整理和分析。

本发明的有益效果在于：与现有试验仪器相比，本内嵌式土工三轴仪能够脱离三轴仪独立对试样进行安装、饱和和固结，之后再将装有试样的本压力室放置于原三轴仪中进行试样加载过程，在一个压力室进行加载时，可以同时对其他几个压力室安装试样与饱和固结处理，大大提高试验效率，缩短了试验周期。

附图说明

图1为本发明提供的内嵌式土工三轴仪的压力室的结构示意图。

图2为试样底座的结构示意图。

图3为图2的底部端面示意图。

图4为本发明提供的内嵌式土工三轴仪的结构示意图，该状态下三轴仪处于使用状态。

图5为图1中的压力室在中心顶盖打开状态下的结构示意图，并且试样底座通过升降主轴与试验仪器压力室底座连接。

图6为压力室顶盖的结构平面示意图，该状态下顶盖处于关闭状态。

图7为图6中的压力室顶盖的结构剖视示意图。

图8为压力室顶盖的结构平面示意图，该状态下顶盖处于打开状态。

图9为图8的压力室顶盖的结构剖视示意图。

图10为压力室主框架的结构示意图。

图11为图4的A-A剖视示意图。

图12为图4的完全剖视状态下的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明

参照图1-11所示，本发明实施例1提供的内嵌式土工三轴仪，包括压力室，压力室包括一个带有第一连接底圈201的试样底座1、一个下端开口且罩住试样4及试样底座1的压力罩2；压力罩2由第一连接底圈201、固定于该第一连接底圈201的透明筒身202和筒身顶部的压力室顶盖203组成；试样4安置于压力室的试样底座1上，并与试样4顶部的试样顶帽3相接；试样4周边包裹有不透水的橡皮膜5；试样4通过孔隙水压力管与孔隙水压力传感器10连接；通过反压连接管701与反压力控制系统11连接；通过周围压力连接管8与周围压力控制系统12连接；所述压力室底座固定于试验台15的升降主轴1304上，所述压力室安置于原试验仪器的压力室中，所述孔隙水排水管601通过第一阀门901与原试验仪器的孔隙水量测管相连后再与孔隙水压力传感器10连接，所述反压连接管通过第二阀门902与原试验仪器的反压量测管702相连后再与反压力控制系统11连接。所述压力室包括压力室顶盖203和连接底圈201，压力室顶盖203包括内嵌式压力室中心顶盖2031以及可控制所述内嵌式压力室中心顶盖2031打开的中心顶盖控制系统，连接底圈201与试样底座1间采用法兰式螺栓固定，形成一个密闭的压力室空间。

在上述实施例中，试样顶帽3使用反压连接管701通过第二连接底圈103底部的反压连接孔703与反压力控制系统11连接，试样底座1使用孔隙水压力排水管601通过连接底圈103的孔隙水压力量测孔603与孔隙水压力传感器10连接；压力罩2自上而下套于带有连接底圈103的试样底座1与试样4之上。

参照图1-3所示，为了使压力室能够与试验台的升降主轴连接，试验台内安装有顶升装置1310，顶升装置1310穿过压力室底座向上推顶升降主轴1304，进而推顶压力室底部，所述试样底座1底端中心带有螺纹孔102，所述试样底座1与试验台15的升降主轴1304螺纹连接，试样底座1一侧的径向螺孔中设有接合于升降主轴1304表面轴向凹槽的定位螺钉101。

参照图1、图4、图5所示，为了使压力室能够更加方便的从现有的三轴试验仪中安拆，所述压力室的透明筒身202半径小于原试验仪器的压力室筒身半径，孔隙水压力量测孔603、反压连接孔1307、周围压力连接孔1308均通过连接底圈的底部与原试验仪器连接。

参照图1、图4、图5所示，下面详细描述压力室对外的管道连接关系：所述孔隙水压力管包括所述压力室中的孔隙水排水管以及与第一阀门901连接的孔隙水压力量测管，其中孔隙水排水管的一端与试样底座连接，另一端通过连接底圈的孔隙水压力量测孔与孔隙水压力量测管连接，孔隙水压力量测管通过第一阀门901与原试验仪器的孔隙水压力传感器连接。

所述第一阀门901包括连接阀门内侧接头和连接阀门外侧接头，其中连接第一阀门（901）的两端接头分别独立控制第一阀门901与连接管线以及压力控制系统的连通。所述反压连接管包括与第二阀门902连接的反压连接管和与反压力控制系统连接的反压力量测管，其中压力室中的反压连接管的一端与试样顶帽连接，另一端通过连接底圈的反压连接孔与连接阀门连接，反压力量测管的一端与连接阀门的外侧接头连接，另一端与原试验仪器的反压力控制系统相连接。

在上述实施例中，在内嵌式压力室内将试样安装后，安装试样顶帽，在压力室内充水，打开周围压力控制系统12，通过周围压力连接管8在该压力室内对试样4施加围压，打开反压力控制系统11对试样4施加反压，使试样在该压力室中进行饱和、固结过程，通过孔隙水压力和体积变化检测试样饱和、固结是否完成。试样4饱和、固结完成后，关闭第一阀门901、第二阀门902和第三阀门903，关闭反压力控制系统11，关闭周围压力控制系统12；断开与第二阀门902连接的反压量测管702，断开与第三阀门903连接的周围压力连接管8。

上述管道的连接和使用方式如下：参照图1-5所示，内嵌式土工三轴仪压力室安置于试验仪器压力室中进行试验加载阶段的结构连接方式，使用孔隙水压力量测管602连接内嵌式三轴仪压力室的第一阀门901与孔隙水压力传感器1311，其一端与第一阀门901的外侧接头连接，另一端与孔隙水压力量测孔1306连接。使用反压力量测管702连接内嵌式三轴仪压力室与反压力控制系统，其一端与第二阀门902的外侧接头连接，另一端与反压连接孔1307连接。调节各控制系统及其连接管线内的压力至与该内嵌式压力室中连接试样的各管线内的压力相等；打开第一阀门901、第二阀门902和第三阀门903的内侧接头，使各管线连通。拉下试验仪器的压力罩2，试验仪器压力室的法兰式金属连接底圈201通过螺栓与试验台底座1301固定连接；打开周围压力控制系统1313，调节压力室内压力，直至原三轴仪压力室中的压力与内嵌式三轴仪压力室中的压力一致，打开连接阀门903，通过周围压力连接管8对内嵌式三轴仪压力室中的压力进行调节；

参照图5-11所示，压力室顶盖203上设置有压力室中心顶盖中心2031，其打开方式为对固定在压力室顶盖203内置腔体的外侧电磁铁20322以及固定在内嵌式压力室中心顶盖2031上的内侧电磁铁20321通电，控制内嵌式压力室中心顶盖2031水平向右滑入压力室顶盖203内置腔体，直至内嵌式压力室中心顶盖中心2031完全露出后，通过试验台下部顶升装置1310控制试验台升降主轴1304连同固定于主轴之上的装有试样4的内嵌式压力室向上移动，使原三轴仪压力室顶端的压力传感器14通过打开后的内嵌式压力室中心顶盖区域与试样顶帽3相接触，完成试验后续的加载过程。当该内嵌式压力室在试验仪器内进行加载的同时，可在另外一个内嵌式压力室系统中进行其它土样的安装、饱和和固结等试验准备过程，待上个试验完成、拆除其中的内嵌式压力室后，可将在其它内嵌式压力室中安装、饱和和固结完成的试样连同该内嵌式压力室放入试验仪器中进行加载等试验流程，该内嵌式土工三轴仪无需对原有三轴仪进行改造，在不影响原有三轴仪功能的条件下，大大提高了三轴仪的仪器利用率，提高实验效率，缩短了实验周期。

参照图1、图4、图5所示，本发明提供的内嵌式土工三轴仪的试验操作方法，包括以下步骤：

A、在内嵌式土工三轴仪的压力室内安装试样，安装试样顶帽，在压力室内充水，打开周围压力控制系统，通过周围压力连接管在所述压力室内对试样施加围压，打开反压力控制系统对试样施加反压，使试样在该压力室中进行饱和、固结过程，通过孔隙水压力和体积变化检测试样饱和、固结是否完成；

B、待试样达到饱和状态并固结完成后，关闭第一阀门901、第二阀门902和第三阀门903，关闭反压力控制系统，关闭周围压力控制系统；断开与第二阀门902连接的反压量测管，断开与第三阀门903连接的周围压力连接管8；

C、将装有已饱和固结完成的所述试样的所述压力室与试验仪器的升降主轴相连接，连接时所述试样底座与试验仪器的升降主轴螺纹连接，向底座一侧的径向螺孔内拧入定位螺钉，使定位螺钉嵌入升降主轴表面轴向凹槽中；打开压力室顶盖上的的中心顶盖，使固定于顶盖下侧的顶头对准所述中心顶盖打开后形成的中心通孔；

D、使用孔隙水压力量测管602连接内嵌式三轴仪压力室的连接阀门901与孔隙水压力传感器1311，其一端与连接阀门901的外侧接头9012连接，另一端与孔隙水压力量测孔1306连接；使用反压力量测管702连接内嵌式三轴仪压力室与反压力控制系统，其一端与连接阀门902的外侧接头9022连接，另一端与反压连接孔1307连接；调节反压控制系统及其连接管线内的压力至与该内嵌式压力室中连接试样的管线内的压力相等；打开各连接阀门9的内侧接头，使各管线连通。拉下试验仪器的压力罩2，试验仪器压力室的法兰式金属连接底圈201通过螺栓与试验台底座1301固定连接；打开周围压力控制系统1313，调节压力室内压力，直至原三轴仪压力室中的压力与内嵌式三轴仪压力室中的压力一致，打开连接阀门903，通过周围压力连接管8对内嵌式三轴仪压力室中的压力进行调节；

E、启动顶升装置将整个压力室向上顶起；

F、当一个压力室在试验仪器内进行加载的同时，在另外一个压力室中进行其它土样的安装、饱和和固结试验准备过程，待上个试验完成、拆除其中的内嵌式压力室后，将在压力室中安装、饱和和固结完成的试样连同压力室放入试验仪器中进行试验；

G、收集试验数据，并对试验数据进行整理和分析。

本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化，同样在本专利保护范围内。

参照图12所示，本发明实施例2与实施例1基本相同，其区别仅在于：所述试样底座1具有向下的凸出部104，所述试样底座1配置有处于压力罩2内且与试样底座1形状匹配的升降座15，升降座15与所述升降主轴1304连接，对接时所述凸出部104卡入升降座15的凹槽151内，所述试样底座1带有的导管均配置有插接端16，插接端16处呈圆锥面分布，圆锥面上带有橡胶密封圈，所述升降座15上带有与插接端16匹配的接插端17，连接试样底座1的导管均为具有延展性的弹性导管。上述构造有利于试验底座1与升降座15快速插接，同时各导管处也可以通过插接端16和接插端17形成快接，有利于提高安装效率。

Claims (9)

1.一种内嵌式土工三轴仪，包括压力室，压力室包括一个带有连接底圈的试样底座、一个下端开口且罩住试样及试样底座的压力罩；压力罩由连接底圈、固定于该连接底圈的透明筒身和筒身顶部的压力室顶盖组成；试样安置于压力室的试样底座上，并与试样顶部的试样顶帽相接；试样周边包裹有不透水的橡皮膜；试样通过孔隙水压力管与孔隙水压力传感器连接；通过反压连接管与反压力控制系统连接；通过周围压力连接管与周围压力控制系统连接；其特征是：所述压力室底座固定于试验台升降主轴上，所述压力室安置于原试验仪器的压力室中，所述孔隙水排水管通过连接阀门与原试验仪器的孔隙水量测管相连后再与孔隙水压力传感器连接，所述反压连接管通过阀门与原试验仪器的反压量测管相连后再与反压力控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述试样底座底端中心带有螺纹孔，所述试样底座与试验台升降主轴螺纹连接，试样底座一侧的径向螺孔中设有接合于升降主轴表面轴向凹槽的定位螺钉。

3.根据权利要求1所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述压力室的透明筒身半径小于原试验仪器的压力室筒身半径，孔隙水压力量测孔、反压连接孔、周围压力连接孔均通过连接底圈的底部与原试验仪器连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述孔隙水压力管包括所述压力室中的孔隙水排水管以及与第一阀门连接的孔隙水压力量测管，其中孔隙水排水管的一端与试样底座连接，另一端通过连接底圈的孔隙水压力量测孔与孔隙水压力量测管连接，孔隙水压力量测管通过第一阀门与原试验仪器的孔隙水压力传感器连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述反压连接管包括与第二阀门连接的反压连接管和与反压力控制系统连接的反压力量测管，其中压力室中的反压连接管的一端与试样顶帽连接，另一端通过连接底圈的反压连接孔与连接阀门连接，反压力量测管的一端与连接阀门的外侧接头连接，另一端与原试验仪器的反压力控制系统相连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述压力室顶盖包括内嵌式压力室中心顶盖以及可控制所述内嵌式压力室中心顶盖打开的中心顶盖控制系统。

7.根据权利要求4所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述第一阀门包括连接阀门内侧接头和连接阀门外侧接头，其中连接第一阀门的两端接头分别独立控制第一阀门与连接管线以及压力控制系统的连通。

8.根据权利要求1或2或3所述的内嵌式土工三轴仪，其特征是：所述试样底座具有向下的凸出部，所述试样底座配置有处于压力罩内且与试样底座形状匹配的升降座，升降座与所述升降主轴连接，对接时所述凸出部卡入升降座的凹槽内，所述试样底座带有的导管均配置有插接端，插接端处呈圆锥面分布，圆锥面上带有橡胶密封圈，所述升降座上带有与插接端匹配的接插端，连接试样底座的导管均为具有延展性的弹性导管。

9.一种权利要求1或2或3所述的内嵌式土工三轴仪的试验操作方法，其特征是：包括以下步骤：

A、在内嵌式土工三轴仪的压力室内安装试样，安装试样顶帽，在压力室内充水，打开周围压力控制系统，通过周围压力连接管在所述压力室内对试样施加围压，打开反压力控制系统对试样施加反压，使试样在该压力室中进行饱和、固结过程，通过孔隙水压力和体积变化检测试样饱和、固结是否完成；

B、待试样达到饱和状态并固结完成后，关闭第一阀门、第二阀门和第三阀门，关闭反压力控制系统，关闭周围压力控制系统；断开与第二阀门902连接的反压量测管，断开与第三阀门903连接的周围压力连接管8；

C、将装有已饱和固结完成的所述试样的所述压力室与试验仪器的升降主轴相连接，连接时所述试样底座与试验仪器的升降主轴螺纹连接，向底座一侧的径向螺孔内拧入定位螺钉，使定位螺钉嵌入升降主轴表面轴向凹槽中；打开压力室顶盖上的的中心顶盖，使固定于顶盖下侧的顶头对准所述中心顶盖打开后形成的中心通孔；

D、使用孔隙水压力量测管连接内嵌式三轴仪压力室的连接阀门与孔隙水压力传感器，其一端与连接阀门的外侧接头连接，另一端与孔隙水压力量测孔连接；使用反压力量测管连接内嵌式三轴仪压力室与反压力控制系统，其一端与连接阀门的外侧接头连接，另一端与反压连接孔连接；调节反压控制系统及其连接管线内的压力至与该内嵌式压力室中连接试样的管线内的压力相等；打开各连接阀门的内侧接头，使各管线连通；拉下试验仪器的压力罩，试验仪器压力室的法兰式金属连接底圈通过螺栓与试验台底座固定连接；打开周围压力控制系统，调节压力室内压力，直至原三轴仪压力室中的压力与内嵌式三轴仪压力室中的压力一致，打开连接阀门，通过周围压力连接管对内嵌式三轴仪压力室中的压力进行调节；

E启动顶升装置将整个压力室向上顶起；

F、当一个压力室在试验仪器内进行加载的同时，在另外一个压力室中进行其它土样的安装、饱和和固结试验准备过程，待上个试验完成、拆除其中的内嵌式压力室后，将在压力室中安装、饱和和固结完成的试样连同压力室放入试验仪器中进行试验；

G、收集试验数据，并对试验数据进行整理和分析。