CN110095347A - 应变控制式非饱和土三轴拉伸仪 - Google Patents

Abstract

应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，包括测力计，测力计下方设有压力室，压力室底部设有压力室底座，压力室底座设在台座上；压力室内且位于压力室底座上设有试样固定模具，传力杆贯穿压力室顶部并与试样固定模具顶部连接；试样固定模具包括上模具和下模具，上模具和下模具内壁均设有若干尖刺，上模具的下部设有上模具支架，下模具的上部设有下模具支架，上模具顶部与传力杆之间可拆卸地连接，下模具底部与压力室底座之间可拆卸地连接，上模具支架和下模具支架之间接触连接。具有结构简单、制造成本低、精度高、便于推广等优点，能有效实现非饱和土三轴拉伸试验，实现了负围压的施加，为完善土工试验中三轴拉伸试验提供了有利参考。

Description

应变控制式非饱和土三轴拉伸仪

技术领域

本发明属于岩土工程试验领域，特别涉及一种应变控制式非饱和土三轴拉伸仪。

背景技术

许多土工建筑破坏都与土的抗拉强度密切相关，抗拉强度是土体重要的力学指标之一。然而，与土的抗剪强度和抗压强度相比，土体抗拉强度从试验仪器到理论均不成熟。目前已有的土体直接拉伸试验仪器，大多存在费用昂贵、精度低、实施困难以及无法测量拉应力状态下土体基质吸力等缺点。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，具有结构简单、制造成本低、精度高、便于推广等优点，能有效实现非饱和土三轴拉伸试验，解决过程中试样与仪器之间的连接问题，实现了负围压的施加，为完善土工试验中三轴拉伸试验提供了有利参考。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，包括试验机横梁，试验机横梁通过支柱与台座固定，试验机横梁下方设有量力环，量力环上下分别设有带四个螺孔的固定夹具，上下固定夹具通过活接螺帽分别与试验机横梁、测力计以及传力杆固定连接；测力计的测量指针竖直向下与量力环下部固定夹具对准，测力计下方设有压力室，压力室底部设有压力室底座，压力室底座设在台座上；压力室内且位于压力室底座上设有试样固定模具，传力杆贯穿压力室顶部并与试样固定模具顶部连接；

试样固定模具包括上模具和下模具，上模具和下模具内壁均设有若干尖刺，上模具的下部设有上模具支架，下模具的上部设有下模具支架，上模具顶部与传力杆之间可拆卸地连接，下模具底部与压力室底座之间可拆卸地连接，上模具支架和下模具支架之间接触连接；

压力室底座内设有第一管道、第二管道、第三管道和第四管道；

所述的第一管道一端与压力室内部空间连通，第一管道另一端与周围气压力测控系统连接；

所述的第二管道一端与下模具底部连通，第二管道另一端与试样内部水压力控制系统连通；

所述的第三管道一端与上模具顶部连通，第三管道另一端与试样内部气压力控制系统连通；

所述的第四管道一端与下模具底部连通，第四管道另一端与孔隙水压力测量系统连通。

优选的方案中，所述的上模具包括左上模具和右上模具，左上模具和右上模具之间通过卡扣连接；下模具包括左下模具和右下模具，左下模具和右下模具之间通过卡扣连接；上模具顶部设有模具顶盖，模具顶盖中部设有传力支架，传力支架与传力片连接，传力片与传力杆连接；模具顶盖设有进气孔，进气孔与第三管道连接。

优选的方案中，所述的传力支架为十字形支架，十字形支架包括竖直杆和水平板，竖直杆与模具顶盖中部连接固定，水平板垂直于竖直杆设置；传力片为条板围成的方形框架结构，方形框架下部设有开口；所述的传力支架的水平板下表面用于与传力片下部上表面接触。

优选的方案中，所述的压力室底座包括水平底座和竖直底座，水平底座和竖直底座构成了凸台结构，下模具用于套接在压力室底座的竖直底座上，竖直底座顶部设有陶土板；第二管道一端与陶土板接触，第二管道另一端与试样内部水压力控制系统连通；第四管道一端与陶土板接触，第四管道另一端与孔隙水压力测量系统连通。

优选的方案中，所述的周围气压力测控系统包括第一气压表，第一气压表安装在第一管道上，第一管道与气源连通，第一管道设有手阀；

试样内部水压力控制系统包括水压表，水压表安装在第二管道上，第二管道与水源连通，第二管道设有手阀；第二管道上设有体变测控装置，体变测控装置位于水压表与压力室底座之间；

试样内部气压力控制系统包括第二气压表，第二气压表安装在第三管道上，第三管道与气源连通，第三管道上设有手阀；

孔隙水压力测量系统包括水压传感器，水压传感器安装在第四管道上，第四管道上设有手阀。

优选的方案中，所述的体变测控装置包括体变管和排水管，排水管安装在水压表于压力室底座之间，体变管位于排水管与水压表之间。

优选的方案中，所述的第四管道与量水管连通，量水管为U形管结构。

优选的方案中，所述的台座包括升降台和箱体，压力室底座安装在升降台上，升降台由驱动装置驱动上下移动，驱动装置安装在箱体内。

优选的方案中，所述的驱动装置包括剪叉升降机构，剪叉升降机构的滑动端由电动液压推力杆驱动滑动。

优选的方案中，所述的剪叉升降机构的滑动端与丝杆铰接，丝杆由摇把驱动水平移动，摇把安装在箱体外。

本专利可达到以下有益效果：

1、试样固定模具采用组合式的模具设计，能够方便将土试样安装在压力室底座上，而传统的模具容易造成土试样的倾斜或折断；安装时先利用下模具将土试样的下半部固定，然后再利用上模具将土试样上半部固定，接着再安装模具顶盖，传力支架与传力片之间采用接触式的连接，这样的连接好处在于：传力支架与传力片固定的过程不会造成试样固定模具的晃动，从而避免了土试样被破坏；

2、上模具和下模具内壁设有若干尖刺，尖刺可以增大土试样与上模具和下模具内壁之间的摩擦；传统的模具内壁光滑，容易造成模具与土试样的相对运动，从而增大了试样的误差；尖刺是细长结构，对土试样的破坏程度小。

3、周围气压力测控系统能够模拟土试样周围的压力环境（简称围压），传统的模拟围压的装置采用的是水，但是水不容易模拟负压的情况，而周围气压力测控系统可以模拟正负围压的情况；

4、台座包括升降台和箱体，升降台利用了电动和手动两个结构分别完成升降功能，能够使本装置适用不同的场合，方便取电的情况下就采用电动升降，不方便取电的情况就可以采用摇把来升降，操作方便；

5、具有结构简单、制造成本低、精度高、便于推广等优点，不仅可以对土试样做压缩特性的试验，还可以对土试样做拉伸试验，为完善土工试验中三轴拉伸试验提供了有利参考；而传统的仪器只能单独做压缩性试验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明试样固定模具纵向展开图；

图3为本发明压力室底座结构图；

图4为本发明周围气压力测控系统结构图；

图5为本发明试样内部水压力控制系统结构图；

图6为本发明试样内部气压力控制系统结构图；

图7为本发明孔隙水压力测量系统结构图；

图8为本发明台座结构图。

图中：周围气压力测控系统101、试样内部水压力控制系统102、试样内部气压力控制系统103、孔隙水压力测量系统104、台座2、升降台201、剪叉升降机构202、电动液压推力杆203、摇把3、压力室底座4、第一管道401、第二管道402、第三管道403、第四管道404、陶土板405、试样固定模具5、上模具支架501、下模具支架502、尖刺503、卡扣504、模具顶盖505、传力支架506、进气孔507、压力室6、传力杆7、传力片701、量力环8、位移计9、试验机横梁10、排水管11、体变管12、测力计13、水压传感器14、量水管15、固定夹具16、活接螺帽17。

具体实施方式

优选的方案如图1至图8所示，应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，包括试验机横梁10，试验机横梁10通过支柱与台座2固定，试验机横梁10下方设有量力环8，量力环8上下分别设有带四个螺孔的固定夹具16，上下固定夹具16通过活接螺帽17分别与试验机横梁10、测力计13以及传力杆7固定连接；测力计13的测量指针竖直向下与量力环下部固定夹具16对准，测力计13下方设有压力室6，压力室6底部设有压力室底座4，压力室底座4设在台座2上；压力室6内且位于压力室底座4上设有试样固定模具5，传力杆7贯穿压力室6顶部并与试样固定模具5顶部连接；

测力计13外部设有量力环8，量力环8顶部和底部均通过带四个螺孔的固定夹具16固定，上部固定夹具16通过活接螺帽17分别与试验机横梁10、测力计13固定连接；测力计13下部测量指针与量力环8底部的固定夹具16接触对准，量力环8底部的固定夹具16与传力杆7通过活接螺帽17固定连接，这样可以实现传力杆7的转动，量力环8内壁连接有位移计9，位移计9的位移测量指针与压力室6上端的压力室盖接触，当拉伸试样时，通过位移测量指针的上下移动测量位移大小；

试样固定模具5内用于放置土试样，试样固定模具5包括上模具和下模具，上模具和下模具内壁均设有若干尖刺503，上模具的下部设有上模具支架501，下模具的上部设有下模具支架502，上模具顶部与传力杆7之间可拆卸地连接，下模具底部与压力室底座4之间可拆卸地连接，上模具支架501和下模具支架502之间接触连接；

尖刺503为不锈钢钢刺，若干钢刺焊接在环形钢丝上，环形钢丝的数量为五个，环形钢丝焊接在上模具和下模具内壁上，尖刺503与上模具和下模具内壁垂直设置，其目的是增加土试样与上模具和下模具内壁之间的摩擦力；

压力室底座4内设有第一管道401、第二管道402、第三管道403和第四管道404；

所述的第一管道401一端与压力室6内部空间连通，第一管道401另一端与周围气压力测控系统101连接；周围气压力测控系统101连接用于测量和控制试样外部的围压。

所述的第二管道402一端与下模具底部连通，第二管道402另一端与试样内部水压力控制系统102连通；试样内部水压力控制系统102用于反压饱和土试样和测量试验过程中体积变化。

所述的第三管道403一端与上模具顶部连通，第三管道403另一端与试样内部气压力控制系统103连通；试样内部气压力控制系统103用于控制土试样的非饱和状态和试样基质吸力。

所述的第四管道404一端与下模具底部连通，第四管道404另一端与孔隙水压力测量系统104连通；孔隙水压力测量系统104用于测量试验过程中试样内的孔隙水压力。

进一步地，试样固定模具5的结构如图2所示，其中上模具包括左上模具和右上模具，左上模具和右上模具之间通过卡扣504连接；下模具包括左下模具和右下模具，左下模具和右下模具下部设有螺栓孔，左下模具和右下模具之间通过卡扣504连接；相应地，环形钢丝分成了两个半圆环钢丝结构；上模具顶部设有模具顶盖505，模具顶盖505中部设有传力支架506，传力支架506与传力片701连接，传力片701与传力杆7连接；模具顶盖505设有进气孔507，进气孔507与第三管道403连接；

模具顶盖505边缘设置螺栓孔，上模具顶部边缘也设置有螺栓孔，模具顶盖505与上模具之间通过螺栓连接。

进一步地，传力支架506为十字形支架，十字形支架包括竖直杆和水平板，竖直杆与模具顶盖505中部连接固定，水平板垂直于竖直杆设置；传力片701为条板围成的方形框架结构，方形框架下部设有开口；所述的传力支架506的水平板下表面用于与传力片701下部上表面接触；该设计主要方便拆卸传力杆7与模具顶盖505之间的连接。

进一步地，压力室底座4结构如图3所示，压力室底座4包括水平底座和竖直底座，水平底座和竖直底座构成了凸台结构，下模具用于套接在压力室底座4的竖直底座上，左下模具和右下模通过螺栓与所述的竖直底座固定，竖直底座顶部设有陶土板405；第二管道402一端与陶土板405接触，第二管道402另一端与试样内部水压力控制系统102连通；第四管道404一端与陶土板405接触，第四管道404另一端与孔隙水压力测量系统104连通。

进一步地，周围气压力测控系统101结构如图4所示，周围气压力测控系统101包括第一气压表，第一气压表安装在第一管道401上，第一管道401与气源连通，第一管道401设有手阀；

试样内部水压力控制系统102结构如图5所示，试样内部水压力控制系统102包括水压表，水压表安装在第二管道402上，第二管道402与水源连通，第二管道402设有手阀；第二管道402上设有体变测控装置，体变测控装置位于水压表与压力室底座4之间；

试样内部气压力控制系统103结构如图6所示，试样内部气压力控制系统103包括第二气压表，第二气压表安装在第三管道403上，第三管道403与气源连通，第三管道403上设有手阀；

孔隙水压力测量系统104结构如图7所示，孔隙水压力测量系统104包括水压传感器14，水压传感器14安装在第四管道404上，第四管道404上设有手阀；水压传感器14的型号为YB-27K，该传感器输出的是4-20mA的模拟信号。

进一步地，体变测控装置包括体变管12和排水管11，排水管11安装在水压表于压力室底座4之间，体变管12位于排水管11与水压表之间；排水管11与大气联通，其中对土试样进行反压饱和时，关闭排水管11阀门；试验过程中，打开排水管11阀门，通过读取初始时刻排水管11读数和某一时刻排水管11读数，计算读数差值测得某一时刻试验体积变化量。

进一步地，第四管道404与量水管15连通，量水管15为U形管结构，且U形管上设有刻度，量水管15与大气联通，量水管15U形的结构可以防止水溢出。

进一步地，台座2包括升降台201和箱体，压力室底座4安装在升降台201上，升降台201由驱动装置驱动上下移动，驱动装置安装在箱体内。

进一步地，驱动装置包括剪叉升降机构202，剪叉升降机构202的滑动端由电动液压推力杆203驱动滑动。

进一步地，台座2的结构如图8所示，台座2中的剪叉升降机构202的滑动端与丝杆铰接，丝杆由摇把3驱动水平移动，摇把3安装在箱体外。

升降台201、剪叉升降机构202和电动液压推力杆203组成的一种剪叉式升降机，剪叉式升降机是用途广泛的高空作业专用设备，具有升降平稳的优点，本装置将剪叉式升降机用于提升或降低升降台201，使得升降台201升降比较平稳；

剪叉升降机构202也可以采用丝杆来推动，丝杆外部套接有内螺纹圆筒，内螺纹圆筒通过轴承固定在箱体壁上，内螺纹圆筒外部由摇把3转动，当摇把3旋转时，可以实现丝杆的左右平移，从而推动剪叉升降机构202的滑动端。

整个装置的操作步骤如下：

1、将制好的土试样置于压力室底座4的陶土板405上；

2、再将左下模具和右下模具套在土试样的下部，并通过卡扣504将左下模具和右下模具连接，左下模具和右下模具组成了下模具，同时通过螺栓将下模具与压力室底座4的竖直底座固定；

3、根据步骤2的原理，将上模具套接在土试样外部，并在土试样顶部防止透水石，在利用螺栓将上模具与模具顶盖505固定；

4、在土试样外部套上一层橡皮膜，并用橡皮筋将上下口扎紧；

5、安装压力室6，将压力室盖体紧固，降低传力杆7使得传力片701略低于传力支架506，旋转传力杆7使得传力片701与传力支架506平行，实现两者之间的搭接；

6、土试样安装完成后，利用周围气压力测控系统101对压力室6进行抽气充气以实现正负围压的施加；

7、降低升降台201施加轴向拉力；

8、模具顶盖505上的进气孔507与试样内部气压力控制系统103连通，向土试样施加气压，压力室底座4与试样内部水压力控制系统102连接，在试验阶段，通过试样内部气压力控制系统103和压力室底部4嵌固的高进气值的陶土板405配合使用，控制试样的非饱和状态和试样基质吸力。

Claims (10)

1.一种应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，包括试验机横梁（10），试验机横梁（10）通过支柱与台座（2）固定，试验机横梁（10）下方设有量力环（8），量力环（8）上下分别设有带四个螺孔的固定夹具（16），上下固定夹具（16）通过活接螺帽（17）分别与试验机横梁（10）、测力计（13）以及传力杆（7）固定连接；测力计（13）的测量指针竖直向下与量力环下部固定夹具（16）对准，其特征在于：测力计（13）下方设有压力室（6），压力室（6）底部设有压力室底座（4），压力室底座（4）设在台座（2）上；压力室（6）内且位于压力室底座（4）上设有试样固定模具（5），传力杆（7）贯穿压力室（6）顶部并与试样固定模具（5）顶部连接；

试样固定模具（5）包括上模具和下模具，上模具和下模具内壁均设有若干尖刺（503），上模具的下部设有上模具支架（501），下模具的上部设有下模具支架（502），上模具顶部与传力杆（7）之间可拆卸地连接，下模具底部与压力室底座（4）之间可拆卸地连接，上模具支架（501）和下模具支架（502）之间接触连接；

压力室底座（4）内设有第一管道（401）、第二管道（402）、第三管道（403）和第四管道（404）；

所述的第一管道（401）一端与压力室（6）内部空间连通，第一管道（401）另一端与周围气压力测控系统（101）连接；

所述的第二管道（402）一端与下模具底部连通，第二管道（402）另一端与试样内部水压力控制系统（102）连通；

所述的第三管道（403）一端与上模具顶部连通，第三管道（403）另一端与试样内部气压力控制系统（103）连通；

所述的第四管道（404）一端与下模具底部连通，第四管道（404）另一端与孔隙水压力测量系统（104）连通。

2.根据权利要求1所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：上模具包括左上模具和右上模具，左上模具和右上模具之间通过卡扣（504）连接；下模具包括左下模具和右下模具，左下模具和右下模具之间通过卡扣（504）连接；上模具顶部设有模具顶盖（505），模具顶盖（505）中部设有传力支架（506），传力支架（506）与传力片（701）连接，传力片（701）与传力杆（7）连接；模具顶盖（505）设有进气孔（507），进气孔（507）与第三管道（403）连接。

3.根据权利要求2所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：传力支架（506）为十字形支架，十字形支架包括竖直杆和水平板，竖直杆与模具顶盖（505）中部连接固定，水平板垂直于竖直杆设置；传力片（701）为条板围成的方形框架结构，方形框架下部设有开口；所述的传力支架（506）的水平板下表面用于与传力片（701）下部上表面接触。

4.根据权利要求1所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：压力室底座（4）包括水平底座和竖直底座，水平底座和竖直底座构成了凸台结构，下模具用于套接在压力室底座（4）的竖直底座上，竖直底座顶部设有陶土板（405）；第二管道（402）一端与陶土板（405）接触，第二管道（402）另一端与试样内部水压力控制系统（102）连通；第四管道（404）一端与陶土板（405）接触，第四管道（404）另一端与孔隙水压力测量系统（104）连通。

5.根据权利要求1所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：周围气压力测控系统（101）包括第一气压表，第一气压表安装在第一管道（401）上，第一管道（401）与气源连通，第一管道（401）设有手阀；

试样内部水压力控制系统（102）包括水压表，水压表安装在第二管道（402）上，第二管道（402）与水源连通，第二管道（402）设有手阀；第二管道（402）上设有体变测控装置，体变测控装置位于水压表与压力室底座（4）之间；

试样内部气压力控制系统（103）包括第二气压表，第二气压表安装在第三管道（403）上，第三管道（403）与气源连通，第三管道（403）上设有手阀；

孔隙水压力测量系统（104）包括水压传感器（14），水压传感器（14）安装在第四管道（404）上，第四管道（404）上设有手阀。

6.根据权利要求5所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：体变测控装置包括体变管（12）和排水管（11），排水管（11）安装在水压表于压力室底座（4）之间，体变管（12）位于排水管（11）与水压表之间。

7.根据权利要求5所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：第四管道（404）与量水管（15）连通，量水管（15）为U形管结构。

8.根据权利要求1所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：台座（2）包括升降台（201）和箱体，压力室底座（4）安装在升降台（201）上，升降台（201）由驱动装置驱动上下移动，驱动装置安装在箱体内。

9.根据权利要求8所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：驱动装置包括剪叉升降机构（202），剪叉升降机构（202）的滑动端由电动液压推力杆（203）驱动滑动。

10.根据权利要求9所述的应变控制式非饱和土三轴拉伸仪，其特征在于：剪叉升降机构（202）的滑动端与丝杆铰接，丝杆由摇把（3）驱动水平移动，摇把（3）安装在箱体外。