CN110455853B - 一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,在滑板与底板之间设有千斤顶,在滑板上设有测力计,在测力计上设有试样台,在试样台上设有试样筒,在试样筒内装有待测的土样;在土样中设有温度传感器、PF Meter基质势传感器、孔隙水压力传感器及Hydra Probe 2三参数传感器,上述所有的传感器通过数据采集系统和处理器相连;在顶板上设有与试样筒相互配合使用的压力头,在压力头和试样台上分别设有酒精制冷的冷浴装置A和冷浴装置B;在支撑杆上设有百分表安装架,在百分表安装架上设有百分表;本发明能同时胜任研究环境温度对盐渍土多因素的影响关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,属于盐渍土实验工具领域。
背景技术
我国的盐渍土分布广泛,盐渍土的地区涉及工程项目常因盐渍冻胀和盐胀特性给工程建设带来不便。现有实验装置致力于研究环境温度湿度对盐渍土中水分盐分迁移和冻胀盐胀的影响,而对结晶压力的研究较少,目前还没有专门进行盐渍土结晶压力测试的仪器设备。在岩石膨胀膨胀压力测试方面目前已经有多种型号的岩石膨胀压力仪,其原理是将岩石试样两端固定、四周自由,加水后岩石吸水膨胀,采用测力计记录吸水稳定后的最大膨胀力作为岩石膨胀压力。而膨胀土膨胀压力的测定方法则采用单向固结仪使试样其在上覆荷重下固结稳定后浸水饱和,待膨胀完毕再递增荷重将其压回达到原来的孔隙比所需的压力。然而,盐渍土冻胀和盐胀作用与膨胀土和膨胀岩石有本质区别。膨胀土和膨胀岩石是其中黏土矿物吸水膨胀而产生膨胀压力;盐渍土冻胀盐胀伴随着土体中水分和盐分的结晶相变,从而产生结晶压力。目前用于盐渍土测试的实验装置通常只能对盐渍土中的单一因素进行研究,例如研究盐渍土中水分盐分迁移,或者测试温湿度环境变化条件下盐渍土盐胀率。而在结晶压力测试方面没有专门的仪器设备。
因此,亟需一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,能同时研究环境温度对盐渍土多因素的影响关系。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,能同时研究环境温度对盐渍土多因素的影响关系;可以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是:一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,它用于放置在湿温度控制箱内,其包括底板,在底板上设有支撑杆,在支撑杆的上端固定设有顶板,在支撑杆上设有滑板,在滑板与底板之间设有千斤顶,在滑板上设有测力计,在测力计上设有试样台,在试样台上设有试样筒,在试样筒内装有待测的土样;在土样中设有温度传感器、PF Meter基质势传感器、孔隙水压力传感器及Hydra Probe 2三参数传感器,上述所有的传感器通过数据采集系统和处理器相连;在顶板上设有与试样筒相互配合使用的压力头,在压力头和试样台上分别设有酒精制冷的冷浴装置A和冷浴装置B;在支撑杆上设有百分表安装架,在百分表安装架上设有百分表。
上述的试样筒和压力头有多个相互对应的大小型号,在顶板下表面固定设有螺纹杆,在压力头上设有螺纹接口。
上述的试样筒上设有温度传感器、PF Meter基质势传感器、孔隙水压力传感器及Hydra Probe 2三参数传感器穿过用的通孔。
上述的滑板上设有供支撑杆穿过用的通孔,滑板的下表面与千斤顶的上活动端相接触。
前述的百分表安装架包括能沿支撑杆定轴转动的安装套,在安装套上设有固紧螺钉和水平杆,在水平杆上设有百分表安装孔,百分表的导杆安装在水平杆上。
与现有技术比较,本发明盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,在支撑杆上设有滑板,在滑板与底板之间设有千斤顶,在滑板上设有测力计,在测力计上设有试样台,在试样台上设有试样筒,在试样筒内装有待测的土样;在土样中设有温度传感器、PF Meter基质势传感器、孔隙水压力传感器及Hydra Probe 2三参数传感器,上述所有的传感器通过数据采集系统和处理器相连;在顶板上设有与试样筒相互配合使用的压力头,在压力头和试样台上分别设有酒精制冷的冷浴装置A和冷浴装置B;在支撑杆上设有百分表安装架,在百分表安装架上设有百分表;这样的结构,在进行膨胀系数测定时,可以通过百分表进行测定;通过温度传感器、测力计可以研究环境温度与宏观结晶压力之间的关系;通过HydraProbe 2三参数传感器可以研究的液态水含量、盐分浓度与温度之间的关系;通过Meter基质势传感器可以研究基质吸力与温度、水分和盐分之间的关系;孔隙水压力传感器可获得孔隙水压力数据,配合温度传感器和基质吸力传感器数据,可根据广义克拉伯龙方程算出微观结晶压力;这样的结构,在能同时研究环境温度对多因素的影响关系,更为重要的是,可以在同一个装置内,针对同种盐渍土样本进行采集环境温度、液态水含量、盐分浓度、基质吸力和宏观结晶压力的数据,通过数据分析可以得到不同条件下盐晶体析出温度、湿度和及饱和度条件,以及盐渍土冻结温度和膨胀系数,有利于更准确的分析盐渍土在温湿度变化情况下各物理量的演化过程及相互关系。
所述的试样筒和压力头有多个相互对应的大小型号,在顶板下表面固定设有螺纹杆,在压力头上设有螺纹接口;在顶板下表面固定设有螺纹杆,在压力头上设有螺纹接口,螺纹接口有利于压力头的装,便于更换不同尺寸的试样筒和压力头开展研究。
在试样筒上设有温度传感器、PF Meter基质势传感器、孔隙水压力传感器及HydraProbe 2三参数传感器穿过用的通孔;这样方便对温度、液态水含量、电导率、基质吸力数据和孔隙水压力的采集,多因素综合判定盐渍土晶体析出条件和析出规律。
在滑板上设有供支撑杆穿过用的通孔,滑板的下表面与千斤顶的上活动端相接触,这样便于千斤顶推动滑板上下移动,保证试样与压力头接触良好,相变过程中产生的结晶压力将传递到测力计并记录输出。
所述的百分表安装架包括能沿支撑杆定轴转动的安装套,在安装套上设有固紧螺钉和水平杆,在水平杆上设有百分表安装孔,百分表的导杆安装在水平杆上,这样的结构,在进行测试盐渍土冻胀和盐胀量时,便于将水平杆上的百分表的导杆旋转至试样筒的上方方便测试,在不需要进行测试膨胀系数时,将水平杆旋转开,从而避免影响其它因数的测试。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明俯视图。
图3是本发明试样筒及其上传感器的结构示意图。
图4是本发明传感器与数据采集系统及处理器的连接结构示意图。
其中,湿温度控制箱1;底板2;支撑杆3;顶板4;滑板5;千斤顶6;测力计7;试样台8;试样筒9;土样10;温度传感器11;PF Meter基质势传感器12;孔隙水压力传感器13;HydraProbe 2三参数传感器14;数据采集系统15;处理器16;压力头17;冷浴装置A18;冷浴装置B19;百分表安装架20;百分表21。
具体实施方式
实施例1.如图1所示,一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,它用于放置在湿温度控制箱1内,其包括底板2,在底板2上设有支撑杆3,在支撑杆3的上端固定设有顶板4,在支撑杆3上设有滑板5,在滑板5与底板2之间设有千斤顶6,在滑板5上设有供支撑杆3穿过用的通孔,滑板5的下表面与千斤顶6的上活动端相接触;在滑板5上设有测力计7,在测力计7上设有试样台8,在试样台8上设有试样筒9,在试样筒9内装有待测的土样10;在土样10中设有温度传感器11、PF Meter基质势传感器12、孔隙水压力传感器13及Hydra Probe 2三参数传感器14,上述所有的传感器通过数据采集系统15和处理器16相连,冷浴装置A14和冷浴装置B15通过螺钉和绑定进行固定;在试样筒9上设有温度传感器11、PF Meter基质势传感器12、孔隙水压力传感器13及Hydra Probe 2三参数传感器14穿过用的通孔,通孔为多个,所述的温度传感器11、PF Meter基质势传感器12、孔隙水压力传感器13及Hydra Probe2三参数传感器14分别的穿过通孔插在土样10内;在顶板4上设有与试样筒9相互配合使用的压力头17,所述的试样筒9和压力头17有多个相互对应的大小型号,在顶板4下表面固定设有螺纹杆,在压力头17上设有螺纹接口;在压力头17和试样台8上分别设有酒精制冷的冷浴装置A18和冷浴装置B19;在支撑杆3上设有百分表安装架20,在百分表安装架20上设有百分表21;所述的百分表安装架20包括能沿支撑杆3定轴转动的安装套,在安装套上设有固紧螺钉和水平杆,在水平杆上设有百分表21安装孔,百分表21的导杆安装在水平杆上。
测力计7、Meter基质势传感器12、Hydra Probe 2三参数传感器14、压力头17及孔隙水压力传感器13通过数线与数据采集系统15连接,数据采集系统15与处理器16连接;所述的数据采集系统15为Campbell公司生产的CR1000X数采仪,也可以采用其他型号的数采仪进行数据采集与存储;处理器16为电脑上的数据处理软件;该装置通过综合测试数据,便于下一步在处理器16中进行研究。
在使用时:
通过湿温度控制箱1能控制整个箱内湿温度,通过冷浴装置A18和冷浴装置B19能对试样筒9上端和下端的温度进行设置,模拟实际温度变化效果。
1)在进行宏观结晶压力测试时,通过湿温度控制箱1能控制整个箱内湿温度,通过冷浴装置A18和冷浴装置B19能对试样筒9上端和下端温度同时进行调节,能够更加精确的模拟实际降温过程;在进行宏观结晶压力测定时,通过控制千斤顶6将滑板5上推,直到压力头17与土样10接触良好。此时,土样10产生的宏观结晶压力可以传递到测力计7上,并由测力计7实时监测输出。
由此,可模拟环境温度变化时盐渍土宏观结晶压力变化情况。
2)在试样筒9内设置温度传感器11,通过高精度(精度为0.01℃)温度传感器11,可以确定盐渍土中盐分结晶温度和水分冻结温度,也可以根据温度传感器数据在相变点附近的温度浮动研究相变吸热/放热量,进一步确定结晶量;配合测力计7,研究确定相变过程中温度和结晶量与结晶压力之间的关系。
进一步通过Hydra Probe 2三参数传感器14可以输出试样温度、液态水含量和电导率数据,从而确定盐分结晶温度、水分冻结温度和水分盐分结晶量;配合测力计7,可研究温度、水分盐分结晶量与宏观结晶压力之间的关系。
3)在研究盐渍土中微观结晶压力与测力计7测得的宏观结晶压力之间关系的可能性时,在试样筒9内设置PF Meter基质势传感器12和孔隙水压力传感器13,对于饱和试样,相变过程中基质吸力是晶体压力与液体压力之差,即
ps=pc-pl (1)
当盐渍土试样中自由水结冰时,冰-水平衡状态的压力差采用克拉伯龙方程表示为:
其中,ΔmH为冻结温度T0时的摩尔相变潜热,vw为液态水的摩尔体积,T为试样温度;此时pc和pl分别表示冰晶体压力和液态水压力。
通过Meter基质势传感器12以获得冰晶体压力和液态水压力之差ps,温度传感器11可以获得试样温度T和冻结温度T0,根据方程(2)可以算出冰晶体压力。
当盐渍土试样中盐分结晶时,盐晶体与盐溶液处于平衡状态的压力差表示为:
其中,R为理想气体常数,vc为晶体的偏摩尔体积,c和c0分别表示盐溶液浓度和温度T下的饱和浓度;此时pc和pl分别表示盐晶体和溶液压力。
方程(1)和(3)中液体压力可用孔隙水压力传感器13直接测出,温度传感器11可以获得试样温度T,根据盐分的相图可以确定饱和浓度c0与温度T的关系,盐分浓度可通过Hydra Probe 2三参数传感器14测得的电导率标定之后确定。因此,根据方程(2)和(3)可算出盐晶体压力。
根据盐渍土试样中晶体分布情况,归一化之后确定微观结晶压力pc与测力计7测得的宏观结晶压力之间的关系,建立宏-微观结晶压力理论。
4)在研究建筑荷载时晶体生长和结晶压力的关系时;可以通过控制千斤顶6将滑板5上推,直到压力头17与土样10接触良好。压力头17与土样10接触良好后,控制千斤顶6上升高度,可以在试样上施加预应力,应力大小可通过千斤顶6上升高度进行调节,通过测力计7显示输出,模拟有建筑荷载时晶体生长和结晶压力发展过程,对于保障盐渍土上修建的建筑物安全和稳定性具有重要意义。
5)在使用百分表21进行测试冻胀盐胀特性时,先将水平杆旋转到试样筒9上方,通过千斤顶6将滑板5上推,使得百分表21的导杆与试样筒9内的盐渍土接触后,可研究环境温度变化时,盐渍土中晶体析出温度、含盐量、含水量、盐分水分结晶量与冻胀和盐胀量的关系。
Claims (1)
1.一种盐渍土结晶压力与冻胀盐胀综合测试装置,它用于放置在湿温度控制箱(1)内,其包括底板(2),在底板(2)上设有支撑杆(3),在支撑杆(3)的上端固定设有顶板(4),其特征在于:在支撑杆(3)上设有滑板(5),在滑板(5)与底板(2)之间设有千斤顶(6),在滑板(5)上设有测力计(7),在测力计(7)上设有试样台(8),在试样台(8)上设有试样筒(9),在试样筒(9)内装有待测土样(10);在土样(10)中设有温度传感器(11)、PFMeter基质势传感器(12)、孔隙水压力传感器(13)及Hydra Probe2三参数传感器(14),上述所有的传感器通过数据采集系统(15)和处理器(16)相连;在顶板(4)上设有与试样筒(9)相互配合使用的压力头(17),在压力头(17)和试样台(8)上分别设有酒精制冷的冷浴装置A(18)和冷浴装置B(19);在支撑杆(3)上设有百分表安装架(20),在百分表安装架(20)上设有百分表(21);
所述试样筒(9)和压力头(17)有多个相互对应的大小型号,在顶板(4)下表面固定设有螺纹杆,在压力头(17)上设有螺纹接口;在试样筒(9)上设有温度传感器(11)、PF Meter基质势传感器(12)、孔隙水压力传感器(13)及Hydra Probe 2三参数传感器(14)穿过用的通孔;
在滑板(5)上设有供支撑杆(3)穿过用的通孔,滑板(5)的下表面与千斤顶(6)的上活动端相接触;
所述百分表安装架(20)包括能沿支撑杆(3)定轴转动的安装套,在安装套上设有固紧螺钉和水平杆,在水平杆上设有百分表(21)安装孔,百分表(21)的导杆安装在水平杆上。
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