CN110987641B - 测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置，包括压力室，压力室内从上到下依次是试样帽、上透水板、试样、下透水板与底座，底座与补水口连接，补水口设有补水阀门；内部连接有排水管，排水管与排水口连接并安装有阀门，底座旁设有围压进液口，压力室上部设有第一围压表与排气阀门，压力室内部有内嵌压力感应元件的橡皮膜，橡皮膜连接有传感器，传感器的数据线经压力室顶部的螺栓孔穿出压力室与外部计算机连接，橡皮膜包裹着粗颗粒压实成形的试样。本发明同时公开了利用该装置的测量方法。进行超大型三轴试验时，操作简单，部分试验可重复利用，适应性较强，便于工程试验人员操作。

Description

测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种及岩土工程测试设备技术，尤其是一种测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置及其测量方法。
背景技术
三轴试验是测定土体强度变形的主要手段，而对粗颗粒土三轴试验，其试样表面凹凸不平，围压的施加会使橡皮膜嵌入到试样表面颗粒的孔隙中。因此，对于粗颗粒土三轴固结排水剪试验，橡皮膜嵌入是影响试验体变测量的最重要因素。
一些常规的三轴试验尤其是粗颗粒的超大型三轴试验中。因为大颗粒的存在，细小的颗粒不能够有效的填充到空隙,或者在围压增加的过程中，橡皮膜的局部会因压力作用嵌入到试样内粗颗粒的空隙中如图1，在排水量的测量时会产生较大误差，对试验的结果造成影响。而粗粒土在制样的过程中因为制样的规范问题或者试样级配的原因，或多或少的都会在局部产生部分空隙。因此，在进行大型及超大型三轴排水试验时想要“消除”橡皮膜的嵌入效应是非常困难的。而传统的试验改进方法如涂液体橡胶薄层、试样间放入小块薄铜片、涂入聚氨脂或硅橡胶、制样时在边缘部位铺细颗粒、或者理论推导计算等方法来解决橡皮膜的嵌入影响问题。而这些理论推导膜的嵌入量过程繁琐，部分试验改进方法仍会产生理论推导的问题，没有从正面对膜的嵌入体积计算或测量提供一个较为直接的方法。
中国专利申请CN 109060543 A公开了一种直接测量三轴试验橡皮膜嵌入量的装置及其测量方法，装置包括三轴仪压力室，设置在三轴仪压力室内部的粗颗粒土试样，试样外部套有橡皮膜，特征是粗颗粒土试样上部设有和上透水板顶帽；下部设有底座，橡皮膜分别为内层橡皮膜和外层橡皮膜；底座内设置有小直径的排水通道内插PVC软管，PVC软管与底座间设置密封圈，PVC软管外连接控制开关及体变管，控制开关控制试样内水的进出，体变管带有刻度用于量测试样的排水量。该专利申请测量不同围压下的排水量与橡皮膜的嵌入量的关系，但仍以理论推导的方式通过不同围压下的排水量去推导膜的嵌入量，另外双层膜的使用，内层膜围压作用下，保证内层的膜嵌入量不变(这其中就包含有内层膜嵌入量以及排水量)，增加外部围压后排水量的测量，包含有内外层膜间的水量，导致其测量精度会下降，此方法可行，但相对于本装置直接通过计算机计算嵌入量在效率上有待提高。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置及其测量方法，进行超大型三轴试验时，操作简单，部分试验可重复利用，适应性较强，便于工程试验人员操作。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置，包括压力室，压力室内从上到下依次是试样帽、上透水板、试样、下透水板与底座，底座与补水口连接，补水口设有补水阀门；内部连接有排水管，排水管与排水口连接并安装有阀门，底座旁设有围压进液口，压力室上部设有第一围压表与排气阀门，其特征是，压力室内部有内嵌压力感应元件的橡皮膜，橡皮膜连接有传感器，传感器的数据线经压力室顶部的螺栓孔穿出压力室与外部计算机连接，橡皮膜包裹着粗颗粒压实成形的试样。
所述橡皮膜内部嵌入多个并联的压力感应元件。
所述压力感应元件弹性模量和橡皮膜相近。
所述压力感应元件形状为圆形。
所述橡皮膜的工作温度-20℃～60℃，最大围压3MPa。
利用测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的膜装置的测量方法，包括以下步骤：
1)配置一定量所需要测试的试样；
2)将橡皮膜套入并固定在三轴试验压力室底部的底座和下透水板，并将试样按要求装入橡皮膜中连接相应的传感器；
3)根据《SL237-1999土工试验规程》,套入围压桶，排出橡皮膜与围压桶壁之间的空气后，放入下透水板，进行分层装样待试样装好后放入上透水板；盖上试样帽子以及调整好顶部的排水管；
4)固定好橡皮膜传感器小螺栓，该螺栓连接有数据传输的传感器，螺栓口密封，气体不能够经螺栓连接部位进入压力室，盖上压力室，调节第一、第二围压表与其相应的阀门装置，并调整好传感器连接到电脑；
5)打开补水口与出水水口阀门，先通过补水口将试样进行饱和，待底部排水口有水且无气泡排出时，说明试样已经饱和，并按照《SL237-1999土工试验规程》要求通过围压进液口施加围压和外设加压装置进行压应力预定值的加载；
6)测量排水量；通过压力感应元件将信号传入到计算机中进行嵌入体积的计算；
7)通过排水量与膜嵌入量的测量值进行后续试验数据的计算。
所述步骤6)中橡皮膜嵌入体积ΔVm为：ΔVm＝∫d0dAm；其中，Am为橡皮膜和试样接触面积，d为嵌入的深度或膜变形挠度，d0为单位嵌入量。
当骤6)中嵌入的橡皮膜为棱锥体时，嵌入体积ΔVm为：
Figure BDA0002330436120000021
其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为棱锥体底部四边形的边长。
当步骤6)中嵌入的橡皮膜为半椭圆柱时，嵌入体积ΔVm为：ΔVm＝0.25π*d*a2，其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为半椭圆柱的高度。
当步骤6)中嵌入的橡皮膜为棱柱时，嵌入体积ΔVm为：
Figure BDA0002330436120000031
其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为棱柱的高度。
结果校正：ΔV＝Vs+ΔVm，其中ΔV为排水量，Vs为土体体积变形，ΔVm为橡皮膜嵌入体积。
本发明中的三轴试验压力室为现有技术。
本发明可以解决现阶段针对橡皮膜嵌入效应的理论推导，以及诸如涂液体橡胶薄层、试样间放入小块薄铜片、涂入聚氨脂或硅橡胶、制样时在边缘部位铺细颗粒等问题。装有压敏元件测量装置，压敏元件嵌入到橡皮膜的内部并且元件材质的弹性模量和膜的相近，可以很好的嵌入到橡皮膜的内部。通过压力感应测量嵌入的深度，并通过其他元件的点确定嵌入形状，将压力感应元件在围压作用下产生的位移信号通过传感器传输到计算机进行嵌入体积的分析计算，最后得出橡皮膜嵌入的体积。其原理是利用计算机连接压敏元件测量膜在围压作用下嵌入的深度，并通过不同部位的元件确定嵌入体底面的形状(如四面体形状、三棱柱形状以及半椭圆柱形状等)，以及给出的特殊与一般情况下膜嵌入体积的计算公式，利用计算机进行膜的嵌入体积计算，以提高大型及超大型三轴固结排水试验中排水体积测量的准确度，有效的解决了实际进行试验时的排水量问题。该装置结构简单，整体稳定性好，适应性强，便于试验人员进行室内三轴试验的操作。
附图说明
图1是三轴试验橡皮膜嵌入示意图；
图2是橡皮膜及其嵌入材料示意图；
图3a、图3b、图3c是棱锥体形状橡皮膜不同方位示意图；
图4是半椭圆柱形状橡皮膜示意图；
图5是棱柱形状橡皮膜示意图；
图6是粗粒土大型三轴试验装置结构示意图；
图7是橡皮膜及其嵌入的压力感应元件展开示意图；
其中1嵌入压力感应元件的橡皮膜；2螺栓孔；3传感器；4第一围压表；5排气阀门；6；试样帽；7排水管；8压力室；9试样；10下透水板，11上透水板，12第二围压表，13围压进液口；14补水阀门；15补水口；16排水口；17排水阀门；18底座；19压力感应元件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1、图2、图6、图7所示，测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置，包括压力室8，压力室8内从上到下依次是试样帽6、上透水板11、试样9、下透水板10与底座18，底座18与补水口15连接，补水口15设有补水阀门；内部连接有排水管7，排水管7与排水口16连接并安装有排水阀门17，底座18旁设有围压进液口13，压力室8上部设有第一围压表4与排气阀门5。压力室8内部有内嵌压力感应元件19的橡皮膜1，橡皮膜1连接有传感器3，传感器3数据线经压力室顶部的螺栓孔2穿过压力室8，橡皮膜1包裹着粗颗粒压实成形的试样9，试样帽6、上下透水板11、10、底座18与试样9的界面尺寸相同且都是圆形。试样帽6上部开有圆形孔洞，该孔洞与排水管螺栓连接，最终连通到排水口16。
底座18开有小孔，该孔与补水口15通道连接，成L型，开孔的水平部分沿底座的中部横向穿过底座18，连接下部排水口16并由下部排水口16进行排水。
第一围压表4下端为管状螺栓，螺栓开口与压力室8连接，第一围压表4旁设有排气阀门5。第二围压表12穿过下部底座18并开孔连接到压力室8内，第二围压表12旁设有围压进液口13，围压进液口13与外设的加压装置连接。
橡皮膜内部嵌入多个并联的压力感应元件，压力感应元件与外部的传感器连接，传感器通过导线连接至计算机。压力感应元件弹性模量和橡皮膜相近。压力感应元件形状为圆形，温度20℃～60℃，围压2MPa,误差小于1mm。橡皮膜的工作温度-20℃～60℃，最大围压3MPa。
利用测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的膜装置的测量方法，包括以下步骤：
1)配置一定量所需要测试的试样；
2)将橡皮膜套入并固定在三轴试验压力室底部的底座和下透水板，并将试样按要求装入橡皮膜中连接相应的传感器；
3)根据《SL237-1999土工试验规程》,套入围压桶，排出橡皮膜与围压桶壁之间的空气后，放入下透水板，进行分层装样待试样装好后放入上透水板；盖上试样帽子以及调整好顶部的排水管；
4)固定好橡皮膜传感器小螺栓，该螺栓连接有数据传输的传感器，螺栓口密封，气体不能够经螺栓连接部位进入压力室，盖上压力室，调节第一、第二围压表与其相应的阀门装置，并调整好传感器连接到电脑；
5)打开补水口与出水水口阀门，先通过补水口将试样进行饱和，待底部排水口有水且无气泡排出时，说明试样已经饱和，并按照《SL237-1999土工试验规程》要求通过围压进液口施加围压和外设加压装置进行压应力预定值的加载；
6)测量排水量；通过压力感应元件将信号传入到计算机中进行嵌入体积的计算；
一般情况想，橡皮膜嵌入体积ΔVm为：ΔVm＝∫d0dAm；其中，Am为橡皮膜和试样接触面积，d为嵌入的深度或膜变形挠度，d0为单位嵌入量。
如图3a、图3b、图3c所示，当中嵌入的橡皮膜为棱锥体时，嵌入体积ΔVm为：
Figure BDA0002330436120000051
Figure BDA0002330436120000052
其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为棱锥体底部四边形的边长。
如图4所示，当嵌入的橡皮膜为半椭圆柱时，嵌入体积ΔVm为：ΔVm＝0.25π*d*a2，其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为半椭圆柱的高度。
如图5所示，当嵌入的橡皮膜为棱柱时，嵌入体积ΔVm为：
Figure BDA0002330436120000053
其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为棱柱的高度。
结果校正：ΔV＝Vs+ΔVm，其中ΔV为排水量，Vs为土体体积变形，ΔVm为橡皮膜嵌入体积。
7)通过排水量与膜嵌入量的测量值进行后续试验数据的计算。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置，包括压力室，压力室内从上到下依次是试样帽、上透水板、试样、下透水板与底座，底座与补水口连接，补水口设有补水阀门；内部连接有排水管，排水管与排水口连接并安装有阀门，底座旁设有围压进液口，压力室上部设有第一围压表与排气阀门，其特征是，压力室内部有内嵌多个并联的压力感应元件的橡皮膜，所述压力感应元件弹性模量和橡皮膜相近，橡皮膜连接有传感器，传感器的数据线经压力室顶部的螺栓孔穿出压力室与外部计算机连接，橡皮膜包裹着粗颗粒压实成形的试样。
2.如权利要求1所述的测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置，其特征是，所述压力感应元件形状为圆形。
3.如权利要求1所述的测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置，其特征是，所述橡皮膜的工作温度-20℃～60℃，最大围压3MPa。
4.利用如权利要求1所述的测量粗颗粒大型三轴试验嵌入量的装置的测量方法，其特征是，包括以下步骤：
1)配置一定量所需要测试的试样；
2)将橡皮膜套入并固定在三轴试验压力室底部的底座和下透水板，并将试样按要求装入橡皮膜中连接相应的传感器；
3)根据《SL237-1999土工试验规程》,套入围压桶，排出橡皮膜与围压桶壁之间的空气后，放入下透水板，进行分层装样待试样装好后放入上透水板；盖上试样帽子以及调整好顶部的排水管；
4)固定好橡皮膜传感器小螺栓，该螺栓连接有数据传输的传感器，螺栓口密封，气体不能够经螺栓连接部位进入压力室，盖上压力室，调节第一、第二围压表与其相应的阀门装置，并调整好传感器连接到计算机；
5)打开补水口与排水口阀门，先通过补水口将试样进行饱和，待底部排水口有水且无气泡排出时，说明试样已经饱和，并按照《SL237-1999土工试验规程》要求通过围压进液口施加围压和外设加压装置进行压应力预定值的加载；
6)测量排水量；通过压力感应元件将信号传入到计算机中进行嵌入体积的计算；
7)通过排水量与膜嵌入量的测量值进行后续试验数据的计算。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征是，当步骤6)中嵌入的橡皮膜为棱锥体时，嵌入体积ΔVm为：
Figure FDA0002489450560000011
其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为棱锥体底部四边形的边长。
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征是，当步骤6)中嵌入的橡皮膜为半椭圆柱时，嵌入体积ΔVm为：ΔVm＝0.25π*d*a2，其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为半椭圆柱的高度。
7.如权利要求4所述的测量方法，其特征是，当步骤6)中嵌入的橡皮膜为棱柱时，嵌入体积ΔVm为：
Figure FDA0002489450560000021
其中，d为嵌入的深度或膜变形挠度，a为棱柱的高度。
8.如权利要求4所述的测量方法，其特征是，所述步骤6)中橡皮膜嵌入体积ΔVm为：ΔVm＝∫d0dAm；其中，Am为橡皮膜和试样接触面积，d为嵌入的深度或膜变形挠度，d0为单位嵌入量。
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