CN111679062A - 一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪 - Google Patents

一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪，所述固结压缩仪包括试验台、鼓风机、水槽、液压加载设备、位移计和摄像仪，水槽底部设有可使用孔盖密封而使得水槽底部不漏水的孔口，所述孔口位于水槽底部中央位置，且孔口处设置有梁条起到支撑作用；在测量环刀试样由湿转干过程的压缩特性时，所述鼓风机设置在所述孔口处用于对准下层透水石干燥吹风，渐干的下层透水石用于逐渐吸收环刀试样内的水，即可模拟膨胀土由湿转干的过程。本发明避免了人工移动环刀试样烘干造成的仪器扰动，使得实验数据更准确合理；且鼓风机吹出的风能向上经过透水石从而对环刀试样起到逐步烘干的效果。

Description

一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪
技术领域
本发明涉及地质土壤检测领域，具体涉及一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪。
背景技术
膨胀土广泛存在于我国各地，其工程特性差，性质复杂，由于其干缩湿张的特性，有膨胀土存在的边坡或者路基在经历多次降雨及干燥过程极易发生损毁，因此需要研究透彻膨胀土在干湿循环过程中，其裂隙变化特征以及膨胀、压缩变形特性。
在对膨胀土进行室内固结压缩试验时，若想研究其干湿循环特征，在由湿转干的过程，一般会将浸水的环刀试样放置于烘箱进行干燥处理，在这期间，扰动了原装器具，并移除了其上覆荷载，实验数据往往并不合理。而如若用烤灯对加压中的环刀进行烘烤，由于不能直接对膨胀土进行烘烤，仅凭热传导很难起到烘干效果，且少量蒸发的水蒸气也没有疏通的空间。因此往往只能测试膨胀土在浸水状态的固结压缩曲线，而得不到由湿转干过程的竖向变形曲线。
同样的，若是为了研究膨胀土试样在干湿循环过程中裂隙变化情况，在将浸水环刀试样放置于烘箱干燥过程中，需要定时取出环刀进行拍照。这种方法工作强度大，不便于控制干燥程度，每次拍照的角度很难保持相同且不能得到膨胀土试样裂隙的动态变化过程。
例如，专利申请CN201510513948提供一种膨胀土边坡浅层破坏土体抗剪强度试验方法，所述方法中环刀试样即放入恒温烘箱中干燥至恒重，如此反复，直至达到预定的干湿循环次数。而发明专利CN201611171409提供一种土壤膨胀率测量装置以及测量方法，其中仅提供环刀试样浸水后的膨胀率测试，而没有提供环刀试样的压缩性能测量。
而发明专利CN201110099186提供一种膨胀土胀缩表征参数的测量装置及其测量方法，在测量试样的收缩特性时，在保持法向压力不变的情况下让膨胀土试样内的水在重力作用下排出，同时对膨胀土试样进行电加热，控制温度在30～40摄氏度，让膨胀土试样内的水蒸发排出。该方案相当于上述烤灯原位烘烤的方式，显然该方法的效果有限。
发明内容
本发明针对现有技术设施的缺陷，提出了一种用于测试膨胀土在干湿循环过程中变形特性的仪器及方法，具有装置简便以及操作简单的优点。
因此，本发明提供一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪，所述固结压缩仪包括试验台、鼓风机、水槽、液压加载设备、位移计和摄像仪，所述试验台用于支撑固结压缩仪，所述位移计用于检测环刀试样在浸水时的膨胀变形特性以及环刀试样由湿转干过程的压缩特性，所述摄像仪用于动态地观测环刀试样在干湿循环过程中裂隙变化情况，所述水槽内设有护环、环刀、导环、上层透水石、下层透水石以及加压盖板，水槽底部设有可使用孔盖密封而使得水槽底部不漏水的孔口，所述孔口位于水槽底部中央位置，且孔口处设置有梁条以至少用于支撑透水石、环刀以及液压加载设备对环刀试样施加的液压荷载；所述护环壁上设有缝隙，以便水的流入与排出，从而以便水分通过下层透水石而保证环刀试样的浸湿与疏干；所述环刀内装膨胀土试样，膨胀土试样上方设置有上层透水石，液压加载设备通过加压盖板将荷载传递给上层透水石，然后传递给环刀内的膨胀土试样；所述上层透水石为透明透水石，所述加压盖板的材质为透明材料；在测量环刀试样由湿转干过程的压缩特性时，所述鼓风机设置在所述孔口处用于对准下层透水石干燥吹风，渐干的下层透水石用于逐渐吸收环刀试样内的水，即可模拟膨胀土由湿转干的过程，采集位移计数据即可得知环刀试样由湿转干过程的压缩特性。
在一种具体的实施方式中，所述孔口(19)为带外螺纹的管状孔口，所述孔盖(20)为螺纹盖。优选的，所述螺纹盖螺距设为2mm，螺纹盖的高度设为25mm。
在一种具体的实施方式中，所述孔盖(20)为橡胶盖或带橡胶密封圈的硬质材料盖，所述孔盖通过压入孔口而使得橡胶材质对孔口进行液体密封。
在一种具体的实施方式中，所述鼓风机(6)设置在旋转支架上，使得所述鼓风机能在测量膨胀土由湿转干的过程时能旋出使用以及在测量环刀试样浸水时的膨胀变形特性时能旋回收纳。
在一种具体的实施方式中，所述鼓风机(6)为带有加热功能而能提供热风的鼓风机，且所述鼓风机的风力大小可调节，以便用于模拟膨胀土试样水分疏干的快慢。
本发明中，所述鼓风机可转动放回至试验台右侧柜内，以充分利用空间，避免人为碰撞损坏；且应能提供热风、可控制风的强度，以更好模拟膨胀土试样水分疏干的快慢。
在一种具体的实施方式中，所述液压加载设备(4)与外接计算机(1)相连，且液压加载设备的竖向压力的大小和加压时间的长短能调节控制；液压加载设备及摄像仪(2) 架立于试验台(7)上的升降平移设备(5)上；摄像仪(2)与安装于液压加载设备之上的位移计(3)与外接计算机(1)相连自动获取数据及图像。
在一种具体的实施方式中，所述孔口(19)面积小于下层透水石(17)的面积；优选所述上层透水石为玻璃砂或石英砂，所述加压盖板的材质为钢化玻璃；优选所述加压盖板上设有排气孔(15)。
在一种具体的实施方式中，所述固结压缩仪还包括水箱(9)，且所述水箱内置抽水装置，用于向水槽内释放水以及抽取出水槽内的水；优选所述摄像仪(2)与外接计算机 (1)相连，所述摄像仪能够实时拍摄图像并传输于计算机内。优选的，在计算机中可用 MATLAB等数学软件对图片进行处理，获取环刀试样裂缝变化情况。
本发明还提供一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪的测试方法，所述方法包括使用上述固结压缩仪，且所述方法包括以下步骤：
1)将下层透水石顺着护环放置在水槽底部，安装膨胀土环刀试样、上层透水石，通过液压加载设备在预压下固结；调整摄像仪的位置以及角度并固定住，使摄像仪能够拍摄到环刀试样的上表面以实时观测裂隙变化情况；
2)按照设计荷载分级施压，通过位移计变形数据获得膨胀土试样正常压缩过程的压缩变形曲线以及通过摄像仪获得裂隙变化情况；
3)盖上孔盖，封闭水槽底部孔口，向水槽内注水，获取膨胀土试样浸湿过程的膨胀变形曲线以及裂隙变化情况；
4)待膨胀变形稳定后，抽取出水槽内的水，打开孔盖，将鼓风机对准水槽底部孔口露出的透水石进行干燥，获取膨胀土试样干燥过程的沉降变形曲线以及裂隙变化情况；
5)对膨胀土试样重复步骤3)和4)即可获得膨胀土试样在多次干湿循环下的沉降变形曲线以及裂隙的变化情况。
在一种具体的实施方式中，步骤3)和4)中，在测试膨胀土试样在多次干湿循环下的变形特性时，分级施压达到设计荷载后，保持该荷载值不变，以获得更合理的沉降变形曲线以及裂隙变化情况。
本发明中，所述摄像仪可通过支撑摄像头的支杆转动调控角度并固定住位置，从而保证每次摄影拍照均是从同一角度，以便对干燥过程膨胀土试样裂隙变化进行更直观的分析比较；并且摄像仪能够外接计算机，以调整拍照频率或录像时长，然后通过计算机输出拍摄图像，最后可通过计算机软件对图像进行处理，获得裂缝的长度、宽度及面积。由于上层透水石以及加压盖板均为透明材料，可实现动态观测环刀试样在受荷时的裂隙变化情况，以期获得膨胀土在干湿循环过程中更合理的裂隙变化信息。
本发明的优点和效果在于：(1)通过在水槽底部开孔并烘干透水石的方式间接对膨胀土试样进行干燥，能在不移除上部加压设备的基础上实现膨胀土干湿循环的模拟，所获取的压缩、膨胀循环变形曲线更符合实际情况；也就是说，本发明避免了人工移动环刀试样烘干造成的仪器扰动，使得实验数据更准确合理；且鼓风机吹出的风能向上经过透水石从而对环刀试样起到逐步烘干的效果。(2)增设的摄影仪能在持续施加荷载的情况下，对膨胀土环刀试样进行同一角度、同一距离的拍摄，对于膨胀土试样在干燥过程中的裂隙变化可以进行更加直观准确的分析比较，而且降低了通过烘箱进行人工烘干的工作强度。 (3)提出一种室内测试膨胀土干湿循环特性的试验方法，从而能更充分地研究膨胀土的特性。
总的来说，本装置及方法用于膨胀土室内干湿循环试验，可方便膨胀土试样浸水与疏干的循环转换，能动态地监测其性质变化过程，整个仪器构造简单，操作简便，对于膨胀土干湿特性室内研究有着极大的改观和帮助。
附图说明
图1为该固结压缩仪的整体构件布局图。
图2为水槽内部构件及液压加载设备正视图。
图3为水槽底部孔口示意图。
计算机1；摄像仪2；位移计3；液压加载设备4；升降平移设备5；鼓风机6；试验台 7；水槽8；水箱9；加压盖板10；护环11；环刀12；导环13；排气孔15；梁条16；下层透水石17；上层透水石18；孔口19；孔盖20。
具体实施方式
附图非限制性地公开本发明所涉及的装置结构示意图，以下将结合附图对本发明进行详细阐述。
一种用于测试膨胀土干湿循环的固结压缩仪，其整个构件布局图如图1，包括了试验台、鼓风机、水槽、水箱、液压加载设备、位移计、摄像仪，所述水槽内设有护环、环刀、导环、透水石以及加压盖板，水槽底部设有孔口，可用一螺旋盖进行密封；所述孔口位于水槽底部正中心，孔口面积应小于透水石且在底部设有梁条；所述护环壁设有间隙，以便水的排入与排出，然后水分通过透水石保证环刀的浸湿与疏干；所述环刀内装膨胀土试样，膨胀土试样上置透水石，液压加载设备通过加压盖板将荷载传递给上层透水石，然后传递给膨胀土试样。
如图1所示鼓风机在干燥过程中，先取下螺旋盖，通过水槽底部孔口露出下层透水石，所述鼓风机对下层透水石进行鼓风烘干，所述下层透水石干燥后将进一步吸取其上部环刀内膨胀土试样中的水分，从而达到干燥膨胀土试样的目的；所述鼓风机应可转动放回至试验台右侧柜内，以充分利用空间，避免人为碰撞损坏；且应能提供热风、可控制风的强度，以更好模拟膨胀土试样水分疏干的快慢。螺旋盖与螺纹结构能通过旋扭实现水槽底部的开与闭。
如图1摄像仪可通过支撑摄像头的支杆转动调控角度并固定住位置，从而保证每次摄影拍照均是从同一角度，以便对干燥过程膨胀土试样裂隙变化进行更直观的分析比较；并且摄像仪能够外接计算机，以调整拍照频率或录像时长，然后通过计算机输出拍摄图像，最后可通过计算机软件对图像进行处理，获得裂缝的长度、宽度及面积。
如图1液压加载设备与外接计算机相连，能够调整控制竖向压力的大小、加压时间的长短；同时位移计安装于液压加载设备之上，与外接计算机相连自动读取数据。
如图2，水槽底部孔口周边向下延伸一个螺纹结构。
如图3为水槽底部孔口示意图，其设有四根梁条，以保证透水石能支撑上部荷载。
本发明的另一个技术目的是提供一种测试膨胀土干湿循环的固结压缩仪的测试方法。包括以下步骤：(1)将下层透水石顺着护环放置在水槽底部，安装膨胀土环刀试样、上层透水石等构件，通过液压加载设备在1KPa的预压下固结；调整摄像仪的位置以及角度并固定住，使摄像仪能够拍摄到环刀试样的上表面以实时观测裂隙变化情况；(2)按照设计荷载分级施压，通过位移计变形数据获得膨胀土试样正常压缩过程的压缩变形曲线以及通过摄像仪获得裂隙变化情况；(3)拧上螺旋盖，封闭水槽底部孔口，通过水箱向水槽内注水，获取膨胀土试样浸湿过程的膨胀变形曲线以及裂隙变化情况；(4)待膨胀变形稳定后，通过水箱抽取出水槽内的水，拧开螺旋盖，将鼓风机对准水槽底部孔口露出的透水石进行干燥措施，获取膨胀土试样干燥过程的沉降变形曲线以及裂隙变化情况；(5) 对膨胀土试样重复步骤(3)、(4)即可获得膨胀土试样在多次干湿循环下的沉降变形曲线以及裂隙变化情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪，其特征在于，所述固结压缩仪包括试验台(7)、鼓风机(6)、水槽(8)、液压加载设备(4)、位移计(3)和摄像仪(2)，所述试验台(7)用于支撑固结压缩仪，所述位移计(3)用于检测环刀试样在浸水时的膨胀变形特性以及环刀试样由湿转干过程的压缩特性，所述摄像仪(2)用于动态地观测环刀试样在干湿循环过程中裂隙变化情况，所述水槽(8)内设有护环(11)、环刀(12)、导环(13)、上层透水石(18)、下层透水石(17)以及加压盖板(10)，水槽底部设有可使用孔盖(20)密封而使得水槽底部不漏水的孔口(19)，所述孔口位于水槽底部中央位置，且孔口处设置有梁条(16)以至少用于支撑透水石、环刀(12)以及液压加载设备(4)对环刀试样施加的液压荷载；所述护环(11)壁上设有缝隙，以便水的流入与排出，从而以便水分通过下层透水石(17)而保证环刀(12)试样的浸湿与疏干；所述环刀(12)内装膨胀土试样，膨胀土试样上方设置有上层透水石(18)，液压加载设备(4)通过加压盖板(10)将荷载传递给上层透水石(18)，然后传递给环刀(12)内的膨胀土试样；所述上层透水石为透明透水石，所述加压盖板的材质为透明材料；在测量环刀试样由湿转干过程的压缩特性时，所述鼓风机(6)设置在所述孔口(19)处用于对准下层透水石(18)干燥吹风，渐干的下层透水石用于逐渐吸收环刀试样内的水，即可模拟膨胀土由湿转干的过程，采集位移计(3)数据即可得知环刀试样由湿转干过程的压缩特性。
2.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述孔口(19)为带外螺纹的管状孔口，所述孔盖(20)为螺纹盖。
3.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述孔盖(20)为橡胶盖或带橡胶密封圈的硬质材料盖，所述孔盖通过压入孔口而使得橡胶材质对孔口进行液体密封。
4.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述鼓风机(6)设置在旋转支架上，使得所述鼓风机能在测量膨胀土由湿转干的过程时能旋出使用以及在测量环刀试样浸水时的膨胀变形特性时能旋回收纳。
5.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述鼓风机(6)为带有加热功能而能提供热风的鼓风机，且所述鼓风机的风力大小可调节，以便用于模拟膨胀土试样水分疏干的快慢。
6.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述液压加载设备(4)与外接计算机(1)相连，且液压加载设备的竖向压力的大小和加压时间的长短能调节控制；液压加载设备架立于试验台(7)上的升降平移设备(5)上；位移计(3)安装于液压加载设备之上，与外接计算机(1)相连自动读取数据。
7.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述孔口(19)面积小于下层透水石(17)的面积；优选所述上层透水石为玻璃砂或石英砂，所述加压盖板的材质为钢化玻璃；优选所述加压盖板上设有排气孔(15)。
8.根据权利要求1所述的固结压缩仪，其特征在于，所述固结压缩仪还包括水箱(9)，且所述水箱内置抽水装置，用于向水槽内释放水以及抽取出水槽内的水；优选所述摄像仪(2)与外接计算机(1)相连，所述摄像仪能够实时拍摄图像并传输于计算机内。
9.一种用于测试膨胀土干湿循环特性的固结压缩仪的测试方法，其特征在于，所述方法包括使用如权利要求1～8中任意一项所述的固结压缩仪，且所述方法包括以下步骤：
1)将下层透水石顺着护环放置在水槽底部，安装膨胀土环刀试样、上层透水石，通过液压加载设备在预压下固结；调整摄像仪的位置以及角度并固定住，使摄像仪能够拍摄到环刀试样的上表面以实时观测裂隙变化情况；
2)按照设计荷载分级施压，通过位移计变形数据获得膨胀土试样正常压缩过程的压缩变形曲线以及通过摄像仪获得裂隙变化情况；
3)盖上孔盖，封闭水槽底部孔口，向水槽内注水，获取膨胀土试样浸湿过程的膨胀变形曲线以及裂隙变化情况；
4)待膨胀变形稳定后，抽取出水槽内的水，打开孔盖，将鼓风机对准水槽底部孔口露出的透水石进行干燥，获取膨胀土试样干燥过程的沉降变形曲线以及裂隙变化情况；
5)对膨胀土试样重复步骤3)和4)即可获得膨胀土试样在多次干湿循环下的沉降变形曲线以及裂隙的变化情况。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤3)和4)中，在测试膨胀土试样在多次干湿循环下的变形特性时，分级施压达到设计荷载后，保持该荷载值不变，以获得更合理的沉降变形曲线以及裂隙变化情况。
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