CN112345728A - 一种三维膨胀仪及其工作方法 - Google Patents

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姜景山
张超
韦有信
金华
赵延喜
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Abstract

本发明公开了一种三维膨胀仪，包括底座，底座上设置有压力室侧筒，压力室侧筒上设置有顶盖，压力室侧筒内上下方向设置有顶板和底板，顶板与底板之间横向活动设置有四个侧板，侧板内侧设置有橡皮膜，橡皮膜的上端固定在顶板侧面，底板上设置有透水石，透水石上放置有位于橡皮膜内的土样，压力室侧筒的侧面上设置有四个侧面测量单元，侧面测量单元由横向位移和荷载测量装置元组成，顶盖上设置有竖向位移和荷载测量装置元，横向位移和荷载测量装置元与侧板外侧连接，竖向位移和荷载测量装置元与顶板上面连接。本发明还公开其工作方法。本发明的一种三维膨胀仪及其工作方法，能够能实时监测土样膨胀过程中三维的变形和膨胀力，同时能够用以验证土样的变形，保证膨胀仪的测量精度和效果。

Description

一种三维膨胀仪及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种三维膨胀仪及其工作方法，属于土体检测技术领域。
背景技术
现有的用于测量土样的膨胀仪难以测量土样三个方向上的膨胀力和膨胀变形，如采用较多的圆柱体试样膨胀仪，只能测量土样竖向的变形，不能直接测量侧向变形，侧向变形是通过土样体积和竖向变形换算得到，同时土体侧向变形时产生的膨胀力现有的膨胀仪往往也不易测量。还有采用二维膨胀仪，只能测量两个方向的变形或膨胀力，另外一个方向的变形也不能直接测量得到，也需要换算才能得到。由于长方体土样在膨胀过程中变形在竖向、侧向及另一个水平方向即三个方向是同时发生的，同时也会产生相应的膨胀力，因此现有的膨胀仪难以有效测量三维土体的膨胀特征。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能够能实时监测土样膨胀过程中三维的变形和膨胀力，解决了现有膨胀仪不能有效监测土样三维膨胀特征的测试难题的三维膨胀仪；进一步地，本发明提供一种能够用以验证土样的变形，保证膨胀仪的测量精度和效果的三维膨胀仪。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种三维膨胀仪，包括底座，所述底座上设置有压力室侧筒，所述压力室侧筒上设置有顶盖，所述底座、压力室侧筒和顶盖构成密封的膨胀仪压力室。所述压力室侧筒内上下方向设置有顶板和底板，所述顶板与所述底板之间横向活动设置有四个侧板，所述侧板内侧设置有橡皮膜，所述橡皮膜的上端固定在所述顶板侧面，所述底板上设置有透水石，所述透水石上放置有位于所述橡皮膜内的土样，所述压力室侧筒的侧面上设置有四个侧面测量单元，侧面测量单元由横向位移和荷载测量装置元组成，所述顶盖上设置有竖向位移和荷载测量装置元，所述横向位移和荷载测量装置元与所述侧板外侧连接，所述竖向位移和荷载测量装置元与所述顶板上面连接。
所述横向位移和荷载测量装置元包括设置在所述压力室侧筒侧面上的侧面千分表支架和侧面固定支架，所述侧面固定支架上设置有侧面荷载传感器，所述侧面荷载传感器通过横向设置的侧面弹簧与所述侧面伸缩杆的外端相连，所述侧面伸缩杆的内端穿过所述压力室侧筒四边上的侧面伸缩孔后与所述侧板相连，所述侧面伸缩杆上设置有侧面位移杆，所述侧面千分表支架上设置有与所述侧面位移杆压接相连的侧面千分表，侧面位移调节螺栓穿过所述侧面固定支架外端后与所述侧面荷载传感器相连。
所述竖向位移和荷载测量装置元包括设置在所述压力室侧筒顶面上的顶部千分表支架和顶部固定支架，所述顶部固定支架侧面上设置有顶部荷载传感器，所述顶部荷载传感器通过竖向设置的顶部弹簧)与所述顶部伸缩杆的上端相连，所述顶部伸缩杆的下端穿过所述压力室侧筒顶面上的顶盖伸缩孔后与所述顶板相连，所述顶部伸缩杆上设置有顶部位移杆，所述顶部千分表支架上设置有与所述顶部位移杆压接相连的顶部千分表，顶部位移调节螺栓穿过所述顶部固定支架上端后与所述顶部荷载传感器相连。
所述压力室侧筒下部设有连通其内部的侧筒阀门，所述侧筒阀门通过水管与测量水箱的下底部相连，所述测量水箱内壁设置有水箱刻度标，所述测量水箱通过水箱荷载传感器悬吊在水箱支架上，所述底座上设有连通所述底板的底板阀门和连通所述顶板的顶板阀门，所述顶盖上设置有连通其下部的顶盖阀门。
所述侧面支架上设有刻度标，所述侧面伸缩杆与所述侧面伸缩孔之间设置有侧面密封圈。
所述顶部支架上设有刻度标，所述顶部伸缩孔与所述顶部伸缩杆之间设置顶部密封圈。
所述压力室侧筒通过底座螺栓固定在所述底座上，所述压力室侧筒底部与所述底座上部设有底座密封圈，所述压力室侧筒与所述顶盖通过顶盖螺栓固定，所述顶盖底部与所述压力室侧筒顶部设置顶盖密封圈。
所述底座上设有平衡水珠，所述底座的下部固定有底座调节螺栓。
一种三维膨胀仪工作方法，包括以下步骤：
打开底板阀门和顶板阀门，先将膨胀仪压力室内灌满水体，关闭顶盖阀门，将测量水箱与压力室侧筒底部的侧筒阀门相连，打开侧筒阀门，调节测量水箱高度，确保测量水箱内水位略高于膨胀仪内压力室内水体最高位置；
调节顶部位移调节螺栓和侧面位移调节螺栓，确保顶部顶板和侧面四个侧板均与长方体土样表面紧密接触，调节顶部千分表和侧面千分表位置使顶部千分表和侧面千分表均紧密压触在顶部位移杆和侧面位移杆上；
分别记录顶部千分表、顶部荷载传感器、侧面千分表、侧面荷载传感器、水箱荷载传感器、水箱刻度标、顶部支架刻度标、侧面支架刻度标的初始读数；
从底板阀门进水对土样进行饱和，测量不同进水时刻顶板、侧板的膨胀变形和膨胀力，
通过测量水箱内水体变化计算土样的膨胀变形，通过水箱刻度标验证测量水箱水体变化。
本发明的有益效果：本发明提供的一种三维膨胀仪，通过顶部和侧面的位移和荷载测量装置，能实时监测土样膨胀过程中三维的变形和膨胀力，解决了现有膨胀仪不能有效监测土样三维膨胀特征的难题；通过顶部弹簧和侧面弹簧，能保证土样膨胀过程中顶板和底板始终与土样的顶面和土样的侧面紧密接触，确保膨胀仪的测量精度；压力室侧筒底部设有侧筒阀门，侧筒阀门与测量水箱相连，测量水箱通过水箱荷载传感器悬吊在水箱支架上，测量水箱上设置刻度标，通过测量水箱进水情况进行换算可以进一步测量土样的膨胀，用以验证土样的变形，保证膨胀仪的测量精度和效果；通过水箱刻度标、顶部支架刻度标和侧向支架刻度标，降低了检测的误差，提高了检测的精确度。
另外，本发明的一种三维膨胀仪，设计新颖，结构简单，安全稳定，操作方便，测量精度高，能满足土样膨胀试验三维检测的要求，同时提高了检测效率和精确度，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的一种三维膨胀仪的总体结构示意图。
附图中标记如下：1-底座；2-底座调节螺栓；3-底座密封圈；4-压力室侧筒；5-底板；6-透水石；7-侧板；8-顶板；9-顶部伸缩杆；10-顶盖伸缩孔；11-顶盖密封圈；12-顶部位移杆；13-顶部千分表；14-顶部千分表支架；15-顶部弹簧；16-顶部荷载传感器；17-顶部位移调节螺栓；18-顶部固定支架；19-侧面测量单元；20-侧面伸缩杆；21-侧面伸缩孔；22-侧面密封圈；23-侧面位移杆；24-侧面千分表；25-侧面千分表支架；26-侧面弹簧；27-侧面荷载传感器；28-侧面位移调节螺栓；29-侧面固定支架；30-底座螺栓；31-底板阀门；32-顶板阀门；33-顶盖；34-顶盖螺栓；35-顶盖密封圈；36-顶盖阀门；37-侧筒阀门；38-水箱支架；39-测量水箱；40-水箱荷载传感器；41-水箱刻度标；42-顶部支架刻度标；43-侧面支架刻度标；44-橡皮膜；45-平衡水珠；46-土样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
具体实施例1
如图1所示，本发明提供一种三维膨胀仪，包括底座1，底座1上设有平衡水珠45，底座1的下部固定有底座调节螺栓2。底座1上设置有压力室侧筒4，压力室侧筒4为方形结构。压力室侧筒4通过底座螺栓30固定在底座1上，压力室侧筒4底部与底座1上部设有底座密封圈3。压力室侧筒4上设置有顶盖33，压力室侧筒4与顶盖33通过顶盖螺栓34固定，顶盖33底部与压力室侧筒4顶部设置顶盖密封圈35。
压力室侧筒4内上下方向设置有顶板8和底板5，底板5与底座1连在一起，形状一般为长方形。顶板8与底板5之间横向活动设置有四个侧板7，侧板7内侧设置有橡皮膜44，橡皮膜44的上端固定在顶板8侧面，橡皮膜44的下端固定在底板5侧面。橡皮膜44用于封闭土样46。底板5上设置有透水石6，透水石6上放置有位于橡皮膜44内的土样46，压力室侧筒4的侧面上设置有四个侧面测量单元19，侧面测量单元19由横向位移和荷载测量装置元组成，顶盖33上设置有竖向位移和荷载测量装置元，横向位移和荷载测量装置元与侧板7外侧连接，竖向位移和荷载测量装置元与顶板8上面连接。
横向位移和荷载测量装置元包括设置在压力室侧筒4侧面上的侧面千分表支架25和侧面固定支架29，侧面固定支架29上设置有侧面荷载传感器27，侧面荷载传感器27通过横向设置的侧面弹簧26与侧面伸缩杆20的外端相连，侧面伸缩杆20的内端穿过压力室侧筒4四边上的侧面伸缩孔21后与侧板7相连，侧面伸缩杆20上设置有侧面位移杆23，侧面伸缩杆20位于压力室侧筒外侧部分设置螺丝孔，用以安装侧向位移杆23。侧面千分表支架25上设置有与侧面位移杆23压接相连的侧面千分表24，侧面位移调节螺栓28穿过侧面固定支架29外端后与侧面荷载传感器27相连。通过调节侧面位移调节螺栓28确保开始试验时土样46与侧板7紧密接触，通过侧面千分表24和侧面荷载传感器27可以测量计算侧板7所受的膨胀力和产生的膨胀变形。侧面支架29上设有侧面支架刻度标43，通过侧面支架刻度标43测量验证侧面伸缩杆20位移的大小，提高测量的精确度。检测过程中，侧面千分表24始终紧密压接在侧面位移杆23上，若变形过大，侧面千分表24受损，可由侧面支架刻度标43观察，避免测量值发生误差。侧面伸缩杆20与侧面伸缩孔21之间设置有侧面密封圈22，用以密封膨胀仪压力室。
竖向位移和荷载测量装置元包括设置在顶盖33顶面上的顶部千分表支架14和顶部固定支架18，顶部固定支架18侧面上设置有顶部荷载传感器16，顶部荷载传感器16通过竖向设置的顶部弹簧15与顶部伸缩杆9的上端相连，顶部伸缩杆9的下端穿过顶盖33顶面上的顶盖伸缩孔10后与顶板8相连，顶部伸缩杆9上设置有顶部位移杆12，顶部伸缩杆9外侧设置螺丝孔，顶部位移杆12的一端固定在顶部伸缩杆9的螺丝孔内。顶部千分表支架14上设置有与顶部位移杆12压接相连的顶部千分表13。顶部位移调节螺栓17设置在顶部固定支架18上，顶部位移调节螺栓17穿过顶部固定支架18上端后与顶部荷载传感器16相连。通过调节顶部位移调节螺栓17确保开始试验时土样46与顶板8紧密接触，通过顶部千分表13和顶部荷载传感器16可以测量计算顶板8所受的膨胀力和产生的膨胀变形。顶部支架18上设有顶部支架刻度标42，通过顶部支架刻度标42测量验证顶部伸缩杆9位移的大小，提高测量的精确度。检测过程中，顶部千分表13和始终紧密压接在顶部位移杆12上，若变形过大，顶部千分表13受损，可由顶部支架刻度标42观察，避免测量值发生误差。顶部伸缩孔10与顶部伸缩杆9之间设置顶部密封圈11，用以密封膨胀仪压力室。
压力室侧筒4下部设有连通其内部的侧筒阀门37，侧筒阀门37通过水管与测量水箱39的下底部相连，测量水箱39由有机玻璃筒制成，测量水箱39内壁设置有水箱刻度标41，测量水箱39通过水箱荷载传感器40悬吊在水箱支架38上，通过测量水箱39在试验过程中水量的变化可以计算土样46的膨胀变形。底座1上设有连通底板5的底板阀门31和连通顶板8的顶板阀门32，顶盖33上设置有连通其下部的顶盖阀门36。
本发明的工作过程为：使用时，打开底板阀门和顶板阀门，先将膨胀仪压力室内灌满水体，关闭顶盖阀门，将测量水箱与压力室侧筒底部的侧筒阀门相连，打开侧筒阀门，调节测量水箱高度，确保测量水箱内水位略高于膨胀仪内压力室内水体最高位置，调节顶部位移调节螺栓和侧面位移调节螺栓，确保顶部顶板和侧面四个侧板均与长方体土样46表面紧密接触，调节顶部千分表和侧面千分表位置使顶部千分表和侧面千分表均紧密压触在顶部位移杆和侧面位移杆上。准备完成后，分别记录顶部千分表、顶部荷载传感器、侧面千分表、侧面荷载传感器、水箱荷载传感器、水箱刻度标、顶部支架刻度标、侧面支架刻度标的初始读数。从底板阀门进水对土样46进行饱和，测量不同进水时刻顶板、侧板的膨胀变形和膨胀力，顶部膨胀变形由顶部千分表计算获得，通过顶部支架刻度标验证顶部膨胀变形；顶部膨胀力通过顶部荷载传感器计算获得；侧面膨胀变形由侧面千分表计算获得，通过侧面支架刻度标验证侧面膨胀变形；侧面膨胀力通过侧面荷载传感器计算获得；通过水箱内水体变化计算土样46的膨胀变形，通过水箱刻度标验证水箱水体变化。
具体实施例2
本实施例与具体实施例1相同，区别仅在于土样侧面不设橡皮膜，顶板和侧板直接与土样相连。
本发明的工作过程为：使用时，打开侧筒阀门或顶盖阀门，打开底板阀门和顶板阀门。准备完成后，分别记录顶部千分表、顶部荷载传感器、侧面千分表、侧面荷载传感器、顶部支架刻度标、侧面支架刻度标的初始读数。从底板阀门进水对土样进行饱和，测量不同进水时刻顶板、侧板的膨胀变形和膨胀力，顶部膨胀变形由顶部千分表计算获得，通过顶部支架刻度标验证顶部膨胀变形；顶部膨胀力通过顶部荷载传感器计算获得；侧面膨胀变形由侧面千分表计算获得，通过侧面支架刻度标验证侧面膨胀变形；侧面膨胀力通过侧面荷载传感器计算获得。
具体实施例3
本实施例与具体实施例2相同，区别仅在工作过程不同。
本发明的工作过程为：使用时，关闭侧筒阀门和顶板阀门，打开底板阀门和顶盖阀门。准备完成后，分别记录顶部千分表、顶部荷载传感器、侧面千分表、侧面荷载传感器、顶部支架刻度标、侧面支架刻度标的初始读数。从底板阀门进水对土样进行饱和，确保膨胀仪压力室内水体液面至少高于土样顶面一定深度，测量不同进水时刻顶板、侧板的膨胀变形和膨胀力，顶部膨胀变形由顶部千分表计算获得，通过顶部支架刻度标验证顶部膨胀变形；顶部膨胀力通过顶部荷载传感器计算获得；侧面膨胀变形由侧面千分表计算获得，通过侧面支架刻度标验证侧面膨胀变形；侧面膨胀力通过侧面荷载传感器计算获得。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维膨胀仪，其特征在于：包括底座(1)，所述底座(1)上设置有压力室侧筒(4)，所述压力室侧筒(4)上设置有顶盖(33)，所述压力室侧筒(4)内上下方向设置有顶板(8)和底板(5)，所述顶板(8)与所述底板(5)之间横向活动设置有四个侧板(7)，所述侧板(7)内侧设置有橡皮膜(44)，所述橡皮膜(44)的上端固定在所述顶板(8)侧面，所述底板(5)上设置有透水石(6)，所述透水石(6)上放置有位于所述橡皮膜(44)内的土样(46)，所述压力室侧筒(4)的侧面上设置有四个侧面测量单元(19)，所述侧面测量单元(19)由横向位移和荷载测量装置元组成，所述顶盖(33)上设置有竖向位移和荷载测量装置元，所述横向位移和荷载测量装置元与所述侧板(7)外侧连接，所述竖向位移和荷载测量装置元与所述顶板(8)上面连接。
2.根据权利要求1所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述横向位移和荷载测量装置元包括设置在所述压力室侧筒(4)侧面上的侧面千分表支架(25)和侧面固定支架(29)，所述侧面固定支架(29)上设置有侧面荷载传感器(27)，所述侧面荷载传感器(27)通过横向设置的侧面弹簧(26)与所述侧面伸缩杆(20)的外端相连，所述侧面伸缩杆(20)的内端穿过所述压力室侧筒(4)四边上的侧面伸缩孔(21)后与所述侧板(7)相连，所述侧面伸缩杆(20)上设置有侧面位移杆(23)，所述侧面千分表支架(25)上设置有与所述侧面位移杆(23)压接相连的侧面千分表(24)，侧面位移调节螺栓(28)穿过所述侧面固定支架(29)外端后与所述侧面荷载传感器(27)相连。
3.根据权利要求1所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述竖向位移和荷载测量装置元包括设置在所述压力室侧筒(4)顶面上的顶部千分表支架(14)和顶部固定支架(18)，所述顶部固定支架(18)侧面上设置有顶部荷载传感器(16)，所述顶部荷载传感器(16)通过竖向设置的顶部弹簧(15)与所述顶部伸缩杆(9)的上端相连，所述顶部伸缩杆(9)的下端穿过所述压力室侧筒(4)顶面上的顶盖伸缩孔(10)后与所述顶板(8)相连，所述顶部伸缩杆(9)上设置有顶部位移杆(12)，所述顶部千分表支架(14)上设置有与所述顶部位移杆(12)压接相连的顶部千分表(13)，顶部位移调节螺栓(17)穿过所述顶部固定支架(18)上端后与所述顶部荷载传感器(16)相连。
4.根据权利要求1所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述压力室侧筒(4)下部设有连通其内部的侧筒阀门(37)，所述侧筒阀门(37)通过水管与测量水箱(39)的下底部相连，所述测量水箱(39)内壁设置有水箱刻度标(41)，所述测量水箱(39)通过水箱荷载传感器(40)悬吊在水箱支架(38)上，所述底座(1)上设有连通所述底板(5)的底板阀门(31)和连通所述顶板(8)的顶板阀门(32)，所述顶盖(33)上设置有连通其下部的顶盖阀门(36)。
5.根据权利要求2所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述侧面支架(29)上设有侧面支架刻度标(43)，所述侧面伸缩杆(20)与所述侧面伸缩孔(21)之间设置有侧面密封圈(22)。
6.根据权利要求3所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述顶部支架(18)上设有顶部支架刻度标(42)，所述顶部伸缩孔(10)与所述顶部伸缩杆(9)之间设置顶部密封圈(11)。
7.根据权利要求1所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述压力室侧筒(4)通过底座螺栓(30)固定在所述底座(1)上，所述压力室侧筒(4)底部与所述底座(1)上部设有底座密封圈(3)，所述压力室侧筒(4)与所述顶盖(33)通过顶盖螺栓(34)固定，所述顶盖(33)底部与所述压力室侧筒(4)顶部设置顶盖密封圈(35)。
8.根据权利要求1所述的一种三维膨胀仪，其特征在于：所述底座(1)上设有平衡水珠(45)，所述底座(1)的下部固定有底座调节螺栓(2)。
9.一种三维膨胀仪工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
打开底板阀门(31)和顶板阀门(32)，先将膨胀仪压力室内灌满水体，关闭顶盖阀门(36)，将测量水箱(39)与压力室侧筒(4)底部的侧筒阀门(37)相连，打开侧筒阀门(37)，调节测量水箱(39)高度，确保测量水箱(39)内水位略高于膨胀仪内压力室内水体最高位置；
调节顶部位移调节螺栓(17)和侧面位移调节螺栓(28)，确保顶部顶板(8)和侧面四个侧板(7)均与长方体土样(46)表面紧密接触，调节顶部千分表(13)和侧面千分表(24)位置使顶部千分表(13)和侧面千分表(24)均紧密压触在顶部位移杆(12)和侧面位移杆(23)上；
分别记录顶部千分表(13)、顶部荷载传感器(16)、侧面千分表(24)、侧面荷载传感器(27)、水箱荷载传感器(40)、水箱刻度标(41)、顶部支架刻度标(42)、侧面支架刻度标(43)的初始读数；
从底板阀门(31)进水对土样(46)进行饱和，测量不同进水时刻顶板(8)、侧板(7)的膨胀变形和膨胀力，
通过测量水箱(39)内水体变化计算土样(46)的膨胀变形，通过水箱刻度标(41)验证测量水箱(39)水体变化。
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