CN113702210A - 一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于土木试验中的三轴蠕变试验技术领域，具体涉及一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪及试验方法。包括固定平台，固定平台上设置压力室，压力室包括内压室及外压室，压力室上方设置有悬架，悬架上设置加载杆，用于对压力室内的试样加压，悬架顶端设置用于驱动加载杆的应力控制加载装置及记录加载位移的位移传感器，固定平台下端还设置有应变控制加载装置，本申请还包括分别为内压室及外压室提供压力的第一供压装置及第二供压装置，以及为试样增加湿度的增湿控制系统。本发明通过增加增湿控制系统，实现对试样的精准增湿，能够进行不同湿度下的黄土三轴蠕变试验，进而获取黄土在增湿作用下的蠕变特性。

Description

一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪及试验方法
技术领域
本申请属于土木试验中的三轴蠕变试验技术领域，具体涉及一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪及试验方法。
背景技术
黄土地区的基础设施建设得到了蓬勃发展，人类工程活动的范围和规模也急剧扩大，但是受地形限制，由此伴随的开挖卸荷型黄土滑坡频繁发生。
坡体开挖导致黄土处于卸荷应力状态，使得黄土力学特性发生较大改变，此外由于黄土的水敏和蠕变特性，使得黄土在卸荷应力作用下，遇水增湿会发生强度衰减, 产生更为明显的蠕动变形，进而引发滑坡灾害。蠕变特性是黄土的重要力学性质之一，探索黄土的蠕变特性是研究开挖卸荷型黄土滑坡发展演化过程的关键。国内外学者对黄土的蠕变特性和蠕变模型进行了大量的理论与试验研究，在蠕变理论和工程实践上取得了显著的成就。
然而，以往的研究忽略了黄土增湿作用下的蠕变特性，且尚未有公开的仪器设备可测试考虑增湿作用下的黄土蠕变特性。为了研究增湿作用下的黄土蠕变特性，常规下的三轴蠕变设备已不能满足要求，因此亟需一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪及试验方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，以解决现有技术中存在的问题，本发明提供的具体技术方案如下：
一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，包括固定平台，所述固定平台上方设置有悬架，所述悬架的两侧下端固定设置有拉杆，所述拉杆的另一端贯穿固定平台且通过连杆与固定平台下方的应变控制加载装置固定连接，所述应变控制加载装置的自由端与固定平台的底面固定连接，所述拉杆与所述固定平台通过旋拧螺丝固定，所述固定平台上设置有压力室，所述压力室包括内压室和外压室，所述内压室设置于外压室内，所述内压室通过压力室底端的围压管路与第一供压装置连通，所述外压室通过压力室顶端的压力室管路与第二供压装置连通；
所述悬架上设置有加载杆，所述加载杆底端贯穿压力室的顶壁连接有试样帽，所述试样帽内设置有增湿管路，所述增湿管路与压力室外的增湿控制系统连通；
所述悬架顶端还设置有应力控制加载装置，所述应力控制加载装置的输出端位于加载杆正上方且与加载杆的轴心位于同一条直线上，所述悬架的顶端还设置有用于记录加载杆位移的位移传感器。
进一步的，所述增湿控制系统包括与所述增湿管路依次连通的流量计、体变管、压力表和压力传感器、调压阀，调压阀与气源连通，所述体变管两端通过管路并联设置差压传感器。
进一步的，所述应力控制加载装置包括气缸，所述气缸通过管路及调压阀与气源连通，所述气缸与调压阀之间的管路上还设置有压力表及压力传感器，所述气缸的输出端通过荷载传感器连接有传力轴，所述传力轴与气缸的输出端的轴心位于同一条直线上，所述传力轴上设置有凸块，所述传力轴作为应力控制加载装置的输出端用于为加载杆提供应力。
更进一步的，所述位移传感器通过固定架固定在悬架顶端，所述位移传感器的工作端设置有压力板，所述压力板的另一端与传力轴上凸块的下端相抵触。
进一步的，所述第一供压装置包括与所述围压管路依次连通的体变管、压力表和压力传感器、调压阀，调压阀最终连通气源，所述体变管两端通过管路并联设置差压传感器。
进一步的，所述第二供压装置包括与压力室管路依次连通的压力表和压力传感器以及调压阀，调压阀最终与气源连通。
进一步的，所述应变控制加载装置为液压缸或步进电机。
进一步的，还设置有冲刷装置，所述冲刷装置包括进水管路和出水管路，所述进水管路的一端贯穿试样帽设置，所述进水管路的另一端沿内压室向下延伸贯穿基座且与压力室外的孔隙水压力传感器及调压阀依次连通，所述出水管路的一端贯穿基座与内压室连通，所述出水管路的另一端与压力室外的调压阀连通。
一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪的试验方法，包括以下步骤：
S1、打开压力室的密封室门，将陶土板放置在内压室内的基座上，关闭密封室门，打开进水管路与出水管路的调压阀，对内压室进行冲洗操作，且通过调压阀控制进水量大于出水量，当出水管路的出口处水连续流出无气泡时，通过调节调压阀阻断进水管路，直至陶土板上有水渗出且水刚好充满陶土板表面时，调节出水管路的调压阀阻断出水，完成陶土板的饱和操作；
S2、打开内压室与外压室的密封室门，将四周包覆筒形橡胶膜的试样放置于陶土板上，试样与陶土板之间放一张打湿的滤纸，将透水石放置于试样之上，试样与透水石之间也放置一张无需打湿的滤纸；
S3、试样装好后，将试样帽放置在透水石上，关闭密封室门，并且调整好位移传感器位置及高度，使得传力轴下端与加载杆的顶端恰好接触时，位移传感器恰好不受压力，并将数据初始化；
S4、根据所需要的围压和气压，通过第一供压装置与第二供压装置分别对内压室和外压室进行加压；
S5、通过应力控制加载装置或应变控制加载装置，对试样进行轴向加压；
S6、通过增湿控制系统按照试验设定对试样在试验过程中进行增湿以获取增湿作用下黄土的蠕变特性；
S7、更换新的试样重复试验，调整不同增湿参数，重复S2-S6步操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种考虑增湿的黄土三轴剪切蠕变仪及其试验方法，针对目前的黄土三轴蠕变仪中不能进行考虑增湿作用下的三轴蠕变试验的不足之处，本发明通过增加增湿控制系统等技术方法，使得改进后的新型三轴蠕变仪能够进行增湿作用下的黄土三轴蠕变试验，获取黄土在增湿作用下的蠕变特性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图
图2为本发明实施例的结构示意图
2-拉杆、3-应变控制加载装置、4-固定平台、5-悬架、6-加载杆、7-凸块、8-固定架、9-压力板、10-增湿管路、11-差压传感器、12-体变管、13-压力传感器、14-压力表、15-调压阀、16-气源、17-流量计、18-气缸、19-传力轴、20-试样帽、21-透水石、22-荷载传感器、23-位移传感器、24-外压室、25-内压室、26-试样、27-基座、28-陶土板、29-橡胶膜、30-围压管路、31-压力室管路、32-孔隙水压力传感器、33-进水管路、34-出水管路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，包括固定平台4，所述固定平台4上方设置有悬架5，所述悬架5的两侧下端固定设置有拉杆2，所述拉杆2的另一端贯穿固定平台4且通过连杆与固定平台4下方的应变控制加载装置3固定连接，所述应变控制加载装置3的自由端与固定平台4的底面固定连接，所述拉杆2与所述固定平台4通过旋拧螺丝固定，所述固定平台4上设置有压力室，所述压力室包括内压室25和外压室24，所述内压室25设置于外压室24内，所述内压室25与外压室24均设置有密封室门，所述内压室25通过压力室底端的围压管路30与第一供压装置连通，所述外压室24通过压力室顶端的压力室管路31与第二供压装置连通；
所述悬架5上设置有加载杆6，所述加载杆6底端贯穿压力室的顶壁连接有试样帽20，所述试样帽20内设置有增湿管路10，所述增湿管路10与压力室外的增湿控制系统连通；
所述悬架5顶端还设置有应力控制加载装置，所述应力控制加载装置的输出端位于加载杆6正上方且与加载杆6的轴心位于同一条直线上，所述悬架5的顶端还设置有用于记录加载杆6位移的位移传感器23。
在本实施例中，增湿控制系统包括与所述增湿管路10依次连通的流量计17、体变管12、压力表14和压力传感器13、调压阀15，增湿管路10最终与气源16连通，所述体变管12两端通过管路并联设置差压传感器11，气源16提供气压将体变管12中的水经增湿管路压入到内压室为试样26进行加湿，流量计17用于记录加湿试样所用水量即增湿参数。
应力控制加载装置包括气缸18，所述气缸18通过管路及调压阀15与气源16连通，所述气缸18与调压阀15之间的管路上还设置有压力表14及压力传感器13，所述气缸18的输出端通过荷载传感器22连接有传力轴19，所述传力轴19与气缸18的输出端的轴心位于同一条直线上，所述传力轴19上设置有凸块7，当传力轴19在气缸18的作用下向下移动时与下端的加载杆6接触，并对加载杆6施加应力，位移传感器23通过固定架8固定在悬架5顶端，位移传感器23的安装位置及高度可调，位移传感器23的工作端设置有压力板9，所述压力板9的另一端与传力轴19上凸块7的下端相抵触，在传力轴19下移过程中，凸块7推动压力板9，位移传感器23借此记录传力轴19的位移数据。
在本实施例中，第一供压装置包括与围压管路30依次连通的体变管12、压力表14和压力传感器13、调压阀15，围压管路30最终连通气源16，所述体变管12两端通过管路并联设置差压传感器11，用于为提供内压室25的围压，第二供压装置包括与压力室管路31依次连通的压力表14和压力传感器13以及调压阀15，压力室管路31最终与气源16连通，用于提供外压室24的气压。
本实施例中的应变控制加载装置3为液压缸，液压缸的伸缩端与基座27底端固定，液压缸的固定端通过连杆与两端的拉杆2固定连接，拉杆2与固定平台4通过旋拧螺丝固定，放松旋拧螺丝，拉杆2可以相对于固定平台4滑动，当液压缸伸缩端伸长时，由于固定平台4是固定不动的，液压缸的固定端在反作用力的作用下，相对于固定平台4向下移动，进而带动两端的拉杆2以及悬架5相对于固定平台4向下移动，进而通过加载杆6对试样26施加压力。
本实施例中还设置有冲刷装置，冲刷装置包括进水管路33和出水管路34，所述进水管路33的一端贯穿试样帽20设置，所述进水管路33的另一端沿内压室25向下延伸贯穿基座27且与压力室外的孔隙水压力传感器32及调压阀15依次连通，所述出水管路34的一端贯穿基座27与内压室25连通，所述出水管路34的另一端与压力室外的调压阀15连通，通过冲刷装置实现对压室的供水与排水，完成冲刷操作。
一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪的试验方法，具体如下：
S1、打开压力室的密封室门，将陶土板28放置在内压室25内的基座27上，关闭密封室门，打开进水管路33与出水管路34的调压阀15，对内压室25进行冲洗操作，且通过调压阀15控制进水量大于出水量，当出水管路34的出口处水连续流出无气泡时，通过调节调压阀15阻断进水管路33，直至陶土板28上有水渗出且水刚好充满陶土板28表面时，调节出水管路34的调压阀15阻断出水，完成陶土板28的饱和操作；
S2、打开内压室25与外压室24的密封室门，将四周包覆筒形橡胶膜29的试样26放置于陶土板28上，试样26与陶土板28之间放一张打湿的滤纸，将透水石21放置于试样26之上，试样26与透水石21之间放置一张无需打湿的滤纸；
S3、试样26装好后，将试样帽20放置在透水石21上，关闭密封室门，并且调整好位移传感器23位置及高度，使得传力轴19下端与加载杆6的顶端恰好接触时，位移传感器23恰好不受压力，并将数据初始化；
S4、根据所需要的围压和气压，通过第一供压装置与第二供压装置分别对内压室25和外压室24进行加压，用于模拟自然环境中试样四周的土层对试样所产生的压力状态；
S5、通过应力控制加载装置或应变控制加载装置3，对试样26进行轴向加压；
S6、通过增湿控制系统按照试验设定对试样26在试验过程中进行增湿以获取增湿作用下黄土的蠕变特性；
S7、更换新的试样26重复试验，调整不同增湿参数，重复S2-S6步操作。
以上实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，包括固定平台，所述固定平台上方设置有悬架，所述悬架的两侧下端固定设置有拉杆，所述拉杆的另一端贯穿固定平台且通过连杆与固定平台下方的应变控制加载装置固定连接，所述应变控制加载装置的自由端与固定平台的底面固定连接，所述拉杆与所述固定平台通过旋拧螺丝固定，所述固定平台上设置有压力室，所述压力室包括内压室和外压室，所述内压室设置于外压室内，所述内压室通过压力室底端的围压管路与第一供压装置连通，所述外压室通过压力室顶端的压力室管路与第二供压装置连通；
所述悬架上设置有加载杆，所述加载杆底端贯穿压力室的顶壁连接有试样帽，所述试样帽内设置有增湿管路，所述增湿管路与压力室外的增湿控制系统连通；
所述悬架顶端还设置有应力控制加载装置，所述应力控制加载装置的输出端位于加载杆正上方且与加载杆的轴心位于同一条直线上，所述悬架的顶端还设置有用于记录加载杆位移的位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，所述增湿控制系统包括与所述增湿管路依次连通的流量计、体变管、压力表和压力传感器、调压阀，调压阀与气源连通，所述体变管两端通过管路并联设置差压传感器。
3.根据权利要求1所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，所述应力控制加载装置包括气缸，所述气缸通过管路及调压阀与气源连通，所述气缸与调压阀之间的管路上还设置有压力表及压力传感器，所述气缸的输出端通过荷载传感器连接有传力轴，所述传力轴与气缸的输出端的轴心位于同一直线上，所述传力轴上设置有凸块，所述传力轴作为应力控制加载装置的输出端用于为加载杆提供应力。
4.根据权利要求3所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，所述位移传感器通过固定架固定在悬架顶端，所述位移传感器的工作端设置有压力板，所述压力板的另一端与传力轴上凸块的下端相抵触。
5.根据权利要求1所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，所述第一供压装置包括与所述围压管路依次连通的体变管、压力表和压力传感器、调压阀，调压阀连通气源，所述体变管两端通过管路并联设置差压传感器。
6.根据权利要求1所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，所述第二供压装置包括与压力室管路依次连通的压力表和压力传感器以及调压阀，调压阀与气源连通。
7.根据权利要求1所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，所述应变控制加载装置为液压缸或步进电机。
8.根据权利要求1所述的一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪，其特征在于，还设置有冲刷装置，所述冲刷装置包括进水管路和出水管路，所述进水管路的一端贯穿试样帽设置，所述进水管路的另一端沿内压室向下延伸贯穿基座且与压力室外的孔隙水压力传感器及调压阀依次连通，所述出水管路的一端贯穿基座与内压室连通，所述出水管路的另一端与压力室外的调压阀连通。
9.一种考虑增湿作用的黄土三轴剪切蠕变仪的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、打开压力室的密封室门，将陶土板放置在内压室内的基座上，关闭密封室门，打开进水管路与出水管路的调压阀，对内压室进行冲洗操作，且通过调压阀控制进水量大于出水量，当出水管路的出口处水连续流出无气泡时，通过调节调压阀阻断进水管路，直至陶土板上有水渗出且水刚好充满陶土板表面时，调节出水管路的调压阀阻断出水，完成陶土板的饱和操作；
S2、打开内压室与外压室的密封室门，将四周包覆筒形橡胶膜的试样放置于陶土板上，试样与陶土板之间放一张打湿的滤纸，将透水石放置于试样之上，试样与透水石之间也放置一张无需打湿的滤纸；
S3、试样装好后，将试样帽放置在透水石上，关闭密封室门，并且调整好位移传感器位置及高度，使得传力轴下端与加载杆的顶端恰好接触时，位移传感器恰好不受压力，并将数据初始化；
S4、根据所需要的围压和气压，通过第一供压装置与第二供压装置分别对内压室和外压室进行加压；
S5、通过应力控制加载装置或应变控制加载装置，对试样进行轴向加压；
S6、通过增湿控制系统按照试验设定对试样在试验过程中进行增湿以获取增湿作用下黄土的蠕变特性；
S7、更换新的试样重复试验，调整不同增湿参数，重复S2-S6步操作。
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