CN113884398A - 考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪及试验方法 - Google Patents

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唐新华
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Abstract

一种考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪及试验方法，包括加载台、保温保湿系统、试样盒、应变采集系统、循环加载系统，保温保湿系统包括保温保湿控制元件、温度湿度监测探头、保温保湿箱，试样盒包括夹具、加热片、注水管，夹具在试样盒两端夹持土工材料试样，夹具左侧与试样盒固定，右侧与提供水平拉力水平拉力装置连接，由水平拉力装置向夹具的右侧施加水平拉力，在试样盒顶部设置由循环加载系统带动上下移动的第一砝码，对试样盒内的试样按设定的加载频率提升、降落，对试样顶部施加循环压力。其优点是保温保湿箱可以设定试样内温度和湿度，实现为蠕变试样施加长期稳定的循环荷载的目的，突破了传统蠕变仪只能在试样上部施加静载的局限。

Description

考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪及试验方法
技术领域
本发明涉及岩土工程室内试验技术领域，特别涉及一种考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪及试验方法。
背景技术
近年来，由于土工材料本身较好地抗拉性能，同时与土体相互作用产生摩擦力，可以有效减少边坡的侧向变形、地基的不均匀沉降等问题，因此在道路、边坡等工程建设中土工材料被广泛使用。但是在长期荷载作用下，土工材料会表现出一定的蠕变特性，这直接关系到土工材料的力学特性和耐久性，因此研究土工合成材料的蠕变性能具有重要意义。
目前关于土工材料的蠕变特性研究主要集中于土工材料在上部静载作用下的蠕变特性研究，但是这没有充分考虑到在路基、路堤边坡中土工材料的使用环境，并且已有的传统蠕变仪也不能为试样提供长期稳定的循环荷载，极大限制了在循环动载下土工材料蠕变特向的研究，因此进行可以提供循环动载的蠕变仪器研发意义重大。此外，传统蠕变仪大多只考虑温度变化，但是在实际工程中土工材料与土体直接接触，土体饱和度对土工材料蠕变特性的影响也是学者们应关注的问题，目前已有蠕变仪也未能充分考虑到土体饱和度的作用，因此本发明从循环动载和土体饱和度两个角度进行设计，这对于揭示动载、土体不同饱和度下土工格栅蠕变特性及破坏机理至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以进行循环加载并设定试样盒内温度、湿度的蠕变仪。仪器测量精度高，稳定性强，可以满足蠕变仪试验周期长的试验需求的考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪及试验方法。
本发明的解决方案是这样的：
一种考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，包括加载台、保温保湿系统、试样盒、应变采集系统、循环加载系统，其特征在于：所述保温保湿系统包括保温保湿控制元件、温度湿度监测探头、保温保湿箱，所述保温保湿箱内放置试样盒，所述温度湿度监测探头设置于对保温保湿箱内部土工材料试样进行监测的位置，测取土工材料试样的温度湿度并将测取的数据送到保温保湿控制元件，由保温保湿控制元件控制加热片或者注水管的工作；所述试样盒包括夹具、加热片、注水管，试样盒为顶部开口的结构，从顶部填入土样，在试样盒的两端开有通孔，该通孔供土工材料试样伸出到试样盒外；所述夹具在试样盒两端夹持土工材料试样，夹具左侧与试样盒固定，右侧与提供水平拉力水平拉力装置连接，由水平拉力装置向夹具的右侧施加水平拉力；所述加热片设置于对试样盒内部土工材料试样进行加热的位置，加热片连接温度湿度控制元件，由温度湿度控制元件控制加热片对土工材料试样进行加热；所述注水管设置于对试样盒内部土工材料试样进行注水的位置，注水管连接温度湿度控制元件，由温度湿度控制元件控制注水管对土工材料试样进行注水；当试样盒内温度和湿度超过控制范围时，将会触发保温保湿控制元件工作，从而保证试样盒内温度和湿度处于设定值；在试样盒顶部设置有第一砝码，所述第一砝码由循环加载系统带动上下移动，对试样盒内的土工材料试样按设定的加载频率提升、降落，对土工材料试样顶部按设定频率施加压力；所述应变采集系统包括应变采集仪、位移计，所述位移计沿试样盒纵向设置，所述位移计通过应变仪数据线连接应变采集仪，采集土工材料试样的纵向位移数据。
更具体的技术方案还包括：所述水平拉力装置是由第二砝码向右侧的夹具施加水平拉力，所述第二砝码通过第二钢绞线连接右侧的夹具，通过滑轮改变力的方向，第二砝码产生的垂直拉力转换成对右侧夹具施加的水平拉力。
进一步的：所述水平拉力装置是由第二砝码向右侧的夹具施加水平拉力，所述第二砝码垂直连接杠杆的长臂端，杠杆的短臂端通过第二钢绞线连接右侧的夹具，由杠杆机构为试样盒提供所加砝码一定倍数的荷载。
进一步的：所述循环提升机构包括电动机、飞轮、曲柄连杆机构、钢绞线，所述电动机驱动飞轮转动，飞轮带动曲柄连接机构带动活塞杆实现循环往复移动，活塞杆通过第一钢绞线连接第一砝码，由往复移动的活塞杆带动第一砝码上下移动，实现施加循环荷载。
进一步的：所述活塞杆竖直设置于第一砝码的顶部，所述飞轮设置于活塞杆的顶部，所述曲柄连杆机构包括飞轮、曲轴、连杆、活塞杆，通过电动机驱动带动活塞杆沿竖直方向上下移动。
进一步的：所述保温保湿箱的箱体由左箱体、右箱体结合构成，左、右箱体相接后形成保温保湿箱的箱体，便于在安装土工材料试样时快速拆卸。
一种考虑循环荷载和土体饱和度的试验方法，包括步骤：
（1）土工材料试样安装：拆下保温保湿箱，拿下试样盒顶部承压板，分层填筑土样并进行击实，其中每层填土不得超过10cm，土体填筑至预留试样孔高度时放入土工材料试样，土工材料土样左侧通过夹具固定在试样盒上，土工材料试样中部预设测点，在测点处安装位移计与应变采集仪相连，土工材料试样右侧固定在夹具上，通过第二钢绞线和定滑轮与杠杆连接，安装完土工材料试样和应变采集仪器后继续填筑上部土体，最终填筑至试样盒顶部，并在上部土体中部放置温度、湿度监测探头，土体填筑完成后放上承压板；
（2）安装保温保湿箱：将温度、湿度监测探头以及加热片和注水管的线路接入保温保湿箱的温度湿度控制元件，将注水管另一端与水龙头连接，并将加热片和保温保湿箱接通电源，设定目标温度与湿度；
（3）荷载施加：在试样盒上方施加静载预压，预压结束后，调整试样盒上方荷载至目标荷载，在杠杆右侧装备第二砝码为土工材料试样提供水平拉力，同时打开上部电动机施加循环荷载；
（4）应变采集：通过应变采集仪可以检测不同时刻土工材料试样各测点的应变情况，试验结束后可对应变数据进行导出。
进一步的：所述步骤（1）中，分层填筑土样进行击实要求压实度达到95%或者95%以上。
进一步的：所述步骤（3）中，在试样盒上方施加的静载预压为：最大加载量为200kg预压时间大于等于5 min。
进一步的：所述步骤（3）中，在杠杆右侧装备第二砝码为土工材料试样提供的水平拉力根据试验需求进行增加和减少。
本发明的优点是：
（1）本发明所述蠕变仪主要创新点为采用电动机、曲柄机构传动、砝码配重的组合结构，实现为蠕变试样施加长期稳定的循环荷载的目的，突破了传统蠕变仪只能在试样上部施加静载的局限；
（2）本发明所述蠕变仪的试样盒外侧安装保温保湿箱，保温保湿箱可以设定试样内温度和湿度，克服了传统蠕变仪无发控制试样盒内土体饱和度的缺陷；
（3）第二砝码为土工材料试样提供水平拉力，并且通过增加和减少砝码为土工材料试样提供不同的水平拉力；
（4）提供水平拉力和循环荷载的砝码可以更换，为试样提供所需的不同拉力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是保温保湿箱7外观视图。
图4是试样盒3右侧的视图。
图5是保温保湿箱7内部温度湿度监测探头13-3的安装位置示意图。
图6是试样盒3的左侧与夹具14连接后的视图。
图7是注水管与试样盒的连接示意图。
图8是应变采集系统结构图。
附图部件明细为：1.加载台；2.应变采集系统；3.试样盒；4.加热片；5.注水管进水口；6.注水管； 7.保温保湿箱；8.滑轮；9.杠杆支架；10.第二砝码；11.第二钢绞线；12.电动机；13.温度湿度控制元件；14.夹具；15.曲轴；16.飞轮；17.连杆；18.活塞杆；19.电动机支架；20.固定架；21.第一砝码；22.杠杆；23.第一钢绞线；13-1.数据线；13-2.温度湿度监测探头；3-3.位移计；3-4.土工材料试样；3-2.应变仪数据线；7-1.左箱体；7-2.右箱体；7-3.通孔。
具体实施方式
本发明的一种考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，包括加载台1、保温保湿系统、试样盒3、应变采集系统、循环加载系统。
加载台1中部为支撑平台，在支撑平台上安装保温保湿系统，保温保湿系统包括保温保湿控制元件13、温度湿度监测探头13-2、保温保湿箱7，所述保温保湿箱7内放置试样盒3，所述温度湿度监测探头设置于对保温保湿箱内部土工材料试样进行监测的位置，测取土工材料试样的温度湿度并将测取的数据送到保温保湿控制元件，由保温保湿控制元件控制加热片或者注水管的工作；图3所示的保温保湿箱7，其箱体是由左箱体7-1、右箱体7-2结合构成，左、右箱体相接后形成保温保湿箱的箱体，便于在安装土工材料试样时快速拆卸，图4所示的保温保湿箱7另一面，。
如图6、7、8所示，所述试样盒3包括夹具14、加热片4、注水管6，注水管进水口5，试样盒3为顶部开口的结构，从顶部填入土工材料试样，在土工材料试样的上方放置承压板，通过承压板，第一砝码22放置于承压板上，承压板可以保证荷载在土工材料试样上均匀分布；如图4所示，在试样盒3的两端开有长条形通孔7-3，通孔7-3的形状与土工材料试样3-4的形状相适应，该通孔供土工材料试样3-4伸出到试样盒3外；所述夹具14在试样盒3两端夹持土工材料试样3-4，夹具14左侧与试样盒3固定，形成图6所示的结构，右侧与提供水平拉力水平拉力装置连接，由水平拉力装置向夹具的右侧施加水平拉力，安装好的试样盒如图8所示，其左端的夹具与试样盒紧固连接，右边的夹具通过钢绞线与水平拉力水平拉力装置连接；所述加热片4设置于对试样盒3两侧壁，对土工材料试样进行加热，加热片4连接温度湿度控制元件13，由温度湿度控制元件13控制加热片4对土工材料试样进行加热；注水管6连通注水管进水口5，注水管6设置于试样盒3两侧壁，对土工材料试样进行注水的位置，注水管6连接温度湿度控制元件13，由温度湿度控制元件13控制注水管6对土工材料试样进行注水；加热片4与注水管6对称设置，保证加热、加湿均匀。温度湿度控制元件13与土工材料试样放置在试样盒内部的温度、湿度感应探头相连，并检测温度、湿度变化，当温度、湿度超过控制范围时，温度湿度控制元件13会控制试样盒3侧壁上的加热片4、注水管6工作，当温度、湿度达到目标值时，加热片4和注水管6将会自动停止工作，如此往复循环，达到控制蠕变试验过程中试样盒内温度和湿度的目的。
如图5所示，保温保湿箱7上安装温度湿度控制元件13，温度湿度监测探头13-2通过数据线13-1连接温度湿度控制元件13，温度湿度监测探头13-2放置于试样盒内的土工材料试样中，测取温度湿度。
如图3所示，保温保湿箱7的箱体由左箱体7-1、右箱体7-2结合构成，左、右箱体相接后形成保温保湿箱的箱体，在安装土工材料试样时可快速拆卸；保温保湿箱7与试样盒的共同作用下，试样盒内温度湿度更易保持稳定；保温保湿箱7顶部是开口结构，该开口让第一砝码通过压在承压板上。
如图8所示，应变采集系统包括应变采集仪2、位移计3-3，所述位移计沿试样盒纵向设置，所述位移计3-3通过应变仪数据线3-2连接应变采集仪，位移计3-3安装在土工材料试样的位置，采集土工材料试样3-4的纵向位移数据，土工材料试样3-4拉伸后会通过位移计3-3和数据线3-2传递至应变采集仪2，土工材料试样3-4可以采用土工格栅或者土工织物等；应变采集系统，可以对土工材料试样的应变进行实时监测。
如图1、8所示，位于右侧的夹具14连接水平拉力装置，所述水平拉力装置的产生采用如下的方式：
1、由第二砝码10向右侧的夹具14施加水平拉力，所述第二砝码10通过第二钢绞线11连接右侧的夹具14，通过滑轮8改变力的方向，第二砝码10产生的垂直拉力转换成对右侧夹具施加的水平拉力。
2、如图1所示，本实施例的水平拉力装置是由第二砝码10向右侧的夹具施加水平拉力，所述第二砝码10垂直连接杠杆22的长臂端，杠杆22的短臂端通过钢绞线连接右侧的夹具14，钢绞线滑轮8改变力的方向，杠杆22中部铰接于杠杆支架9，通过一定比例的杠杆和定滑轮，为试样盒提供所加砝码一定倍数的荷载；钢绞线延性较小，保证了提供水平拉力的精准性；。
在试样盒3顶部设置有第一砝码21，所述第一砝码21由循环加载系统带动上下移动，对试样盒3内的土工材料试样按设定的加载频率提升、降落，对土工材料试样顶部按设定频率施加压力；循环提升机构包括电动机12、飞轮16、曲柄连杆机构、第一钢绞线23，所述电动机12安装于加载台1的上部，飞轮16与电动机12通过传力带连接，驱动飞轮16转动，并可实现电动机的快速替换；飞轮16带动曲柄连接机构带动活塞杆18实现循环往复移动，活塞杆18下端通过第一钢绞线23连接第一砝码21，由往复移动的活塞杆18带动第一砝码21上下移动，实现施加循环荷载。工作时，电动机12通过传力带带动飞轮16转动，飞轮16通过曲轴15和连杆17带动活塞杆18上下运动，活塞杆18带动第一砝码21上下往复运动，实现循环荷载的施加，此外活塞杆18与第一砝码21之间用第一钢绞线23连接，当活塞杆18运动至最低点时，第一钢绞线23不受拉力，保证第一砝码21重力完全施加在土工材料试样上方的承压板上。
在加载台1安装固定架20，活塞杆18竖直安装于固定架20。
本发明的一种考虑循环荷载和土体饱和度的试验方法，包括步骤：
（1）土工材料试样安装：拆下保温保湿箱7，拿下试样盒3顶部承压板，分层填筑土样并进行击实，分层填筑土样进行击实要求压实度达到95%或者95%以上，其中每层填土不得超过10cm，土体填筑至预留通孔7-3高度时放入土工材料试样，土工材料试样左侧通过夹具14固定在试样盒上，土工材料试样中部预设测点，在测点处安装位移计与应变采集仪相连，土工材料试样右侧固定在夹具上，通过第二钢绞线11和滑轮8与杠杆22连接，安装完土工材料试样和应变采集仪器后继续填筑上部土体，最终填筑至试样盒顶部，并在上部土体中部放置温度、湿度监测探头，土体填筑完成后放上承压板；
（2）安装保温保湿箱：将温度、湿度监测探头以及加热片4和注水管6的线路接入保温保湿箱的温度湿度控制元件13，将注水管6另一端与水龙头连接，并将加热片4和保温保湿箱接通电源，设定目标温度与湿度；
（3）荷载施加：在试样盒上方施加静载预压，在试样盒上方施加的静载预压为：最大加载量为200kg预压时间大于等于5 min；预压结束后，调整试样盒上方荷载至目标荷载，在杠杆右侧装备第二砝码10为土工材料试样提供水平拉力，同时打开上部电动机施加循环荷载；第二砝码为土工材料试样提供水平拉力，并且通过增加和减少砝码为土工材料试样提供不同的水平拉力。第二砝码增加和减少与实验者的工况有关，仪器可以通过变换砝码，达到提供不同水平拉力的效果。
（4）应变采集：通过应变采集仪可以检测不同时刻土工材料试样各测点的应变情况，试验结束后可对应变数据进行导出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与装饰，均仍属于本发明的范畴内。

Claims (10)

1.一种考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，包括加载台、保温保湿系统、试样盒、应变采集系统、循环加载系统，其特征在于：所述保温保湿系统包括保温保湿控制元件、温度湿度监测探头、保温保湿箱，所述保温保湿箱内放置试样盒，所述温度湿度监测探头设置于对保温保湿箱内部土工材料试样进行监测的位置，测取土工材料试样的温度湿度并将测取的数据送到保温保湿控制元件，由保温保湿控制元件控制加热片或者注水管的工作；所述试样盒包括夹具、加热片、注水管，试样盒为顶部开口的结构，从顶部填入土样，在试样盒的两端开有通孔，该通孔供土工材料试样伸出到试样盒外；所述夹具在试样盒两端夹持土工材料试样，夹具左侧与试样盒固定，右侧与提供水平拉力水平拉力装置连接，由水平拉力装置向夹具的右侧施加水平拉力；所述加热片设置于对试样盒内部土工材料试样进行加热的位置，加热片连接温度湿度控制元件，由温度湿度控制元件控制加热片对土工材料试样进行加热；所述注水管设置于对试样盒内部土工材料试样进行注水的位置，注水管连接温度湿度控制元件，由温度湿度控制元件控制注水管对土工材料试样进行注水；当试样盒内温度和湿度超过控制范围时，将会触发保温保湿控制元件工作，从而保证试样盒内温度和湿度处于设定值；在试样盒顶部设置有第一砝码，所述第一砝码由循环加载系统带动上下移动，对试样盒内的土工材料试样按设定的加载频率提升、降落，对土工材料试样顶部按设定频率施加压力；所述应变采集系统包括应变采集仪、位移计，所述位移计沿试样盒纵向设置，所述位移计通过应变仪数据线连接应变采集仪，采集土工材料试样的纵向位移数据。
2.根据权利要求1所述的考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，其特征在于：所述水平拉力装置是由第二砝码向右侧的夹具施加水平拉力，所述第二砝码通过第二钢绞线连接右侧的夹具，通过滑轮改变力的方向，第二砝码产生的垂直拉力转换成对右侧夹具施加的水平拉力。
3.根据权利要求1所述的考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，其特征在于：所述水平拉力装置是由第二砝码向右侧的夹具施加水平拉力，所述第二砝码垂直连接杠杆的长臂端，杠杆的短臂端通过第二钢绞线连接右侧的夹具，由杠杆机构为试样盒提供所加砝码一定倍数的荷载。
4.根据权利要求1所述的考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，其特征在于：所述循环提升机构包括电动机、飞轮、曲柄连杆机构、钢绞线，所述电动机驱动飞轮转动，飞轮带动曲柄连接机构带动活塞杆实现循环往复移动，活塞杆通过第一钢绞线连接第一砝码，由往复移动的活塞杆带动第一砝码上下移动，实现施加循环荷载。
5.根据权利要求4所述的考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，其特征在于：所述活塞杆竖直设置于第一砝码的顶部，所述飞轮设置于活塞杆的顶部，所述曲柄连杆机构包括飞轮、曲轴、连杆、活塞杆，通过电动机驱动带动活塞杆沿竖直方向上下移动。
6.根据权利要求1所述的考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪，其特征在于：所述保温保湿箱的箱体由左箱体、右箱体结合构成，左、右箱体相接后形成保温保湿箱的箱体，便于在安装土工材料试样时快速拆卸。
7.一种采用权利要求1所述考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪的试验方法，其特征在于：包括步骤：
土工材料试样安装：拆下保温保湿箱，拿下试样盒顶部承压板，分层填筑土样并进行击实，其中每层填土不得超过10cm，土体填筑至预留试样孔高度时放入土工材料试样，土工材料土样左侧通过夹具固定在试样盒上，土工材料试样中部预设测点，在测点处安装位移计与应变采集仪相连，土工材料试样右侧固定在夹具上，通过第二钢绞线和定滑轮与杠杆连接，安装完土工材料试样和应变采集仪器后继续填筑上部土体，最终填筑至试样盒顶部，并在上部土体中部放置温度、湿度监测探头，土体填筑完成后放上承压板；
安装保温保湿箱：将温度、湿度监测探头以及加热片和注水管的线路接入保温保湿箱的温度湿度控制元件，将注水管另一端与水龙头连接，并将加热片和保温保湿箱接通电源，设定目标温度与湿度；
荷载施加：在试样盒上方施加静载预压，预压结束后，调整试样盒上方荷载至目标荷载，在杠杆右侧装备第二砝码为土工材料试样提供水平拉力，同时打开上部电动机施加循环荷载；
应变采集：通过应变采集仪可以检测不同时刻土工材料试样各测点的应变情况，试验结束后可对应变数据进行导出。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述步骤（1）中，分层填筑土样进行击实要求压实度达到95%或者95%以上。
9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述步骤（3）中，在试样盒上方施加的静载预压为：最大加载量为200kg预压时间大于等于5 min。
10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述步骤（3）中，在杠杆右侧装备第二砝码为土工材料试样提供的水平拉力根据试验需求进行增加和减少。
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