CN115808354A - 一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸力‑温度‑压力控制土体变形量测试装置及方法，装置包括主体结构、温度控制系统、等向压力控制系统和吸力控制系统；主体结构包括底座、密封罩、活塞、轴向位移传感器和径向位移传感器；温度控制系统包括加热垫、温度传感器和温度控制器；等向压力控制系统包括压力体积控制器；吸力控制系统包括气体循环泵；底座与密封罩之间形成腔室，土体设于底座与活塞之间；底座上设置有连通的第一通水通道和第二通水通道；底座上设置有多个连通的通气孔，活塞上设置有活塞通气孔，通气孔与气体循环泵和活塞通气孔连通。与现有技术相比，本发明获得的土体形态发展特征和物理量能够为地质工程、岩土工程等相关领域提供重要信息参数。

Description

一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置及方法

技术领域

本发明涉及土体测试技术领域，具体涉及一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置及方法。

背景技术

随着工程建设的发展，土体的变形日益受到人们的重视，土体变形可能导致严重的工程问题。虽然目前已有很多学者通过试验对此开展了大量研究，但现有的研究手段主要还是在一维条件下进行的，并且甚少研究温度对土体的影响。土体在地下水和温度的影响下，轴向和径向会同时发生膨胀/收缩变形，而传统的实验方法无法同时实现在等向压力的加卸载、温度循环、吸力循环条件下监测土体的以及变化和轴向/径向变形。因此开发此吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，以此来获得土体形态发展特征和物理量能够为地质工程、岩土工程等相关领域提供重要信息参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，包括主体结构、温度控制系统、等向压力控制系统和吸力控制系统；

所述的主体结构包括底座、密封罩、活塞、轴向位移传感器和径向位移传感器；

所述的温度控制系统包括加热垫、温度传感器和温度控制器；

所述的等向压力控制系统包括压力体积控制器；

所述的吸力控制系统包括气体循环泵；

所述的底座与密封罩之间形成腔室，活塞、轴向位移传感器和径向位移传感器设置在腔室内，土体设于底座与活塞之间，轴向位移传感器悬于活塞上方，径向位移传感器设置于土体侧面；

所述的加热垫包在密封罩外侧，温度传感器伸入腔室并与温度控制器相连；

所述的底座上设置有连通的第一通水通道和第二通水通道，第一通水通道设置在腔室外，第二通水通道设置在腔室内，第一通水通道连接压力体积控制器，第二通水通道连通腔室；

所述的底座上设置有多个连通的通气孔，活塞上设置有活塞通气孔，通气孔与气体循环泵和活塞通气孔连通。

优选地，所述的底座顶部设置透水石及同心环形管道系统，与底座上的通气孔连通，土体设置在透水石与活塞之间。

进一步优选地，所述的底座在与密封罩接触处设置有用于密封的“O”型圈，在活塞与土体外侧设置有用于防止腔室中的水与土体接触的橡胶膜，活塞上设有用于固定橡胶膜的“O”型圈。

更进一步优选地，所述的轴向位移传感器设置在轴向位移传感器支架上，轴向位移传感器的探针放置于活塞上并与之接触，径向位移传感器设置在径向位移传感器支架上，径向位移传感器的探针放置于土样侧面橡胶膜外并与橡胶膜粘连接触。

优选地，所述的密封罩顶部设置通水/气孔。

优选地，在腔室外的底座上设有第一通气孔、第二通气孔、第三通气孔、第四通气孔；在腔室内的底座上设有第一活塞通气孔和第二活塞通气孔，活塞上设置有两个活塞通气孔，第一活塞通气孔和第二活塞通气孔分别连接一个活塞通气孔。

进一步优选地，所述的第一通气孔为进气端，第四通气孔为出气端，气体循环泵设置在进气端与出气端之间。

进一步优选地，所述的吸力控制系统还包括多孔通气瓶和过滤瓶，多孔通气瓶中盛放饱和盐溶液，多孔通气瓶一端通过导气管与过滤瓶连接，另一端通过导气管与气体循环泵连接；过滤瓶另一端通过导气管与第一通气孔相连接形成进气端，第四通气孔通过导气管与气体循环泵的另一端相连接形成出气端，整个气体循环路径为过滤瓶→第一通气孔→第一活塞通气孔→活塞通气孔→第二活塞通气孔→第二通气孔→第三通气孔→第四通气孔→气体循环泵，以形成气体循环闭环。

优选地，所述的底座上设有用于固定密封罩的密封罩固定螺丝。

优选地，所述的底座上设有轴向传感器采集线通道和径向传感器采集线通道，轴向传感器采集线从轴向传感器采集线通道引出连接电脑采集端，径向传感器采集线从径向传感器采集线通道引出连接电脑采集端。

一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试方法，采用上述装置进行。

与现有技术相比，本发明提供的吸力-温度-压力控制的土体变形量测试验装置，实现了土体的干湿循环、温度循环以及等向压力控制，并将土体吸力/温度/压力变化过程的宏观表现可视化，克服了常规试验中土体吸力/温度/压力变化过程不可见的缺点，提供了定性描述和分析的可能，同时在土体变化过程中对力学参数及位移参数进行测量，提供了定量化参数，从定性和定量结果来综合分析，从中获得的土体形态发展特征和物理量能够为地质工程、岩土工程等相关领域提供重要信息参数。

附图说明

图1为本发明主体结构示意图；

图2为本发明主体结构俯视图；

图3为本发明密封罩结构示意图；

图4为本发明温度控制系统示意图；

图5为本发明等向压力控制系统示意图；

图6为本发明吸力控制系统示意图；

图7为本发明同心环形管道系统示意图；

图8为本发明同心环形管道系统流路示意图；

图中：1-底座，11-第一通水通道，12-第二通水通道，101-第一通气孔，102-第二通气孔，103-第三通气孔，104-第四通气孔，105-第一活塞通气孔，106-第二活塞通气孔，2-密封罩，21-通水/气孔，3-活塞，31-活塞通气孔，4-轴向位移传感器，5-径向位移传感器，6-加热垫，7-温度传感器，8-温度控制器，9-压力体积控制器，10-气体循环泵，13-“O”型圈，14-橡胶膜，15-轴向位移传感器支架，16-径向位移传感器支架，17-多孔通气瓶，18-过滤瓶，19-密封罩固定螺丝，20-轴向传感器采集线通道，22-径向传感器采集线通道，23-轴向位移传感器探针，24-径向位移传感器探针，25-固定螺丝，26-同心环形管道系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，包括主体结构，温度控制系统、等向压力控制系统和吸力控制系统。

主体结构如图1～3所示，包括底座1，活塞3，密封罩2及两个传感器，轴向位移传感器4悬于活塞上方，径向位移传感器5设置于土体侧面，分别固定于轴向位移传感器支架15，径向位移传感器支架16，传感器采集线分别从轴向传感器采集线通道20和径向传感器采集线通道22引出；底座1顶部设置透水石及同心环形管道系统，与第三通气孔103、第四通气孔104连通，中部侧面设置“O”型圈13；活塞3位于底座和土体的上方，外侧设置两层“O”型圈13，用于固定最外侧的橡胶膜14，以防止腔室中的水与土体接触，上方的活塞通气孔31通过耐压气管分别与第一活塞通气孔105、第二活塞通气孔106相接，活塞通气孔与第一通气孔101、第二通气孔102相连接；密封罩2通过密封罩固定螺丝19与底座相扣形成与“O”型圈13紧密接触以密封压力室，顶部设置通水/气孔21、固定螺丝25，顶部的温度传感器7可以监测腔室内水体温度；此外底座底部设置第一通水通道11、第二通水通道12用以控制腔室内压力，同时可以监测土体的体积变形。土体的轴向变形和径向变形可由轴向位移传感器4和径向位移传感器5监测。

温度控制系统如图4所示，温度控制由加热垫6和温度控制器8组成，加热垫包裹在密封罩2外侧，温度传感器7引线与温度控制器8相接，在加热的同时可以监测腔室内温度变化。

等向压力控制系统如图5所示，去离子水向第一通水通道11注水，通过第二通水通道12流入腔室，腔室内空气从密封罩上方的通水/气孔21排出，腔室内去离子水注满后，多余的水从密封罩上方的通水/气孔21排出后将其拧紧密封；将压力体积控制器9与第一通水通道11接通，腔室内对土体的等向压力通过体积压力控制器控制腔室内水的压力实现。

吸力控制系统如图6所示，多孔通气瓶17中盛放饱和盐溶液，多孔通气瓶17一端通过导气管与过滤瓶18连接，另一端通过导管与气体循环泵10连接；过滤瓶18另一端通过导气管与第一通气孔101相连接形成进气端，第一活塞通气孔105与活塞通气孔31的一端相连接，活塞通气孔31的另一端与第二活塞通气孔106相连接，第二通气孔102与第三通气孔103相连接，第四通气孔104通过导气管与气体循环泵10的另一端相连接形成出气孔。整个气体循环路径为过滤瓶18→第一通气孔101→第一活塞通气孔105→活塞通气孔31→第二活塞通气孔106→第二通气孔102→第三通气孔103→第四通气孔104→气体循环泵10，以形成气体循环闭环，可控制土样腔室中的吸力。

由上所述，整个腔室内部由底座1、轴向位移传感器4、轴向位移传感器支架15、轴向位移传感器探针23，径向位移传感器5、径向位移传感器支架16、径向位移传感器探针24、活塞3、密封罩固定螺丝19、轴向传感器采集线通道20、径向传感器采集线通道22、温度传感器7、密封罩2联合构成，由于“O”型圈和橡胶膜的设置，不仅使底座1、土样和活塞3可以紧密接触，还能使土样与腔室整体具有良好的密封性，与外部气液隔绝，规避了外界非试验控制因素的干扰，可实现对试验的精确控制。

整体试验装置具有可拆卸性，便于各部件的更换和改进。

实施例2

一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，底座1顶部和活塞3底部都放置有透水石，底座1的透水石下方是具有如图7～8所示结构的同心环形系统26，气体从第三通气孔103进入，通至圆心进入，可以充分游走以达到控制吸力的目的，再从右边的孔出至第四通气孔104。

活塞3底部透水石的上方是同心环形系统26，活塞3上设置有两个活塞通气孔31，第一活塞通气孔105与其中一个活塞通气孔31的相连接，通至圆心进入，可以充分游走以达到控制吸力的目的，再从右边的孔出至另一活塞通气孔31与第二活塞通气孔106相连接。

整个气体循环路径为过滤瓶18→第一通气孔101→第一活塞通气孔105→活塞通气孔31→同心环形管道系统→活塞通气孔31→第二活塞通气孔106→第二通气孔102→第三通气孔103→同心环形管道系统→第四通气孔104→气体循环泵10。其余与实施例2相同。

实施例3

一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试方法，包括以下步骤：

一、等向加卸载试验

等向加卸载试验针对的试验材料为可压实且在加卸载作用下发生宏观变形的岩土体(如粉土、粘土、膨胀岩等)。首先将上下两面均放置两张圆形滤纸的圆柱形土样，放置于底座1顶部的透水石上，活塞3放置在试样的上方，将橡皮膜将底座上方、土样和活塞一起包裹住，并套上“O”型圈，将轴向位移传感器4固定于轴向位移传感器支架15上，轴向位移传感器探针23放置于活塞3上并与之接触，径向位移传感器5固定于径向位移传感器支架16上，径向位移传感器探针24放置于土样侧面橡胶膜14外并与橡胶膜粘连接触；轴向传感器采集线从轴向传感器采集线通道20引出连接电脑采集端，径向传感器采集线从径向传感器采集线通道22引出连接电脑采集端；在底座设置的凹槽处放置“O”型圈13，将密封罩2扣于底座1上，并拧紧密封罩固定螺丝19，使密封罩2内部与底座1上部形成密封压力室；将第一通水通道11连接通水管，去离子去气水通过通水管道经第一通水通道11、第二通水通道12流入压力室内，压力室内由于水的流入，内部气体会从通气/水孔21排出，当去离子去气水从通气/水孔21溢出时，则压力室内已注满水。压力室注满水后，将通气/水孔21密封，压力体积控器9中注入去离子去气水后连接第一通水通道11，同时压力体积控制器9连接电脑端控制采集软件，在电脑端输入目标压力，压力体积控制器向密封压力室内注入去离子去气水，此时密封压力室内的水体对试样形成等向压力，达到目标压力后，体积压力控制器压力显示稳定，采集并记录体积压力控制器的体积示数的变化，便是土样受到压力后的体积变化，同时轴向位移传感器采集仪和径向位移传感器采集仪采集并记录土样的轴向和径向变形，待试验土样的体积及轴/径向变形稳定后，再电脑端输入下一级目标压力，重复上述步骤便可实现对岩土体等向加卸载的试验。

以上描述的具体实施方式为圆饼试样等向加卸载的实施例。

此外，若将该装置连接温度控制系统和吸力控制系统，可同时实现不同吸力/温度下土体的等向加卸载试验。

二、温度循环试验

温度循环试验针对的试验材料为可在温度作用下易发生宏观变形的岩土体(如粉土、粘土、膨胀岩等)。按照上述过程完成试样安装，密封压力室注满水连接压力体积控制器9后，将加热垫6包在密封罩外侧，温度传感器7连接至温度控制器8，便可实现密封压力室内的升温/降温，在此过程中利用压力体积控制器9记录体积的变化，利用轴向位移传感器4和径向位移传感器5记录土样的轴向和径向变形。此外由于水的体积在升温降温过程中也会发生热胀冷缩，在试验开始前需要先进行标定试验，每上升/下降一定温度，用压力体积控制器记录水的体积变化规律。若将该装置连接吸力控制系统，则可同时实现不同吸力/等向压力条件下土体的温度循环试验。

三、干湿循环试验

干湿循环试验针对的试验材料为在干湿循环作用下发生宏观变化的岩土体(如湿陷性黄土、膨润土等)。按照上述过程完成试样安装，密封压力室注满水连接压力体积控制器9后，导气管从过滤瓶18引出与第一通气孔101相连接形成进气端，第一活塞通气孔105与活塞通气孔31的一端相连接，活塞通气孔31的另一端与第二活塞通气孔106相连接，第二通气孔102与第三通气孔103相连接，第四通气孔104通过导气管与气体循环泵的另一端相连接形成出气端，运行气体循环泵，在此过程中利用压力体积控制器9记录体积的变化，利用轴向位移传感器4和径向位移传感器5记录土样的轴向和径向变形，变化稳定后，更换装有不同饱和盐溶液的多孔通气瓶17，以达到不同目标吸力。此外，干湿循环过程中，若需要将土样饱和，则将先保持第一通气孔101、第二通气孔102畅通，向第三通气孔103注水并由第四通气孔104流出即可。若将该装置连接温度控制系统，则可同时实现不同温度/等向压力条件下土体的干湿循环试验。

在本发明中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，包括主体结构、温度控制系统、等向压力控制系统和吸力控制系统；

所述的主体结构包括底座(1)、密封罩(2)、活塞(3)、轴向位移传感器(4)和径向位移传感器(5)；

所述的温度控制系统包括加热垫(6)、温度传感器(7)和温度控制器(8)；

所述的等向压力控制系统包括压力体积控制器(9)；

所述的吸力控制系统包括气体循环泵(10)；

所述的底座(1)与密封罩(2)之间形成腔室，活塞(3)、轴向位移传感器(4)和径向位移传感器(5)设置在腔室内，土体设于底座(1)与活塞(3)之间，轴向位移传感器(4)悬于活塞(3)上方，径向位移传感器(5)设置于土体侧面；

所述的加热垫(6)包在密封罩(2)外侧，温度传感器(7)伸入腔室并与温度控制器(8)相连；

所述的底座(1)上设置有连通的第一通水通道(11)和第二通水通道(12)，第一通水通道(11)设置在腔室外，第二通水通道(12)设置在腔室内，第一通水通道(11)连接压力体积控制器(9)，第二通水通道(12)连通腔室；

所述的底座(1)上设置有多个连通的通气孔，活塞(3)上设置有活塞通气孔(31)，通气孔与气体循环泵(10)和活塞通气孔(31)连通。

2.根据权利要求1所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的底座(1)顶部设置透水石及同心环形管道系统，与底座(1)上的通气孔连通，土体设置在透水石与活塞(3)之间。

3.根据权利要求2所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的底座(1)在与密封罩(2)接触处设置有用于密封的“O”型圈(13)，在活塞(3)与土体外侧设置有用于防止腔室中的水与土体接触的橡胶膜(14)，活塞(3)上设有用于固定橡胶膜(14)的“O”型圈(13)。

4.根据权利要求3所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的轴向位移传感器(4)设置在轴向位移传感器支架(15)上，轴向位移传感器(4)的探针放置于活塞(3)上并与之接触，径向位移传感器(5)设置在径向位移传感器支架(16)上，径向位移传感器(5)的探针放置于土样侧面橡胶膜(14)外并与橡胶膜(14)粘连接触。

5.根据权利要求1所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的密封罩(2)顶部设置通水/气孔(21)。

6.根据权利要求1所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，在腔室外的底座(1)上设有第一通气孔(101)、第二通气孔(102)、第三通气孔(103)、第四通气孔(104)；在腔室内的底座(1)上设有第一活塞通气孔(105)和第二活塞通气孔(106)，活塞(3)上设置有两个活塞通气孔(31)，第一活塞通气孔(105)和第二活塞通气孔(106)分别连接一个活塞通气孔(31)。

7.根据权利要求6所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的第一通气孔(101)为进气端，第四通气孔(104)为出气端，气体循环泵(10)设置在进气端与出气端之间。

8.根据权利要求6所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的吸力控制系统还包括多孔通气瓶(17)和过滤瓶(18)，多孔通气瓶(17)中盛放饱和盐溶液，多孔通气瓶(17)一端通过导气管与过滤瓶(18)连接，另一端通过导气管与气体循环泵(10)连接；过滤瓶(18)另一端通过导气管与第一通气孔(101)相连接形成进气端，第四通气孔(104)通过导气管与气体循环泵(10)的另一端相连接形成出气端，整个气体循环路径为过滤瓶(18)→第一通气孔(101)→第一活塞通气孔(105)→活塞通气孔(31)→第二活塞通气孔(106)→第二通气孔(102)→第三通气孔(103)→第四通气孔(104)→气体循环泵(10)，以形成气体循环闭环。

9.根据权利要求1所述的吸力-温度-压力控制土体变形量测试装置，其特征在于，所述的底座(1)上设有用于固定密封罩(2)的密封罩固定螺丝(19)，底座(1)上设有轴向传感器采集线通道(20)和径向传感器采集线通道(22)，轴向传感器采集线从轴向传感器采集线通道(20)引出连接电脑采集端，径向传感器采集线从径向传感器采集线通道(22)引出连接电脑采集端。

10.一种吸力-温度-压力控制土体变形量测试方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的装置进行。

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