CN201917314U - 一种非饱和土体积变形测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非饱和土体积变形测量装置，其特征是在底端分别垂直固定在承台上的四个圆柱形钢柱的长度方向上，对应于三组给定测量高度的位置处同轴分别固定装有三个圆环形圈箍，在圈箍的圆周上制有对称分布的且方向沿圈箍径向通孔中，固定装入其中部制有通孔的圆柱形的直线导套，在每个圈箍圆周上所述通孔的一侧固定装有连接钢片，在各连接钢片的上端分别装有长度方向与直线导套垂直的变形钢片，在变形钢片凹口的底部粘贴有应变片，在直线导套的通孔中分别装入圆柱形顶杆，顶杆的两端分别顶在试样外圆和变形钢片上，本装置具有结构简单，造价低廉，占用空间小，可以使试样自由变形，量测范围大，精度高，能全过程的监测试样的体积变形等特点。

Description

一种非饱和土体积变形测量装置

技术领域

本实用新型涉及非饱和土力学变形测量技术领域，更具体涉及非饱和土体积变形测量，其适用于非饱和土三轴试验中的体积变形量测。

背景技术

自然界中的土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的，工程中所遇到的土体，大多数以非饱和土形态存在，即孔隙间既含有液体，又含有气体。目前，常用三轴试验来确定非饱和土力学性质，非饱和土三轴试验中的体积变形测量有如下几种方法：1、通过测量压力室内液体体积的变化推断试样体积的变化；2、通过将非饱和土体中排出的气体与液体分别独立测量体积后推断试样体积的变化；3、将局部变形量测装置附加在试样上估测体积变形；4、基于激光或图形处理技术观测试样体积变形。但上述方法分别存在的主要问题是：方法1的压力室结构复杂，往往采用双压力室；方法2需要分别加设测量孔隙气压力和水压力的装置，但其易受外界大气压和温度的影响。方法3的局部变形装置由于箍在试样上，对试样形成了约束，限制了其侧向变形。方法4造价昂贵，结构复杂，推广有一定困难。

为此，在非饱和土三轴试验中应充分考虑上述问题，开发一种简便的体积量测方式就十分必要了。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种针对在非饱和土三轴试验中，根据非饱和土的试样变形规律来测量其体积变形的结构相对比较简单、造价相对较低的一种非饱和土体积变形测量装置的原理性技术方案。

本实用新型是这样实现的，机构中包括变形钢片、连接钢片、应变片、顶杆，直线导套、固定框架和与应变片连接的外部数据记录仪，其特征在于：固定框架是在四个圆柱形钢柱的长度方向对应于三组给定测量高度的位置处同轴分别固定装有三个圆环形圈箍，在每个圈箍的圆周上制有四个对称分布的凸台，在凸台的中心部位制有方向沿圈箍径向的通孔中，固定装入其中部制有通孔的圆柱形的直线导套，在各通孔中，预置有两端为半球形的圆柱形顶杆，在每个圈箍的圆周上通孔的一侧制有带盲孔的凸台，在凸台的盲孔中固定装有连接钢片，在各连接钢片的上端固定装有其长度方向朝向直线导套的变形钢片，变形钢片的内侧底面与直线导套中的通孔垂直，在变形钢片凹口的底部粘贴有应变片，钢柱的下端固定安装在圆盘形承台上。

所述的直线导套通过止付螺丝将其固定在凸台上，连接钢片的下端，通过止付螺丝固定在凸台的盲孔中。

所述的变形钢片的长度大于连接钢片与直线导套两外侧之间平行距离。

所述的刚柱下端外侧，固定装有其轴向制有的通孔与钢柱轴向平行的圆柱形或矩形固定脚，并通过螺钉和圆盘形承台上对应制有的沿其轴向的螺孔，将固定框架固定在承台的上平面靠近外边缘处的与圈箍同轴的圆周上。

所述的变形刚片在凹口处的厚度为0.5mm，凹口的大小尺寸与应变片的大小尺寸相对应。

所述的顶杆的长度大于变形钢片的内边缘至试样外表面的距离2mm。

具体工作时，将试样放置在承台的中心部位，当试样变形时，通过顶杆的运动将位移数据传至变形钢片上，使变形钢片随着发生变形，从而导致应变片的变形，这样，就可以通过外部数据记录仪检测到需要的数据，并通过已经标定的变形钢片的变形量得到需要的数据。由于非饱和土试样变形后大多呈鼓型，根据此规律配合轴向变形的数据通过积分公式则可确定试样的体积变形。

通过以上技术方案，使得试样的体积变形可以通过变形钢片变形后由应变片间接测得，而且，本实用新型结构简单，造价低廉，占用空间小，可以使试样自由变形，量测范围大，能全过程的监测试样的体积变形，可以较好的达到非饱和土体积变形测量的目的。

附图说明

本实用新型有6个附图，其中：图1为一种非饱和土体积变形测量装置的平面示意图，图2为固定框架的立面示意图，图3为变形钢片的平面示意图，图4为变形钢片的侧面示意图，图5为凸台与直线导套的示意图，图6为试验过程中某时刻试样变形及测点分布示意图。

在图1-图5中：1、变形钢片，2、连接钢片，3、螺钉，4、凸台，5、止付螺丝，6、应变片，7、直线导套，8、凸台，9、固定框架，10、固定脚，11、钢柱，12、试样，13、止付螺丝，14、通孔，15、顶杆，16、圈箍，17、承台，18、螺钉，19、盲孔，20、通孔。

在图6中：H为试样12的高度，H/T为靠近承台17处的测量点的高度，H/S为接近试样12中部处的测量点的高度，H/R为接近试样12上部处的测量点的高度，数字1-12为各测量点的分布位置，x为横坐标标记，y为纵坐标标记。

具体实施方式

下面结合附图的实施例，对本实用新型作进一步的说明。

在图1-图5中，机构中包括变形钢片1、连接钢片2、应变片6、直线导套7、固定框架9、与应变片6连接的外部数据记录仪，其特征在于：固定框架9是在四个圆柱形钢柱11的长度方向对应于三组给定测量高度的位置处同轴分别固定装有三个圆环形圈箍16而组成，一般可以通过焊接的方法将钢柱11与圈箍16固定在一起，上面所指的给定测量高度的位置应当对应于试样2高度H的1/R、1/S、1/T倍处。在每个圈箍16的圆周上制有的四个对称分布的且方向沿其径向的凸台8，在凸台8的中心部位制有方向沿圈箍16径向通孔20中，装入其中部制有通孔14的圆柱形的直线导套7，并通过止付螺丝13将其固定在凸台8上，然后在各通孔14中，预置有两端为半球形的圆柱形顶杆15，在每个圈箍16的圆周上通孔20的一侧对称制有四个其内制有盲孔19的凸台4，在所述凸台4的盲孔19中装有通过止付螺丝5固定的连接钢片2的下端，在各连接钢片2的上端通过螺钉3固定装有其长度方向朝向直线导套7且与直线导套7中的所述通孔垂直的并在靠近连接钢片2一端处制有开口向外侧的底面方向与圈箍16轴向平行的凹口的矩形变形钢片1，在所述凹口的底部，粘贴有应变片6，变形钢片1的长度大于连接钢片2与直线导套7之间平行距离，在钢柱11的下端一侧，固定装有其轴向制有的通孔与钢柱11轴向平行的矩形固定脚10，并通过螺钉18将固定框架9固定在圆盘形承台17的上平面靠近外边缘处的与圈箍16同轴的圆周上。

变形刚片1在凹口处的厚度为0.5mm左右，凹口的大小尺寸与应变片6的大小尺寸相对应。

顶杆15的长度大于变形钢片1的内边缘至试样12外表面的距离2mm左右。

变形钢片1采用40CrNiMoA合金钢材料，在850℃淬火；应变片6使用金属箔状电阻应变片；其他材料采用不锈钢。

本实用新型一种非饱和土体积变形测量装置具体使用按下列步骤进行：

1、第一次使用时，对已经粘贴好应变片6的每个变形钢片1进行标定，得到变形钢片1的变形值与顶杆15位移之间的关系的标定曲线。

2、在本实用新型内装入试样12后，将固定框架9通过螺钉18固定于承台17。

3、将直线导套7卡入固定框架9的凸台8中，并用止付螺丝13固定。将顶杆15的一端拉至试样12表面。

4、将连接钢片2卡入固定框架9的凸台4中，并用止付螺丝5固定。将变形钢片1通过螺钉3固定在连接钢片2上。由于顶杆15的长度大于变形钢片1的内边缘至试样外表面的距离2mm左右，变形钢片1本身在实验前处于变形状态，保证其已通过直线导套7和试样12接触。

5、实验过程中试样12的变形会不断增大，由于直线导套7的摩擦力极小，试样12的变形会引起顶杆15在直线导套7中的直线运动，顶杆15压迫变形钢片1变形，变形钢片1的凹口处厚度为0.5mm左右，极易产生变形，与应变片6相连的外部数据记录仪可以记录到这些变形，根据标定曲线，则可得到实验中变形钢片1测得的每一点的变形值。根据非饱和土的变形特征则可使用以下方法得到试样在实验过程中的体积变形。如图6，试样试验前的直径为D，高度为H，变形钢片1的测点的编号为1～12，其测得的变形位移值用x1～x12表示，试样变形后y可以表示为x的三次多项式，则试样的体积可由式(1)计算：

$V={\∫}_0^{H+\mathrm{\ΔH}}\mathrm{\π}{x}^2\mathrm{dy}={\∫}_0^{H+\mathrm{\ΔH}}\mathrm{\π}{({\mathrm{ay}}^3+{\mathrm{by}}^2+c)}^2\mathrm{dy}---\left(1\right)$

其中ΔH(负值)是试验过程中某一时刻试样的压缩值，其可由三轴试验机的轴向变形数据得到。a、b、c为参数。试验过程中某一时刻试样的参数a、b、c可由式(2)确定：

$\left[\begin{array}{c}x13\\ x14\\ x15\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{y1}^3& {y1}^2& 1\\ {y2}^3& {y2}^2& 1\\ {y3}^3& {y3}^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：

-x13是高度为H/R处试样变形后半径的平均值，x13＝D/2+(x1+x2+x3+x4)/4

-x14是高度为H/S处试样变形后的半径的平均值，x14＝D/2+(x5+x6+x7+x8)/4

-x15是高度为H/T处试样变形后的半径的平均值，x15＝D/2+(x9+x10+x11+x12)/4

-y1是测点1，2，3，4的y坐标值，y1＝H/R+ΔH

-y2是测点5，6，7，8的y坐标值，y2＝H/S+ΔH

-y3是测点9，10，11，12的y坐标值，y3＝H/T+ΔH

这样可以解出参数a、b、c，代入式(1)，则可知道试验过程中某一时刻试样的体积值。

Claims (6)

1.一种非饱和土体积变形测量装置，包括变形钢片（1）、连接钢片（2）、应变片（6）、顶杆（15），直线导套（7）、固定框架（9）和与应变片（6）连接的外部数据记录仪，其特征在于：固定框架（9）是在四个圆柱形钢柱（11）的长度方向对应于三组给定测量高度的位置处同轴分别固定装有三个圆环形圈箍（16），在每个圈箍（16）的圆周上制有四个对称分布的凸台（8），在凸台（8）的中心部位制有方向沿圈箍（16）径向的通孔（20）中，固定装入其中部制有通孔（14）的圆柱形的直线导套（7），在各通孔（14）中，预置有两端为半球形的圆柱形顶杆（15），在每个圈箍（16）的圆周上通孔（20）的一侧制有带盲孔（19）的凸台（4），在凸台（4）的盲孔（19）中固定装有连接钢片（2），在各连接钢片（2）的上端固定装有其长度方向朝向直线导套（7）的变形钢片（1），变形钢片（1）的内侧底面与直线导套（7）中的通孔（14）垂直，在变形钢片（1）凹口的底部粘贴有应变片（6），钢柱（11）的下端固定安装在圆盘形承台（17）上。

2.根据权利要求1所述的一种非饱和土体积变形测量装置，其特征在于：所述的直线导套（7）通过止付螺丝（13）将其固定在凸台（8）上，连接钢片（2）的下端，通过止付螺丝（5）固定在凸台（4）的盲孔（19）中。

3.根据权利要求1所述的一种非饱和土体积变形测量装置，其特征在于：所述的变形钢片（1）的长度大于连接钢片（2）与直线导套（7）两外侧之间平行距离。

4.根据权利要求1所述的一种非饱和土体积变形测量装置，其特征在于：所述的刚柱（11）下端外侧，固定装有其轴向制有的通孔与钢柱（11）轴向平行的圆柱形或矩形固定脚（10），并通过螺钉（18）和圆盘形承台（17）上对应制有的沿其轴向的螺孔，将固定框架（9）固定在承台（17）的上平面靠近外边缘处的与圈箍（16）同轴的圆周上。

5.根据权利要求1所述的一种非饱和土体积变形测量装置，其特征在于：所述的变形刚片（1）在凹口处的厚度为0.5mm，凹口的大小尺寸与应变片（6）的大小尺寸相对应。

6.根据权利要求1所述的一种非饱和土体积变形测量装置，其特征在于：所述的顶杆（15）的长度大于变形钢片（1）的内边缘至试样（12）外表面的距离2mm。

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