CN204679492U

CN204679492U - 一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置

Info

Publication number: CN204679492U
Application number: CN201520376548.6U
Authority: CN
Inventors: 刘维正; 邱天琦; 蒋建国; 瞿帅; 杨向田
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2025-06-03

Abstract

本实用新型公开了一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置，包括箱体、加湿机构、干燥机构、称重机构、控制机构及密封机构。箱体设有箱门，箱体内设置一层隔水板将内腔分成上部的加湿-干燥腔和下部的称重腔，加湿机构装设于加湿-干燥腔的侧壁上，干燥机构装设于加湿-干燥腔的顶部，称重机构装设于称重腔底部，隔水板上设有让三轴试样穿过并置于称重机构上的圆孔，密封机构可升降地设置于三轴试样的上方。加湿机构、干燥机构的开和关以及密封机构的升降均由控制机构控制。本实用新型能实时监测三轴试样质量并确定试样含水率，定量控制试样干湿程度，具有自动化程度高，干湿过程均匀、缓和，操作简单，干湿循环效果好、效率高等优点。

Description

一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程技术领域，特别涉及一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置，主要应用于岩土工程研究中对三轴试样进行干湿循环试验。

背景技术

在我国南方湿热地区，大规模降雨和雨后水分的快速蒸发时常交替发生，导致地表土体的含水率发生反复变动；干湿交替引起河流、湖泊的水位以及地下水位发生往复变化，使库岸边坡和地势低洼处填方路基处在干湿循环的环境中。在干湿循环的作用下，路基或边坡土体的强度和刚度有所衰减，造成路基长期性能劣化、使用寿命降低，边坡稳定性下降、易引发滑坡等灾害。为探明土体在干湿循环作用下工程特性的劣化规律，据此评价路基和边坡的稳定性和耐久性，为运营养护提供理论支撑，需对土体进行干湿循环试验。

目前的干湿循环试验中，对土体的加湿通常采用浸泡法或喷淋法，干燥通常采用高温烘干法，这种干湿循环过程过于剧烈，常导致三轴试样表面剥落、开裂严重，与深层路基中含水量缓慢、均匀变化的实际情况不符。由于直剪试验的试样可以在环刀的保护下进行加湿，目前大部分干湿循环试验采用直剪试样，三轴试样的干湿试验较少，但三轴试验相比直剪试验具有可在三个方向同时施加作用力和不固定剪切面等明显优点，因此，对三轴试样开展干湿循环试验很有必要。此外，以往的试验中，三轴试样的称量、加湿和干燥通常不在同一位置进行，对三轴试样移位不仅不方便，而且容易使三轴试样扰动损伤，导致试验结果不准确或试验失败。也正是因为之前的方法中称量三轴试样需要对三轴试样反复移位而容易造成三轴试样损坏，大部分试验选择仅仅控制加湿、干燥时间，不对三轴试样进行质量称量，因而不能定量控制三轴试样含水率。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能实时监测三轴试样质量并确定三轴试样含水率，能定量控制三轴试样干湿程度，自动化程度高，操作简单，制样质量高，干湿循环效果好、效率高，干湿过程均匀、缓和的定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置，包括透明箱体、加湿机构、干燥机构、称重机构、控制机构以及用于密封三轴试样的密封机构，所述箱体前后壁均设有箱门，箱体内部设置一层隔水板将箱体内腔分成位于上部的加湿-干燥腔和位于下部的称重腔，所述加湿机构装设于加湿-干燥腔的侧壁上，干燥机构装设于加湿-干燥腔的顶部，称重机构装设于称重腔底部，隔水板上设有让三轴试样穿过并置于称重机构上的圆孔，密封机构可升降地设置于三轴试样的上方，所述加湿机构、干燥机构的开和关以及密封机构的升降均由控制机构根据设定的质量目标值来控制。

作为上述技术方案的进一步改进：

优选的，所述密封机构包括密封罩、吊绳和升降滑轮，所述密封罩为底端开口、顶端密封的空心圆柱体，其内径和高度略大于三轴试样；所述升降滑轮装设于箱体的顶部；吊绳一端连接于密封罩顶面，另一端绕过升降滑轮并连接于所述控制机构。

优选的，所述加湿机构包括位于箱体外侧成整体的储水箱和雾化箱，储水箱位于上部，其底端设有水位控制器，雾化箱位于下部，其底部设有雾化器，顶部设有带喷雾嘴的喷雾管，喷雾管上设有喷雾量调节器，所述喷雾嘴伸入箱体内部。

优选的，所述干燥机构位于箱体内部，包括热电阻和微型排气扇，微型排气扇位于热电阻的上方。

优选的，所述称重机构包括能够感应到三轴试样水分蒸发量的高精度电子称以及用于支撑三轴试样的圆柱垫块，所述圆柱垫块穿过隔水板上的圆孔置于高精度电子称上，圆柱垫块的侧面与圆孔壁之间留有间隙，顶面略高于隔水板，圆柱垫块的直径同三轴试样直径。

优选的，所述控制机构位于箱体外侧，包括加湿机构开关、干燥机构开关、喷雾量调节旋钮、温度调节旋钮、风速调节旋钮、密封罩升降阀以及自动控制器，所述自动控制器连接加湿机构、干燥机构、称重机构以及密封机构，当自动控制器判断出称重机构的质量达到目标值时，控制干、湿机构自动关闭以及密封罩自动下降。

优选的，所述隔水板四周及圆孔周边设有挡水条带，隔水板周边设有排水孔，排水孔下方接排水管，排水管伸出箱体外将积水排出。

优选的，所述三轴试样由三轴试样制样模具一次成型，所述制样模具包括套环、两件内腔为半圆柱面的瓣模以及两件垫块，两件所述瓣模通过套设于外侧的套环合并成一整体，形成一内径同三轴试样直径的圆柱体空腔，两件垫块分设于圆柱体空腔内的上部和下部，中部形成用于成型三轴试样的空间。

利用本实用新型定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验方法，包括如下步骤：

1）制作三轴试样；

2）将制好的三轴试样放置于称重机构的圆柱垫块上，并位于加湿-干燥腔，高精度电子称上显示的质量为三轴试样初始质量，后将高精度电子称清零；

3）根据三轴试样的初始质量、初始含水率和目标含水率w，按下述公式计算三轴试样目标质量m：，并在控制机构上设置加湿质量目标值；

4）关闭箱门，开启加湿机构，喷雾嘴喷雾，三轴试样加湿，三轴试样质量增加；

5）当高精度电子称监测到三轴试样质量增加至加湿质量目标值时，加湿机构自动关闭，密封罩自动降落罩住整个三轴试样，三轴试样在密封罩内静置12小时，使三轴试样中的水分扩散均匀；

6）静置完毕后，操纵密封罩升降阀使密封罩升起，设置干燥质量目标值；

7）打开箱门，开启干燥机构，送出暖风，三轴试样干燥，三轴试样质量降低；

8）当高精度电子称监测到三轴试样质量降低至干燥质量目标值时，干燥机构自动关闭，密封罩自动降落罩住整个三轴试样，三轴试样在密封罩内静置12小时，使三轴试样中的水分扩散均匀；

9）静置完毕后，操纵密封罩升降阀使密封罩升起；

10）根据试验需要，确定重复步骤3）-9）的干湿循环试验次数、干湿顺序及含水率变化幅度。

优选的，所述步骤1）制作三轴试样的具体步骤如下：

11）根据三轴试样干密度和备料初始含水率，称取质量为的土；

12）在三轴试样制作模具的两件瓣模内壁上均匀涂抹凡士林，再将保鲜膜铺平贴附于内壁上；

13）合并瓣模，放入下垫块，下垫块底面与瓣模底面齐平，套上套环，将步骤11）中称取的土一次性倒入瓣模中，放入上垫块，用手按压上垫块进行初步压实；

14）用千斤顶顶推上垫块至上垫块顶面与瓣模顶面齐平，静压30分钟后脱模，即制得所述三轴试样。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的试验装置，试验过程中的干湿过程均匀、缓和，整个试验过程不需要对三轴试样移位，能实时监测三轴试样质量并确定三轴试样含水率，进而定量控制三轴试样干湿程度；能在干、湿完毕后，给三轴试样提供密封环境使三轴试样水分扩散均匀；能自动控制干湿机构的运转及密封罩的升降；制样模具克服了分层压实试样在干湿循环后易在分层处断裂的问题。本实用新型具有自动化程度高，操作简单，制样质量高，干湿循环效果好、效率高等优点。

附图说明

图1为本实用新型干湿循环试验装置的主视结构示意图。

图2为本实用新型干湿循环试验装置的侧视结构示意图。

图3为本实用新型中隔水板的结构示意图。

图4为本实用新型中制样模具组装前的结构示意图。

图5为本实用新型中双瓣模合并后的俯视结构示意图。

图例说明：

1、箱体；2、加湿机构；3、干燥机构；4、称重机构；5、密封机构；6、控制机构；7、隔水板；8、雾化器；9、水位控制器；10、喷雾嘴；11、喷雾量调节器；12、储水箱；13、热电阻；14、微型排气扇；15、高精度电子称；16、圆柱垫块；17、密封罩；18、吊绳；19、升降滑轮；20、加湿机构开关；21、干燥机构开关；22、喷雾量调节旋钮；23、温度调节旋钮；24、风速调节旋钮；25、密封罩升降阀；26、自动控制器；27、圆孔；28、挡水条带；29、排水孔；30、排水管；31、瓣模；32、套环；33、上垫块；34、下垫块；35、三轴试样。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1-图5所示，一种本实用新型的定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置实施例，包括透明有机玻璃箱体1、加湿机构2、干燥机构3、称重机构4、控制机构6以及用于密封三轴试样35的密封机构5，箱体1前后壁均设有一扇箱门，箱体1内部设置一层隔水板7，将箱体1内腔分成位于上部的加湿-干燥腔和位于下部的称重腔，加湿机构装设于加湿-干燥腔的侧壁上，干燥机构3装设于加湿-干燥腔的顶部，称重机构4装设于称重腔底部，隔水板7用以隔离称重机构4免受其它过程的影响。隔水板7上设有让三轴试样35穿过并置于称重机构4上的圆孔27，整个三轴试样35将位于隔水板7以上，保证了加湿、干燥过程的均匀性。密封机构5可升降地设置于三轴试样35的上方，加湿机构2、干燥机构3的开和关以及密封机构5的升降均由控制机构6根据设定的质量目标值来控制。

本实施例中，三轴试样35由三轴试样制样模具一次成型，该制样模具包括套环32、两件内腔为半圆柱面的瓣模31以及两件圆柱体垫块（分别为上垫块33和下垫块34），两件瓣模31通过套设于外侧的套环32合并成一整体，形成一内径同三轴试样35直径的圆柱体空腔，上垫块33和下垫块34分设于圆柱体空腔内的上部和下部，中部形成用于成型三轴试样的空间。上垫块33高50mm，下垫块34高10mm，瓣模高度减去上、下垫块高度之和即为三轴试样的高度，采用千斤顶顶推静压双瓣模中的土料至上垫块完全压入双瓣模中，三轴试样直径和高度恰能达到预期要求，三轴试样的一次成型克服了分层压实试样在干湿循环后易在分层处断裂的问题。

本实施例中，称重机构4包括高精度电子称15以及用于支撑三轴试样35的圆柱垫块16，圆柱垫块16的直径同三轴试样35直径，高度为20mm。高精度电子称15能够感应到三轴试样水分蒸发量。三轴试样35放入本实用新型的干湿循环试验装置之前，需先将圆柱垫块16穿过隔水板7上的圆孔27置于高精度电子称15上，并保证圆柱垫块16的侧面不与圆孔27壁接触，其间留有微小间隙，由于隔水板7仅略高于高精度电子称15，因此圆柱垫块16的顶面高于隔水板7，此时再在圆柱垫块16上放置三轴试样35，整个土样将位于隔水板7以上，保证了加湿、干燥过程的均匀性。由于箱体采用透明材料，透过箱体可观测到电子称数值，因此，可根据试验需要，人工中断加湿或干燥过程。

本实施例中，加湿机构2包括位于箱体1外侧并成整体的储水箱12和雾化箱，储水箱12位于上部，其底端设有水位控制器9，雾化箱位于下部，其底部设有雾化器8，顶部设有带喷雾嘴10的喷雾管，喷雾管上设有喷雾量调节器11，喷雾嘴10伸入箱体1内部。隔水板7四周及圆孔27周边设有挡水条带28，隔水板7周边设有排水孔29，排水孔29下方接排水管30，排水管30伸出箱体1外将积水排出。加湿时，开启加湿机构，关闭干燥机构，箱门关闭，试验装置处于密封状态。加湿机构中的雾化器将蒸馏水雾化成喷雾由喷雾嘴喷出，喷雾嘴位于隔水板以上，雾气会在隔水板上部的加湿-干燥腔均匀扩散。隔水板四周及圆孔周边设置的挡水条带阻隔积水下流，隔水板上的积水由排水管排出。隔水板的圆孔与圆柱垫块之间存在缝隙，但由于圆孔仅比圆柱垫块略大，因此两者间的缝隙微小，通过缝隙侵入隔水板下部的称重腔雾气可忽略不计，亦可在下部的称重腔中放置干燥剂，确保称重腔处于干燥状态，保障电子称的正常工作及质量称量的准确性。可以通过喷雾量调节器控制喷雾量的大小以实现不同的加湿速度。当储水箱的水位不足时，需向储水箱中蓄水。

本实施例中，干燥机构3位于箱体1内部，包括热电阻13和微型排气扇14，微型排气扇14位于热电阻13的上方。干燥时，开启干燥机构，关闭加湿机构，箱门打开，试验装置内部空间与外部空间连通。干燥机构的热电阻使周围空气温度升高，微型排气扇使干燥机构送出暖风。可以通过温度调节器、风速调节器控制干燥机构温度的高低与风速的大小以实现不同的干燥速度。

本实施例中，控制机构6位于箱体1外侧，包括加湿机构开关20、干燥机构开关21、喷雾量调节旋钮22、温度调节旋钮23、风速调节旋钮24、密封罩升降阀25以及自动控制器26，自动控制器26连接加湿机构2、干燥机构3、称重机构4以及密封机构5。密封机构5包括密封罩17、吊绳18和升降滑轮19，密封罩17为底端开口、顶端密封的空心圆柱体有机玻璃罩，其内径和高度略大于三轴试样35；升降滑轮19装设于箱体1的顶部；吊绳18一端连接于密封罩17顶面，另一端绕过升降滑轮19并连接于控制机构6。当自动控制器26判断出称重机构4的质量达到目标值时，控制干、湿机构自动关闭以及密封罩17自动下降。

本实用新型的工作原理：

加湿过程中，箱体隔水板以上空间充满雾气，三轴试样会均匀、缓慢地吸收周围的水分，质量逐渐增大，含水率逐渐升高；干燥过程中，三轴试样中的水分蒸发，质量逐渐减小，含水率逐渐下降。假设已知三轴试样的初始质量、初始含水率和目标含水率，按下述公式计算三轴试样目标质量：，并在控制机构上设置质量目标值。当控制机构判断出称重机构的质量达到目标值时，自动控制器向加湿或干燥机构以及密封机构发出指令，加湿或干燥机构自动关闭，密封罩自动下降。密封罩内部空间的尺寸略大于三轴试样尺度而且密封罩无下底面，因此，密封罩不会和三轴试样接触，三轴试样在密封罩中静置12小时使试样内部水分扩散均匀，密封罩给试样提供了密封空间，使其在静置过程中不会出现含水率变化。

三轴试样静置过后，需人工操作密封罩升降阀升起密封罩，进而进行后续过程。

可根据试验需要决定三轴试样的干湿循环次数以及每一循环中的干湿顺序和干湿幅度。

可根据试验需要，对多个三轴试样同时进行加湿或干燥，仅需扩大或缩小试验装置尺寸，增加或减少圆孔、密封罩及电子称的数量，提升或降低加湿或干燥机构的能力，自动控制程序需改为当某台电子称上的质量达到目标值时，自动降落该电子称对应的密封罩，当所有电子称上的质量达到目标值时，自动关闭加湿或干燥机构。

使用本实用新型的试验装置定量模拟土体三轴试样干湿循环时，其具体步骤如下：

1）制作三轴试样：

14）用千斤顶顶推上垫块至上垫块顶面与瓣模顶面齐平，静压30分钟后脱模，即制得三轴试样；

9）静置完毕后，操纵密封罩升降阀使密封罩升起；

Claims

1.一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置，包括透明箱体（1）、加湿机构（2）、干燥机构（3）、称重机构（4）和控制机构（6），其特征在于：还包括用于密封三轴试样（35）的密封机构（5），所述箱体（1）前后壁均设有箱门，箱体（1）内部设置一层隔水板（7）将箱体（1）内腔分成位于上部的加湿-干燥腔和位于下部的称重腔，所述加湿机构（2）装设于加湿-干燥腔的侧壁上，干燥机构（3）装设于加湿-干燥腔的顶部，称重机构（4）装设于称重腔底部，隔水板（7）上设有让三轴试样（35）穿过并置于称重机构（4）上的圆孔（27），密封机构（5）可升降地设置于三轴试样（35）的上方，所述加湿机构（2）、干燥机构（3）的开和关以及密封机构（5）的升降均由控制机构（6）根据设定的质量目标值来控制。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述密封机构（5）包括密封罩（17）、吊绳（18）和升降滑轮（19），所述密封罩（17）为底端开口、顶端密封的空心圆柱体，其内径和高度略大于三轴试样（35）；所述升降滑轮（19）装设于箱体（1）的顶部；吊绳（18）一端连接于密封罩（17）顶面，另一端绕过升降滑轮（19）并连接于所述控制机构（6）。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述加湿机构（2）包括位于箱体（1）外侧成整体的储水箱（12）和雾化箱，储水箱（12）位于上部，其底端设有水位控制器（9），雾化箱位于下部，其底部设有雾化器（8），顶部设有带喷雾嘴（10）的喷雾管，喷雾管上设有喷雾量调节器（11），所述喷雾嘴（10）伸入箱体（1）内部。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述干燥机构（3）位于箱体（1）内部，包括热电阻（13）和微型排气扇（14），微型排气扇（14）位于热电阻（13）的上方。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述称重机构（4）包括能够感应到三轴试样（35）水分蒸发量的高精度电子称（15）以及用于支撑三轴试样（35）的圆柱垫块（16），所述圆柱垫块（16）穿过隔水板（7）上的圆孔（27）置于高精度电子称（15）上，圆柱垫块（16）的侧面与圆孔（27）壁之间留有微小间隙，顶面略高于隔水板（7），圆柱垫块（16）的直径同三轴试样（35）直径。

6.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述控制机构（6）位于箱体（1）外侧，包括加湿机构开关（20）、干燥机构开关（21）、喷雾量调节旋钮（22）、温度调节旋钮（23）、风速调节旋钮（24）、密封罩升降阀（25）以及自动控制器（26），所述自动控制器（26）连接加湿机构（2）、干燥机构（3）、称重机构（4）以及密封机构（5），当自动控制器（26）判断出称重机构（4）的质量达到目标值时，控制干、湿机构自动关闭以及密封罩（17）自动下降。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述隔水板（7）四周及圆孔（27）周边设有挡水条带（28），隔水板（7）周边设有排水孔（29），排水孔（29）下方接排水管（30），排水管（30）伸出箱体（1）外将积水排出。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的试验装置，其特征在于：所述三轴试样（35）由三轴试样制样模具一次成型，所述制样模具包括套环（32）、两件内腔为半圆柱面的瓣模（31）以及两件垫块，两件所述瓣模（31）通过套设于外侧的套环（32）合并成一整体，形成一内径同三轴试样（35）直径的圆柱体空腔，两件垫块分设于圆柱体空腔内的上部和下部，中部形成用于成型三轴试样（35）的空间。