CN206683952U - 一种体积变化测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种体积变化测定仪，主要用于在土工试验中精确测量试样总体积变化量。所述的体积变化测定仪主要包括转换箱(1)、顶室(2)和数显表(3)，通过旋转体积变化测定仪转换箱(1)上的转向开关(21)改变箱体内部的管路连接，进而改变体积变化测定仪顶室(2)的设置，并采用数显表(3)测量体积变化测定仪内部的活塞(17)的位移变化，换算得到试样体积变化值。本实用新型所述的体积变化测定仪结构设计合理，操作简单，应用范围广，测量精确度高，可实现土工试验过程中试样总体积变化的精确测量，可与多种试验设备联合使用，稳定性能高，使用寿命长。

Description

一种体积变化测定仪

技术领域

本实用新型涉及一种体积变化测定仪，尤其涉及一种非饱和土试验过程中能够精确测量试样总体积变化的装置，可与多种土工试验仪器联合使用，如非饱和土三轴仪等。

背景技术

在土工试验中，试样的体积变化在一定程度上反映着土体的压缩、剪胀等物理特性。根据土的含水情况，可将土体分为两种，即饱和土和非饱和土；对于饱和土样，试验过程中土体体积的变化量等于试样的排水量，通常采用体变管或者反压控制器进行测量，前者易受到外界环境和人为因素等的影响，测量精度低。

对于非饱和土试样，由于土体中包含有固相、气相和液相，其中气相和液相是可压缩的，故试验过程中土体的体积变化量不仅与液相有关，也与气相有关，此时将不能采用上述方法进行试样体积变化的测量。通常，其测量方法可分为以下几种：一是测量试样周边液体的体积变化来间接测量，二是分别测量试样中气相和液相的体积变化，三是利用高清图像处理等先进技术直接测得试样的体积变化。由于后两种方法难以操作、高成本、测量精度难以掌控等问题，第一种方法得到了广泛的应用。

而针对第一种方法，现有的仪器多采用与压力室相连接的体变管测量试样周围液体体积变化，或者采用连通型双压力室结构测量内室水位变化等方法间接得到试样的体积变化。通常，前者易受到环境温度的影响，测量精度难以控制，且难以生成连续的数据；而后者则由于内室尺寸较大，试样变化引起的液体水位变化难以测量，试验精度较低，难以达到试验要求。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种精度高、实用性强土工试验用的体积变化测定仪，通过与土工试验仪器的周围压力源相连接，测量稳压过程中因试样体积变化而补偿的压力源液体体积量，进而精确测得试验过程中试样的总体积变化。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种体积变化测定仪，其特征在于，它包括转换箱、与转换箱相连的顶室和与顶室相连的数显表；

所述的转换箱包括箱体、地脚、控制开关、转向开关和侧筒壁管线接口，所述的箱体的顶板上开设有用于安装顶室的圆孔，所述的地脚固定在箱体的下底板上，控制开关和转向开关分别安装于箱体的面板上，通过控制开关和转向开关不同的转向，可实现管路的不同连接方式；所述的两个侧筒壁管线接口位于箱体的两侧面上，通过通水管线分别与土工试验仪器的周围压力源和压力室相连接；

所述的顶室包括下封盖、悬臂杆、数显表夹具、封盖、第一连接头、第二连接头、第一排气帽、第二排气帽、连杆、第一管线快插接口、第二管线快插接口、第一储水腔体、第二储水腔体、侧筒壁和活塞；

所述的下封盖和封盖分别固定于侧筒壁的两端，并通过连杆相连接，连杆两端采用螺母进行固定；

所述的封盖上表面和下封盖下表面分别安装有第一连接头和第二连接头，第一排气帽和第二排气帽分别固定在第一连接头和第二连接头上；

所述的活塞位于侧筒壁内部，活塞的上部和下部分别放置有第一储水腔体和第二储水腔体，第一储水腔体通过圆柱头螺钉密封固定于活塞上，第二储水腔体通过圆柱头螺钉密封固定于下封盖上；

所述的封盖内部设置有L型的第一容水通道，L型的第一容水通道一端与第一连接头连接固定，另一端与第一管线快插接口连接固定，L型的第一容水通道在L型的拐角处与第一储水腔体相连通；

所述的下封盖内部设置有L型的第二容水通道，L型的第二容水通道一端与第二连接头连接固定，另一端与第二管线快插接口连接固定，L型的第二容水通道在L型的拐角处与第二储水腔体相连通。

作为优选方案，以上所述的体积变化测定仪，所述的第一管线快插接口和第二管线快插接口分别与转换箱中的通水管线相连接。

作为优选方案，以上所述的体积变化测定仪，所述的侧筒壁上沿高度方向留有椭圆形通道，悬臂杆穿过侧筒壁上的椭圆形通道，固定于活塞与第二储水腔体之间。

作为优选方案，以上所述的体积变化测定仪，数显表夹具的一端固定于封盖的下边缘，数显表穿过数显表夹具上的圆孔，并用固定螺丝进行固定，数显表的测头与悬臂相接触。

作为优选方案，以上所述的体积变化测定仪，所述的数显表的最大行程为25mm。

作为优选方案，以上所述的体积变化测定仪，所述的第一储水腔体和第二储水腔体的最大承压为3MPa。

作为优选方案，以上所述的转换箱主要通过旋转箱体上的控制开关和转向开关改变箱体内部的管线连接，实现顶室内部活塞运动方向的改变，并采用数显表测量顶室内部活塞的移动位移量，进而计算得到试样的体积变化。

本实用新型所述的体积变化测定仪主要是与土工试验仪器中的周围压力源相连接，通过测量稳压过程中因试样体积变化而补偿的压力源液体体积量，进而精确测得试验过程中试样的总体积变化。

本实用新型提供的体积变化测定仪的操作使用方法：其包括以下步骤：

步骤一：管线连接，将体积变化测定仪与周围压力源和压力室之间进行连接，转换箱的一个侧筒壁管线接口通过通水管线与试验中的周围压力源相连接，另一个侧筒壁管线接口通过通水管线与压力室相连接；

步骤二：注水排气，对体积变化测定仪的顶室进行注水排气，旋转控制开关和转向开关，使两个开关分别指向“体积变化”方向和“向上流动”的方向，打开第一排气帽，利用压力控制源向第二储水腔体内注水，直至悬臂杆移动至距离侧筒壁椭圆形孔洞的上边缘8～10mm，停止向第二储水腔体内注水；旋转转向开关，使其指向“向下流动”方向，压力控制源内的液体注入第一储水腔体内，并适当地晃动顶室，直至第一储水腔体内无气体排出，关闭第一排气帽，并将顶室倒置；打开第二排气帽，利用压力控制源向第一储水腔体内注水，直至悬臂杆移动至侧筒壁椭圆形孔洞的中间位置为止，旋转转向开关，使其指向“向上流动”方向，此时压力源向第二储水腔体内注水，适当地晃动顶室，直至第二储水腔体内的气体排完为止，拧紧第二排气帽；重复上述操作3-5次，直至没有气泡排出为止；

步骤三：开始试验，将控制开关和转向开关分别旋转至“体积变化”方向和“向上流动”方向，此时数显表的读数为h₁，完成试验前的准备工作，即可开始试验；根据周围压力的作用过程，整个试验可分为周围压力施加阶段和周围压力稳压阶段：

周围压力施加阶段：为达到试验设计中所设置的周围压力值，周围压力源将向第二储水腔体中注入液体，施加压力，此时，第二储水腔体膨胀、推动活塞上升，挤压第一储水腔体内的液体进入压力室内，使第一储水腔体与压力室内的压力和第二储水腔体内等同，进而达到所设置的目标周围压力值σ₃；同时，活塞上升过程中，带动悬臂杆向上运动，数显表测量得到的位移值发生变化，读数为h₁；

周围压力稳压阶段：由于周围压力和轴向压力的作用，试样将发生压缩变形，周围压力难以维持稳定状态，相应的体积变化测定仪第一储水腔体和第二储水腔体内的压力值均发生变化，通过伺服反馈，周围压力源将向第二储水腔体中注入液体，活塞上升，挤压第一储水腔体，使第一储水腔体、第二储水腔体和压力室维持目标周围压力值σ₃，此时，第一储水腔体或第二储水腔体内液体的变化量即为试样体积的总变化量，数显表的读数为h₂，储水腔体的截面积为s₁，计算得到试样体积的总变化量为ΔV＝s₁·|h₁-h₂|；

当转向开关旋转至“向下流动”方向时，周围压力源的液体将进入第一储水腔体，活塞下降，挤压第二储水腔体，使周围压力维持恒定。

与现有技术对比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的体积变化测定仪，结构设计合理，可克服现有技术受环境变化影响大，测量结果精确度低等缺陷。

本实用新型采用密闭结构，可避免试验过程中液体蒸发对体积测量精度的影响，可大大提高试样体积变化测量的精确度；

本实用新型采用数显表，测量精度高，能够与数据采集系统相连接，可实现数据自动连续记录和储存。

附图说明

图1是本实用新型所述的体积变化测定仪结构图。

图2是本实用新型所述的体积变化测定仪顶室结构图。

图3是本实用新型所述的体积变化测定仪顶室剖面图。

图4是本实用新型所述的体积变化测定仪转换箱结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步说明本实用新型。

实施例1

如图1至4所示，一种体积变化测定仪，它包括转换箱1、与转换箱1相连的顶室2和与顶室2相连的数显表3；

所述的转换箱1包括箱体18、地脚19、控制开关20、转向开关21和侧筒壁管线接口22，所述的箱体18的顶板上开设有用于安装顶室2的圆孔，所述的地脚19固定在箱体18的下底板上，控制开关20和转向开关21分别安装于箱体18的面板上，通过控制开关20和转向开关21不同的转向，可实现管路的不同连接方式；所述的两个侧筒壁管线接口22位于箱体18的两侧面上，通过通水管线分别与土工试验仪器的周围压力源和压力室相连接；

所述的顶室2包括下封盖4、悬臂杆5、数显表夹具6、封盖8、第一连接头10-1、第二连接头10-2、第一排气帽11-1、第二排气帽11-2、连杆12、第一管线快插接口13-1、第二管线快插接口13-2、第一储水腔体14-1、第二储水腔体14-2、侧筒壁16和活塞17；

所述的下封盖4和封盖8分别固定于侧筒壁16的两端，并通过连杆12相连接，连杆12两端采用螺母9进行固定；

所述的封盖8上表面和下封盖4下表面分别安装有第一连接头10-1和第二连接头10-2，第一排气帽11-1和第二排气帽11-2分别固定在第一连接头10-1和第二连接头10-2上；

所述的活塞17位于侧筒壁16内部，活塞17的上部和下部分别放置有第一储水腔体14-1和第二储水腔体14-2，第一储水腔体14-1通过圆柱头螺钉15-1密封固定于活塞17上，第二储水腔体14-2通过圆柱头螺钉15-2密封固定于下封盖4上；

所述的封盖8内部设置有L型的第一容水通道8-1，L型的第一容水通道8-1一端与第一连接头10-1连接固定，另一端与第一管线快插接口13-1连接固定，L型的第一容水通道8-1在L型的拐角处与第一储水腔体14-1相连通；

所述的下封盖4内部设置有L型的第二容水通道4-1，L型的第二容水通道4-1一端与第二连接头10-2连接固定，另一端与第二管线快插接口13-2连接固定，L型的第二容水通道4-1在L型的拐角处与第二储水腔体14-2相连通。

以上所述的体积变化测定仪，所述的第一管线快插接口13-1和第二管线快插接口13-2分别与转换箱1中的通水管线相连接。

以上所述的体积变化测定仪，其特征在于，所述的侧筒壁16上沿高度方向留有椭圆形通道，悬臂杆5穿过侧筒壁16上的椭圆形通道，固定于活塞17与第二储水腔体14-2之间。

以上所述的体积变化测定仪，数显表夹具6的一端固定于封盖8的下边缘，数显表3穿过数显表夹具6上的圆孔，并用固定螺丝7进行固定，数显表3的测头(3-1)与悬臂杆5相接触。

以上所述的体积变化测定仪，所述的数显表3的最大行程为25mm。所述的第一储水腔体14-1和第二储水腔体14-2的最大承压为3MPa。

实施例2

体积变化测定仪的操作使用方法：其包括以下步骤：

步骤一：管线连接，将体积变化测定仪与周围压力源和压力室之间进行连接，转换箱1的一个侧筒壁管线接口22通过通水管线与试验中的周围压力源相连接，另一个侧筒壁管线接口22通过通水管线与压力室相连接；

步骤二：注水排气，对体积变化测定仪的顶室2进行注水排气，旋转控制开关20和转向开关21，使两个开关分别指向“体积变化”方向和“向上流动”的方向，打开第一排气帽11-1，利用压力控制源向第二储水腔体14-2内注水，直至悬臂杆5移动至距离侧筒壁16椭圆形孔洞的上边缘8～10mm，停止向第二储水腔体14-2)内注水；旋转转向开关21，使其指向“向下流动”方向，压力控制源内的液体注入第一储水腔体14-1内，并适当地晃动顶室2，直至第一储水腔体14-1内无气体排出，关闭第一排气帽11-1，并将顶室2倒置；打开第二排气帽11-2，利用压力控制源向第一储水腔体14-1内注水，直至悬臂杆5移动至侧筒壁16椭圆形孔洞的中间位置为止，旋转转向开关21，使其指向“向上流动”方向，此时压力源向第二储水腔体14-2内注水，适当地晃动顶室2，直至第二储水腔体14-2内的气体排完为止，拧紧第二排气帽11-2；重复上述操作3-5次，直至没有气泡排出为止；

步骤三：开始试验，将控制开关20和转向开关21分别旋转至“体积变化”方向和“向上流动”方向，此时数显表3的读数为h₁，完成试验前的准备工作，即可开始试验；根据周围压力的作用过程，整个试验可分为周围压力施加阶段和周围压力稳压阶段：

周围压力施加阶段：为达到试验设计中所设置的周围压力值，周围压力源将向第二储水腔体14-2中注入液体，施加压力，此时，第二储水腔体14-2膨胀、推动活塞17上升，挤压第一储水腔体14-1内的液体进入压力室内，使第一储水腔体14-1与压力室内的压力和第二储水腔体14-2内等同，进而达到所设置的目标周围压力值σ₃；同时，活塞17上升过程中，带动悬臂杆5向上运动，数显表3测量得到的位移值发生变化，读数为h₁；

周围压力稳压阶段：由于周围压力和轴向压力的作用，试样将发生压缩变形，周围压力难以维持稳定状态，相应的体积变化测定仪第一储水腔体14-1和第二储水腔体14-2内的压力值均发生变化，通过伺服反馈，周围压力源将向第二储水腔体14-2中注入液体，活塞17上升，挤压第一储水腔体14-1，使第一储水腔体14-1、第二储水腔体14-2和压力室维持目标周围压力值σ₃，此时，第一储水腔体14-1或第二储水腔体14-2内液体的变化量即为试样体积的总变化量，数显表3的读数为h₂，储水腔体14的截面积为s₁，计算得到试样体积的总变化量为ΔV＝s₁·|h₁-h₂|；

当转向开关21旋转至“向下流动”方向时，周围压力源的液体将进入第一储水腔体14-1，活塞17下降，挤压第二储水腔体14-2，使周围压力维持恒定。

Claims (6)

1.一种体积变化测定仪，其特征在于，它包括转换箱(1)、与转换箱(1)相连的顶室(2)和与顶室(2)相连的数显表(3)；

所述的转换箱(1)包括箱体(18)、地脚(19)、控制开关(20)、转向开关(21)和侧筒壁管线接口(22)，所述的箱体(18)的顶板上开设有用于安装顶室(2)的圆孔，所述的地脚(19)固定在箱体(18)的下底板上，控制开关(20)和转向开关(21)分别安装于箱体(18)的面板上，通过控制开关(20)和转向开关(21)不同的转向，可实现管路的不同连接方式；所述的两个侧筒壁管线接口(22)位于箱体(18)的两侧面上，通过通水管线分别与土工试验仪器的周围压力源和压力室相连接；

所述的顶室(2)包括下封盖(4)、悬臂杆(5)、数显表夹具(6)、封盖(8)、第一连接头(10-1)、第二连接头(10-2)、第一排气帽(11-1)、第二排气帽(11-2)、连杆(12)、第一管线快插接口(13-1)、第二管线快插接口(13-2)、第一储水腔体(14-1)、第二储水腔体(14-2)、侧筒壁(16)和活塞(17)；

所述的下封盖(4)和封盖(8)分别固定于侧筒壁(16)的两端，并通过连杆(12)相连接，连杆(12)两端采用螺母(9)进行固定；

所述的封盖(8)上表面和下封盖(4)下表面分别安装有第一连接头(10-1)和第二连接头(10-2)，第一排气帽(11-1)和第二排气帽(11-2)分别固定在第一连接头(10-1)和第二连接头(10-2)上；

所述的活塞(17)位于侧筒壁(16)内部，活塞(17)的上部和下部分别放置有第一储水腔体(14-1)和第二储水腔体(14-2)，第一储水腔体(14-1)通过圆柱头螺钉(15-1)密封固定于活塞(17)上，第二储水腔体(14-2)通过圆柱头螺钉(15-2)密封固定于下封盖(4)上；

所述的封盖(8)内部设置有L型的第一容水通道(8-1)，L型的第一容水通道(8-1)一端与第一连接头(10-1)连接固定，另一端与第一管线快插接口(13-1)连接固定，L型的第一容水通道(8-1)在L型的拐角处与第一储水腔体(14-1)相连通；

所述的下封盖(4)内部设置有L型的第二容水通道(4-1)，L型的第二容水通道(4-1)一端与第二连接头(10-2)连接固定，另一端与第二管线快插接口(13-2)连接固定，L型的第二容水通道(4-1)在L型的拐角处与第二储水腔体(14-2)相连通。

2.根据权利要求1所述的体积变化测定仪，其特征在于，所述的第一管线快插接口(13-1)和第二管线快插接口(13-2)分别与转换箱(1)中的通水管线相连接。

3.根据权利要求1所述的体积变化测定仪，其特征在于，所述的侧筒壁(16)上沿高度方向留有椭圆形通道，悬臂杆(5)穿过侧筒壁(16)上的椭圆形通道，固定于活塞(17)与第二储水腔体(14-2)之间。

4.根据权利要求1所述的体积变化测定仪，其特征在于，数显表夹具(6)的一端固定于封盖(8)的下边缘，数显表(3)穿过数显表夹具(6)上的圆孔，并用固定螺丝(7)进行固定，数显表(3)的测头(3-1)与悬臂杆(5)相接触。

5.根据权利要求4所述的体积变化测定仪，其特征在于，所述的数显表(3)的最大行程为25mm。

6.根据权利要求4所述的体积变化测定仪，其特征在于，所述的第一储水腔体(14-1)和第二储水腔体(14-2)的最大承压为3MPa。