CN208223381U - 一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，包括加压计量注水装置、均匀渗水约束装置、位移采集显示装置、轴向土样厚度可调压土装置、轴向可变加载装置。本实用新型的有益效果：本实用新型适用于原状膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合变化下膨胀量试验；各组件加工成本低、安装简单，操作方便。

Description

一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪

技术领域

本实用新型属于铁路、公路路基实验检测设备领域，涉及膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载三因素交互耦合变化状况下膨胀量测定的装置。

背景技术

膨胀土是自然地质过程中形成的一种多裂隙、吸水显著膨胀，失水收缩开裂，与正常固结黏土不同的特殊土，对各类浅层工程具有危害作用，被称之为“工程中的癌症”。中国有3亿以上人口生活在膨胀土地区，每年因膨胀土造成的经济损失达数百亿元。近年来，随着我国经济建设迅猛发展，高速铁路、高速公路向中西部地区快速延伸，膨胀土引起的地质灾害对铁路建设、公路建设及运营的危害日趋严重，引起了交通部门和相关专家、学者的高度重视。

高速铁路作为我国交通运输行业的重要组成部分，具有速度快、运能大、能耗低、污染小的独特优势，给国家带来了巨大的经济效益和社会效益，然而其建设中所遇到的问题也日益增多，尤其是穿越膨胀土地区的高铁工程。膨胀土是一种主要由蒙脱石等亲水性黏土矿物组成的高塑性黏土，具有吸水膨胀，失水收缩等特点，常使建筑物或构筑物产生不均匀的竖向或水平向的胀缩变形，对铁路路基的稳定性与工程安全性极为不利。对一般铁路工程而言，膨胀土地基的膨胀变形对路基影响较小，常忽略不计，而高速铁路无砟轨道对膨胀变形值要求极为严格，施工中路基沉降允许调整量为15mm，膨胀允许调整量仅为4mm，当高铁穿越膨胀土地段时，由于路基膨胀变形引起的轨面几何状态的变化一方面将会造成较大的轮轨附加动荷载，导致车辆运行状况质量下降，影响行车安全性和舒适性；另一方面，由于轨下基础的膨胀变形，造成钢轨和轨下基础受力状态变化，进而导致钢轨和轨下基础变形和伤损加剧，反过来又会恶化轨面几何状态，加剧轮轨相互作用，如此形成恶性循环，严重影响高速铁路线路的服役状态与使用寿命。造成高速铁路路基膨胀的主要原因是膨胀土地基的膨胀，而影响膨胀土膨胀的外部因素主要有含水率、膨胀土厚度和上覆荷载，系统深入的研究含水率、厚度、上覆荷载三因素耦合作用下原状膨胀土的膨胀量是解决高速铁路路基上拱的核心问题。

针对膨胀土膨胀量测量仪器的研发，相关学者门进行了大量的探索，取得了颇有价值的成果，如自由膨胀率测定仪、土壤膨胀仪、固结仪，这些仪器，在不同的膨胀土工程中发挥了重要的作用。

现有技术一：自由膨胀率测定仪，主要由无径漏斗、量土杯、搅拌器等组成，主要用于检测粘土的自由膨胀量，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。

现有技术一存在以下缺点：仅能测定膨胀土的膨胀特性，而对实际情况下膨胀土的膨胀量无法测定。

现有技术二：土壤膨胀仪，主要有环刀:Φ61.8mm×20mm、调节螺丝、导环和百分表组成。主要用于测定粘性土在浸水过程中体积增大膨胀量与品质稳定后的含水率。

现有技术二存在以下缺点：仅用于测定固定厚度膨胀土的膨胀量，没有考虑厚度和上覆荷载对膨胀土膨胀量的影响。

现有技术三：固结仪，主要有百分表、环刀、杠杆、砝码等构件组成，用于测定粘土在不同上覆载荷和有侧限的条件下的膨胀量。

现有技术三存在以下缺点：测定的方法是用环刀取样，由于环刀高度有限，并不能测定膨胀土厚度发生变化时的膨胀量，使得试验结果带有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是针对目前没有在侧限约束条件下膨胀土含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下膨胀量测定装置的现状，提供一种技术可行，设计合理，经济适用且能够满足实际试验需求的试验装置。

本实用新型的技术方案是：一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，包括加压计量注水装置、均匀渗水约束装置、位移采集显示装置、轴向土样厚度可调压土装置、轴向可变加载装置；所述加压计量注水装置包括堆载块、加压板、连杆、活塞、储水筒、流量计、注水管，储水筒、活塞、连杆、加压板构成“注射器”式结构，活塞、加压板通过连杆连接，加压板之上放置所述堆载块，堆载块由多个板块叠放对加压板施压，储水筒筒壁上设有刻度值，流量计布置在储水筒和注水管之间；所述均匀渗水约束装置包括钢制侧限约束箱、滤纸、透水板、渗水通道、进水管，所述进水管与渗水通道相通，所述渗水通道设在钢制侧限约束箱的底板中，由轴向的若干分管道和主管道连通而成，进水管的进口端与所述注水管连通，进水管或注水管上设有阀门，钢制侧限约束箱的底板之上从下往上依次为透水板、滤纸，滤纸上放置土样；所述位移采集显示装置包括位移显示器、位移信号传输数据线、位移传感器、高度调节器，位移传感器与位移显示器通过位移信号传输数据线相连接，高度调节器与位移传感器感应端接触；所述轴向土样厚度可调压土装置是压土板，压土板底面与土样上表面接触，压土板周沿与钢制侧限约束箱内壁间的距离为0.05mm，高度调节器设在压土板上表面上；所述轴向可变加载装置包括支撑杆、上承压板、下承压板、载荷施加装置、应力计、传力弹簧，所述上承压板、下承压板套接在支撑杆上并由螺母紧固，支撑杆有至少四个，均匀的分布在钢制侧限约束箱外围，载荷施加装置连接在上承压板底部，应力计上部接触载荷施加装置、下部接触下承压板，应力计通过应力信号传导数据线连接应力显示器，传力弹簧将下承压板与压土板连接。

优选的是：所述载荷施加装置为手动分离式液压千斤顶，与应力计接触的是千斤顶的顶盘，其余包括油缸、手柄、液压表、油管。

优选的是：所述传力弹簧与下承压板、压土板为非固定式连接，下承压板底面、压土板上表面对应的设有凸钮，传力弹簧两头分别套接到凸钮上。

优选的是：所述活塞由钢板、橡胶止水圈组成，橡胶止水圈嵌入或包覆在钢板的周沿，橡胶止水圈与储水筒内壁紧密接触。

所述注水管为软管，两头通过卡箍与流量计、进水管端口连接紧固。

本实用新型的有益效果：本实用新型适用于原状膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合变化下膨胀量试验；各组件加工成本低且又环保、安装简单，操作方便。

附图说明

图1是本实用新型的组成示意图；

图中：1-位移显示器、2-位移信号传输数据线、3-位移传感器、4-堆载块、5-加压板、6-连杆、7-活塞、8-储水筒、9-流量计、10-注水管、11-高度调节器、12-土样、13-液压表、14-手柄、15-油缸、16-载荷施加装置、17-应力计、18-应力信号传导数据线、19-应力显示器、20-螺母、21-支撑杆、22-上承压板、23-传力弹簧、24-下承压板、25-滤纸、26-透水板、27-渗水通道、28-压土板、29-阀门、30-钢制侧限约束箱、31-进水管、32-油管、33-凸钮、34-底座。

具体实施方式

如图1所示：一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，包括加压计量注水装置、均匀渗水约束装置、位移采集显示装置、轴向土样厚度可调压土装置、轴向可变加载装置；所述加压计量注水装置包括堆载块4、加压板5（由刚度较大的钢板加工而成）、连杆6、活塞7、储水筒8（由硬度较高的塑料加工而成，其内径为4cm，壁厚为8mm，高为20cm）、流量计9、注水管10，储水筒8、活塞7、连杆6、加压板5构成“注射器”式结构，活塞7、加压板5通过连杆6连接，加压板5之上放置所述堆载块4，堆载块4由多个板块叠放对加压板5施压，储水筒8筒壁上设有刻度值（可以观察筒内的水量），储水筒8底部出水端先连接流量计9后再连接注水管10；所述均匀渗水约束装置包括钢制侧限约束箱30、滤纸25、透水板26、渗水通道27、进水管31，所述进水管31与渗水通道27相通，所述渗水通道27设在钢制侧限约束箱30的底板中，由轴向的若干分管道和主管道连通而成，进水管31的进口端与所述注水管10连通，进水管31或注水管10上设有阀门29，钢制侧限约束箱30的底板之上从下往上依次为透水板26、滤纸25，滤纸25上放置土样12；所述位移采集显示装置包括位移显示器1、位移信号传输数据线2、位移传感器3、高度调节器11，位移传感器3与位移显示器1通过位移信号传输数据线2相连接，高度调节器11与位移传感器3感应端接触；所述轴向土样厚度可调压土装置是压土板28，压土板28底面与土样12上表面接触，压土板28周边与钢制侧限约束箱30内壁紧密接触并且压土板28能上下位移（压土板28周沿与侧限约束桶30内壁间的间隙为0.05mm），高度调节器11设在压土板28上表面上，通过调节压土板28高度可控制膨胀土厚度；所述轴向可变加载装置包括支撑杆21、上承压板22、下承压板24、载荷施加装置16、应力计17、传力弹簧23，所述上承压板22、下承压板24套接在支撑杆21上并由螺母20紧固，支撑杆21有四个，均匀的分布在钢制侧限约束箱30外围，载荷施加装置16连接在上承压板22底部，应力计17上部接触载荷施加装置16、下部接触下承压板24，应力计17通过应力信号传导数据线18连接应力显示器19，传力弹簧23将下承压板24与压土板28连接。

所述载荷施加装置16可以是电动或液压的，优选为手动分离式液压千斤顶，与应力计17接触的是千斤顶顶盘，其余包括油缸15、手柄14、液压表13、油管32，通过控制液压表13读数就可对膨胀土施加合适大小的上覆荷载。应力显示器19可精确读出上覆荷载值；传力弹簧23的主要目的是对土样施加上覆荷载和膨胀土浸水膨胀后竖向释放膨胀量，以保证位移采集显示装置对膨胀量的精确测量，该弹簧由相关仪器标定而成。

为了方便安装、拆卸，所述传力弹簧23与下承压板24、压土板28为非固定式连接，下承压板24底面、压土板28上表面对应的设有凸钮33，传力弹簧23两头分别套接到凸钮33上。

所述活塞7由钢板、橡胶止水圈组成，整体直径为4cm，厚度为1cm。橡胶止水圈嵌入或包覆在钢板的周沿，橡胶止水圈与储水筒8内壁密封接触，防止水在加压时向上渗。

所述注水管10为软管，两头通过卡箍与流量计9、进水管31端口连接紧固，这种结构设计安装也方便，且软管质量轻、不怕磕碰。

加压计量注水装置模拟地下水位的渗入，从膨胀土底部注水，并且采用可调节施压大小的堆载块4和灵敏度高、计量精确的流量计9。流量计可精确测量注水量，进而精确控制膨胀土的含水率；堆载块4主要有两方面作用，一方面是保证每次注水时可施加相同的荷载以保证水份以相同的速度注入膨胀土中，另一方面可保证注水器内的水可以完全注入膨胀土，避免内壁残留水份对试验结果造成误差。

位移采集显示装置采用高精度的位移传感器3，其测量精度达到0.001mm。位移传感器3是测量当膨胀土在含水率、厚度和上覆荷载耦合变化时的竖向膨胀值。高度调节器11的目的是调节位移传感器3和压土板28之间的高度，其底部焊接于压土板28上方，位移显示器1可精确读出膨胀土膨胀量的数值。

压土板28与钢制侧限约束箱30的内壁横截面的形状相对应。当钢制侧限约束箱30为圆桶时，压土板28即为圆形活塞状，由钢板加工而成，其厚度为4mm，直径比钢制侧限约束箱30内径小0.05mm，其目的是防止膨胀土发生膨胀时压土板28与钢制侧限约束箱30内壁发生摩擦给膨胀量测量带来误差。根据实验要求加工膨胀土，通过调节压土板28高度，使其与膨胀土上表面紧密接触。

支撑杆21是带螺纹的金属杆、焊接在底座34上加以固定，上、下承压板均由厚度1cm的钢板加工而成，且带有与支撑杆21直径相适配的小孔，上、下承压板可沿支撑杆21上下移动，通过螺母20实现上、下承压板和支撑杆21间的紧固。

该装置的使用方法：按照试验方案加工好膨胀土，在钢制侧限约束箱30底部依次放入透水板26（由不锈钢制作，开设透水网孔）和滤纸25（饱和吸水量在试验前进行校核），在滤纸25上方放入加工好的土样12，调节压土板28高度，使其与土样顶部接触，固定上承压板22，松开下承压板24，由载荷施加装置16施加2kPa的上覆荷载，保证土样12和压土板28紧密接触。按试验方案施加一定上覆荷载时，同样固定上承压板22，松开下承压板24，使下承压板24在支撑杆21上可以竖向移动，通过手动分离式液压千斤顶加压，同时通过应力显示器19读取应力值，当应力显示器19读数达到试验要求荷载时，用螺母20将下承压板24紧固，这样做的目的是防止手动分离式液压千斤顶加压回油使荷载值偏小，对试验结果造成误差。加载结束后关闭阀门29，向储水筒8中注水，注水完成后由加压板5施加一定荷载，待位移显示器1读数稳定后打开阀门29向土样12注水，进行膨胀土膨胀量测量。

本实用新型针对目前无法实现含水率、厚度、上覆荷载耦合下原状膨胀土膨胀量试验的现状，以实现多因素耦合下膨胀量测定为目的，实现了不同含水率、不同厚度、不同上覆荷载的膨胀土膨胀量测量的试验，使试验数据满足设计、研究、施工、使用的要求。

Claims (5)

1.一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，其特征是：包括加压计量注水装置、均匀渗水约束装置、位移采集显示装置、轴向土样厚度可调压土装置、轴向可变加载装置；所述加压计量注水装置包括堆载块（4）、加压板（5）、连杆（6）、活塞（7）、储水筒（8）、流量计（9）、注水管（10），储水筒（8）、活塞（7）、连杆（6）、加压板（5）构成“注射器”式结构，活塞（7）、加压板（5）通过连杆（6）连接，加压板（5）之上放置所述堆载块（4），堆载块（4）由多个板块叠放对加压板（5）施压，储水筒（8）筒壁上设有刻度值，流量计（9）布置在储水筒（8）和注水管（10）之间；所述均匀渗水约束装置包括钢制侧限约束箱（30）、滤纸（25）、透水板（26）、渗水通道（27）、进水管（31），所述进水管（31）与渗水通道（27）相通，所述渗水通道（27）设在钢制侧限约束箱（30）的底板中，由轴向的若干分管道和主管道连通而成，进水管（31）的进口端与所述注水管（10）连通，进水管（31）或注水管（10）上设有阀门（29），钢制侧限约束箱（30）的底板之上从下往上依次为透水板（26）、滤纸（25），滤纸（25）上放置土样（12）；所述位移采集显示装置包括位移显示器（1）、位移信号传输数据线（2）、位移传感器（3）、高度调节器（11），位移传感器（3）与位移显示器（1）通过位移信号传输数据线（2）相连接，高度调节器（11）与位移传感器（3）感应端接触；所述轴向土样厚度可调压土装置是压土板（28），压土板（28）底面与土样（12）上表面接触，压土板（28）周沿与钢制侧限约束箱（30）内壁间的距离为0.05mm，高度调节器（11）设在压土板（28）上表面上；所述轴向可变加载装置包括支撑杆（21）、上承压板（22）、下承压板（24）、载荷施加装置（16）、应力计（17）、传力弹簧（23），所述上承压板（22）、下承压板（24）套接在支撑杆（21）上并由螺母（20）紧固，支撑杆（21）有至少四个，均匀的分布在钢制侧限约束箱（30）外围，载荷施加装置（16）连接在上承压板（22）底部，应力计（17）上部接触载荷施加装置（16）、下部接触下承压板（24），应力计（17）通过应力信号传导数据线（18）连接应力显示器（19），传力弹簧（23）将下承压板（24）与压土板（28）连接。

2.根据权利要求1所述的一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，其特征是：所述载荷施加装置（16）为手动分离式液压千斤顶，与应力计（17）接触的是千斤顶的顶盘，其余包括油缸（15）、手柄（14）、液压表（13）、油管（32）。

3.根据权利要求1所述的一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，其特征是：所述传力弹簧（23）与下承压板（24）、压土板（28）为非固定式连接，下承压板（24）底面、压土板（28）上表面对应的设有凸钮（33），传力弹簧（23）两头分别套接到凸钮（33）上。

4.根据权利要求1所述的一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，其特征是：所述活塞（7）由钢板、橡胶止水圈组成，橡胶止水圈嵌入或包覆在钢板的周沿，橡胶止水圈与储水筒（8）内壁紧密接触。

5.根据权利要求1所述的一种高铁地基膨胀土多因素耦合下膨胀量测定仪，其特征是：所述注水管（10）为软管，两头通过卡箍与流量计（9）、进水管（31）端口连接紧固。