CN212228612U - 一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置 - Google Patents

Abstract

一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，包括离心机舱室及割线工作台、加压系统、压力传感器、透气施压盖、剪切盒、排水收集盒、滚珠、滑道、剪切力施加系统、剪切力传感器和位移传感器：剪切盒与排水收集盒连接，通过滚珠与割线工作台滑道接触；舱室轴心安装加压系统，压力通过透气施压盖作用于试样；剪切力施加系统安装于离心机舱室底部，剪切力竖直向上作用于下剪切盒；通过压力传感器、剪切力传感器和位移传感器采集力和位移的数值。方法步骤为：制备试样；安装试样；基质吸力测量、非饱和强度测量、含水率测量。本实用新型可以实现非饱和试样基质吸力和非饱和强度的快速测量，对非饱和土的研究具有重要意义。

Description

一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置

技术领域

本实用新型属于非饱和土力学实验技术领域，特别是涉及一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置。

背景技术

人类工程活动所能触及到的土体大多是非饱和土体，如何快速获取土体的基质吸力和非饱和强度是迫切需要解决的问题。目前测量基质吸力方法有滤纸法、轴平移法和张力计法，这些方法虽然能够测量土料基质吸力的大小，但是测量周期在7～30天不等，甚至更长。绘制一条水土特征曲线一般需要6～8数据点，所需的时间成倍增长。目前普遍使用测量土体非饱和强度的仪器有非饱和直剪仪、非饱和三轴仪和GDS非饱和三轴仪，这些仪器都是采用轴平移法为理论依据，先通过外加气压平衡基质吸力，在进行剪切过程，试验周期会更长。使用以上这些仪器会大大降低试验效率，延长科研和工程周期，造成资源以及经济上的浪费。

目前，非饱和土毛细吸入直剪仪及使用方法(CN108956331A)、用于高压实膨润土非饱和剪切性质研究的全自动直剪仪(CN109211687A)、非饱和土蒸发脱湿直剪仪及使用方法(CN108693049A)、非饱和土抗剪切强度参数的测定方法及专用直剪仪(CN107389473A)等等，这些方法虽然能对非饱和土基质吸力和非饱和强度的测量，但是试验效率低、需要耗费大量的时间，在科研和工程上的应用受到了很大的限制。对于专利一种离心模型试验中测量非饱和土基质吸力的测量方法(CN110568151A)，此专利所测量的非饱和数据单一、步骤繁多，在一定程度上造成资源的浪费。因此，本实用新型提出一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置。本实用新型能够准确快速高效的测量出非饱和土基质吸力和抗剪强度。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，包括离心机舱室1及割线工作台2；加压系统3；水平传力杆5上安装压力传感器6；透气施压盖7；剪切盒9与排水收集盒15连接；排水收集盒15底部滚珠16及滑道17；限位槽13；剪切力施加系统24安装于舱室底部27，剪切力传力杆25上安装剪切力传感器和位移传感器22；离心机舱室封闭装置20。

所述的实验控制系统19通过数据传输线18与实验装置连接，包括离心机转速的控制、轴向压力大小和试样加压个数的控制、剪切速率的控制、电磁铁12的控制、离心机舱室封闭装置20的控制、轴向压力、剪切力和剪切位移采集。

所述的加压系统3包括1个压力缸，将压力缸平均分成4个压力室4，通过控制系统19调节螺旋式活塞进入压力室4的长度，压力室4的压力通过水平传力杆5作用于带有透气孔的透气施压盖7，压力传感器6采集到的信号逆向修正实际加压值。

所述的剪切盒9分为上剪切盒10和下剪切盒11两部分，两部分通过电磁铁12进行连接，在实验中的非剪切阶段均需通电连接，剪切阶段开始时自动断电，上剪切盒10通过螺丝23固定于限位槽13，下剪切盒11与剪切力传力杆25接触。

所述的排水盒15分为一空心圆柱体，圆柱体的顶面带有小孔与试样14直接接触，排水盒与剪切盒9通过螺纹进行连接。

所述的割线工作台2的滑道17长于排水收集盒15底面，且滚珠16与滑道17可以紧密接触。

所述的剪切力施加系统24通过计算机设定剪切速率，再经过齿轮转动施加剪切力，通过剪切力传力杆25上的传感器采集剪切力和剪切位移数据。

所述的离心机舱室封闭装置20包括传感器21和电磁自锁装置22，舱室盖闭合后，传感器21传回信号，电磁自锁装置22自动锁定，实验程序可以运行，舱室转速为0r/s时，电磁自锁装置22断电解锁，舱室盖可以打开。

一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的方法，采用了所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，包括如下使用步骤：

步骤一：制备试样

首先根据实验需要获取原状土芯或重塑土料，对于原状土芯实验专用环刀进行取样；对于重塑试样则需要根据实验要求进行配置，重塑试样在剪切盒9内制备；

步骤二：非饱和试样的安装

首先将剪切盒9通电连接，从限位槽13中取出剪切盒9，将环刀试样转移至剪切盒9内或采用剪切盒9制备重塑试样，盖上透气施压盖7，再将剪切盒9与排水收集盒15连接，最后将剪切盒9放回限位槽并用螺丝23固定；

步骤三：基质吸力的测量

使水平加压杆5和透气施压盖7紧密接触，调节剪切力传力杆25与下剪切盒11紧密接触，关闭离心机舱室盖；根据实验需要选择轴向压力大小和加压个数，启动加压系统3，待压力传感器6的信号值稳定后，设定离心机舱室1的转速，根据转速即可计算出基质吸力值；

步骤四：非饱和强度的测量

基质吸力稳定后，离心机舱室1保持原速运动，电磁铁12断电，启动剪切力施加系统24，通过剪切力传感器和位移传感器26采集剪切力和剪切位移数据；

步骤五：非饱和试样含水率的测量

剪切实验结束后，加压系统3的压力调零，降低离心机舱室1的转速到0 r/s，迅速取出试样14，测量试样14的含水率，录入实验控制系统19储存和分析。

本实用新型的优点在于：

通过离心机转动产生的离心力排出试样中多余的水分，达到平衡时，基质吸力与离心力相等，可以快速的测量出土料的基质吸力；再经过内置的直剪装置可以测出土料的抗剪强度，测量效率为传统仪器的15～30倍。

轴心加压系统3的4个压力室4可以独立工作，一次实验可以测四种轴向荷载条件下的非饱和土基质吸力和抗剪强度，水平传力杆5上的传感器可以记录作用在试样上的真实压力值，同时逆向修正对应压力室4的压力值，得到的实验数据更为准确。

剪切盒9分为上剪切盒10和下剪切盒11，通过电磁铁12连接，直接在其内制取重塑样品，解决了重塑样品在转移过程中的扰动问题。

剪切力传力杆21安装的剪切力传感器和位移传感器可以实时记录试样剪切力和剪切位移，得到的实验数据更为准确。

该装置只需在试验结束后人工测量试样的含水率，实验过程中均由控制程序自动完成，减少大量的人力投入，为试验人员节省了大量的时间。

透气施压盖7盖体内设置有透气孔28，防止在基质吸力测量过程中在盖体附近产生负压的情况，解决了负压对基质吸力的影响。

通过本实验装置可以准确快速的测量出非饱和土基质吸力和抗剪强度，大大提高了实验效率，对非饱和土性质的研究具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置试验装置俯视图。

图2为本实用新型的①号试样完整试验的左视图。

图中：1-离心机舱室；2-割线工作台；3-加压系统；4-压力室；5-水平传力杆；6-压力传感器；7-透气施压盖；8-接触槽；9-剪切盒；10-上剪切盒；11-下剪切盒；12-电磁铁；13-限位槽；14-试样；15-排水收集盒；16-滚珠；17-滑道17；18-数据传输线；19-控制系统；20-离心机舱室封闭装置；21-传感器；22-电磁自锁装置；23-螺丝；24-剪切力施加系统；25-剪切力传力杆；26-剪切力传感器和位移传感器；27-舱室底部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

如图1、2所示，一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，包括离心机舱室1及割线工作台2；加压系统3；安装有压力传感器的水平传力杆与透气施压盖的接触槽接触；透气施压盖7与试样14接触；剪切盒9与排水收集盒15连接放置于限位槽13中；排水收集盒15底部滚珠16及滑道17；剪切力施加系统24安装于舱室底部27，安装有剪切力传感器和位移传感器26的剪切力传力杆25与下剪切盒11接触；离心机舱室密封装置20。

图1中，实验控制系统19通过数据传输线18与设计的装置连接，从而对离心机转速、轴向压力大小、试样加压个数、剪切速率、电磁铁12的控制，实时获取试样14轴向压力、剪切力和剪切位移。

图1中，舱室轴心加压系统3中压力缸用钢板平均分成4个压力室4，每个螺旋式活塞进入压力室4的长度都由控制系统19单独控制，压力室4的压力通过水平传力杆5作用于带有透气孔的透气施压盖7，进而对试样施加轴向压力，轴向压力值的大小由水平传力杆5的压力传感器6获取，同时对压力室内的实际压力值进行逆向修正。

图1中，剪切盒9中上剪切盒10和下剪切盒11通过电磁铁12连接，下剪切盒11的另一端与排水收集盒15连接；排水收集盒15的另一端安装滚珠16，在割线工作台2上设置有滑道17，滚珠16与滑道17紧密接触；上剪切盒10通过螺丝23与限位槽13固定。

图1中，离心机舱室封闭装置20中的传感器21和电磁自锁装置22安装于设备箱体，当传感器21传来舱室盖闭合信号时，电磁自锁装置27通电，实验程序开始；舱室转速为0r/s时，电磁自锁装置22断电解锁，舱室盖可以打开。

图2中，剪切力施加系统24安装于舱室底部27，通过计算机设定剪切速率，在通过剪切力传力杆25上的传感器采集剪切力和剪切位移数据。

上述的快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，包括如下使用步骤：

步骤1：制备试样

首先根据实验需要获取原状土芯或重塑土料，对于原状土芯实验专用环刀进行取样；对于重塑试样则需要根据实验要求进行配置，重塑试样在剪切盒内制备。

步骤2：非饱和试样的安装

首先将剪切盒9通电连接，从限位槽13中取出剪切盒9，将原状环刀试样转移至剪切盒9内或采用剪切盒9制备重塑试样，盖上透气施压盖7，再将剪切盒9与排水收集盒15连接，最后将剪切盒9放回限位槽13并用螺丝23固定。

步骤3：基质吸力的测量

使水平加压杆5和透气施压盖7紧密接触，调节剪切力传力杆25与下剪切盒11紧密接触，关闭离心机舱室盖；根据实验需要选择轴向压力大小和加压个数，启动加压系统3，待压力传感器6的信号值稳定后，设定离心机舱室1的转速，通过转速即可计算出基质吸力值。

步骤4：非饱和强度的测量

基质吸力稳定后，离心机舱室1保持原速转动，电磁铁12断电，启动剪切力施加系统24，剪切力传感器和位移传感器26采集剪切力和剪切位移数据。

步骤5：非饱和试样含水率的测量

剪切实验结束后，加压系统3的压力调零，降低离心机舱室1的转速到0 r/s，迅速取出试样14，测量试样14的含水率，录入实验控制系统19储存和分析。

本实用新型适用于砂土、砾石土、超固结土。

上述实施例仅是本实用新型的一个实施方式，并非是对本实用新型保护范围的限定，凡是对本实用新型的等同替换、改进，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于：包括离心机舱室（1）及割线工作台（2）；加压系统（3）；水平传力杆（5）上安装压力传感器（6）；透气施压盖（7）；剪切盒（9）与排水收集盒（15）连接；滚珠（16）及滑道（17）；限位槽（13）；剪切力施加系统（24）安装于舱室底部（27），剪切力传力杆（25）上安装剪切力传感器和位移传感器（26）；离心机舱室封闭装置（20）。

2.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，还包括实验控制系统（19），所述的实验控制系统（19）通过数据传输线（18）与实验装置连接，包括离心机转速的控制、轴向压力大小和试样加压个数的控制、剪切速率的控制、电磁铁（12）的控制、离心机舱室封闭装置（20）的控制、轴向压力、剪切力和剪切位移采集。

3.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，所述的加压系统（3）包括1个压力缸，将压力缸平均分成4个压力室（4），通过控制系统（19）调节螺旋式活塞进入压力室（4）的长度，压力室（4）的压力通过水平传力杆（5）作用于带有透气孔的透气施压盖（7），压力传感器（6）采集到的信号逆向修正实际加压值。

4.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，所述的剪切盒（9）分为上剪切盒（10）和下剪切盒（11）两部分，两部分通过电磁铁（12）进行连接，在实验中的非剪切阶段均需通电连接，剪切阶段开始时自动断电，上剪切盒（10）通过螺丝（23）固定于限位槽（13），下剪切盒（11）与剪切力传力杆（25）接触。

5.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，所述的排水收集盒（15）为一空心圆柱体，圆柱体的顶面带有小孔与试样（14）直接接触，排水收集盒（15）与剪切盒（9）通过螺纹进行连接。

6.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，所述的滑道（17）长于排水收集盒（15）底面，且滚珠（16）与滑道（17）可以紧密接触。

7.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，所述的剪切力施加系统（24）通过计算机设定剪切速率，再经过齿轮转动施加剪切力，通过剪切力传力杆（25）上的传感器采集剪切力和剪切位移数据。

8.根据权利要求1所述的一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置，其特征在于，所述的离心机舱室封闭装置（20）包括传感器（21）和电磁自锁装置（22），舱室盖闭合后，传感器（21）传回信号，电磁自锁装置（22）自动锁定，实验程序可以运行；舱室转速为0r/s时，电磁自锁装置（22）断电解锁，舱室盖可以打开。

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