CN217156111U - 一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，联合测定仪包括实验装置、围压控制装置、温控装置、温度水分检测器和体应变检测器，实验装置包括压力室和轴力加载组件，试样能够置于压力室中，轴力加载组件的加载端能够进入压力室并向试样加载轴向力，在试样置于压力室的情况下，向压力室填充防冻液体能够对试样产生围压；围压控制装置包括围压发生器和围压活塞，围压控制装置的内腔与压力室连通，围压发生器能够驱使围压活塞移动，以调整压力室中防冻液体对试样的围压；实验装置设置在温控装置中；温度水分检测器设置在压力室中，温度水分检测器能够插入试样；体应变检测器与围压活塞连接。

Description

一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪

技术领域

本实用新型涉及土工试验技术领域，特别涉及一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪。

背景技术

现有基于时域反射技术(TDR)的水分传感器通过测定周边土体的相对介电常数来计算获得土体的未冻水含量，然而，冻土作为土骨架-水-空气-冰的四相混合物，各组分的相对介电常数会随着温度发生变化，冻土在温度变化的环境中，土体的相对介电常数能够改变。液态水相变成冰时体积膨胀，冰融化后体积缩小，该体积变化也会改变单位体积内物质组成密度和质量比，进而改变相对介电常数，最终引起TDR类水分传感器测定体积含水率的误差。而目前常见的测定设备无法在更加复杂的工程工况下测定土体的冻结、融化等特征曲线，无法测定土体在受力状态与体变耦合作用下的变化。

实用新型内容

为解决上述技术问题中的至少之一，本实用新型提供一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，所采用的技术方案如下。

本实用新型所提供的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪包括实验装置、围压控制装置、温控装置、温度水分检测器和体应变检测器，所述实验装置包括压力室和轴力加载组件，试样能够置于所述压力室中，所述轴力加载组件的加载端能够进入所述压力室并向试样加载轴向力，在试样置于所述压力室的情况下，向所述压力室填充防冻液体能够对试样产生围压；所述围压控制装置包括围压发生器和围压活塞，所述围压控制装置的内腔与所述压力室连通，所述围压发生器能够驱使所述围压活塞移动，以调整所述压力室中防冻液体对试样的围压；所述温控装置包括温度控制箱，所述实验装置设置在所述温度控制箱中；所述温度水分检测器设置在所述压力室中，所述温度水分检测器能够插入试样；所述体应变检测器与所述围压活塞连接。

本实用新型的某些实施例中，所述实验装置包括排水管，所述排水管与所述压力室连通，所述压力室设置有排气孔。

本实用新型的某些实施例中，所述实验装置包括阀门，所述阀门设置在所述排气孔处。

本实用新型的某些实施例中，联合测定仪包括位移计，所述位移计与所述轴力加载组件的加载端连接。

本实用新型的某些实施例中，联合测定仪包括数采仪。

本实用新型的某些实施例中，联合测定仪包括气动装置，所述气动装置能够为所述轴力加载组件提供动力，所述气动装置包括气泵。

本实用新型的某些实施例中，所述气动装置包括减压阀，所述减压阀与所述气泵连接。

本实用新型的某些实施例中，所述气动装置包括换向阀，所述换向阀与所述气泵连接。

本实用新型的某些实施例中，所述实验装置包括底座，所述底座设置在所述压力室中，试样能够置于所述底座上。

本实用新型的某些实施例中，所述轴力加载组件包括压力部件，所述压力部件与所述轴力加载组件的加载端连接，所述轴力加载组件能够通过所述压力部件下压试样。

本实用新型的实施例至少具有以下有益效果：联合测定仪中，轴力加载组件能够向试样加载轴向力，向压力室填充防冻液体，并气动围压控制装置，能够调控试样的围压，利用温度水分检测器和体应变检测器能够监测试样的温度、未冻水含量和体变参数；通过温控装置对压力室降温或升温，能够检测试样冻结或融化过程中温度、未冻水含量和体变参数。本实用新型可广泛应用于土工试验技术领域。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。

图1为联合测定仪的结构示意图。

图2为实验装置的结构示意图。

图3为实验装置的结构示意图。

图4为图2中实验装置结构的俯视图。

图5为围压控制装置的结构示意图。

图6为气动装置与实验装置连接的结构示意图。

附图标记：

1000、实验装置；

1100、压力室；1101、排水管；1102、排气孔；1103、阀门；1104、底座；

1200、轴力加载组件；1201、压力部件；

2000、围压控制装置；2001、围压发生器；2002、围压活塞；

3000、温控装置；

4001、温度水分检测器；4002、体应变检测器；4003、位移计；4004、温度检测器；

5000、数采仪；

6000、气动装置；6001、气泵；6002、减压阀；6003、换向阀；

7000、上位机。

具体实施方式

下面结合图1至图6详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，若出现术语“中心”、“中部”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。限定有“第一”、“第二”的特征是用于区分特征名称，而非具有特殊含义，此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型涉及一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，联合测定仪包括实验装置1000，实验装置1000包括压力室1100，试样能够置于压力室1100中，试样设置为圆柱形状，试样采用原状土或重塑土制成，试样的表面包裹乳胶膜，实验过程中能够避免防冻液体浸入试样。可以理解的是，在压力室1100中，实验装置1000能够对试样产生轴向压力和围压。应说明的是，轴向指的是试样圆柱形状的轴向。

具体地，实验装置1000包括轴力加载组件1200，轴力加载组件1200设置在实验装置1000的顶部，轴力加载组件1200的加载端能够进入压力室1100并向试样加载轴向力。结合附图，实验装置1000包括机架，机架的顶部设置有反力架，轴力加载组件1200与反力架连接。

作为一种实施方式，联合测定仪包括气动装置6000，气动装置6000能够为轴力加载组件1200提供动力，气动装置6000包括气泵6001，气泵6001与轴力加载组件1200连接。进一步地，气动装置6000包括减压阀6002，减压阀6002与气泵6001连接，具体地，减压阀6002设置在气动装置6000的管路上。在气泵提供压力较高的情况下，减压阀能够调整气泵为轴力加载组件1200所提供的动力。

结合附图，气动装置6000包括换向阀6003，换向阀6003与气泵6001连接，换向阀6003设置在气动装置6000的管路上。试验开始需要为轴力加载组件1200提供动力时，换向阀能够接通气泵和轴力加载组件1200之间的进气通道，试验结束后轴力加载组件1200卸载压力时，换向阀能够切断气泵与轴力加载组件之间的进气通道，打开回流通道，能够避免气泵内气体持续流动至轴力加载组件1200中。一些示例中，气动装置6000包括减压阀6002和换向阀6003。

联合测定仪包括上位机7000，气动装置6000与上位机7000通信连接，可以理解的是，用户通过上位机7000输入信息能够操纵气动装置6000，能够实现对试验条件的控制。

可以理解的是，轴力加载组件1200包括轴力活塞，在气泵6001的作用下，轴力活塞能够在轴力加载组件1200的内腔中移动，以使轴力活塞的活塞杆能够从轴力加载组件1200伸出，轴力活塞的活塞杆能够向试样的顶部加载轴向力。

进一步地，轴力加载组件1200包括压力部件1201，压力部件1201与轴力加载组件1200的加载端连接，轴力加载组件1200能够通过压力部件1201下压试样。具体地，压力部件1201与轴力活塞的活塞杆连接，轴力活塞的活塞杆通过压力部件1201向试样施加轴向力。

结合附图，实验装置1000包括底座1104，底座1104设置在压力室1100中，试样能够置于底座1104上，在轴力加载组件1200向试样施加轴向力的过程中，底座1104能够为试样起到良好的支撑。

在试样置于压力室1100的情况下，向压力室1100填充防冻液体能够对试样产生围压。结合附图，实验装置1000包括排水管1101，排水管1101与压力室1100连通，压力室1100设置有排气孔1102，具体地，排水管1101设置在压力室1100的侧壁，排水管1101的连接位置处于压力室1100侧壁的下部，排气孔1102设置在压力室1100的顶部或侧壁的上部。可以理解的是，向压力室1100填充防冻液体的过程中，防冻液体经排水管1101进入压力室1100，压力室1100中的气体从排气孔1102排出。

一些示例中，实验装置1000包括阀门1103，阀门1103设置在排气孔1102处，具体地，阀门1103能够封闭排气孔1102。填充防冻液体的过程中，若防冻液体能够从排气孔1102流出，说明压力室1100中已充满防冻液体，此时可将阀门1103关闭。

结合附图，联合测定仪包括围压控制装置2000，围压控制装置2000与压力室1100的内腔连通，具体地，围压控制装置2000的内腔通过排水管1101与压力室1100的内腔连通，围压控制装置2000能够对充满防冻液体的压力室1100施加并保持恒定的围压。

具体地，围压控制装置2000包括围压发生器2001和围压活塞2002，围压控制装置2000的内腔与压力室1100连通，围压活塞2002设置在围压控制装置2000的内腔中，围压发生器2001能够驱使围压活塞2002移动。围压发生器2001设计为机械单元，能够接收上位机7000的控制命令并向上位机7000反馈信息，以调整和保持压力室1100中防冻液体对试样的围压。一些示例中，围压控制装置2000的内腔与排水管1101连接。

可以理解的是，围压控制装置2000与上位机7000通信连接，用户通过上位机7000输入信息能够操纵围压控制装置2000，能够实现对试验条件的控制。

联合测定仪包括温度水分检测器4001，温度水分检测器4001设置在压力室1100中，温度水分检测器4001能够插入试样。具体地，温度水分检测器4001沿试样的中心线从试样的顶部插入。可以理解的是，温度水分检测器4001能够监测试样中未冻水含量的变化，温度水分检测器4001的结构在相关技术中已有详细说明。

联合测定仪包括体应变检测器4002，体应变检测器4002与围压活塞2002连接。试验中，假定防冻液体不可压缩，围压发生器内腔的内径恒定，根据围压活塞的位移、围压发生器内腔的横截面积可计算出防冻液流量。其中，体应变检测器4002能够检测围压活塞的位移。体应变检测器4002设置为体应变传感器，可以理解的是，体应变检测器4002能够对围压调控过程中防冻液体的流量进行量测，进而测定一定围压条件下试样的体应变。

结合附图，联合测定仪包括数采仪5000，数采仪5000能够采集试样的数据，可以理解的是，温度水分检测器4001与数采仪5000通信连接，体应变检测器4002与数采仪5000通信连接。具体地，温度水分检测器4001和体应变检测器4002分别通过穿出压力室1100的导线连接数采仪5000。

可以理解的是，数采仪5000与上位机7000通信连接，用户通过上位机7000输入信息能够操纵数采仪5000，能够显示、储存试样的实验数据。

进一步地，联合测定仪包括位移计4003，位移计4003与轴力加载组件1200的加载端连接，位移计4003能够实时监测试样轴向变形，位移计4003与数采仪5000通信连接。具体地，位移计4003与轴力活塞连接或者位移计4003与轴力活塞的活塞杆连接。

结合附图，联合测定仪包括温控装置3000，实验装置1000设置在温控装置3000中，温控装置3000能够控制温度，为试样提供温度变化的环境。一些示例中，温控装置3000包括温度控制箱，压力室1100设置在温度控制箱中，温度控制箱能够控制温度升降，在相关技术中已有详细介绍，这里不再赘述。

具体地，试样在压力室1100中加载轴向力和围压后，试样变形稳定后，温控装置3000对压力室1100进行降温，能够测试试样在应力作用和冻结耦合作用下的变化。根据实验要求，温控装置3000能够实现-30℃至30℃之间的温度控制，实现降温和升温过程中试样的参数变化，从而测试土体冻结和融化的参数变化。

可以理解的是，联合测定仪包括温度检测器4004，温度检测器4004设置在压力室1100中，温度检测器4004设置为温度传感器，温度检测器4004能够实时监测压力室1100中的温度变化，温度检测器4004与数采仪5000通信连接。

本实用新型所涉及的联合测定仪考虑实际工程地层不同应力状态下土体经历冻融时，联合测定试样土体的未冻水含量和体变参数，更加贴切实际工况。联合测定仪能够对试样施加与实际地层相适应的围压和轴压，并可测量试样的轴向变形和体变，同时还能够监测土体内部的温度和未冻体积含水率，能够实现冻结和融化特征曲线与体变的联合测定，为后续冻结、融化特征曲线的测定和修正奠定基础。

下面结合本实用新型的内容对测试方法展开描述，应注意的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对实用新型的具体限制。

压力室1100中填充防冻液体后，启动气动装置6000，轴力加载组件1200对试样施加轴向力，启动围压控制装置2000，调整压力室1100中试样所承受的围压，利用位移计4003监测试样的轴向变形，利用体应变检测器4002监测试样的体变。

试样的冻结特征曲线测定过程：

待试样变形稳定后，启动温控装置3000，压力室1100中的温度逐渐降低，试样处于应力作用与冻结耦合作用下，数采仪5000通过温度水分检测器4001、位移计4003和体应变检测器4002能够实时监测试样的水分含量、轴向变形和体变等参数，数据实时显示和记录在上位机7000中。

试样的融化特征曲线测定过程：

压力室1100中温度降至-30℃后，温控装置3000将压力室1100逐渐升温至30℃，记录升温过程中试样的水分含量、轴向变形和体变等参数，数据实时显示和记录在上位机7000中。

在本说明书的描述中，若出现参考术语“一个实施例”、“一些实例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：包括

实验装置(1000)，所述实验装置(1000)包括压力室(1100)和轴力加载组件(1200)，试样能够置于所述压力室(1100)中，所述轴力加载组件(1200)的加载端能够进入所述压力室(1100)并向试样加载轴向力，在试样置于所述压力室(1100)的情况下，向所述压力室(1100)填充防冻液体能够对试样产生围压；

围压控制装置(2000)，所述围压控制装置(2000)包括围压发生器(2001)和围压活塞(2002)，所述围压控制装置(2000)的内腔与所述压力室(1100)连通，所述围压发生器(2001)能够驱使所述围压活塞(2002)移动，以调整所述压力室(1100)中防冻液体对试样的围压；

温控装置(3000)，所述温控装置(3000)包括温度控制箱，所述实验装置(1000)设置在所述温度控制箱中；

温度水分检测器(4001)，所述温度水分检测器(4001)设置在所述压力室(1100)中，所述温度水分检测器(4001)能够插入试样；

体应变检测器(4002)，所述体应变检测器(4002)与所述围压活塞(2002)连接。

2.根据权利要求1所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：所述实验装置(1000)包括排水管(1101)，所述排水管(1101)与所述压力室(1100)连通，所述压力室(1100)设置有排气孔(1102)。

3.根据权利要求2所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：所述实验装置(1000)包括阀门(1103)，所述阀门(1103)设置在所述排气孔(1102)处。

4.根据权利要求1所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：联合测定仪包括位移计(4003)，所述位移计(4003)与所述轴力加载组件(1200)的加载端连接。

5.根据权利要求1或4所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：联合测定仪包括数采仪(5000)。

6.根据权利要求1所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：联合测定仪包括气动装置(6000)，所述气动装置(6000)能够为所述轴力加载组件(1200)提供动力，所述气动装置(6000)包括气泵(6001)。

7.根据权利要求6所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：所述气动装置(6000)包括减压阀(6002)，所述减压阀(6002)与所述气泵(6001)连接。

8.根据权利要求6或7所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：所述气动装置(6000)包括换向阀(6003)，所述换向阀(6003)与所述气泵(6001)连接。

9.根据权利要求1所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：所述实验装置(1000)包括底座(1104)，所述底座(1104)设置在所述压力室(1100)中，试样能够置于所述底座(1104)上。

10.根据权利要求1或9所述的土体冻融过程中未冻水含量与体变的联合测定仪，其特征在于：所述轴力加载组件(1200)包括压力部件(1201)，所述压力部件(1201)与所述轴力加载组件(1200)的加载端连接，所述轴力加载组件(1200)能够通过所述压力部件(1201)下压试样。

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