专利名称：无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置的制作方法
技术领域：
本发明属于土样物理量测试设备技术领域，具体涉及一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置。
背景技术：
土工试验是土力学研究的基本内容之一，土工试验可以揭示土体特有的力学性质，可以确定各种理论和工程设计参数，同时也可以验证各种理论的正确性及实用性。因此，土工试验对于土力学的理论研究和工程应用具有无法替代的作用。正因为土工试验的这种重要性，使得土工试验的准确性受到重视。而土工试验中土样参数的准确测定又更加关乎到理论研究的正确性和可行性。因此，研制的测试新装置对土样实现快速、无扰动条件下参数的测定具有十分重要的意义，特别是针对特殊土的力
学性质，应由特殊的试验装置和试验方法来研究其特殊的力学性质。膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有显著胀缩特性的地质体，粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成。膨胀土具有超固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂等与正常固结黏土不同的工程性质，因此，修筑在典型膨胀土分布区的路基和边坡常常是“逢堑必滑，有堤必坍”。膨胀土对建筑物尤其是对轻型建筑、路基、机场、边坡以及堤坝等都有严重的破坏作用，而且这种破坏作用常具有反复性和长期潜伏性。膨胀土及其工程问题是岩土界到目前为止仍没妥善解决的世界性技术难题之一，而这一系列问题均由膨胀土的膨胀力所导致。因此，如何测定和评价膨胀土的膨胀力便成为研究膨胀土力学特性的关键问题之一。膨胀力作为膨胀土的特殊力学性质，具有重要的研究价值。膨胀力测试试验方法有很多，目前常见的有膨胀反压法、加压膨胀法和平衡加压法。膨胀反压法是指使土样充分吸水自由膨胀稳定后再施加荷载使其恢复到初始体积，试验中让土样膨胀到最大限度后，逐级加荷压缩，直至土样回复到初始体积为止，这时所需施加的压力定义为膨胀力。加压膨胀法是先将土样压缩然后浸水膨胀，土样在某一压力下浸水所产生的膨胀量和该压力下产生的压缩量相等，该压力定义为膨胀力，试验过程中通过一系列的荷载一膨胀量对应关系曲线而确定膨胀力值。平衡加压法是指在土样吸水开始产生一定的膨胀时，逐级逐步施加荷载消除膨胀变形，维持土样体积不变，最后施加荷载的累计值即为膨胀力。分析可知，这些膨胀力测试方法均具有不同程度的缺点I.膨胀反压法测得的压力为“固结压力”而非真正意义上的“膨胀压力”，具体原因是施荷压缩土体是一种固结过程，固结是组成土骨架的颗粒发生滑移、破碎、重组、孔隙自由水排出和孔隙减小的物理过程；膨胀则是晶间、粒间结合水膜增厚“楔”开颗粒的物理化学到力学的过程。可见，膨胀反压法测得的力为“固结压力”而非“膨胀压力”。试验装置为试验采用环刀和固结仪进行，其操作大体过程是，首先用2cm高的环刀备样，然后将环刀接高，装入固结仪，调整百分表指针为零，加水任由土样充分膨胀稳定后，分级加荷直至出现体积小于土样初始体积的压缩变形为止。整理试验成果得到一条“浸水加压曲线”，该曲线与零变形线的交点相应的压力即为膨胀力。其缺点为此方法测得的力为“固结压力”而非“膨胀压力”，与膨胀力的物理意义不符；最大膨胀力的测试需通过绘制曲线得出，并不能通过试验直接测得，不方便，不能反映试验真实值。此外，该试验方法无法控制土样的饱和状态。2.加压膨胀法在施加最大一级荷载时，土体产生了压缩变形，改变了土体的干密度和原状结构，因此，试验值与实际值有区别。试验装置为试验采用环刀和固结仪进行，其操作大体过程是，试验中用多个土样分别在不同荷载下压缩稳定，调整百分表指针位置(考虑仪器变形量)，加水任土样膨胀至稳定，整理试验成果得到一条“不同荷载下的膨胀率曲线”，该曲线与零变形线交点相应的压力即为膨胀力。其缺点为试验中先将土样进行了压缩，产生了土体扰动，破坏了土样的微结构；需通过绘制曲线间接求得膨胀力，较直接测试膨胀力操作显得麻烦；试验中需用多个土样进行试验，占用了多台仪器，影响设备的周转，该试验也无法控制土样的饱和状态。3.平衡加压法，是《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)的标准方法，其测试 结果比较符合膨胀力的物理意义，但试验过程中通过变形控制需要多次、频繁地施加荷载，也会在一定程度上引起原状土体结构的损伤和破坏。试验装置为平衡加压法也需用到环刀和固结仪进行试验操作。其试验过程是，将土样装入固结仪，调整百分表使指针对零或某一初始读数，即可加水让土样膨胀，当百分表读数一开始增大，立即加适量荷重使百分表维持初始读数，百分表读数再次增大则再次加荷压回，如此反复使百分表始终维持初始读数，当相隔二小时读数不变即可视为稳定，所加的荷重即为膨胀力。值得注意的是，虽然平衡加压法测试膨胀力具有许多优点，但是其也存在很大的缺点第一，试验过程麻烦，需要不断施加荷载以保证百分表指针恢复初始位置，而且，加多少荷载无法预先知道，这就对试验人员的操作水平提出了更高的要求；第二，土样从开始不断吸水膨胀到反复加压最终趋于稳定，平衡加压法试验无法准确地确定土样最终的状态，试验过程中无法严格控制和确定各级加载条件下土样状态是否完全处于饱和状态；第三，土样在缺少抽真空的负压条件下无法达到严格意义上的饱和状态；第四，由于在试验中无法主动控制土样的饱和状态，需要靠自然浸水充分饱和，因此必然导致试验测试时间长，往往做一次试验就需要数天乃至十几天的时间，期间还不包括试验的失败，如果需要一次性做大量的膨胀力试验，就需要更多的人员，更多的仪器，花费更多的时间，不经济；第五，试验过程操作繁杂，试验过程中需人工不断记录数据；第六，该试验装置也无法控制土样的饱和状态。以上试验方法和设备各有优缺点，综合对比以上三种试验方法，膨胀力测试中的主要问题可以归纳为第一，通常膨胀力是指在保持土体积不变的条件下测得的膨胀力，那么在测试中如何保证测试的膨胀力在物理意义上严格符合膨胀力的含义；第二，试验过程中如何保证土体结构无扰动，在试验前后能够避免原状土样以及重塑土样结构性的扰动和损伤；第三，对于测定的最大膨胀力，如何保证试验土样的饱和性；第四，如何通过主动控制饱和过程，以节约膨胀力测试的消耗时间；第五，如何避免传统方法测试中的操作复杂、频繁读数等缺点。
针对传统膨胀力测试中现有的装置存在的问题和不足，利用先进技术，发明、研制一套无扰动的、可控制饱和的、耗时少的、操作方便的膨胀力测试的新装置，对于开展膨胀土的膨胀力学特性研究，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，有效克服了膨胀反压法、加压膨胀法和平衡加压法等试验装置中对土样结构扰动较大、不能有效控制严格的饱和状态和测试耗时较长的问题。本发明所采用的技术方案是，一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，包括底座支撑系统，底座支撑系统上固定有水平向的下盘，下盘上安装有筒状环刀座，在筒状环刀座内侧同轴安装有筒状环刀，环刀座的上部安装有上罩，环刀座和上罩之间形成封闭空间；下盘上且位于环刀的内侧开有中心圆槽，围绕中心圆槽开有环形凹槽，中心圆槽 内放置有土压传感器，中心圆槽的底部开有供土压传感器的导线向外引出的孔洞，环形凹槽内放置有环形渗水板，环形渗水板上均匀开有多个浸水圆槽，各浸水圆槽内均放置有透水石，环形凹槽的底部通过管道与外部注水系统相连接；下盘和环刀之间放置有土样，土样、的顶部放置有透水板座，透水板座的底部镶嵌有透水板，透水板座开有与透水板相通的透水孔；上罩上向下开通设置有中心孔洞，中心孔洞内设置有柱塞，柱塞的底部抵在透水板座上，上罩的顶部设置有能上下调节的螺杆，螺杆的底部抵在柱塞上，上罩上还连接有溢流设备和抽真空设备。底座支撑系统包括可移动的机架，机架上固定有底板，底板上通过六角螺栓安装有用于固定下盘的底座。下盘上设置有凸起的环刀刃脚外部支挡环，环刀座通过螺纹固定在环刀刃脚外部支挡环的外侧，环刀配合放置在环刀刃脚外部支挡环的内侧。外部注水系统包括安装在上罩上的水盒支架，水盒支架上安装有带刻度线的水盒，水盒的上端与大气相通，水盒的底部连通有注水导管，注水导管上安装有注水导管阀门，注水导管的另一端通过安装在下盘上的宝塔接头与环形凹槽的底部相连接。环刀和下盘之间设置有胶垫环。土样的上下表面均放置有滤纸，透水板上放置有滤纸。上罩的顶部固定有两个立柱，通过两个立柱固定有水平向的横梁，横梁上开有竖直向下的螺纹通孔，螺杆设置在该螺纹通孔里。上罩上向下开通设置有溢流器接头和抽真空接头，溢流器接头上安装有溢流器，抽真空接头上连接有真空泵导管，真空泵导管上安装有真空泵阀门。本发明无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置的有益效果是本发明装置适用于土样膨胀力的测定，尤其适用于饱和条件下的原状膨胀土和重塑膨胀土的最大膨胀力的测试。使用本发明的测定过程中，第一，通过环刀直接采取原状膨胀土样，或通过击实压样制取膨胀土重塑土样，在刚性边壁条件下进行采集膨胀力数据，保持了土样体积的恒定，有效地减少了测试过程中对土样结构的扰动；第二，通过抽真空设备对土样的饱和状态进行主动控制，保证了严格意义条件下的饱和状态，从而有效地减少了膨胀力的测试时间；第三，通过高精度、微应变的土压传感器采集膨胀力数据，有效保证了试验的精度；第四，由于土样直径和高度均比较大，其端部约束效应可大大降低，同时通过环刀光滑内壁亦可有效减少环刀壁与土之间的摩擦力影响，从而保证放置于土样底部中心位置的土压传感器量测的可靠性和精度。综上，本试验装置具有对土样无扰动、可主动控制饱和、测试耗时少、结构简单、操作方便和数据可靠等特点。
图I是本发明无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置的结构示意图；图2是本发明中的装置上罩的结构示意图；图3是本发明中的装置下盘的结构示意图； 其中，I.机架；2.底板；3.底座；4.六角螺栓；5.下盘；6.环刀座；7.环刀刃脚外部支挡环；8. 土样；9.环刀；10.中心圆槽；11.孔洞；12. 土压传感器；13.导线；14.环形渗水板；15.浸水圆槽；16.宝塔接头；17.注水导管；18.水盒；19.胶垫环；20.透水板；21.透水板座；22.透水孔；23.柱塞；24.上罩；25.溢流器接头；26.抽真空接头；27.立柱；28.横梁；29.六角螺母；30.螺杆；31.第一螺钉；32.水盒支架；33.第二螺钉；34.溢流器；35.内六角螺钉；36.真空泵导管；37.真空泵导管阀门；38.注水导管阀门。
具体实施例方式如图I所示，本发明一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，包括底座支撑系统。底座支撑系统在试验过程中起到整体支撑作用。底座支撑系统包括可移动的机架I，机架I上固定有底板2，底板2上通过六角螺栓4安装有底座3，底座3用于固定水平向的下盘5。下盘5上同轴安装有筒状环刀座6和筒状环刀9，具体安装方式为下盘5上设置有凸起的环刀刃脚外部支挡环7，环刀刃脚外部支挡环7可以防止试验过程中土样8发生膨胀后引起的环刀9刃脚外翻现象的发生，既可防止膨胀土体积的侧向膨胀，又可防止环刀9部件的损坏。环刀座6通过螺纹固定在环刀刃脚外部支挡环7的外侧，环刀9配合放置在环刀刃脚外部支挡环7的内侧，环刀9和下盘5之间设置有胶垫环19。胶垫环19在抽真空过程中可以起到密封的作用。环刀座6的上部通过两个内六角螺钉35安装有上罩24，环刀座6和上罩24之间形成封闭空间。结合图3所示，在环刀座6和上罩24形成的封闭空间内，下盘5上且位于环刀9的内侧开有中心圆槽10，围绕中心圆槽10开有环形凹槽，中心圆槽10内放置有土压传感器12，中心圆槽10的底部开有孔洞11，孔洞11用于供土压传感器12的导线13向外引出。导线13通过孔洞11引出后连接外部的数据采集系统。数据采集系统用于在试验过程中进行数据采集。环形凹槽用于布置注水通路，环形凹槽内放置有环形渗水板14，放置好后的环形渗水板14的上表面和土压传感器12的上表面齐平。环形渗水板14周向均匀开有三个浸水圆槽15，以加强土样8在浸水过程中浸水饱和的均匀性。各浸水圆槽15内均放置有透水石，环形凹槽的底部通过管道与外部注水系统相连接。下盘5和环刀9之间放置有土样
8。土样8的顶部放置有透水板座21,透水板座21的底部镶嵌有透水板20,透水板20的下表面与土样8的上表面紧密接触，透水板座21开有与透水板20相通的左右两个透水孔22。透水孔22可促使试验注水后透水板20周围空气的有利排出。土样8的上下表面均放置有滤纸,透水板20上放置有滤纸。结合图2所示，上罩24上向下开通设置有中心孔洞，中心孔洞内设置有柱塞23，柱塞23的底部抵在透水板座21上，上罩24的顶部设置有能上下调节的螺杆30，螺杆30的底部抵在柱塞23上。螺杆30可以预先施加一定的压力，充分保证了土样8分别与透水板20和下盘5两个平面的紧密接触，以提高试验测试精度。上罩24上还连接有溢流设备和抽真空设备。上罩24的顶部固定有两个立柱27，两个立柱27通过两个六角螺母29固定有水平向的横梁28，横梁28上开有竖直向下的螺纹通孔，螺杆30设置在该螺纹通孔里。上罩24上向下开通设置有溢流器接头25和抽真空接头26，溢流器接头25上安装有溢流器34，溢流器34采用有机玻璃制成。抽真空接头26上连接有真空泵导管36，真空泵导管36上安装有真空泵阀门37。外部注水系统包括通过两个第一螺钉31安装在上罩24上的水盒支架32，水盒支架32上通过四个第二螺钉33安装有带刻度线的水盒18，水盒18的上端与大气相通，水盒 18的底部连通有注水导管17，注水导管17上安装有注水导管阀门38，注水导管17的另一端通过安装在下盘5上的宝塔接头16与环形凹槽的底部相连接。试验时，关闭注水导管17的注水导管阀门38，向水盒18中注入水，记录此时水盒18中水面的刻度线。打开真空泵导管阀门37，开启抽真空设备。抽真空完成后，关闭真空泵导管阀门37，此时通过数据采集系统对数据进行第一次记录。打开注水导管阀门38，使水流出。水通过注水导管17进入下盘5中的环形渗水板14并与土样8接触，土样8开始浸水。待通过溢流器34看见水面时，注水结束，关闭注水导管阀门38，并记录此时水盒18中水面刻度线的位置。土样8浸水后开始膨胀，观察外接数据采集系统中数据的变化，待数据稳定后，对数据进行第二次记录。以上试验操作适用于膨胀土原状土样和膨胀土重塑土样，两者的区别只在于土样的制备过程。膨胀土原状土样是直接用大刚性的环刀9采取于现�。匝槭庇们型恋墩交返�9两端的土样，进行试验操作即可；膨胀土重塑土样则是制样时先将风干的膨胀土原状土样碾碎、过筛、拌匀，然后按所需含水量用喷雾器加水再拌匀，保湿静置一昼夜后，分层击实至所需的密度，要求含水量和密度的制样误差均控制在1%以内。本发明在进行土样膨胀力测试过程中I、通过使用环刀9实现了对土样8在刚性边壁中实现了严格控制体积恒定，因此，本发明进行试验测试的膨胀力较严格地符合最大膨胀力的物理意义。2、对试验原状膨胀土样和重塑膨胀土样均可进行试验。3、通过螺杆30和柱塞23的配合，对土样8的施加预压，充分保证了土样8分别与透水板20和下盘5两个平面的紧密接触.4、特制了大直径的环刀9，可直接采原状土样8，试验时将环刀9直接放入测试装置中，减少了采样和试验准备两个过程中对膨胀土样的扰动。5、膨胀力测试过程中对试验原状膨胀土样和重塑膨胀土样均无扰动，能够保证原状膨胀土样和重塑膨胀土样结构与测试前保持一致。6、通过抽真空设备确保了膨胀土样能够最终处于完全饱和状态，为测定最大膨胀力提供了技术手段，同时有效减少了测试消耗的时间。
7、下盘5上开有环形渗水板14,环形渗水板14周向均匀开有多个浸水圆槽15,在抽真空饱和过程中可以更严格的控制土样8浸水、饱和的均匀性，充分保证了整个土样8的饱和性，使土样8始终处于严格的饱和状态。8、膨胀力读数采用土压传感器12测试，信号准确、高效，减少了人力、物力、财力和时间的消耗.9、土压传感器12放置于土样8底部中心位置，一方面，采样和测试时通过特制环刀光滑内壁可以有效减少环刀壁与土之间的摩擦力影响，另一方面，由于测试土样8直径和高度均比较大，其端部约束效应亦可大大降低。
10、仪器操作简便，对试验人员无更高的技术、经验要求，而且保证了试验的成功率。
权利要求
1.一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，包括底座支撑系统，所述底座支撑系统上固定有水平向的下盘(5)，所述下盘(5)上安装有筒状环刀座(6)，在所述筒状环刀座(6)内侧同轴安装有筒状环刀(9)，所述环刀座(6)的上部安装有上罩(24)，所述环刀座(6)和上罩(24)之间形成封闭空间； 所述下盘(5)上且位于环刀(9)的内侧开有中心圆槽(10)，围绕所述中心圆槽(10)开有环形凹槽，所述中心圆槽(10)内放置有土压传感器(12)，所述中心圆槽(10)的底部开有供土压传感器(12)的导线(13)向外引出的孔洞(11)，所述环形凹槽内放置有环形渗水板(14)，所述环形渗水板(14)上均匀开有多个浸水圆槽(15)，所述各浸水圆槽(15)内均放置有透水石，所述环形凹槽的底部通过管道与外部注水系统相连接； 所述下盘(5)和环刀(9)之间放置有土样(8)，所述土样(8)的顶部放置有透水板座(21 )，所述透水板座(21)的底部镶嵌有透水板(20)，所述透水板座(21)开有与透水板(20)相通的透水孔(22)； 所述上罩(24)上向下开通设置有中心孔洞，所述中心孔洞内设置有柱塞(23)，所述柱塞(23)的底部抵在透水板座(21)上，所述上罩(24)的顶部设置有能上下调节的螺杆(30)，所述螺杆(30 )的底部抵在柱塞(23 )上，所述上罩(24 )上还连接有溢流设备和抽真空设备。
2.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述底座支撑系统包括可移动的机架(I )，所述机架(I)上固定有底板(2 )，所述底板(2 )上通过六角螺栓(4)安装有用于固定下盘(5)的底座(3)。
3.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述下盘(5 )上设置有凸起的环刀刃脚外部支挡环(7 )，所述环刀座(6 )通过螺纹固定在环刀刃脚外部支挡环(7)的外侧，所述环刀(9)配合放置在环刀刃脚外部支挡环(7)的内侧。
4.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述外部注水系统包括安装在上罩(24)上的水盒支架(32)，所述水盒支架(32)上安装有带刻度线的水盒(18)，所述水盒(18)的上端与大气相通，所述水盒(18)的底部连通有注水导管(17)，所述注水导管(17)上安装有注水导管阀门(38)，所述注水导管(17)的另一端通过安装在下盘(5)上的宝塔接头(16)与环形凹槽的底部相连接。
5.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述环刀(9)和下盘(5)之间设置有胶垫环(19)。
6.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述土样(8)的上下表面均放置有滤纸，所述透水板(20)上放置有滤纸。
7.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述上罩(24)的顶部固定有两个立柱(27)，通过所述两个立柱(27)固定有水平向的横梁(28)，所述横梁(28)上开有竖直向下的螺纹通孔，所述螺杆(30)设置在该螺纹通孔里。
8.按照权利要求I所述的无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，其特征在于，所述上罩(24)上向下开通设置有溢流器接头(25)和抽真空接头(26)，所述溢流器接头(25)上安装有溢流器(34)，所述抽真空接头(26)上连接有真空泵导管(36)，所述真空泵导管(36 )上安装有真空泵阀门(37 )。
全文摘要
本发明公开了一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置，包括底座支撑系统，底座支撑系统上固定有下盘，下盘上安装有环刀座和环刀，环刀座的上部安装有上罩；下盘上开有中心圆槽和环形凹槽，中心圆槽内放置有土压传感器，环形凹槽内放置有环形渗水板，环形渗水板上开有浸水圆槽，各浸水圆槽内均放置有透水石，环形凹槽的底部通过管道与外部注水系统相连接；下盘和环刀之间放置有土样，土样顶部放置有带透水板和透水孔的透水板座；上罩上设置有柱塞、溢流设备和抽真空设备。本发明有效克服了膨胀反压法、加压膨胀法和平衡加压法等试验装置中对土样结构扰动较大、不能有效控制严格的饱和状态和测试耗时较长的问题。
文档编号G01N33/24GK102809641SQ20121023780
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者李荣建, 段浩, 闫蕊, 车高凤, 李海涛, 吴利言 申请人:西安理工大学
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