溫控非飽和高壓固結儀的製作方法

2023-05-22 13:24:21

專利名稱：溫控非飽和高壓固結儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及巖土工程試驗研究領域的一種新型土工試驗設備，尤其是一種溫控高壓非飽和固結儀。
背景技術：
非飽和固結儀主要是用於研究非飽和土的體變特徵。現有非飽和固結儀僅能夠測定土樣在室溫條件下、低吸力土體材料的固結特性，且在試驗過程中所能施加的豎向壓力較小，而對於需要在較高溫度、較大吸力和較高壓力情況下的進行固結試驗的材料來說則無能為力。例如當前研究熱點問題，高放廢物深地質處置庫中採用的緩衝/回填材料——高壓實膨潤土需要在高溫、高壓和高吸力進行試驗以期對膨潤土所處的現實環境進行模擬。

發明內容
本發明的目的在於提供一種溫控非飽和高壓固結儀，解決了常規非飽和固結儀的上述不足，可用於高吸力、高溫和高壓下的土體固結特性的試驗研究。本發明實現了溫度、吸力和壓力控制下的高壓實膨潤土體變特徵試驗研究，即熱-水-力三相耦合試驗研究。具體包括溫度和吸力控制情況下的加卸載試驗、溫度和應力控制下的乾濕循環試驗、吸力和應力控制下的溫度循環試驗。對不同應力路徑情況下土體的體變特徵進行研究，以期獲得土體在三相耦合情況下的本構模型。為達到以上目的，本發明的解決方案是一種溫控非飽和高壓固結儀，其包括壓力室、高壓力加載裝置、吸力控制裝置、溫度控制裝置、數位化量測裝置和數據採集裝置，壓力室置於高壓力加載裝置內，由高壓力加載裝置對壓力室施壓；溫度控制裝置罩在壓力室外部，對壓力室進行溫度控制；壓力室還與吸力控制裝置連接控制壓力室吸力；數位化量測裝置監測試樣的壓力、溫度和位移，並傳輸給與數位化量測裝置相連的數據採集裝置進行處理。進一步，所述壓力室包括環形底座、基座、試樣環、上蓋、試樣帽和活塞，環形底座底部設有供溫度傳感器穿入的孔；基座固設於環形底座上方，底部設有與環形底座相對應的溫度傳感器的放置孔，基座的側壁設有孔；試樣環置於基座上，且其為環形中空結構供置入試樣，試樣環的側壁設有孔；上蓋置於試樣環上，且其為中空結構供活塞置入限制其水平位移；試樣帽置於試樣環的環形中空結構內，壓於試樣之上，且試樣帽的側壁設有孔；活塞嵌於上蓋內，且其下端與試樣帽接觸；基座、試樣環和試樣帽的側壁上所設的孔用於連接吸力控制裝置。所述試樣兩端固定有透水石。所述高壓力加載裝置包括工作檯、下壓板、上壓頭、活動橫梁和立柱，工作檯支撐高壓力加載裝置上部結構；下壓板置於工作檯上；立柱置於工作檯的兩側；活動橫梁兩端安裝於立柱上，沿立柱可滑動；上壓頭設於活動橫梁的下端。所述立柱設有限位環，限制活動橫梁在立柱上的位移。
所述活動橫梁上安裝有力傳感器以調節上壓頭的加力位置。所述吸力控制裝置包括氣體循環泵、飽和鹽溶液和過濾裝置，氣體循環泵一端連接飽和鹽溶液，飽和鹽溶液另一端與過濾裝置的一端相連，過濾裝置另一端與壓力室的一端相連，壓力室另一端與氣體循環泵的另一端連接形成氣體循環，對試樣進行吸力控制。所述溫度控制裝置採用 電熱絲和雲母片製作，通過導電加熱。所述數位化量測裝置包括溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，溫度傳感器安裝於壓力室的基座底部放置孔內，壓力傳感器安裝於壓力室的活塞頂部，位移傳感器安裝於壓力室的活塞側壁。由於採用了以上技術方案，本發明具有以下有益效果①實現了豎向最大壓力為 30KN的高壓力控制；②實現了全吸力範圍的吸力控制；③實現了高溫控制；④實現了數位化量測和數據自動採集，數據精度較高；⑤試驗方法簡便；⑥設計開發和生產製造的周期短。


圖1是本發明一種實施例溫控非飽和高壓固結儀示意圖。圖2是本發明一種實施例壓力室、數位化量測裝置和溫度控制裝置示意圖。圖3是本發明一種實施例數據採集裝置示意圖。圖4是本發明一種實施例吸力控制裝置示意圖。圖5是本發明另一種實施例數據採集裝置示意圖。圖6是本發明一種實施例高壓力加載裝置示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。圖1為本發明一種實施例溫控非飽和高壓固結儀的結構。如圖所示，包括壓力室 1、高壓力加載裝置2、吸力控制裝置3、溫度控制裝置4、數位化量測裝置5和數據採集裝置 6。壓力室1置於高壓力加載裝置2的工作檯上，高壓力加載裝置2對壓力室1施加高壓力； 溫度控制裝置4罩在壓力室1外部，通過電熱絲8連接數據採集裝置6控制壓力室1溫度； 壓力室1通過導管7與吸力控制裝置3連接控制壓力室1吸力；數位化量測裝置5通過數據線9連接數據採集裝置6，記錄壓力、溫度和位移數據。圖2為本發明一種實施例壓力室1、數位化量測裝置5和溫度控制裝置4的結構。 如圖所示，壓力室1，內徑50mm，高度190mm，通體採用耐磨性好和剛度大的不鏽鋼製成，其包括基座11，其側壁設有孔，頂部放置透水石62和密封圈63 ；試樣環12，其蓋在基座11上， 用來壓制試樣61和固定透水石62，且試樣環12的側壁設有孔；上蓋13，其置於試樣環12 上，保持活塞15與試樣帽14垂直接觸，限制水平位移；試樣帽14，其壓在試樣環12的透水石62上，且試樣帽14的側壁設有孔；活塞15，嵌入上蓋13內，和試樣帽14接觸，傳遞所受壓力，以對土樣進行壓縮；基座11、試樣環12和試樣帽14側壁上設置的對應的孔可與吸力控制裝置3連接可控制試樣吸力；環形底座16，其底部設有可供溫度傳感器18穿入的孔； 數位化量測裝置5包括壓力傳感器17，置在活塞頂部，量測試樣所受壓力；溫度傳感器 18，可採用熱電阻式或熱電偶式溫度傳感器，通過環形底座16底部的孔插入基座11底部，量測試樣溫度變化；位移傳感器19，可採用光柵、電刪或電感調頻式位移傳感器，固定在活塞15側壁，量測試樣豎向變形；溫度控制裝置4通過導電加熱，採用電熱絲和雲母片製作， 罩在壓力室外部，控制試樣溫度，測量範圍是0-100°C，精度士2°C。圖3、圖5是本發明一種實施例數據採集裝置結構，如圖所示，數據採集裝置1包括溫度顯示器41、42 ；溫度控制按鈕43、44、45。數據採集裝置2主要是電腦46，獲得溫度、 壓力和豎向位移數據。

圖4是本發明一種實施例吸力控制裝置結構，如圖所示，包括氣體循環泵31、飽和鹽溶液瓶32和過濾瓶33，氣體循環泵31 —端連接飽和鹽溶液瓶32，飽和鹽溶液瓶32另一端與過濾瓶33的一端相連，過濾瓶33另一端與壓力室1的一端相連，壓力室1另一端與氣體循環泵31的另一端連接形成氣體循環，對試樣進行吸力控制。氣體循環泵31，可加快一定溼度的氣體在壓力室中循環；飽和鹽溶液瓶32，可通過飽和鹽溶液的相對溼度控制壓力室試樣吸力，控制範圍9MP-309MP ；過濾瓶33，可防止飽和鹽溶液瓶32的鹽分34運移至壓力室試樣中。氣體循環泵31出來的氣體首先進入飽和鹽溶液瓶32，然後通過濾氣瓶33 進入到壓力室1右側，氣體進入透水石62，與試樣61進行水分交換，此後氣體從壓力室1左側排出，進入循環泵31，完成一次循環。圖6是本發明一種實施例高壓力加載裝置結構，如圖所示，包括工作檯21，支撐高壓力加載裝置上部結構；下壓板22，置於工作檯上，可承受高壓力；立柱25置於工作檯的兩側，保證活動橫梁24垂直運行；活動橫梁24兩端安裝於立柱25上，沿立柱25可滑動，活動橫梁24上安裝有力傳感器以調節上壓頭23的加力位置；上壓頭23設於活動橫梁24的下端，施加高壓力；立柱25設有限位環26，限制活動橫梁在立柱上的位移保證活動橫梁24 運行到極限位置時，切斷驅動電源，使活動橫梁24立即停止。解決方案具體操作步驟首先壓制土樣，在試樣幹密度已定的情況下，稱取定質量的土以獲得半徑為25mm， 高度為20mm的試樣；將一定剛度的鋼板置在高壓力加載裝置2的工作檯21上，其上放置試樣環12 ；定質量的土倒入試樣環12中，並攪拌均勻；通過電腦46控制高壓力加載裝置2對土進行24小時分級壓實；壓實好的土樣與試樣環12充分接觸；按照圖2所示，將壓力室1 按照基座11、試樣環12、試樣帽14、上蓋13、活塞15、環形底座16的順序依次組裝好；按照圖1所示，將壓力室1置於高壓力加載裝置2平臺上，通過導管7與吸力控制裝置3連接， 通過電熱絲8與數據採集裝置6連接，數位化量測裝置5通過數據線與數據採集裝置6連接，高壓力加載裝置2通過數據線與電腦6連接，開始試驗。試驗開始時，高壓力加載裝置2逐級給試樣施加0. IMPa的豎向應力，固定在活塞上的位移傳感器19量測試樣的豎向位移變化，同時數據採集裝置記錄變化數據，待試樣豎向位移6小時內變化量小於0. Olmm,則達到穩定狀態；隨後，溫度控制裝置4對試樣(溫度控制速率5°C /lh)逐級升溫到指定溫度，並保持恆定(變化範圍在士0. 5°C )，位移傳感器 19量測試樣豎向位移變化，同時數據採集裝置記錄變化數據，待試樣豎向位移6小時內變化量小於0.01mm，達到穩定狀態；吸力控制裝置3與壓力室側壁閥門連接，控制到指定吸力 (由於吸力是通過不同飽和鹽溶液控制壓力室內氣體相對溼度來實現，吸力值在試驗過程中無法量測，可根據相對溼度與吸力一一對應關係獲知。)，位移傳感器19量測試樣的豎向位移變化，待試樣豎向位移6小時內變化量小於0. Olmm,達到穩定狀態；在恆定溫度、恆定吸力情況下，試樣豎向位移變化穩定時，高壓力加載裝置2按照預設的應力分級順序0. IM Pa-O. 2MPa-0. 5MPa_l. OMPa-2. OMPa-5. OMPa-lO. 0MPa-20· 0MPa-50· 0MPa-80. OMPa,對試樣施加應力，每施加一級荷載，位移傳感器19量測試樣的豎向位移變化，同時數據採集裝置記錄變化數據，待試樣豎向位移6小時內變化量小於0. 01mm，則達到穩定狀態，試樣在該級荷載下豎向變形為穩定值與初始值之差。待試樣在80. OMPa應力下穩定時，高壓力加載裝置 2 按照預設的應力分級順序80. 0MPa-50. 0MPa-20. OMPa-lO. OMPa-5. OMPa-2. OMPa-1. OM Pa-0. 5MPa-0. 2MPa-0. IMPa卸載。每卸一級荷載，位移傳感器19量測試樣的豎向位移變化， 同時數據採集裝置記錄變化數據，待試樣豎向位移6小時內變化量小於0. 01mm，則達到穩定狀態，試樣在該級荷載下豎向變形為穩定值與初始值之差。最後，經公式變換，求得溫度和吸力控制情況下土樣的加卸載固結曲線，以及相應的彈性、塑性指數。

本發明的溫控高壓非飽和固結儀主要可以實現以下測試1、保持恆定溫度、恆定吸力的情況下，通過高壓力加載裝置對試樣分級加、卸載實驗，通過數位化量測裝置測定試驗過程中試樣壓力和豎向位移的變化，求得溫度和吸力控制情況下土樣的加卸載壓縮曲線。2、保持恆定溫度、恆定壓力的情況下，通過吸力控制裝置對試樣施加不同的吸力， 使試樣處於乾濕循環的狀態，通過數位化量測裝置測定試驗過程中試樣壓力和豎向位移的變化，求得溫度和應力控制下土樣的乾濕循環應變曲線。3、保持恆定溫度、恆定吸力的情況下，通過溫度控制裝置對試樣分級升、降溫度， 使試樣處於溫度循環的狀態，通過數位化量測裝置測定試驗過程中試樣壓力和豎向位移的變化，求得吸力和應力控制下土樣的溫度循環應變曲線。上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於其包括壓力室、高壓力加載裝置、吸力控制裝置、溫度控制裝置、數位化量測裝置和數據採集裝置，壓力室置於高壓力加載裝置內， 由高壓力加載裝置對壓力室施壓；溫度控制裝置罩在壓力室外部，對壓力室進行溫度控制； 壓力室還與吸力控制裝置連接控制壓力室吸力；數位化量測裝置監測試樣的壓力、溫度和位移，並傳輸給與數位化量測裝置相連的數據採集裝置進行處理。
2.如權利要求1所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述壓力室包括環形底座、基座、試樣環、上蓋、試樣帽和活塞，環形底座底部設有供溫度傳感器穿入的孔；基座固設於環形底座上方，底部設有與環形底座相對應的溫度傳感器的放置孔，基座的側壁設有孔；試樣環置於基座上，且其為環形中空結構供置入試樣，試樣環的側壁設有孔；上蓋置於試樣環上，且其為中空結構供活塞置入限制其水平位移；試樣帽置於試樣環的環形中空結構內，壓於試樣之上，且試樣帽的側壁設有孔；活塞嵌於上蓋內，且其下端與試樣帽接觸； 基座、試樣環和試樣帽的側壁上所設的孔用於連接吸力控制裝置。
3.如權利要求2所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述試樣兩端固定有透水石。
4.如權利要求1所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述高壓力加載裝置包括工作檯、下壓板、上壓頭、活動橫梁和立柱，工作檯支撐高壓力加載裝置上部結構；下壓板置於工作檯上；立柱置於工作檯的兩側；活動橫梁兩端安裝於立柱上，沿立柱滑動；上壓頭設於活動橫梁的下端。
5.如權利要求4所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述立柱設有限位環，限制活動橫梁在立柱上的位移。
6.如權利要求4所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述活動橫梁上安裝有力傳感器以調節上壓頭的加力位置。
7.如權利要求1所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述吸力控制裝置包括氣體循環泵、飽和鹽溶液和過濾裝置，氣體循環泵一端連接飽和鹽溶液，飽和鹽溶液另一端與過濾裝置的一端相連，過濾裝置另一端與壓力室的一端相連，壓力室另一端與氣體循環泵的另一端連接形成氣體循環，對試樣進行吸力控制。
8.如權利要求1所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述溫度控制裝置採用電熱絲和雲母片製作，通過導電加熱。
9.如權利要求1所述的溫控非飽和高壓固結儀，其特徵在於所述數位化量測裝置包括溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，溫度傳感器安裝於壓力室的基座底部放置孔內， 壓力傳感器安裝於壓力室的活塞頂部，位移傳感器安裝於壓力室的活塞側壁。
全文摘要
本發明公開了一種溫控非飽和高壓固結儀，其包括壓力室、高壓力加載裝置、吸力控制裝置、溫度控制裝置、數位化量測裝置和數據採集裝置，壓力室置於高壓力加載裝置內，由高壓力加載裝置對壓力室施壓；溫度控制裝置罩在壓力室外部，對壓力室進行溫度控制；壓力室還與吸力控制裝置連接控制壓力室吸力；數位化量測裝置監測試樣的壓力、溫度和位移，並傳輸給與數位化量測裝置相連的數據採集裝置進行處理。本發明在傳統的非飽和固結儀基礎上，結合高壓力加載裝置、吸力控制裝置和溫度控制裝置實現了全吸力範圍、高溫度和高壓力情況下的土體體變特徵的試驗研究。另外結合數位化量測裝置和數據採集裝置，實現了試驗數據的自動採集。
文檔編號G01N3/36GK102156186SQ20101060946
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者葉為民, 張亞為, 朱悅銘, 鄭賑濟, 陳寶, 陳永貴 申請人:同濟大學