粘土收縮應力測量儀的製作方法

2023-04-24 19:21:56

粘土收縮應力測量儀的製作方法
【專利摘要】一種粘土收縮應力測量儀，試樣盒內設有置於試樣內的膠囊，膠囊通過通水管與孔隙水壓力傳感器連接；試樣盒放置在稱量裝置上；稱量裝置和孔隙水壓力傳感器通過信號線與數據採集裝置連接。實驗方法為，製作試樣；連接測量儀，由稱量裝置獲得試樣收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器獲得試樣的收縮應力變化；當孔隙水壓力保持恆定不變時，結束實驗；通過上述步驟實現粘土收縮應力測量實驗。本實用新型提供通過在試樣內設置膠囊，配合高精度孔隙水壓力傳感器，可以獲得粘土試樣的收縮應力數據，配合精密的稱量裝置，本實用新型還可以獲得粘土收縮過程中的含水量變化與收縮應力變化之間的關係。
【專利說明】粘土收縮應力測量儀

【技術領域】
[0001]本發明涉及巖土工程領域，尤其是一種粘土收縮應力測量儀。

【背景技術】
[0002]脹縮性粘土 (如膨脹土、紅粘土)具有遇水膨脹、失水收縮等不良水理特徵，掌握該類特殊粘土的脹縮特徵是進行工程設計、施工的基礎工作。目前，描述粘性土膨脹行為的指標有自由膨脹率、有(無)荷膨脹率和膨脹力；然而，描述粘性土收縮特徵的指標則只有線縮率和體縮率，而無收縮力。而粘土失水收縮開裂是誘發脹縮性粘土工程災變的關鍵因素之一。顯然，通過收縮變形預測土體的開裂行為難以實現，而收縮應力則是進行判斷粘土開裂與否的參數。但膨脹力與收縮力的測量方法有顯著的差異，前者向外擴展變形，故可以通過膨脹反壓或力傳感器直接測量；後者屬於向內收斂，至今還沒有現成的方法和儀器可以應用。


【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種粘土收縮應力測量儀，能夠確定粘性土收縮應力，並可以得到粘土收縮過程中的含水量變化與收縮應力變化之間的對應關係和收縮的估算值。
[0004]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種粘土收縮應力測量儀，
[0005]試樣盒的至少一個端面開放，試樣盒內設有置於試樣內的膠囊，膠囊通過通水管與孔隙水壓力傳感器連接；
[0006]試樣盒放置在稱量裝置上；
[0007]稱量裝置和孔隙水壓力傳感器通過信號線與數據採集裝置連接。
[0008]在試樣盒的底部設有加熱底座。
[0009]在試樣盒內壁設有防粘層。
[0010]所述的膠囊成柱狀，貫通試樣，膠囊的兩端分別設有進水端頭塞和出水端頭塞，出水端頭塞設有第二閥門，進水端頭塞與通水管連接。
[0011]通水管上設有豎直管，豎直管上設有第一閥門，通水管上在豎直管接頭和孔隙水壓力傳感器之間設有第三閥門。
[0012]所述的通水管支撐在支撐架上。
[0013]一種採用上述的粘土收縮應力測量儀進行實驗的方法:
[0014]一、製作試樣；
[0015]二、在試樣內的膠囊內注滿液體，並通過通水管與孔隙水壓力傳感器連通；
[0016]三、將試樣盒整體置於稱量裝置上，將孔隙水壓力傳感器和稱量裝置與數據採集裝置連接；
[0017]四、由稱量裝置獲得試樣收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器獲得試樣的收縮應力變化；
[0018]當孔隙水壓力保持恆定不變時，結束實驗；
[0019]通過上述步驟實現粘土收縮應力測量實驗。
[0020]製作壓實試樣時，在試樣盒內塗覆防粘層，在膠囊位置下方先鋪墊一層土樣，壓平後安裝膠囊，膠囊內置入多個環瓣板，多個環瓣板包覆在支撐柱之外；
[0021]支撐柱伸出到試樣盒側壁孔內，並與試樣盒側壁的孔形成密封配合，在膠囊上方覆蓋餘下的土樣，以制樣機壓實；
[0022]抽出支撐柱和環瓣板，安裝進水端頭塞和出水端頭塞，在膠囊內填充液體，通過上述步驟得到壓實的試樣。
[0023]製作土膏試樣時，對膠囊填充液體，兩端用進水端頭塞和出水端頭塞封堵，在試樣盒內塗覆防粘層，把把粘土調成土膏後，在試樣盒內倒入一部分土膏，安裝膠囊，進水端頭塞和出水端頭塞伸出試樣盒的側壁，帶入剩餘土膏，以刮刀刮平即可。
[0024]在試樣盒底部設置加熱底座，加熱溫度最高為30?35°C ;
[0025]在通水管上設置豎直管，並在豎直管上設置第一閥門，實驗時通過豎直管將水注入膠囊內，並在實驗過程中關閉第一閥門。
[0026]本發明提供的一種粘土收縮應力測量儀，通過在試樣內設置膠囊，配合高精度孔隙水壓力傳感器，可以獲得粘土試樣的收縮應力數據，配合精密的稱量裝置，本發明的裝置還可以獲得粘土收縮過程中的含水量變化與收縮應力變化之間的關係。本發明的粘土收縮應力測量儀製造成本低，利於製作，操作步驟易於實現，測量精度高，既可測量粘性土樣的收縮應力，也可以估算試樣的收縮體變。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明:
[0028]圖1為本發明中測量儀的整體結構示意圖。
[0029]圖2為制樣機的結構示意圖。
[0030]圖3為本發明中膠囊的結構示意圖。
[0031]圖4為本發明中膠囊和環瓣板、支撐柱的橫截面示意圖。
[0032]圖中:試樣盒1，防粘層101，加熱底座2，試樣3，膠囊4，進水端頭塞41，出水端頭塞42，環瓣板43，支撐柱44，稱量裝置5，通水管6，第一閥門7，第二閥門8，第三閥門9，豎直管10，孔隙水壓力傳感器11，數據採集裝置12，壓頭13，支撐架14，反力架15，液壓缸16。

【具體實施方式】
[0033]實施例1:
[0034]如圖1中，一種粘土收縮應力測量儀，試樣盒I的至少一個端面開放，本例中的試樣盒I上端面開發，以利試樣盒I內試樣3的水分蒸發，試樣盒I內設有置於試樣3內的膠囊4，膠囊4內填充有液體，膠囊4通過通水管6與孔隙水壓力傳感器11連接；本例中的孔隙水壓力傳感器11最小解析度能達到lkPa。
[0035]試樣盒I放置在稱量裝置5上；本例中的稱量裝置5採用電子天平，稱量精度為0.0Olg，量程約為5kg。通過稱量裝置5實時發送蒸發量的數據。
[0036]稱量裝置5和孔隙水壓力傳感器11通過信號線與數據採集裝置12電連接。
[0037]優選的方案中，在試樣盒I的底部設有加熱底座2。由此結構，加快試樣3的蒸發速度。本例中採用小功率的加熱膠片，加熱溫度最高為30?35°C。
[0038]優選的方案中，在試樣盒I內壁設有防粘層101。由此結構，不會影響試樣3的收縮。防粘層101可以採用凡士林，或者其他材料，例如潤滑黃油。
[0039]優選的方案如圖3中，所述的膠囊4成柱狀，貫通試樣3，膠囊4的兩端分別設有進水端頭塞41和出水端頭塞42，進水端頭塞41和出水端頭塞42貫通試樣盒I的側壁，出水端頭塞42設有第二閥門8，進水端頭塞41與通水管6連接。由此結構，便於膠囊4的安裝，也便於在膠囊4內填充液體。
[0040]優選的方案如圖1中，通水管6上設有豎直管10，豎直管10上設有第一閥門7，通水管6上在豎直管10接頭和孔隙水壓力傳感器11之間設有第三閥門9。設置的豎直管10便於在實驗時往通水管6內加水，從而便於將水加入到膠囊4內。
[0041]優選的方案如圖1中，所述的通水管6支撐在支撐架14上。設置的支撐架14用於使通水管6保持平衡，從而不會影響試樣盒I的重量變化，即當試樣3蒸發時，通水管6沒有被鎖定，從而可以沿著支撐架14滑動，這樣便於整個通水管6都採用硬質材料，以免軟質的通水管6自膨脹影響測量精度。
[0042]實施例2:
[0043]一種採用上述的粘土收縮應力測量儀進行實驗的方法:
[0044]本發明裝置的工作原理是將膠囊4和通水管6內注滿液體，例如蒸餾水，自然蒸發或低恆溫加熱作用下粘土試樣發生失水收縮，收縮過程引起土樣內部結構的變化，同時產生收縮應力，通過擠壓試樣內部的充液體膠囊，從而把收縮應力傳導於孔隙水壓力傳感器11，從而得到試樣在收縮過程中所產生的收縮應力。同時，利用精密的稱量裝置5可以測出試樣收縮過程中含水量的變化，從而獲得試樣整個收縮過程中收縮應力和含水量變化的規律。
[0045]實驗具體步驟如下:
[0046]—、製作試樣3 ；
[0047]按照試驗計劃配置好土樣含水量W，可選的，製作壓實試樣時，在試樣盒I內塗覆防粘層101，在膠囊4位置下方先鋪墊一層土樣，壓平後安裝膠囊4，膠囊4內置入多個環瓣板43，本例中為3個，在環瓣板43之間沿豎邊邊緣設有倒角，以形成一個位於內壁的缺口，便於環瓣板43的取出。多個環瓣板43包覆在支撐柱44之外，如圖4中所示，置入前，在環瓣板43和支撐柱44外表面塗抹凡士林，以便於試樣製成後取出環瓣板43和支撐柱44 ；
[0048]支撐柱44伸出到試樣盒I側壁孔內，並與試樣盒I側壁的孔形成密封配合，在膠囊4上方覆蓋餘下的土樣，以制樣機壓實，如圖2中所示；試樣盒I置於反力架15內，壓頭13置於試樣盒I內，試樣盒I下方設有用於上頂的液壓缸16。壓制時，先人工預壓壓頭13使試樣3壓實到一定程度，再將試樣盒3整體放入反力架15內，啟動液壓缸16，當壓頭13下端側緣和試樣盒3邊緣接觸後，試樣壓實完成。停止加壓後,維持2?3分鐘，防止試樣回彈。制樣完成後，抽出支撐柱44和環辦板43，安裝進水糹而頭塞41和出水糹而頭塞42，在I父囊4內填充液體，通過上述步驟得到壓實的試樣。
[0049]製作土膏試樣時，對膠囊4填充液體，兩端用進水端頭塞41和出水端頭塞42封堵，在試樣盒I內塗覆防粘層101，把把粘土調成土骨後，在試樣盒I內倒入一部分土骨，安裝膠囊4，進水端頭塞41和出水端頭塞42伸出試樣盒I的側壁，帶入剩餘土膏，以刮刀刮平即可。
[0050]二、在試樣3內的膠囊4內注滿液體，並通過通水管6與孔隙水壓力傳感器11連通；
[0051]優選的，在通水管6上設置豎直管10，並在豎直管10上設置第一閥門7，實驗時通過豎直管10將水注入膠囊4內，並在實驗過程中關閉第一閥門7。
[0052]三、將試樣盒I整體置於稱量裝置5上，將孔隙水壓力傳感器11和稱量裝置5與數據採集裝置12連接；並對數據進行清零，開始記錄數據。
[0053]優選的，在試樣盒I底部設置加熱底座2，並一起放置在稱量裝置5上，加熱溫度最高為30?35°C。
[0054]四、由稱量裝置5獲得試樣3收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器11獲得試樣3的收縮應力變化；
[0055]對於壓實試樣，制樣完畢後將試樣盒I放在加熱底座2上，並一起放在稱量裝置5上；將進水端頭塞41與通水管6連通，在通水管6上設有豎直管10，在出水端頭塞42設有第二閥門8，豎直管10上設有第一閥門7，通水管6上設有第三閥門9，優選的豎直管10由支撐架14保持平衡，更加優選的是孔隙水壓力傳感器11和通水管6均置於稱量裝置5上，以確保精確稱量試樣3蒸發的重量變化。
[0056]打開第一閥門7，關閉第二閥門8和第三閥門9，使蒸餾水能夠進入到圓柱形的膠囊4內，並將其注滿，再連接孔隙水壓力傳感器11，並打開第三閥門9，使通水管6內沒有充水的部分注水，可以通過調節第一閥門7、第二閥門8，來確保通水管6與膠囊4內不含氣泡；待上述步驟完成後，關閉第一閥門7、第二閥門8，開啟第三閥門9。打開加熱底座2、稱量裝置5和數據採集裝置12，並對數據進行清零，開始記錄數據；當孔隙水壓力恆定不變時，即可結束試驗；結束試驗後，存儲數據；聯合採集的數據和基礎數據，獲得相應試樣的收縮應力和收縮的估算值。
[0057]對於土膏試樣由於在制樣時已經將圓柱形的膠囊4與通水管6連接，因此只需連接壓力傳感器7，其餘操作步驟與壓實試樣的操作步驟一致。
[0058]通過上述步驟實現粘土收縮應力測量實驗。
[0059]上述的實施例僅為本發明的優選技術方案，而不應視為對於本發明的限制，本發明的保護範圍應以權利要求記載的技術方案，包括權利要求記載的技術方案中技術特徵的等同替換方案為保護範圍。即在此範圍內的等同替換改進，也在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種粘土收縮應力測量儀，其特徵是: 試樣盒(I)的至少一個端面開放，試樣盒(I)內設有置於試樣(3)內的膠囊(4)，膠囊(4)通過通水管(6)與孔隙水壓力傳感器(11)連接； 試樣盒(I)放置在稱量裝置(5 )上； 稱量裝置(5 )和孔隙水壓力傳感器(11)通過信號線與數據採集裝置(12 )連接。
2.根據權利要求1所述的一種粘土收縮應力測量儀，其特徵是:在試樣盒(I)的底部設有加熱底座(2)。
3.根據權利要求1所述的一種粘土收縮應力測量儀，其特徵是:在試樣盒(I)內壁設有防粘層(101)。
4.根據權利要求1所述的一種粘土收縮應力測量儀，其特徵是:所述的膠囊(4)成柱狀，貫通試樣(3)，膠囊(4)的兩端分別設有進水端頭塞(41)和出水端頭塞(42)，出水端頭塞(42 )設有第二閥門(8 )，進水端頭塞(41)與通水管(6 )連接。
5.根據權利要求1所述的一種粘土收縮應力測量儀，其特徵是:通水管(6)上設有豎直管(10)，豎直管(10)上設有第一閥門(7)，通水管(6)上在豎直管(10)接頭和孔隙水壓力傳感器(11)之間設有第三閥門(9 )。
6.根據權利要求5所述的一種粘土收縮應力測量儀，其特徵是:所述的通水管(6)支撐在支撐架(14)上。
【文檔編號】G01N33/24GK204101552SQ201420557907
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】談雲志, 喻波, 李典慶 申請人:三峽大學