一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀，屬于巖土工程中的試驗儀器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]土是一種分布廣泛、成本低廉、自然環(huán)保的建筑材料，廣泛應(yīng)用于巖土工程中，包括邊坡、垃圾填埋場、路基及各種土工建筑物(如擋土墻、大壩和隧道等)。土的孔隙中既有水又有空氣的土稱為非飽和土。非飽和土在自然界分布廣泛，地球表面很多區(qū)域尤其是淺層的土體往往處于非飽和狀態(tài)，人工填土、膨脹土、濕陷性黃土等都是典型的非飽和土。非飽和土的剪切模量、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性是巖土工程安全可靠設(shè)計的重要依據(jù)。為了研宄非飽和土的力學(xué)特性，利用非飽和土三軸儀對土樣進(jìn)行各種應(yīng)力路徑的室內(nèi)試驗是有效且常用的方法。然而常規(guī)的非飽和土三軸儀無法控制溫度，大多是在常溫下進(jìn)行試驗的。
[0003]自然條件下的土體，尤其是淺層的非飽和土，由于受天然氣候和周圍自然環(huán)境的作用，其溫度是不斷變化的，包括晝夜溫差和季節(jié)性溫度變化等。溫度的變化會影響非飽和土的剪切模量、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性，從而引起土體變形甚至破壞。如高放核廢料、地下電纜埋設(shè)、地?zé)豳Y源的開發(fā)等過程中，周圍土體溫度逐漸升高。溫度的變化引起熱源附近的非飽和土中的吸力、水氣分布等發(fā)生變化，進(jìn)而引起非飽和土熱-水-力特性的改變，影響非飽和土的剪切模量，引發(fā)變形開裂等問題。又如路基填土溫度隨著晝夜和四季循環(huán)交替而發(fā)生變化，在冷熱循環(huán)過程中土體的物理性質(zhì)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致土體的剪切模量、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性發(fā)生劣化，引起不均勻沉降等問題，大大增加路基的維護(hù)費用。因此，研宄溫度和冷熱循環(huán)對非飽和土力學(xué)特性的影響有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
[0004]對于溫控式非飽和土三軸儀，國內(nèi)外部分單位也進(jìn)行了研宄。在本發(fā)明之前，中國專利ZL201110058340.6公開了一種溫控式非飽和土三軸壓力室系統(tǒng)，該壓力室系統(tǒng)在常規(guī)GDS非飽和土三軸儀基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對試驗溫度的精確控制和量測，可以開展不同溫度下的非飽和土三軸試驗。然而該裝置采用的溫度控制系統(tǒng)包括電熱板、導(dǎo)線、溫度控制器和溫度傳感器，即該裝置只能升高試驗溫度，不能對土樣進(jìn)行降溫。對于自然狀態(tài)下的土體，由于晝夜和四季交替而引起土體冷熱循環(huán)，該裝置的模擬受限。
[0005]VJ非飽和土三軸儀為一種雙壓力室非飽和土三軸儀，在控制方式以及數(shù)據(jù)采集等方面全部采用電腦自動控制，通過數(shù)字加壓系統(tǒng)準(zhǔn)確的模擬試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)，可對試樣進(jìn)行不同應(yīng)力路徑的三軸試驗。通過壓力傳感器、軸向荷載傳感器、位移傳感器和體變儀可及時反饋試樣的壓力狀態(tài)、體積變化量和位移變化量，從而實現(xiàn)對試驗過程高精度地控制和自動化采集。VJ非飽和土三軸儀采用雙壓力室系統(tǒng)，內(nèi)外壓力室水相通，保證內(nèi)外壓力相等，從而阻止由于內(nèi)壓力室壁變形而弓I起量測土體積變化的誤差。然而VJ非飽和土三軸儀不能控制試驗過程的溫度，無法滿足考慮溫度和冷熱循環(huán)影響的非飽和土試驗要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀，來實現(xiàn)對非飽和土進(jìn)行試驗的溫度控制，同時對非飽和土試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀，其特征在于，包括加載臺架、三軸壓力室、壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)量測采集系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)與所述數(shù)據(jù)量測采集系統(tǒng)相連，所述三軸壓力室包括外壓力室、內(nèi)壓力室，所述外壓力室包括外壓力室壁、外壓力室頂蓋、外壓力室固定螺桿、外壓力室底座，所述外壓力室頂蓋通過所述外壓力室固定螺桿固定設(shè)置于所述外壓力室底座上，所述外壓力室底座與所述加載臺架固定連接；所述內(nèi)壓力室包括內(nèi)壓力室壁、內(nèi)壓力室頂蓋、內(nèi)壓力室固定螺桿、內(nèi)壓力室底座，所述內(nèi)壓力室頂蓋通過所述內(nèi)壓力室固定螺桿固定設(shè)置于所述內(nèi)壓力室底座上，所述內(nèi)壓力室底座上方設(shè)置有固定連接的試樣底座，所述內(nèi)壓力室底座通過升降臺與所述加載臺架相連，所述試樣底座上部內(nèi)嵌陶土板，所述陶土板上方從下到上依次為試樣、透水石、試樣帽。
[0008]優(yōu)選地，壓力控制系統(tǒng)包括圍壓控制器、反壓控制器、軸壓控制器、氣壓控制器，圍壓控制器同時與外壓力室圍壓接口和內(nèi)壓力室圍壓接口相連，圍壓控制器可對內(nèi)壓力室和外壓力室施加相等的圍壓以消除內(nèi)壓力室壁變形而引起體變量測誤差；反壓控制器與陶土板底部的反壓接口相連，可對試樣施加孔隙水壓力；軸壓控制器與軸壓接口相連，通過抬升升降臺可對試樣施加一定的軸壓；氣壓控制器通過氣壓接口與試樣帽相連，可對試樣施加孔隙氣壓力。
[0009]優(yōu)選地，數(shù)據(jù)量測采集系統(tǒng)包括軸向荷載傳感器、豎向位移傳感器、孔隙水壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器和體變儀；軸向荷載傳感器設(shè)置于內(nèi)壓力室內(nèi)，軸向荷載傳感器上端通過內(nèi)壓力室活塞桿與外壓力室活塞桿相接觸，軸向荷載傳感器下端與試樣帽相接觸，外壓力室活塞桿通過固定螺栓固定設(shè)置于外壓力室頂蓋上；豎向位移傳感器通過支架固定設(shè)置于升降臺上，豎向位移傳感器底端與加載臺架相接觸；孔隙水壓力傳感器設(shè)置于反壓排水口上，用來對試樣孔隙水壓力變化進(jìn)行量測；數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相連，用于采集記錄各個傳感器的輸出數(shù)據(jù)，軸向荷載傳感器、豎向位移傳感器、孔隙水壓力傳感器均與數(shù)據(jù)采集器相連；體變儀一端與數(shù)據(jù)采集器相連，體變儀另一端與三軸壓力室相連，體變儀用來對內(nèi)壓力室水體積變化進(jìn)行量測。
[0010]優(yōu)選地，溫度控制系統(tǒng)包括螺旋銅管、軟管、溫度傳感器、保溫隔熱材料層、冷熱水循環(huán)儀。
[0011 ] 優(yōu)選地，螺旋銅管包括外壁螺旋銅管和內(nèi)壁螺旋銅管。
[0012]優(yōu)選地，外壁螺旋銅管固定設(shè)置于外壓力室壁的內(nèi)側(cè)，外壁螺旋銅管底部通過軟管與外壓力室底座上的冷熱水進(jìn)水口相連。
[0013]優(yōu)選地，內(nèi)壁螺旋銅管固定設(shè)置于內(nèi)壓力室壁內(nèi)側(cè)，內(nèi)壁螺旋銅管頂部的內(nèi)壁冷熱水進(jìn)水口設(shè)置在內(nèi)壓力室壁外側(cè)，內(nèi)壁螺旋銅管頂部的內(nèi)壁冷熱水進(jìn)水口通過軟管與外壁螺旋銅管頂部的外壁冷熱水出水口相連；內(nèi)壁螺旋銅管底部的內(nèi)壁冷熱水出水口設(shè)置于內(nèi)壓力室壁外側(cè)，內(nèi)壁螺旋銅管底部的內(nèi)壁冷熱水出水口通過軟管與外壓力室底座上的外壁冷熱水出水口相連。
[0014]優(yōu)選地，外壓力室底座上的外壁冷熱水出水口通過軟管與冷熱水循環(huán)儀相連；夕卜壓力室底座上的冷熱水進(jìn)水口通過軟管與冷熱水循環(huán)儀相連。
[0015]優(yōu)選地，溫度傳感器固定設(shè)置于內(nèi)壓力室頂蓋上，溫度傳感器一端設(shè)置于內(nèi)壓力室內(nèi)部，溫度傳感器另一端則通過導(dǎo)線與冷熱水循環(huán)儀相連。
[0016]優(yōu)選地，保溫隔熱材料層設(shè)置于外壓力室外壁外側(cè)，保溫隔熱材料層厚度為3?1mm0
[0017]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:(I)在VJ雙壓力室非飽和土三軸儀基礎(chǔ)上改進(jìn)增加了溫度控制系統(tǒng)，可對雙壓力室的試驗溫度進(jìn)行有效控制，開展不同溫度下的多種非飽和土三軸試驗，可控溫度范圍為0~80°C; (2)采用螺旋銅管通過冷熱水循環(huán)儀來實現(xiàn)對試驗溫度的控制，故可對試驗溫度進(jìn)行增溫也可降溫，擴(kuò)大了溫度控制范圍，亦可對非飽和土試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)；(3)對數(shù)據(jù)的量測和采集實現(xiàn)自動化，對溫度控制采用溫控式冷熱水循環(huán)儀，操作簡便，且所得數(shù)據(jù)精確。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的外部連接示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀沿試樣中部的截面圖的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的外壓力室底座的俯視圖的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的螺旋銅管的三維效果圖。
[0023]圖中標(biāo)記的含義:1_固定螺栓，2-外壓力室頂蓋，3-外壓力室固定螺桿，4-內(nèi)壓力室頂蓋，5-內(nèi)壓力室活塞桿，6-軸向荷載傳感器，7-試樣帽，8-試樣，9-內(nèi)壓力室壁，10-內(nèi)壁冷熱水出水口，11-軟管，12-內(nèi)壓力室底座，13-外壓力室壁，14-外壓力室圍壓接口，15-外壁冷熱水出水口，16-軸向荷載傳感器接口，17-內(nèi)壓力室圍壓接口，18-反壓接口，19-支架，20-豎向位移傳感器，21-加載臺架，22-軟管，23-外壓力室活塞桿，24-外壓力室排氣口，25-內(nèi)壓力室排氣口，26-外壁冷熱水出水口，27-軟管，28-溫度傳感器，29-內(nèi)壁冷熱水進(jìn)水口，30-外壁螺旋銅管，31-內(nèi)壁螺旋銅管，32-透水石，33-保溫隔熱材料層，34-陶土板，35-內(nèi)壓力室固定螺桿，36-試樣底座，37-軟管，38-溫度傳感器接口，39-外壓力室進(jìn)出水口，40-外壓力室底座，41-冷熱水進(jìn)水口，42-氣壓接口，43-孔隙水壓力傳感器，44-反壓排水口，45-升降臺，46-軸壓接口，47-軟管，48-導(dǎo)線，49-冷熱水循環(huán)儀，50-橡皮圈。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]本發(fā)明提出一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀，包括加載臺架21、三軸壓力室、壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)量測采集系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)量測采集系統(tǒng)相連，如圖1所示是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的外部連接示意圖。
[0026]如圖2所示的是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示的是本發(fā)明的一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀沿試樣中部的截面圖的結(jié)構(gòu)示意圖，三軸壓力室包括外壓力室、內(nèi)壓力室，外壓力室包括外壓力室壁13、外壓力室頂蓋2、外壓力室固定螺桿3、外壓力室底座40，外壓力室頂蓋2