一種多邊界條件膨脹儀及土體膨脹試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多邊界條件膨脹儀及土體膨脹試驗方法，包括下部支撐平臺、上部固定框架、邊界條件模擬機構(gòu)、載樣室和測量機構(gòu)，所述上部固定框架、邊界條件模擬機構(gòu)、載樣室均安裝在下部支撐平臺上，測量機構(gòu)安裝在上部固定框架中。本發(fā)明設(shè)計了等剛度柔性邊界模擬單元，同時集成了恒體積和恒應(yīng)力邊界模擬單元，與傳統(tǒng)的膨脹儀器相比，可在多種邊界條件下進行試驗，分析邊界條件對土體膨脹性能的影響；且本發(fā)明可設(shè)計不同試驗路徑，分析試驗路徑對土體膨脹性能的影響；采用了傳感測量裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，測試精度高，數(shù)據(jù)采集方便；裝置結(jié)構(gòu)簡單新穎，操作簡便，受人為因素影響小，成本低，數(shù)據(jù)可靠。
【專利說明】
一種多邊界條件膨脹儀及土體膨脹試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于巖土工程與地質(zhì)工程中室內(nèi)試驗技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種能夠模擬不同邊界條件(恒應(yīng)力、恒體積和等剛度)且可自由設(shè)計試驗路徑的膨脹儀及土體膨脹試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]膨脹性土體廣泛地分布于世界的各個區(qū)域。由于地理位置的限制，許多建筑物不得不建造在基于膨脹性土體的地基上。近年來，在極端氣候的影響下，因土體吸水膨脹變形引發(fā)地基破壞產(chǎn)生的工程事故經(jīng)常發(fā)生，對人民財產(chǎn)安全造成了極大的影響。相反，利用膨脹性土體的特殊性質(zhì)，以膨潤土為主的緩沖/回填材料也可用于垃圾填埋場、核廢物地質(zhì)處置庫等特殊工程的防滲結(jié)構(gòu)中，在此工況下產(chǎn)生的膨脹力對工程結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。因此，近年來關(guān)于土體的膨脹特性及如何準確測量土體的膨脹指標受到了許多巖土與地質(zhì)工程領(lǐng)域?qū)W者的重視。
[0003]目前，學(xué)界對土體膨脹性能的研究主要在假定的理想邊界條件下開展一維膨脹試驗。常用的試驗方法可以歸結(jié)為以下三種:(I)恒體積法；(2)恒應(yīng)力法；(3)膨脹-加載平衡法。其中，恒體積法包括剛性室法和加載平衡法，剛性室法主要通過剛性結(jié)構(gòu)對試樣的軸向膨脹變形進行限制，利用傳感器對膨脹力進行測量;加載平衡法則通過不斷對試樣施加軸向荷載，保持其軸向變形不變，計算累積荷載從而求出膨脹力;恒應(yīng)力法是向試樣施加一個恒定的軸向荷載，使其在該應(yīng)力下吸水膨脹，利用百分表對其膨脹率進行測量;膨脹-加載平衡法則一般先使試樣進行自由膨脹，測量膨脹率，在試樣變形穩(wěn)定后再逐級加載壓縮，以此繪制壓縮曲線并根據(jù)初始孔隙比確定相應(yīng)的膨脹力。
[0004]總的來說，利用以上幾種方法可以對土體的膨脹特性進行一定程度的了解。但是，上述測試方法主要模擬了兩種極端的邊界條件，即恒應(yīng)力條件和恒體積條件，所獲得的膨脹指標也無法反映土體真實的膨脹性能。事實上，在實際的巖土、地質(zhì)工程環(huán)境中，處于不同位置的土體都會對應(yīng)不同的邊界條件，除上述的恒體積與恒應(yīng)力邊界外，還有無數(shù)種與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)的柔性邊界條件。而傳統(tǒng)的膨脹試驗方法僅能對恒應(yīng)力或恒體積兩種極端邊界條件進行模擬，所得結(jié)果對實際工程的參考價值也非常有限。因此，完善膨脹試驗方法，掌握不同邊界條件下土體的膨脹特性，對合理評價膨脹土的工程地質(zhì)特性及指導(dǎo)膨脹土地區(qū)的工程實踐具有重要理論意義和現(xiàn)實意義。
[0005]在傳統(tǒng)的試驗方法中，膨脹試驗一般利用固結(jié)儀完成，在測試方法上存在一些不足之處。如剛性室法中，通常僅通過傳感器對試樣的膨脹力測量，而對限制結(jié)構(gòu)在試驗過程中是否發(fā)生變形一般不予考慮，在測試干密度較高的試樣時，由于膨脹力較高，限制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性變形非常可觀;加載平衡法中，通過不斷加載來控制試樣的軸向變形，該方法不僅操作繁瑣，而且很難保證試樣體積恒定;恒應(yīng)力法中，當(dāng)初始荷載過高時，在試驗初期很容易引起試樣壓縮變形，該條件下測得的膨脹率必然與真實情況不符。此外，考慮到隨著時間的迀移，土體在環(huán)境中所處的邊界條件也會發(fā)生改變，如某些位置的柔性邊界條件會隨著變形的增加轉(zhuǎn)變?yōu)楹泱w積邊界，恒應(yīng)力邊界條件也會隨著荷載的增加過渡為恒體積邊界等。邊界條件的改變必然會對土體的膨脹性能造成影響，而這些問題過去常常被忽略，也無法利用傳統(tǒng)的儀器設(shè)備進行研究。
[0006]綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外膨脹試驗中采用的儀器主要存在以下不足:
[0007](I)僅考慮了恒應(yīng)力與恒體積兩種極端的邊界條件，而對實際工程中廣泛存在的柔性邊界條件缺乏考慮；
[0008](2)常用的邊界條件控制方法操作復(fù)雜，易受人為因素影響；
[0009 ] (3)試驗過程中無法轉(zhuǎn)換邊界條件。
[0010]經(jīng)檢索，中國專利申請?zhí)?01510322064.8，申請日為2015年6月2日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為:膨脹土二維膨脹儀;該申請案包括試驗臺和設(shè)置在試驗臺上的壓力室，壓力室是由上下相間設(shè)置的底板、頂板和前、后相間設(shè)置的前夾板、后夾板圍成的左右兩端開口的方形管狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)壓板、加壓板、底板、前夾板和后夾板之間共同圍成的空間構(gòu)成試驗土樣的容納空間，滑動機構(gòu)經(jīng)柔性繩與設(shè)置在試驗臺上的加載機構(gòu)相連，傳壓板上設(shè)置有用于測量其豎向位移的第一位移傳感器，傳力桿上設(shè)置有用于測量其水平位移的第二位移傳感器;該申請案是一種膨脹土二維膨脹儀，可有效解決膨脹儀同時測得豎向和側(cè)向兩個方向的膨脹變形和膨脹力的問題;但該申請案不能改變試樣所處的邊界條件，并實現(xiàn)多種邊界條件(恒壓力、恒體積及等剛度)的任意轉(zhuǎn)換，仍需進一步改進。
[0011]因此，開發(fā)和研制一種操作簡便、性能穩(wěn)定、測量方便、結(jié)果可靠、適用于多種邊界條件且可實現(xiàn)不同邊界轉(zhuǎn)換的膨脹試驗儀，對深入研究土體的膨脹特性和指導(dǎo)巖土工程實踐具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0013]為了克服當(dāng)前國內(nèi)外膨脹試驗中采用儀器存在的不足，本發(fā)明提供了一種多邊界條件膨脹儀及土體膨脹試驗方法;本發(fā)明設(shè)計了一種基于量力環(huán)的柔性邊界模擬裝置，在整合傳統(tǒng)的恒應(yīng)力、恒體積邊界條件模擬機構(gòu)的基礎(chǔ)上，可進行三種邊界條件自由切換，可以利用位移與壓力傳感器精確測量不同邊界條件下的膨脹率與膨脹力、邊界條件對土體膨脹性能的影響和試驗路徑對膨脹性能的影響;該儀器較常規(guī)的膨脹試驗儀同時集成了三種邊界條件模擬機構(gòu)，增加了邊界條件轉(zhuǎn)換機構(gòu)和高精度的位移與壓力傳感器，具有較好的測試精度，裝置構(gòu)造簡單，操作方便。
[0014]2.技術(shù)方案
[0015]為達到上述發(fā)明的目的，解決現(xiàn)有的測試方法中存在的問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0016]本發(fā)明的一種多邊界條件膨脹儀，包括下部支撐平臺、上部固定框架和載樣室，下部支撐平臺支撐上部固定框架，載樣室置于上部固定框架內(nèi)部，還包括邊界條件模擬機構(gòu)和測量機構(gòu)，所述的邊界條件模擬機構(gòu)包括恒體積邊界模擬單元、恒應(yīng)力邊界模擬單元和等剛度柔性邊界模擬單元，可針對試驗所需的邊界條件，實現(xiàn)三種邊界模擬的自由切換;所述的測量機構(gòu)對試驗所需參數(shù)進行測量。
[0017]更進一步地，所述的上部固定框架包括固定拉桿、第一調(diào)節(jié)螺母和剛性板，固定拉桿下端與下部支撐平臺固定，上端通過第一調(diào)節(jié)螺母與剛性板連接，第一調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)剛性板完全固定、只向上移動、只向下移動或自由移動。
[0018]更進一步地，所述的恒體積邊界模擬單元包括U形限制拉桿和第二調(diào)節(jié)螺母，U形限制拉桿上端穿過剛性板與第二調(diào)節(jié)螺母連接。
[0019]更進一步地，所述的恒應(yīng)力邊界模擬單元包括一加載裝置，該加載裝置包括砝碼吊盤、杠桿裝置、平衡錘、偏心軸和加載拉桿，其中，加載拉桿上端與剛性板固定，下端通過偏心軸與杠桿裝置連接;砝碼吊盤與杠桿裝置前端連接，用于放置砝碼進行加載;平衡錘與杠桿裝置后端連接，用于對加載裝置進行初始調(diào)平。
[0020]更進一步地，所述的等剛度柔性邊界模擬單元包括量力環(huán)和調(diào)節(jié)桿，量力環(huán)安裝于U形限制拉桿內(nèi)部，量力環(huán)的下端與U形限制拉桿底部接觸，上端與調(diào)節(jié)桿接觸;調(diào)節(jié)桿穿過剛性板，調(diào)節(jié)桿上下移動決定量力環(huán)是否受力。
[0021]更進一步地，所述的測量機構(gòu)包括壓力傳感器、第一位移傳感器、第二位移傳感器、測量標桿和數(shù)據(jù)采集裝置;壓力傳感器上部與U形限制拉桿固定;第一位移傳感器安裝于U形限制拉桿底部，并與測量標桿接觸;第二位移傳感器安裝于U形限制拉桿中部;數(shù)據(jù)采集裝置通過導(dǎo)線與三個傳感器相連，用于在試驗過程中對數(shù)據(jù)進行自動采集與儲存。
[0022]本發(fā)明利用多邊界條件膨脹儀進行土體膨脹試驗的方法，可針對試驗所需的邊界條件，實現(xiàn)恒體積邊界模擬、恒應(yīng)力邊界模擬和等剛度柔性邊界模擬的自由切換;其中，
[0023]恒體積邊界模擬的控制方式為，同時控制第一調(diào)節(jié)螺母和第二調(diào)節(jié)螺母為固定狀態(tài)；
[0024]恒應(yīng)力邊界模擬的控制方式為，控制第一調(diào)節(jié)螺母為活動狀態(tài)，第二調(diào)節(jié)螺母為固定狀態(tài)；
[0025]等剛度柔性邊界模擬的控制方式為，控制第一調(diào)節(jié)螺母為固定狀態(tài)，第二調(diào)節(jié)螺母為活動狀態(tài)。
[0026]更進一步地，模擬恒體積邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母，使剛性板固定于固定拉桿上，然后控制第二調(diào)節(jié)螺母，使U形限制拉桿與剛性板固定;此時，剛性板和U形限制拉桿受第二調(diào)節(jié)螺母控制相對靜止，同時剛性板受第一調(diào)節(jié)螺母控制無法移動，恒體積邊界條件達成；
[0027]模擬恒應(yīng)力邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母活動，使剛性板沿著固定拉桿上下滑動;然后控制第二調(diào)節(jié)螺母，使U形限制拉桿與剛性板固定;通過調(diào)節(jié)平衡錘使加載裝置初始平衡，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的軸向應(yīng)力，向砝碼吊盤中添加砝碼，恒應(yīng)力邊界條件達成；
[0028]模擬等剛度柔性邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母，使上部固定框架固定;然后控制第二調(diào)節(jié)螺母，使U形限制拉桿自由活動;再控制調(diào)節(jié)桿，使量力環(huán)上下分別與調(diào)節(jié)桿、U形限制拉桿接觸，此時，當(dāng)試樣吸水膨脹時，試樣僅受量力環(huán)的限制作用，等剛度柔性邊界條件達成。
[0029]更進一步地，開展單一邊界條件下的土體膨脹試驗的步驟為:
[0030]I)制備環(huán)刀樣，將其放入載樣室中，然后將載樣室放置于載樣平臺上；
[0031]2)根據(jù)所需的邊界條件，調(diào)節(jié)達成恒體積邊界條件、恒應(yīng)力邊界條件或等剛度柔性邊界條件；
[0032]3)在邊界條件控制基本完成后，對各部分構(gòu)件進行微調(diào)，確保壓力傳感器與載樣室中的試樣接觸；
[0033]4)調(diào)整第一位移傳感器與測量標桿接觸，同時調(diào)整第二位移傳感器與U形限制拉桿下部接觸，并控制數(shù)據(jù)采集裝置中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)清零；
[0034]5)設(shè)置試驗編號，向載樣室中注水，開始試驗。
[0035]更進一步地，以“恒應(yīng)力-等剛度柔性-恒體積”為實驗路徑進行多邊界條件下的土體膨脹試驗的步驟為:
[0036]I)制備環(huán)刀樣，將其放入載樣室中，然后將載樣室放置于載樣平臺上；
[0037]2)控制第一調(diào)節(jié)螺母為自由狀態(tài)，控制第二調(diào)節(jié)螺母為固定狀態(tài)，使邊界條件切換為恒應(yīng)力條件；
[0038]3)調(diào)節(jié)平衡錘使加載裝置初始處于水平狀態(tài)，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的軸向應(yīng)力，向砝碼吊盤中添加破碼；
[0039]4)對各部分構(gòu)件進行微調(diào)，包括調(diào)節(jié)杠桿裝置使壓力傳感器與載樣室接觸；調(diào)整調(diào)節(jié)桿，使量力環(huán)與剛性板脫離;調(diào)節(jié)第一位移傳感器與測量標桿接觸；
[0040]5)向載樣室中注水，開始試驗，同時利用數(shù)據(jù)采集裝置對傳感器數(shù)據(jù)進行采集;當(dāng)軸向膨脹變形達到預(yù)設(shè)點時，控制第一調(diào)節(jié)螺母為固定狀態(tài)，使剛性板無法繼續(xù)向上運動；[0041 ] 6)控制調(diào)節(jié)桿，使量力環(huán)向上與調(diào)節(jié)桿接觸，向下與U形限制拉桿接觸；同時，調(diào)節(jié)第二位移傳感器與U形限制拉桿底部接觸；
[0042]7)控制第二調(diào)節(jié)螺母為自由狀態(tài)，此時，試樣僅受到量力環(huán)的限制作用，邊界條件切換為等剛度柔性邊界條件；
[0043]8)當(dāng)量力環(huán)變形達到預(yù)設(shè)點時，控制第二調(diào)節(jié)螺母為固定狀態(tài)，此時，由于受到U形限制拉桿的作用，試樣后續(xù)產(chǎn)生的膨脹力不再對量力環(huán)產(chǎn)生作用，而是直接作用于U形限制拉桿上；同時，由于第一調(diào)節(jié)螺母處于固定狀態(tài)，剛性板無法移動，對試樣而言，邊界條件切換為恒體積邊界條件。
[0044]3.有益效果
[0045]采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果:
[0046](I)本發(fā)明的一種多邊界條件膨脹儀，同時集成了恒應(yīng)力、恒體積和等剛度柔性邊界三種邊界條件模擬機構(gòu)，可根據(jù)土體所處的不同環(huán)境進行模擬，試驗結(jié)果更符合真實情況；
[0047](2)本發(fā)明的一種多邊界條件膨脹儀，根據(jù)土體在實際工程環(huán)境中所處的邊界條件，可實現(xiàn)三種邊界條件之間的自由切換，以適應(yīng)不同的試驗路徑，儀器適用范圍廣，操作簡便，數(shù)據(jù)可靠；
[0048](3)本發(fā)明的一種多邊界條件膨脹儀，設(shè)計了一套模擬等剛度柔性邊界的裝置，可實現(xiàn)對不同剛度的柔性邊界條件的控制；
[0049](4)本發(fā)明的一種多邊界條件膨脹儀，采用了新型的傳感式測量裝置，可實時地對試驗過程中試樣的膨脹力與膨脹率進行測量，試驗精度高。
【附圖說明】
[0050]圖1為本發(fā)明的多邊界條件膨脹儀的下部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]圖2為本發(fā)明的多邊界條件膨脹儀的上部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0052]示意圖中的標號說明:
[0053]1、下部框架;2、下部平臺；3、載樣平臺；4、砝碼吊盤;5、杠桿裝置;6、平衡錘;7、載樣室;8、偏心軸;9、固定拉桿；10、第一調(diào)節(jié)螺母；11、剛性板；12、加載拉桿；13、U形限制拉桿；14、量力環(huán)；15、調(diào)節(jié)桿；16、第二調(diào)節(jié)螺母；17、壓力傳感器；18、第一位移傳感器；19、第二位移傳感器;20、測量標桿。
【具體實施方式】
[0054]為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。
[0055]實施例1
[0056]結(jié)合圖1和圖2(圖2的視角為從圖1的右側(cè)看過去)，本實施例的一種多邊界條件膨脹儀，包括下部支撐平臺、上部固定框架、邊界條件模擬機構(gòu)、測量機構(gòu)和載樣室7，所述上部固定框架、邊界條件模擬機構(gòu)、載樣室7均安裝在下部支撐平臺上，測量機構(gòu)安裝在上部固定框架中。
[0057]所述下部支撐平臺包括下部框架I和下部平臺2，下部框架I為四腳支撐的鐵制框架，下部平臺2的上、下表面通過螺絲分別與載樣平臺3、下部框架I固定，下部框架I的主要作用是支撐下部平臺2和其他上部結(jié)構(gòu)，所述下部平臺2的主要作用是固定上部結(jié)構(gòu)和支撐載樣平臺3。載樣室7置于載樣平臺3上，載樣室7內(nèi)部設(shè)有載樣空腔，載樣空腔用于盛放試驗?zāi)＞?，向空腔?nèi)加水可使試樣從底部進行飽和。
[0058]所述上部固定框架包括兩根固定拉桿9，兩枚第一調(diào)節(jié)螺母10和剛性板11，固定拉桿9與第一調(diào)節(jié)螺母10均以上部結(jié)構(gòu)的中軸線為參照左右對稱，固定拉桿9穿過下部平臺2并通過螺母與之固定，固定拉桿9上端通過第一調(diào)節(jié)螺母10與剛性板11連接，其中，剛性板11為一塊厚度為3cm的長方形鋼制鐵板，可通過第一調(diào)節(jié)螺母10實現(xiàn)自由移動或固定，從而使整個裝置沿著固定拉桿9上下自由滑動或固定。上部固定框架的主要作用有兩個，一是為儀器上部結(jié)構(gòu)中的其他構(gòu)件提供支撐，二是可以通過控制第一調(diào)節(jié)螺母10控制儀器上部結(jié)構(gòu)活動或固定。
[0059]所述邊界條件模擬機構(gòu)包括恒體積邊界模擬單元、恒應(yīng)力邊界模擬單元和等剛度柔性邊界模擬單元，可針對試驗所需的邊界條件進行選擇。其中:
[0060]恒體積邊界模擬單元包括U形限制拉桿13和第二調(diào)節(jié)螺母16，U形限制拉桿13為一剛性“U”形框架，其上端穿過剛性板11與第二調(diào)節(jié)螺母16連接。模擬恒體積邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母10，使剛性板11固定于固定拉桿9上，然后控制第二調(diào)節(jié)螺母16，使U形限制拉桿13與剛性板11固定。此時，對載樣室7而言，在豎直方向上僅受到載樣平臺3和U形限制拉桿13的限制，剛性板11和U形限制拉桿13受第二調(diào)節(jié)螺母16控制相對靜止，同時剛性板11受第一調(diào)節(jié)螺母10控制無法移動，整個系統(tǒng)固定，恒體積邊界條件達成。
[0061]恒應(yīng)力邊界模擬單元包括一加載裝置，加載裝置包括安裝于下部支撐平臺上的平衡錘6、杠桿裝置5、砝碼吊盤4、偏心軸8和加載拉桿12。加載拉桿12上端與剛性板11固定，下端通過偏心軸8與杠桿裝置5連接。加載裝置的主要工作原理如下:向砝碼吊盤4中添加砝碼，砝碼重力會通過杠桿裝置5傳遞至偏心軸8，進而通過加載拉桿12傳遞至整個剛性板11，在控制第一調(diào)節(jié)螺母10使剛性板11不受固定拉桿9作用的條件下，U形限制拉桿13將剛性板11傳遞來的力反向向下傳遞至其下端固定的壓力傳感器17中，通過控制砝碼吊盤4中砝碼的數(shù)量從而調(diào)節(jié)壓力傳感器17施加于試樣的荷載。
[0062]模擬恒應(yīng)力邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母10活動，使剛性板11沿著固定拉桿9上下滑動;然后控制第二調(diào)節(jié)螺母16，使U形限制拉桿13與剛性板11固定;通過調(diào)節(jié)平衡錘6使加載裝置初始平衡，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的軸向應(yīng)力，向砝碼吊盤4中添加砝碼。對載樣室7中的試樣而言，吸水后可向上發(fā)生膨脹變形，同時所受到的軸向荷載保持恒定，恒應(yīng)力邊界條件達成。
[0063]等剛度柔性邊界模擬單元包括量力環(huán)14和調(diào)節(jié)桿15，量力環(huán)14安裝在U形限制拉桿13內(nèi)部，量力環(huán)14剛度為2112kN/cm，其上下兩端分別與調(diào)節(jié)桿15和U形限制拉桿13接觸，調(diào)節(jié)桿15穿過剛性板11，可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)進行上下移動，從而調(diào)節(jié)量力環(huán)14是否受力。值得說明的是，由于量力環(huán)14安裝在U形限制拉桿13內(nèi)部，所以當(dāng)?shù)诙{(diào)節(jié)螺母16控制U形限制拉桿13固定時，量力環(huán)14與整個上部系統(tǒng)隔離，不再受力。該部分構(gòu)件的工作原理如下:當(dāng)控制第一調(diào)節(jié)螺母10固定時，整個上部固定框架在豎直方向上無法移動，使上部結(jié)構(gòu)整體無法活動，同時控制U形限制拉桿13在豎直方向上自由活動，使載樣室7中的試樣僅受到量力環(huán)14的限制作用。
[0064]模擬等剛度柔性邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母10，使上部固定框架固定;然后控制第二調(diào)節(jié)螺母16，使U形限制拉桿13自由活動;再控制調(diào)節(jié)桿15，使量力環(huán)14上下分別與調(diào)節(jié)桿15和U形限制拉桿13接觸，此時，當(dāng)試樣吸水膨脹時，試樣僅受量力環(huán)14的限制作用，等剛度柔性邊界條件達成。
[0065]本實施例主要通過控制第一調(diào)節(jié)螺母10實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自由活動或固定;通過控制第二調(diào)節(jié)螺母16調(diào)節(jié)U形限制拉桿13活動或固定的狀態(tài)，實現(xiàn)量力環(huán)14是否作用于下方試樣。在實際的操作中，同時調(diào)節(jié)第一調(diào)節(jié)螺母10與第二調(diào)節(jié)螺母16的狀態(tài)，實現(xiàn)對三種邊界條件的轉(zhuǎn)變，具體如下:(I)控制第一調(diào)節(jié)螺母10自由，第二調(diào)節(jié)螺母16固定，實現(xiàn)恒應(yīng)力邊界條件；(2)控制第一調(diào)節(jié)螺母10固定，第二調(diào)節(jié)螺母16固定，實現(xiàn)恒體積邊界條件；(3)控制第一調(diào)節(jié)螺母10固定，第二調(diào)節(jié)螺母16自由，同時調(diào)整調(diào)節(jié)桿15，使量力環(huán)14與U形限制拉桿13接觸，實現(xiàn)等剛度柔性邊界條件。
[0066]所述測量機構(gòu)包括壓力傳感器17、第一位移傳感器18、第二位移傳感器19、測量標桿20和數(shù)據(jù)采集裝置。壓力傳感器17上部與U形限制拉桿13固定，其量程為0-10kN，精度為
0.0OlkN，壓力傳感器17下部與載樣室7中試樣接觸，可對試樣軸向應(yīng)力進行實時測量，包括恒應(yīng)力條件下對試樣施加的荷載，和其他條件下試樣產(chǎn)生的膨脹力；第一位移傳感器18安裝在U形限制拉桿13的底部，與測量標桿20接觸，其量程為0-50mm，精度為0.0lmm;第一位移傳感器18與測量標桿20配合可對整個上部結(jié)構(gòu)的位移進行測量，測量標桿20則用于測量上部結(jié)構(gòu)的位移;第二位移傳感器19安裝在U形限制拉桿13中部，可對量力環(huán)14的變形進行測量，其量程為O-lOmm，精度為0.01mm。以上所有傳感器均與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置連接，整個測試過程可實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集與儲存。
[0067]本實施例開展單一邊界條件下的土體膨脹試驗的典型步驟為:
[0068](I)制備環(huán)刀樣，將其放入載樣室7中，然后將載樣室7放置于載樣平臺3上；
[0069](2)根據(jù)所需的邊界條件，按照上述的操作方法進行調(diào)節(jié)，如恒體積條件控制第一調(diào)節(jié)螺母10與第二調(diào)節(jié)螺母16均為固定狀態(tài);恒應(yīng)力條件控制第一調(diào)節(jié)螺母10自由，第二調(diào)節(jié)螺母16固定;等剛度柔性條件控制第一調(diào)節(jié)螺母10固定，第二調(diào)節(jié)螺母16自由，同時調(diào)整調(diào)節(jié)桿15的位置；
[0070](3)在邊界條件控制基本完成后，對各部分構(gòu)件進行微調(diào)，確保壓力傳感器17與載樣室7中的試樣接觸，其它限制條件保持良好；
[0071](4)調(diào)整第一位移傳感器18與測量標桿20接觸，同時調(diào)整第二位移傳感器19與U形限制拉桿13下部接觸，通過電腦操作，使采集軟件中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)清零；
[0072 ] (5)設(shè)置試驗編號，向載樣室7中注水，開始試驗。
[0073]實施例2
[0074]本實施例的一種多邊界條件膨脹儀，基本同實施例1，其不同之處在于:本實施例通過同時調(diào)節(jié)第一調(diào)節(jié)螺母10和第二調(diào)節(jié)螺母16的活動狀態(tài)，控制剛性板11、U形限制拉桿13和量力環(huán)14為活動或固定，從而實現(xiàn)三種邊界條件間的自由切換。下面結(jié)合“恒應(yīng)力一一等剛度柔性一一'〖亙體積”這一試驗路徑闡述本實施例進行多邊界條件下的膨脹試驗的具體操作:
[0075](I)制備環(huán)刀樣，將其放入載樣室7中，然后將載樣室7放置于載樣平臺3上；
[0076](2)控制第一調(diào)節(jié)螺母10為自由狀態(tài)，控制第二調(diào)節(jié)螺母16為固定狀態(tài)，使儀器的邊界模擬裝置切換為恒應(yīng)力條件；
[0077](3)調(diào)節(jié)平衡錘6使加載裝置初始處于水平狀態(tài)，向砝碼吊盤4中添加砝碼，使得軸向荷載等于10kPa;
[0078](4)對各部分構(gòu)件進行微調(diào)，包括調(diào)節(jié)杠桿裝置5使壓力傳感器17與載樣室7輕微接觸;調(diào)整調(diào)節(jié)桿15，使量力環(huán)14與剛性板11脫離;調(diào)節(jié)第一位移傳感器18與測量標桿20接觸；
[0079](5)向載樣室7中注水，開始試驗，同時利用自動采集裝置對傳感器數(shù)據(jù)進行采集；當(dāng)軸向膨脹變形達到預(yù)設(shè)點時，控制第一調(diào)節(jié)螺母10為固定狀態(tài)，使剛性板無法繼續(xù)向上運動；
[0080](6)通過控制調(diào)節(jié)桿15，使量力環(huán)14向上與調(diào)節(jié)桿15接觸，向下與U形限制拉桿13接觸;同時，調(diào)節(jié)第二位移傳感器19與U形限制拉桿13底部接觸；
[0081](7)控制第二調(diào)節(jié)螺母16為自由狀態(tài)，此時，試樣僅受到量力環(huán)14的限制作用，邊界條件切換為等剛度柔性邊界；
[0082](8)當(dāng)量力環(huán)14變形達到預(yù)設(shè)點時，控制第二調(diào)節(jié)螺母16為固定狀態(tài)，此時，由于受到U形限制拉桿13的作用，試樣后續(xù)產(chǎn)生的膨脹力不再對量力環(huán)14產(chǎn)生作用，而是直接作用于U形限制拉桿13上；同時，由于第一調(diào)節(jié)螺母10處于固定狀態(tài)，剛性板11無法移動，對試樣而言，整個系統(tǒng)處于恒體積狀態(tài)。
[0083]以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種多邊界條件膨脹儀，包括下部支撐平臺、上部固定框架和載樣室(7)，下部支撐平臺支撐上部固定框架，載樣室(7)置于上部固定框架內(nèi)部，其特征在于:還包括邊界條件模擬機構(gòu)和測量機構(gòu)，所述的邊界條件模擬機構(gòu)包括恒體積邊界模擬單元、恒應(yīng)力邊界模擬單元和等剛度柔性邊界模擬單元，可針對試驗所需的邊界條件，實現(xiàn)三種邊界模擬的自由切換;所述的測量機構(gòu)對試驗所需參數(shù)進行測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多邊界條件膨脹儀，其特征在于:所述的上部固定框架包括固定拉桿(9)、第一調(diào)節(jié)螺母(10)和剛性板(11)，固定拉桿(9)下端與下部支撐平臺固定，上端通過第一調(diào)節(jié)螺母(10)與剛性板(11)連接，第一調(diào)節(jié)螺母(10)調(diào)節(jié)剛性板(11)完全固定、只向上移動、只向下移動或自由移動。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多邊界條件膨脹儀，其特征在于:所述的恒體積邊界模擬單元包括U形限制拉桿(13)和第二調(diào)節(jié)螺母(16)，U形限制拉桿(13)上端穿過剛性板(11)與第二調(diào)節(jié)螺母(16)連接。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種多邊界條件膨脹儀，其特征在于:所述的恒應(yīng)力邊界模擬單元包括一加載裝置，該加載裝置包括砝碼吊盤(4 )、杠桿裝置(5 )、平衡錘(6 )、偏心軸(8)和加載拉桿(12)，其中，加載拉桿(12)上端與剛性板(11)固定，下端通過偏心軸(8)與杠桿裝置(5)連接;砝碼吊盤(4)與杠桿裝置(5)前端連接，平衡錘(6)與杠桿裝置(5)后端連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多邊界條件膨脹儀，其特征在于:所述的等剛度柔性邊界模擬單元包括量力環(huán)(14)和調(diào)節(jié)桿(15)，量力環(huán)(14)安裝于U形限制拉桿(13)內(nèi)部，量力環(huán)(14)的下端與U形限制拉桿(13)底部接觸，上端與調(diào)節(jié)桿(15)接觸;調(diào)節(jié)桿(15)穿過剛性板(11)，調(diào)節(jié)桿(15)上下移動決定量力環(huán)(14)是否受力。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多邊界條件膨脹儀，其特征在于:所述的測量機構(gòu)包括壓力傳感器(17)、第一位移傳感器(18)、第二位移傳感器(19)、測量標桿(20)和數(shù)據(jù)采集裝置;壓力傳感器(17)上部與U形限制拉桿(13)固定；第一位移傳感器(18)安裝于U形限制拉桿(13)底部，并與測量標桿(20)接觸;第二位移傳感器(19)安裝于U形限制拉桿(13)中部；數(shù)據(jù)采集裝置通過導(dǎo)線與三個傳感器相連，用于在試驗過程中對數(shù)據(jù)進行自動采集與儲存。7.利用權(quán)利要求1?6任一項所述的多邊界條件膨脹儀進行土體膨脹試驗的方法，其特征在于:可針對試驗所需的邊界條件，實現(xiàn)恒體積邊界模擬、恒應(yīng)力邊界模擬和等剛度柔性邊界模擬的自由切換;其中， 恒體積邊界模擬的控制方式為，同時控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)和第二調(diào)節(jié)螺母(16)為固定狀態(tài)；恒應(yīng)力邊界模擬的控制方式為，控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)為活動狀態(tài)，第二調(diào)節(jié)螺母(16)為固定狀態(tài)； 等剛度柔性邊界模擬的控制方式為，控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)為固定狀態(tài)，第二調(diào)節(jié)螺母(16)為活動狀態(tài)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種土體膨脹試驗的方法，其特征在于: 模擬恒體積邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)，使剛性板(11)固定于固定拉桿(9)上，然后控制第二調(diào)節(jié)螺母(16)，使U形限制拉桿(13)與剛性板(11)固定;此時，剛性板(11)和U形限制拉桿(13)受第二調(diào)節(jié)螺母(16)控制相對靜止，同時剛性板(11)受第一調(diào)節(jié)螺母(10)控制無法移動，恒體積邊界條件達成； 模擬恒應(yīng)力邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)活動，使剛性板(11)沿著固定拉桿(9)上下滑動;然后控制第二調(diào)節(jié)螺母(16)，使U形限制拉桿(13)與剛性板(11)固定;通過調(diào)節(jié)平衡錘(6)使加載裝置初始平衡，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的軸向應(yīng)力，向砝碼吊盤(4)中添加砝碼，恒應(yīng)力邊界條件達成； 模擬等剛度柔性邊界條件的具體操作為:先控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)，使上部固定框架固定;然后控制第二調(diào)節(jié)螺母(16)，使U形限φ啦桿(13)自由活動;再控制調(diào)節(jié)桿(15)，使量力環(huán)(14)上下分別與調(diào)節(jié)桿(15)、U形限制拉桿(13)接觸，此時，當(dāng)試樣吸水膨脹時，試樣僅受量力環(huán)(14)的限制作用，等剛度柔性邊界條件達成。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種土體膨脹試驗的方法，其特征在于:開展單一邊界條件下的土體膨脹試驗的步驟為: 1)制備環(huán)刀樣，將其放入載樣室(7)中，然后將載樣室(7)放置于載樣平臺(3)上； 2)根據(jù)所需的邊界條件，調(diào)節(jié)達成恒體積邊界條件、恒應(yīng)力邊界條件或等剛度柔性邊界條件； 3)在邊界條件控制基本完成后，對各部分構(gòu)件進行微調(diào)，確保壓力傳感器(17)與載樣室(7)中的試樣接觸； 4)調(diào)整第一位移傳感器(18)與測量標桿(20)接觸，同時調(diào)整第二位移傳感器(19)與U形限制拉桿(13)下部接觸，并控制數(shù)據(jù)采集裝置中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)清零； 5)設(shè)置試驗編號，向載樣室(7)中注水，開始試驗。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種土體膨脹試驗的方法，其特征在于:以“恒應(yīng)力-等剛度柔性-恒體積”為實驗路徑進行多邊界條件下的土體膨脹試驗的步驟為: 1)制備環(huán)刀樣，將其放入載樣室(7)中，然后將載樣室(7)放置于載樣平臺(3)上； 2)控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)為自由狀態(tài)，控制第二調(diào)節(jié)螺母(16)為固定狀態(tài)，使邊界條件切換為恒應(yīng)力條件； 3)調(diào)節(jié)平衡錘(6)使加載裝置初始處于水平狀態(tài)，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的軸向應(yīng)力，向砝碼吊盤(4)中添加砝碼； 4)對各部分構(gòu)件進行微調(diào)，包括調(diào)節(jié)杠桿裝置(5)使壓力傳感器(17)與載樣室(7)接觸;調(diào)整調(diào)節(jié)桿(15)，使量力環(huán)(14)與剛性板(11)脫離;調(diào)節(jié)第一位移傳感器(18)與測量標桿(20)接觸； 5)向載樣室(7)中注水，開始試驗，同時利用數(shù)據(jù)采集裝置對傳感器數(shù)據(jù)進行采集；當(dāng)軸向膨脹變形達到預(yù)設(shè)點時，控制第一調(diào)節(jié)螺母(10)為固定狀態(tài)，使剛性板(11)無法繼續(xù)向上運動； 6)控制調(diào)節(jié)桿(15)，使量力環(huán)(14)向上與調(diào)節(jié)桿(15)接觸，向下與U形限制拉桿(13)接觸;同時，調(diào)節(jié)第二位移傳感器(19)與U形限制拉桿(13)底部接觸； 7)控制第二調(diào)節(jié)螺母(16)為自由狀態(tài)，此時，試樣僅受到量力環(huán)(14)的限制作用，邊界條件切換為等剛度柔性邊界條件； 8)當(dāng)量力環(huán)(14)變形達到預(yù)設(shè)點時，控制第二調(diào)節(jié)螺母(16)為固定狀態(tài)，此時，由于受至IJU形限制拉桿(13)的作用，試樣后續(xù)產(chǎn)生的膨脹力不再對量力環(huán)(14)產(chǎn)生作用，而是直接作用于U形限制拉桿(13)上；同時，由于第一調(diào)節(jié)螺母(10)處于固定狀態(tài)，剛性板(11)無法移動，對試樣而言，邊界條件切換為恒體積邊界條件。
【文檔編號】G01N19/00GK105891105SQ201610425067
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】唐朝生, 陳志國, 徐士康, 王德銀, 王鵬, 孫凱強, 施斌
【申請人】南京大學(xué)