专利名称：土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪。
背景技术：
墙后膨胀土吸水膨胀受限，常常膨胀力过大发生破坏，造成巨大的经济损失，而采用土工格栅加筋柔性支护处治却很有效，主要是因柔性支护允许膨胀土吸水膨胀，膨胀力大为减小。如何确定膨胀土竖、径向膨胀力与有无竖、径向变形条件下的变化规律显得尤为重要。我国最新公路土工试验规程(JTG E40-2007)的膨胀力试验和膨胀率试验，均采用单轴固结仪测试，其仅能测定试样在有侧限条件下的膨胀力和膨胀率，而对于需要考虑径向 (侧向)发生位移情况下进行膨胀力及膨胀率的试验来说却无能为力。例如，柔性支护处治膨胀土边坡，需要测试允许膨胀土吸水膨胀产生竖向与径向变形情况下的膨胀力与膨胀率，以对现实情况进行模拟。现有测试仪器，单轴固结仪及其附属配件，包括量表架；钢珠；加压上盖；透水石；环刀；护环；水槽；百分表；天平；秒表等。该测试仪器测试精度不高、人工加荷载、人工采集数据、无法测试径向膨胀率及膨胀力(交通部公路科学研究院中华人民共和国行业标准-公路土工试验规程(JTG E40-2007). 2007. 9 =314-324)。现有技术方案(膨胀力试验):按照规范制样和装样，进行预紧，安装百分表，调节指针位置，加入蒸馏水，随后再加入铁砂，称余砂重，最后换算为膨胀力(JTG E40-2007). 2007. 9 =314-324) 0现有技术方案存在以下缺点仅能测试有侧限条件下的竖向膨胀力和膨胀变形。无法考虑无侧限或者定量侧限条件下膨胀力和膨胀量的量测。人工量取余砂，不够精确；需人工记录试验结果，对数据的处理时间周期长。
发明内容
本发明目的是提供一种测试竖向与径向膨胀力与膨胀率的试验仪，解决了常规膨胀力与膨胀率试验仪的上述不足，可用于土体吸水后在有或无侧限条件下竖、径向膨胀力与膨胀变形的试验研究。本发明的技术方案如下一种测试土壤竖向与径向膨胀力与膨胀变形的试验仪，该试验仪包括降低摩擦力装置、试样护环部件、围压及径向变形测试部件、竖向压力与变形测试部件、数据采集仪；降低摩擦力装置位于浸水槽中，试样护环部件置于浸水槽中央的降低摩擦力装置上；数据采集仪位于通过数据线与竖向压力与变形测试部件、围压及径向变形测试部件中的传感器连接，将采集到的数据输送到电脑。所述的试验仪，竖向压力与变形测试部件包括圆形球座(20)、竖向推杆电机
(19)、竖向位移推杆(18)、竖向力传感器(17)、竖向位移安装架(14)、带孔压头(15)、竖向位移传感器(16);圆形球座(20)通过螺栓与反力架(I)连接、圆形球座(20)连接竖向推杆电机(19)，竖向推杆电机(19)连接竖向位移推杆(18)、竖向位移推杆(18)下部连接竖向力传感器(17)，竖向力传感器(17)下部连接竖杆(31)，竖杆(31)插入带孔压头(15)再通过透水石将力作用于试样上，带孔压头(15)上部有一水平杆(33)，竖向位移传感器(16)安装在竖向位移安装架(14)上，竖向位移传感器(16)的顶针置于水平杆(33)端部，竖向位移安装架(14)固定在底座(2)上。所述的试验仪，降低摩擦力装置包括横向滑动底座(5)、纵向滑动块(4)、横向直线导轨(24)、围压测试底座(21)、万向平面轴承保持架(22)、滚珠(23);横向滑动底座(5)固定在底座(2)上，纵向滑动块(4)和横向直线导轨(24)可在底座(2)的平面内实现X、Y向自由移动；围压测试底座(21)固定在浸水槽中央，其上为万向平面轴承保持架(22)，万向平面轴承保持架(22)厚度小于滚珠(23)的直径，滚珠(23)放置在万向平面轴承保持架 (22)中承受围压外环块组件(13)和四块围压内环块组件(25)的重量；万向平面轴承保持架(22)在滚珠(23)的滚动下可相对于围压测试底座(21)任意运动，滚珠(23)穿过万向平面轴承保持架(22)接触围压测试底座(21)。所述的试验仪，试样护环部件包括四块围压外环块组件(13)和四块围压内环块组件(25);围压外环块组件(13)间通过螺栓(26)连接，其中两块围压外环块组件(13)带有延伸杆(32)，通过延伸杆(32)与右侧弓形施力杆(9)和左侧弓形施力杆(27)接触、传递荷载，每个围压内环块组件(25)有一突出圆端，突出圆端镶入围压外环块组件(13)的凹圆中传递荷载，且围压内环块组件(25)的突出圆端在试验过程中能自动调整位置，始终保持试样为圆形；所述的试验仪，围压及径向变形测试部件包括左侧弓形施力杆(27)、右侧弓形施力杆(9)、围压推杆(8)、围压推杆电机(7)、围压力传感器(10)、围压位移传感器(11)、围压测力弓(6);左侧弓形施力杆(27)右侧下部通过螺栓与围压外环块组件(13)的延伸杆
(32)连接，右端上部安装围压位移传感器(11)，围压位移传感器(11)顶针顶着右侧弓形施力杆(9)左侧上部、右侧弓形施力杆(9)下部左端通过螺栓与围压外环块组件(13)的延伸杆(32)连接，右侧弓形施力杆(9)右侧为一带孔构件，围压推杆(8)放置在带孔构件中，由围压推杆电机(7)推动左右移动，围压测力弓(6)右端与围压推杆电机(7)连接，左端与围压力传感器(10)连接。本发明的膨胀力试验仪主要可实现以下测试竖向及径向位移不变，试样饱和过程中，测试竖向和径向膨胀力，获得它们的变化规律；径向位移不变或变化，试样饱和过程中，测试不同竖向位移条件下竖向和径向膨胀力；测试不同竖向压力条件下竖向膨胀位移及径向膨胀力，获得它们的变化规律；竖向位移不变或变化，试样饱和过程中，测试不同径向位移条件下竖向和径向膨胀力；测试不同径向压力条件下竖向膨胀力及径向膨胀位移，获得它们的变化规律。
图I本发明膨胀力试验仪示意图；图2本发明降低摩擦力装置示意图；图3本发明围压及径向变形测试部件示意图；图4本发明环刀组件示意图5围压力测试原理示意图；I-反力架、2-底座、3-调节水平螺母、4-纵向滑动块、5-横向滑动底座、6-围压测力弓、7-围压推杆电机、8-围压推杆、9-右侧弓形施力杆、10-围压力传感器、11-围压位移传感器、12-水槽、13-围压外环块组件、14-竖向位移安装架、15-带孔压头、16-竖向位移传感器、17-竖向力传感器、18-竖向位移推杆、19-竖向推杆电机、20-圆形球座、21-围压测试底座、22-万向平面轴承保持架、23-滚珠、24-横向直线导轨、25-围压内环块组件、26-螺栓、27-左侧弓形施力杆、28-试样环刀片、29-环形箍、30-环形箍小螺栓、31-接竖杆、32-延伸杆、33-水平杆。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。实施例I本发明提供了一种测试土壤竖向与径向膨胀力与膨胀变形的试验仪，该试验仪包括降低摩擦力装置(图2)、试样护环部件(图3)、围压及径向变形测试部件(图3)、竖向压力与变形测试部件、数据采集仪；降低摩擦力装置位于浸水槽中，试样护环部件置于浸水槽中央的降低摩擦力装置上，通过围压外环块组件13的延伸杆32与围压及径向变形测试部件连接；数据采集仪位于外部，通过数据线与各传感器连接；数据采集仪通过数据线与电脑连接。
降低摩擦力装置又称“浮动”装置，其可有效地消除围压测试过程中试样护环部件与周围构件间的摩擦力，使试样只受施加围压力的作用。降低摩擦力装置包括横向滑动底座5、纵向滑动块4、横向直线导轨24、围压测试底座21、万向平面轴承保持架22、滚珠23。横向滑动底座5固定在底座2上，纵向滑动块4和横向直线导轨24可在底座2的平面内实现X、Y向自由移动；围压测试底座21固定在浸水槽中央，其上为万向平面轴承保持架22 (其厚度小于滚珠直径)，滚珠23放置在万向平面轴承保持架22中承受围压外环块组件13和四块围压内环块组件25的重量；万向平面轴承保持架22在滚珠23的滚动下可相对于围压测试底座21任意运动，滚珠23穿过万向平面轴承保持架22接触围压测试底座21。参考图3，试样护环部件包括四块围压外环块组件13和四块围压内环块组件25。围压外环块组件13间通过螺栓26连接，其中两块围压外环块组件13带有延伸杆32，通过延伸杆32与右侧弓形施力杆9和左侧弓形施力杆27接触、传递荷载，每个围压内环块组件25有一突出圆端，突出圆端镶入围压外环块组件13的凹圆中传递荷载，且围压内环块组件25的突出圆端在试验过程中能自动调整位置，4个围压内环块组件25都有一圆端与外环块连接，且4个围压内环块组件25之间有少许间隙，在试件吸水膨胀时，围压内环块组件25可绕圆端自动调整，始终保持试样为圆形。围压及径向变形测试部件包括左侧弓形施力杆27、右侧弓形施力杆9、围压推杆8、围压推杆电机7、围压力传感器10、围压位移传感器11、围压测力弓6。左侧弓形施力杆27右侧下部通过螺栓与围压外环块组件13的延伸杆32连接，右端上部安装围压位移传感器11，围压位移传感器11顶针顶着右侧弓形施力杆9左侧上部、右侧弓形施力杆9下部左端通过螺栓与围压外环块组件13的延伸杆32连接，右侧弓形施力杆9右侧为一带孔构件，围压推杆8放置在带孔构件中，由围压推杆电机7推动左右移动，围压测力弓6右端与围压推杆电机7连接，左端与围压力传感器10连接。竖向压力与变形测试部件包括圆形球座20、竖向推杆电机19、竖向位移推杆18、竖向力传感器17、竖向位移安装架14、带孔压头15、竖向位移传感器16。圆形球座20通过螺栓与反力架I连接、圆形球座20连接竖向推杆电机19，竖向推杆电机19连接竖向位移推杆18、竖向位移推杆18下部连接竖向力传感器17，竖向力传感器17下部连接竖杆31，竖杆31插入带孔压头15再通过透水石将力作用于试样上，带孔压头15上部有一水平杆33，竖向位移传感器16安装在竖向位移安装架14上，其顶针置于水平杆33端部，竖向位移安装 架14固定在底座2上。围压力测试原理如图5所示，Fh为膨胀力合力水平分量dFH = QwBrd 0 COS 0
! fFh = ^QwBrcosOdd = QwBr ^cosddO = 2QwBr = QwBD(I)
-f -igw——围压强；0——角度L——试样中心与两端转轴中心的距离B——试件厚度；r——试件半径；D——试件直径。对转动轴0点，由平衡条件E M。= 0得2LFt = LFhBP Fh = 2Ft (2)结合公式(I)和(2)得
2FQw=J^式中Ft通过试验获得。实施例2该仪器使用方法I. 土样试件制备土样过2mm的筛,按照预定含水率配土,拌合均勻,用塑料袋闷料一昼夜。将特殊的试验环刀片28 (四小瓣连在一起)并用I号环形箍29箍紧，拧上环形箍小螺栓30，内部涂抹凡士林称取质量nv把组装好的试验环刀片28放入静压制样筒中，称取一定量已配制好的土样，分三次等量加入筒中，用小刀轻轻插捣并抹平表面，轻轻振捣试筒几下，使土样稍紧密。平抚击实筒，至CBR击实仪的底座旁边，调节CBR指针使其归零，电动调节CBR旋钮(先下降，后上升)，使CBR重锤落入制样筒里。当CBR重锤底部完全和制样筒接触后，CBR读数开始变化，接近预定高度时，停止电动，改用手动调节CBR旋钮使其达到预定高度，并维持该高度不变直至CBR读数稳定(约20分钟)。电动调节CBR旋钮，使其下降取出装有试验环刀片28的静压制样筒，取出试验环刀片28，按照常规方法先削平刀口面的土样，称取削平后的环刀+土样质量随后用保鲜膜包好。2.试件装夹、预紧及测试过程
打开膨胀特性测试窗口，开启测控箱电源；点击‘左移’ ‘右移’按钮调节围压推杆电机7正转、反转控制围压环延伸杆32的开合，保证带箍环刀试样能轻松插入围压内环块组件25即可；在底座2放入围有橡胶环的透水石，将带箍环刀试样插入围压内环块组件25里，并旋转至四瓣试验环刀片28结合缝与四块围压内环块组件25的缝对齐，适当松开环形箍螺栓30方便四瓣试样环刀片28在底部滑离环形箍28 ;在试件的上部放置带孔压头15，用手左右移动围压环使带孔压头15的中心与竖向位移推杆18重合，按‘下移’按钮将土样试件压入围压内环组件25中；按‘上移’按钮使正压施力杆上移取出带孔压头15，再放入围有橡胶环的透水石；将带孔压头15放置于透水石上，下调竖向位移推杆18，试件装夹完毕；根据‘运行状态监控’栏里的提示，设置正压和围压的预紧强度然后按‘正压预紧’ ‘围压预紧’按钮，并正确进行测试模式、测试条件参数、终止条件的参数设置；待‘运行状态监控’栏里显示“准备完毕”时，即可点击‘测试启动’按钮进行测试，并在测试启动的同时往水槽里加水；在测试启动刚开始的一段时间内，测试人员要密切注意压强和位移变化，没有大的波动后方能离开。 3.清理和整理工作待读数稳定后，点击‘测试停止’按钮，并将试件松开；打开排水阀，待水流完后，取出透水石及土样；关闭主机和仪器电源；应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种测试土壤竖向与径向膨胀力与膨胀变形的试验仪，其特征在于，该试验仪包括降低摩擦力装置、试样护环部件、围压及径向变形测试部件、竖向压力与变形测试部件、数据采集仪；降低摩擦力装置位于浸水槽中，试样护环部件置于浸水槽中央的降低摩擦力装置上；数据采集仪位于通过数据线与竖向压力与变形测试部件、围压及径向变形测试部件中的传感器连接，将采集到的数据输送到电脑。
2.根据权利要求I所述的试验仪，其特征在于，竖向压力与变形测试部件包括圆形球座(20)、竖向推杆电机(19)、竖向位移推杆(18)、竖向力传感器(17)、竖向位移安装架(14)、带孔压头(15)、竖向位移传感器(16);圆形球座(20)通过螺栓与反力架(I)连接、圆形球座(20)连接竖向推杆电机(19)，竖向推杆电机(19)连接竖向位移推杆(18)、竖向位移推杆(18)下部连接竖向力传感器(17)，竖向力传感器(17)下部连接竖杆(31)，竖杆(31)插入带孔压头(15)再通过透水石将力作用于试样上，带孔压头(15)上部有一水平杆(33)，竖向位移传感器(16)安装在竖向位移安装架(14)上，竖向位移传感器(16)的顶针置于水平杆(33)端部，竖向位移安装架(14)固定在底座(2)上。
3.根据权利要求I所述的试验仪，其特征在于，降低摩擦力装置包括横向滑动底座(5)、纵向滑动块(4)、横向直线导轨(24)、围压测试底座(21)、万向平面轴承保持架(22)、滚珠(23);横向滑动底座(5)固定在底座(2)上，纵向滑动块⑷和横向直线导轨(24)可在底座(2)的平面内实现X、Y向自由移动；围压测试底座(21)固定在浸水槽中央，其上为万向平面轴承保持架(22)，万向平面轴承保持架(22)厚度小于滚珠(23)的直径，滚珠(23)放置在万向平面轴承保持架(22)中承受围压外环块组件(13)和四块围压内环块组件(25)的重量；万向平面轴承保持架(22)在滚珠(23)的滚动下可相对于围压测试底座(21)任意运动，滚珠(23)穿过万向平面轴承保持架(22)接触围压测试底座(21)。
4.根据权利要求I所述的试验仪，其特征在于，试样护环部件包括四块围压外环块组件(13)和四块围压内环块组件(25);围压外环块组件(13)间通过螺栓(26)连接，其中两块围压外环块组件(13)带有延伸杆(32)，通过延伸杆(32)与右侧弓形施力杆(9)和左侧弓形施力杆(27)接触、传递荷载，每个围压内环块组件(25)有一突出圆端，突出圆端镶入围压外环块组件(13)的凹圆中传递荷载，且围压内环块组件(25)的突出圆端在试验过程中能自动调整位置，始终保持试样为圆形。
5.根据权利要求I所述的试验仪，其特征在于，围压及径向变形测试部件包括左侧弓形施力杆(27)、右侧弓形施力杆(9)、围压推杆(8)、围压推杆电机(7)、围压力传感器(10)、围压位移传感器(11)、围压测力弓￠);左侧弓形施力杆(27)右侧下部通过螺栓与围压外环块组件(13)的延伸杆(32)连接，右端上部安装围压位移传感器(11)，围压位移传感器(11)顶针顶着右侧弓形施力杆(9)左侧上部、右侧弓形施力杆(9)下部左端通过螺栓与围压外环块组件(13)的延伸杆(32)连接，右侧弓形施力杆(9)右侧为一带孔构件，围压推杆(8)放置在带孔构件中，由围压推杆电机(7)推动左右移动，围压测力弓(6)右端与围压推杆电机(7)连接，左端与围压力传感器(10)连接。
全文摘要
本发明公开了一种测试土壤竖向与径向膨胀力与膨胀变形的试验仪，该试验仪包括降低摩擦力装置、试样护环部件、围压及径向变形测试部件、竖向压力与变形测试部件、数据采集仪；降低摩擦力装置位于浸水槽中，试样护环部件置于浸水槽中央的降低摩擦力装置上；数据采集仪位于通过数据线与竖向压力与变形测试部件、围压及径向变形测试部件中的传感器连接，将采集到的数据输送到电脑。可以用于以下测试竖向及径向位移不变，试样饱和过程中，测试竖向和径向膨胀力，获得它们的变化规律；径向位移不变或变化，试样饱和过程中，测试不同竖向位移条件下竖向和径向膨胀力等等。
文档编号G01N19/00GK102636427SQ20121008103
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者刘艳强, 唐咸远, 李晗峰, 李艳艳, 杨和平, 肖杰 申请人:长沙理工大学
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