一种新型动力侧限压缩试验装置的制作方法

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种新型动力侧限压缩试验装置。

背景技术：

侧限压缩试验是土工试验中的常见内容，通过侧限压缩试验，测量土体的压缩性，用于分析建筑物地基沉降、路基沉降等。侧限压缩试验其常规做法是在一固定体积的钢性容器盛装土体，土体上部覆盖钢性压力板，通过砝码、杠杆组成的力臂放大结构，对土体上的压力板施加静止的压力，并通过百分表等量测设备分析其土体的压缩变形量，其具有结构简单的特点。但众所周知，真实环境中，土体上部的荷载并非一直属于静荷载，例如实际工程建设过程中，建筑物的修建中施工荷载、土体开挖导致的加卸荷载、机器振动，地基加固中的冲击碾压、路基上部的车辆移动交通荷载，储油罐液位反复升降，这些均属于动力荷载，这些地方的地基所受荷载均是动力荷载，现有常规土工试验装置无法完成动力加载，不能模拟工程实际中的动力复杂状况。此外，环境荷载，例如临海和沿海区域，由于潮汐作用，水位的波动也会导致地基发生沉降，可见环境水动力对地基的作用也需进行考虑；同时在一些降雨和蒸发频繁的地区，由于干湿循环对于土体自身性质的改变，也会导致地基的沉降变形，可见这些环境荷载下的地基沉降变形也是十分重要的岩土工程问题，现有的侧限压缩装置不具备进行环境荷载作用下的侧限压缩试验功能。同时多数侧限压缩装置，多采用机械传力结构，通过杠杆、砝码的作用施加荷载，由于砝码自身较为笨重，且加卸存在时差不准、杠杆自身摆动等问题在操作上也较为不便，本发明装置提供了一种能够对侧限压缩盒体施加复杂的动力荷载的侧限压缩装置，并且采用气动作为压力源，具有调压简单快捷，采集时效性高的特点。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了在侧限压缩试验中，进行多种动力加载，并模拟工程实际中的复杂状况，提供一种更能真实反应土体受力状态，可测定土体在外部荷载作用下其压缩特性变化的可加载的压缩装置。

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种新型动力侧限压缩试验装置，包括压缩仪和用于监测试样位置变化的位移测量模块，其特征在于：还包括竖向载荷加载模块、水位波动模块、干湿循环模块和试样变形监测模块；

所述的压缩仪包括圆柱形的试验盒和用于固定试验盒和竖向载荷加载模块的支架，试验盒内从上到下依次设有加载盖、顶部透水石、试样和底部透水石，所述的试验盒为带有筒底的透明圆筒，试验盒底部设有连通筒体内外的进水口；

所述竖向载荷加载模块设置在压缩仪顶部，用于为试样提供竖向荷载；

所述水位波动模块连接在压缩仪一侧，用于模拟潮汐荷载；

所述干湿循环模块与压缩仪底部连接，用于模拟降雨和蒸发；

所述试样变形监测模块设置在压缩仪侧边，用于观测并记录试样在实验过程中的变形。

所述竖向载荷加载模块的载荷为冲击动荷载、恒静压荷载或者循环静荷载。现有的压缩仪只能测定静压荷载下的土体压缩性能，而无法测定冲击动荷载和循环静荷载下的土体压缩性能，实际工程中，土体所受的荷载复杂多变，和现有的压缩仪测量结果存在一定差别；本发明可测定土体在冲击动荷载、恒静压荷载或者循环静荷载下的压缩性能，所得结果更接近实际工程。

所述竖向载荷加载模块的载荷为冲击动荷载时的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源、时间继电器和电磁阀依次电路连接；还包括依次气路连通的空气压缩机、气压调压阀、气缸开关和气缸，所述电磁阀安装在气缸开关上，用于控制气缸开关，所述气缸与压缩仪顶部连接。实际工程中土体经常受到竖向的冲击动荷载，如夯击过程等，此时土体的压缩性能与静压时存在差距，而现有的压缩仪无法对这一条件下的土体压缩性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加竖向冲击动荷载，并且测定其压缩性能，结果更接近实际工程。

所述竖向载荷加载模块的载荷为恒静压荷载时的具体结构为：包括依次气路连通的空气压缩机、气压调压阀、气缸开关和气缸，所述气缸开关上设置有控制气缸开关的电磁阀，所述气缸与压缩仪顶部连接。现有的压缩仪采用砝码的加减来改变荷载大小，加载级数有限，操作费时费力，并且由于砝码的长期使用容易造成较大的误差；本发明采用气动加载，由调压阀调节荷载大小，操作简便，加载更准确。

所述竖向载荷加载模块的载荷为循环静荷载时的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源、电气比例阀和函数信号发生器；还包括依次气路连通的空气压缩机、气压调压阀、电气比例阀和气缸，所述气缸与压缩仪顶部连接。实际工程中土体经常受到循环静荷载，如来回碾压过程等，此时土体的压缩性能和静载时存在差别，而现有的压缩仪无法对这一条件下的压缩性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加循环静荷载，并且测定其压缩性能，结果更接近实际工程。

所述水位波动模块包括水箱，所述水箱底部连接有平板状的升降台，所述升降台底部连接有电动推杆，所述电动推杆由驱动器驱动，并由控制器控制，所述水箱为圆筒状结构，水箱侧壁从上至下依次设置有水箱进水口、水箱溢水口和水箱出水口，所述水箱出水口与压缩仪的进水口连接。现有的压缩仪仅能从上部加水，无法控制土体的水位变化，而现实工程中，土体中的水位经常发生变化；为解决这一问题，本发明通过水位波动模块实现对土体内水位变化进行控制，更接近实际工程中土体的环境变化。

所述干湿循环模块包括PID温控系统和三通阀门，所述三通阀门一端用于连接压缩仪的进水口，一端与PID温控系统连接，另一端用于连接水位波动模块的水箱出水口。实际工程中土体经常受到雨淋和日嗮，土体经历了干湿的循环变化，此时土体的压缩性能可能会发生变化，而现有的压缩仪无法对这一条件下的压缩性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加干湿循环，用来模拟降雨和蒸发导致的土体含水量变化，并且测定其压缩性能的变化，结果更接近实际工程。

所述试样变形监测模块包括高清摄像头和一对呈一定角度连接的平面镜，所述高清摄像头和平面镜相对布置，设置在压缩仪两侧。现有压缩仪无法监测试验过程中土体的变形，本发明能实时监测试验过程中的土体的形变，为不同的环境因素对土体的压缩性能影响提供试验依据。

所述位移测量模块包括位移计和铁板；所述位移计为标准件，固定在支架上，其测量端和铁板相连，输出端和计算机相连，所述铁板水平放置，和加载盖相连。

本发明具有如下优点：

1、通过竖向荷载模块对试样施加冲击动荷载、恒静压荷载和循环静荷载。和传统压缩装置相比，本发明具备多种竖向荷载施加功能，可以对试样进行多种方式的压缩试验，得出荷载的大小、频率、时间和加载方式对试样压缩性能的影响；传统压缩装置仅由砝码进行逐级静压加载。

2、本发明可对试样进行干湿循环，用来模拟降雨和蒸发。和传统压缩装置相比，本发明可以对试样干湿循环前后压缩性能进行对比，得出干湿循环的次数、频率和时间对试样压缩性能的影响；传统压缩装置仅能测得放样时的试样压缩性能，和自然环境下存在一定区别。

3、本发明可对试样进行水位波动，用来模拟潮汐的涨落。和传统压缩装置相比，本发明可以对试样水位波动循环前后压缩性能进行对比，得出水位波动循环的次数、频率和时间对试样压缩性能的影响；传统压缩装置仅能测得放样时的试样压缩性能。

4、本发明可观察试样在试验过程中的形变。本发明通过试样变形监测模块对试样在竖向荷载，干湿循环，水位波动过程中的试样形变进行观察。可清楚的看见试样的变化。而传统压缩装置无法观察记录试样的变形。

5、本发明可以更精确的测量试验数据，通过位移测量模块与计算机连接采集和记录试验数据，和传统压缩装置相比，本发明采用电脑采集，可以采集连续的数据变化，传统压缩装置只能由人工读数。

附图说明

图1为装置整体结构示意图；

图2为压缩仪结构示意图；

图3为竖向冲击荷载加载结构连接方式示意图；

图4为竖向恒压静荷载加载结构连接方式示意图；

图5为竖向循环静压荷载加载结构连接方式示意图；

图6为水位波动模块结构示意图；

图7为PID温控系统结构示意图；

图8为三通阀结构示意图；

图9为干湿循环模块结构示意图；

图10为试样变形监测模块结构示意图；

图11为位移测量模块结构示意图；

其中：100—压缩仪、 101—试验盒、102a—顶部透水石、102b-底部透水石、103—加载盖、104—出水口、105—支架；200—竖向荷载加载模块， 210-气压系统， 211—空气压缩机、212—气压调压阀、213—气缸开关、214—气缸，221—直流电源、222—电气比例阀、223—函数信号发生器、224—电磁阀、225—时间继电器；300—水位波动模块，301—水箱、302—升降台、303—电动推杆、304—驱动器、305—控制器；400—干湿循环模块，410—PID温控系统，411—风机、412—电热丝、413—温控开关；420—三通阀门；500—试样变形监测模块，501—高清摄像头、502—平面镜；600—位移测量模块，601—位移计、602—铁板。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示的一种新型动力侧限压缩试验装置，包括压缩仪100和用于监测试样位置变化的位移测量模块600，其特征在于：还包括竖向载荷加载模块200、水位波动模块300、干湿循环模块400和试样变形监测模块500；

1、压缩仪

如图2所示，压缩仪100包括圆柱形的试验盒101和支架105，试验盒101内从上到下依次设有顶部透水石102a、试样、底部透水石102b和加载盖103，所述的试验盒101为带有筒底的透明圆筒，试验盒101底部设有连通筒体内外的进水口104。

压缩仪100的工作原理：水从压缩仪100进水口104进入，实现水位波动和干湿循环；通过竖向加载模块200作用在加载盖103上的载荷，对试样进行压缩试验。

2、竖向载荷加载模块

如图3-5所示，竖向载荷加载模块200包括相互连接的气压系统210和气压电路控制系统；气压电路控制系统控制气压系统210。

1）气压系统210

所述的气压系统210包括依次连接的空气压缩机211、气压调压阀212、气缸开关213和气缸214。

2）气压电路控制系统

所述的气压电路控制系统包括直流电源221、电气比例阀222、函数信号发生器223、电磁阀224和时间继电器225；

具体实施方式如下：气压系统210提供动力源，通过加载盖103施加到透水石102和试样上；气压电路控制系统控制加载方式、施加大小和施加时间；通过冲击荷载连接方式、恒压静压荷载连接方式和循环静压荷载连接方式三种气路电路连接方式可以对试样施加冲击荷载、恒静压荷载和循环静压荷载。

其中，竖向载荷加载模块200的载荷为冲击动荷载时，如图3所示的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源221、时间继电器225和电磁阀224依次电路连接；还包括依次气路连通的空气压缩机211、气压调压阀212、气缸开关213和气缸214，电磁阀224安装在气缸开关213上，用于控制气缸开关213，气缸214与压缩仪100顶部连接。所述冲击荷载连接方式工作原理为：电磁阀224由时间继电器225控制，时间继电器225可通过时间控制电磁阀224的通断，从而控制气缸214的伸缩；

当竖向载荷加载模块200的载荷为恒静压荷载时，如图4所示的具体结构为：包括依次气路连通的空气压缩机211、气压调压阀212、气缸开关213和气缸214，所述气缸开关213上设置有控制气缸开关的电磁阀224，所述气缸214与压缩仪100顶部连接。所述恒压静压荷载连接方式工作原理为：气压调压阀212可调节空气压缩机211的输出压力，从而施加静荷载。

当竖向载荷加载模块200的载荷为循环静荷载时，如图6所示的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源221、电气比例阀222和函数信号发生器223；还包括依次气路连通的空气压缩机211、气压调压阀212、电气比例阀222和气缸214，所述气缸214与压缩仪100顶部连接。所述循环静压荷载连接方式工作原理为：函数信号发生器213的作用是提供变化的电压信号；电气比例阀222的作用是在接受电压信号后改变输出空气压力值的大小，其特点是随着电压信号的线性变化，提供线性变化的空气压力；循环静压荷载连接方式可由函数信号发生器223控制循环荷载的大小与周期。

3、水位波动模块

如图6所示，水位波动模块300包括水箱301，所述水箱301底部连接有平板状的升降台302，所述升降台302底部连接有电动推杆303，所述电动推杆303由驱动器304驱动，并由控制器305控制，所述水箱301为圆筒状结构，水箱侧壁从上至下依次设置有水箱进水口310a、水箱溢水口310b和水箱出水口310c，所述水箱出水口310c与压缩仪100的进水口104连接。电动推杆303为通用件，电动推杆303下部和水平面固定，电动推杆303的升降由驱动器304和控制器305控制。

通过驱动器304和控制器305可实现定时，定距离的水箱301升降，水箱溢水口301b高为水箱301的水位高度，水箱进水口301a与实验室供水管相连，水箱出水口301c与压缩仪100的进水口104相连，可为试验压缩系数的测量试验提供固定水位；水箱出水口301c与压缩仪的进水口104相连，可实现试样的水位波动。

4、干湿循环模块

如图7、8、9所示，干湿循环模块400包括PID温控系统410和三通阀门420，所述三通阀门420一端用于连接压缩仪100的进水口104，一端与PID温控系统410连接，另一端用于连接水位波动模块的水箱出水口310c。

所述PID温控系统410为一加热系统，包括风机411，电热丝412，温控开关413；

风机411通电时可向前吹出空气，并可调节风力大小；风机内装有电热丝412，可加热空气，使风机411吹出一定温度的空气；温控开关413可控制吹出空气的温度。

干湿循环模块工作原理：打开压缩仪100进水口104和水位波动模块水箱301c的阀门时，水箱301中的水流入压缩仪中，使试样饱和；打开压缩仪100进水口104和PID温控系统410的阀门时，PID温控系统410向压缩仪100中吹入一定温度的空气，使得试样中的水分蒸发，从而实现干湿循环。

5、试样变形监测模块

如图10所示，试样变形监测模块500包括高清摄像头501和一对呈一定角度连接的平面镜502，所述高清摄像头501和平面镜502相对布置，设置在压缩仪100两侧。

高清摄像头501放置在压缩仪100前方，利用平面镜502，可拍摄试验过程中试样A各个方向的变形。

试样变形监测模块工作原理：通过高清摄像头501记录试样各个方向的变形，便于观察。

6、位移测量模块600

如图11所示，位移测量模块600包括位移计601和铁板602；所述位移计601为标准件，固定在支架105上，其测量端和铁板602相连，输出端和计算机相连；所述铁板602水平放置，和加载盖103相连；

位移测量模块600工作原理：位移测量模块600可以测量试样的竖向位移，铁片602和加载盖103固定，当试样A下沉时，铁板602随之下降，下降距离由位移计601采集。

本发明模拟潮汐的水位波动、降雨和蒸发的干湿循环、为试样提供竖向荷载和压缩变形测量方法：

1、水位波动方法

水箱出水口301c和压缩仪进水口104相连，水箱进水口301a和实验室供水管相连；通过控制器304设置电动推杆303伸缩的距离和时间，使压缩仪100内试样的水位随水箱301的升降发生变化；水位的变化可通过透明的试验盒101观察。

2、干湿循环方法

三通阀门420一端连接压缩仪进水口104，一端连接PID温控系统410，一端连接水位波动模块出水口301c，水位波动模块300提供一定的水压。

打开压缩仪进水口104和水位波动模块出水口301c的阀门时，水箱301中的水流入压缩仪100中，使试样饱和；打开压缩仪进水口104和PID温控系统410的阀门时，PID温控系统410向压缩仪100中吹入一定温度的空气，使得试样中的水分蒸发，从而实现干湿循环。

3、竖向荷载施加方法

竖向荷载施加有三种方式：竖向冲击荷载，竖向恒静压荷载和竖向循环静压荷载。

1）竖向冲击荷载

按竖向冲击荷载连接方式连接，时间继电器225和气缸开关213，电磁阀224组成定时电控开关线路如图3，可以根据冲击荷载频率，控制电磁阀224的通断时间，从而间接控制气缸开关213，进一步控制气缸214活塞的伸出和回缩时间，以模拟环境中的冲击荷载。

2）竖向恒静压荷载

如图4，按竖向恒静压荷载连接方式连接，打开空气压缩机211，通过气压调压阀212设置好所需空气压力值，气动加载系统开始工作，气缸214在空气压力的推动下对试样A施加静荷载，如需在一段时间后调整气缸214压力值大小，只需调节调压阀，使其达到对应的压力值即可。

3）竖向循环静压载荷

按竖向循环静压荷载连接方式连接，如图6，所需线性电控开关施加荷载的主要原理是：直流电源221给电气比例阀222供电。电气比例阀222可在外部电压信号作用下改变通过开关的气流气压值大小。

函数信号发生器223的作用是输出一个线性变化的电压信号，电压信号作用于电气比例阀222。

通过人为设定信号发生器223的电压变化函数，进一步通过电气比例阀222控制输入到气缸214的压力值大小，实现线性荷载的施加。

4、压缩变形测量方法

断开试验盒101的进水口104处的连接，使试样中的水可以从进水口104自由流出；将竖向加载模块200安装在支架105上，活动端与加载盖103相连，将铁板602与加载盖103相连，将位移计601安装在支架105上，其测量端与铁板602相连，输出端连接到计算机上；打开试样变形监测模块500上的高清摄像头501；设置竖向加载模块200后开始加载，由试样变形监测模块500记录试样A的变形，由位移测量模块600记录试样A的竖向位移。

本发明的优点如下：

1、通过竖向荷载模块对试样施加冲击动荷载、恒静压荷载和循环静荷载。和传统压缩装置相比，本发明具备多种竖向荷载施加功能，可以对试样进行多种方式的压缩试验，得出荷载的大小、频率、时间和加载方式对试样压缩性能的影响；传统压缩装置仅由砝码进行逐级静压加载。

2、本发明可对试样进行干湿循环，用来模拟降雨和蒸发。和传统压缩装置相比，本发明可以对试样干湿循环前后压缩性能进行对比，得出干湿循环的次数、频率和时间对试样压缩性能的影响；传统压缩装置仅能测得放样时的试样压缩性能，和自然环境下存在一定区别。

3、本发明可对试样进行水位波动，用来模拟潮汐的涨落。和传统压缩装置相比，本发明可以对试样水位波动循环前后压缩性能进行对比，得出水位波动循环的次数、频率和时间对试样压缩性能的影响；传统压缩装置仅能测得放样时的试样压缩性能。

4、本发明可观察试样在试验过程中的形变。本发明通过试样变形监测模块对试样在竖向荷载，干湿循环，水位波动过程中的试样形变进行观察。可清楚的看见试样的变化。而传统压缩装置无法观察记录试样的变形。

5、本发明可以更精确的测量试验数据，通过位移测量模块与计算机连接采集和记录试验数据，和传统压缩装置相比，本发明采用电脑采集，可以采集连续的数据变化，传统压缩装置只能由人工读数。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。