一种细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置

1.本实用新型涉及岩土力学与工程领域，具体涉及一种细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置及其试验方法，适用但不限于研究各种类型土的固结、胀缩及干湿循环特性。


背景技术：

2.细粒土由于含水率增加面发生体积增大的性能，称膨胀性；由于土中失去水分而体积缩小的性能，称收缩性。细粒土中含水率的增加与减小主要是由外部因素引起的，如降水、地表水与地下水的变化、气温及湿度的变化等。细粒土的胀缩性对工程建筑物的影响很大，土体的膨胀和收缩不仅降低了土体的强度，面且引起土体变形，导致建筑物的毁坏。由细粒土所组成的斜坡，常因土体的膨胀发生滑坡，给工程带来危害。因此，研究细粒土的胀缩性在工程实践中有重要意义。在工程施工中，建造在含水量保持不变的膨胀土上的构造物不会遭受由胀缩而引起的破坏。当土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微变化，仅1％～2％的量值，就足以引起有害的膨胀。深入了解细粒土的胀缩特性是解决细粒土胀缩导致的工程问题的关键。细粒土的胀缩性受其固结程度和干湿循环变化情况的影响很大，研究不同干湿循环条件下细粒土的固结和胀缩是了解细粒土胀缩性的关键。
3.目前相关的试验装置，都存在以下缺点：
4.(1)本实用新型的细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置，前细粒土的固结试验、膨胀试验、收缩试验及干湿循环试验均是在不同的试验设备中单独完成，试验与试验之间并不连续，且需要反复的取样装样，多次扰动土体，试验结果误差较大；
5.(2)目前细粒土的膨胀试验只测量膨胀过程中试样垂直方向的变化，并不测量水平方向的变化；
6.(3)目前细粒土的收缩试验，大多只测量土体垂直方向上的收缩，不能测量土体收缩过程中的实时体积变化；
7.(4)目前细粒土的胀缩试验装置大多不能调节侧向压力的大小，不能模拟不同工程条件下土体的不同应力状态。因此，有必要设计一种高效的细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置，系统的完成细粒土的固结胀缩及干湿循环试验，测得不同干湿循环条件下土体的固结性及胀缩性，从而为细粒土的胀缩性研究提供进一步的支持。


技术实现要素：

8.为解决现有技术的不足或缺点，本实用新型提供一种高效的细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置。其将固结试验、膨胀试验、收缩试验及干湿循环试验在同一装置中完成，较全面的反应不同干湿循环条件下土体的固结性和胀缩性变化，避免重复试验，节约试验时间，减少试验过程中对土体的扰动，且能控制土体的侧向压力，实时测量土体垂直和水平方向的体积变化。
9.为了实现上述目的，本实用新型涉及：一种细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验
装置，包括用于模拟温湿度风速状况的外圈容器；外圈容器为空腔结构且设有带一号阀门的进风管和带二号阀门的出风管，进风管与温湿度风速控制器相连，所述外圈容器内部底面上设有用于施加侧向压力的环状内圈容器，内圈容器内部形成的开敞区域设置有下透水板；下透水板上方设置有试样，试样顶面从下到上依次设置有上透水板、压盖板、加压基座及顶盖，顶盖的下端面设置有多个无荷状态位移传感器(包括一号位移传感器、二号位移传感器、三号位移传感器、四号位移传感器)，加压基座上端面与外部加压机构相连，加压基座上设置有压力传感器和有荷状态位移传感计，外圈容器内壁设置有温湿度风速传感器，试样周围设置有含水率传感器，传感器、位移计、摄像头与多通道数据采集仪连接，多通道数据采集仪信号通过数据线连接计算机处理系统；
10.内圈容器包括刚性的多腔结构，多腔结构包括从上到下依次布置的上腔，中腔和下腔，所述上腔，中腔和下腔靠近试样的一端均为开敞结构并各自包覆独立并密封连接的橡皮膜(包括上腔橡皮膜、中腔橡皮膜、下腔橡皮膜))，多腔结构与试样之间还设置有与试样直接接触的外层橡皮膜；中腔与一号加压管道连接，上腔、下腔与二号加压管道连接，多腔结构内部可充水，为试样施加侧向压力；外层橡皮膜与试样直接接触，橡皮膜随试样一同胀缩；
11.进一步的，所述温湿度风速控制器包括用于调节空气温度的加热机、用于调节空气湿度的加湿器和用于调节空气流速的风机。
12.进一步的，所述上腔和下腔为保护腔，中腔为测量腔，中腔高度不大于试样收缩极限的高度。
13.进一步的，所述上透水板和下透水板采用氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成，其渗透系数不应大于试样的渗透系数，上透水板直径应小于试样直径0.2～0.5mm。
14.进一步的，所述含水率传感器包括三个探头，三个探头等间距分布于试样周围，位于试样与橡皮膜之间，在内圈容器施加的围压作用下，一侧与试样紧密接触，测量试样的容积含水率，测量范围0-100％。
15.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
16.(1)使细粒土的固结试验、膨胀试验、收缩试验及干湿循环试验可在同一的试验设备中完成，试验与试验之间连续性更好；不需要反复的取样装样，试验过程中基本不扰动土体，试验结果更加精确；
17.(2)可以更加全面的评价细粒土在不同干湿循环条件下，土体固结性胀缩性的变化，具有广泛的应用前景；
18.(3)可根据试验需要设置不同干湿循环条件、固结压力及侧向压力，操作简便易行，提高试验效率、灵活度、适用性及精确度。
附图说明
19.图1为本实用新型较佳实施例的结构示意图；
20.图2为本实用新型较佳实施例多腔结构处的局部结构示意图(试样5 仅显示部分)；
21.图3为本实用新型较佳实施例的橡皮膜处的局部结构示意图；
22.图4为本实用新型较佳实施例试样处的局部俯视图；
23.图中：1-顶盖；2-加压基座；3-加压盖板；4-上透水板；5-试样；6
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下透水板；7-外圈容器；8-内圈容器；9-一号加压管道；10-抽气泵；11a
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一号阀门、11b-二号阀门、11c-三号阀门、11d-四号阀门；12-加热机；13
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加湿器；14-风机；15-温湿度风速控制器；16-多通道数据采集仪；17-计算机处理系统；18-压力传感器；19-有荷状态位移传感计；20-无荷状态位移传感器；20a-一号位移传感器、20b-二号位移传感器、20c-三号位移传感器、20d-四号位移传感器；21-温湿度风速传感器；22a-一号含水率传感器探头、22b-二号含水率传感器探头、22c-三号含水率传感器探头；23a
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一号流量传感器；23b-二号流量传感器；24-摄像头；25-多腔结构；26a
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上腔橡皮膜、26b-中腔橡皮膜、26c-下腔橡皮膜；26d-外层橡皮膜；27-上腔；28-中腔；29-下腔；30-二号加压管道。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.实施例1：
26.如图1～2所示，一种细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置，包括用于模拟温湿度风速状况的外圈容器7；外圈容器7为空腔结构且设有带一号阀门11a的进风管71和带二号阀门11b的出风管72，进风管71与温湿度风速控制器15相连，所述外圈容器7内部底面上设有用于施加侧向压力的环状内圈容器8，内圈容器8内部形成的开敞区域设置有下透水板6；下透水板6上方设置有试样5，试样5顶面从下到上依次设置有上透水板4、加压基座2及顶盖1，顶盖1的下端面设置有多个无荷状态位移传感器20，加压基座2上端面与外部加压机构相连，加压基座2上设置有压力传感器18和有荷状态位移传感计19，外圈容器7内壁设置有温湿度风速传感器21，试样5周围设置有含水率传感器22，各类传感器、位移计、摄像头24与多通道数据采集仪16连接，多通道数据采集仪16信号通过数据线连接计算机处理系统17。
27.优选的，上透水板4和下透水板6，采用氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成，其渗透系数不应大于试样的渗透系数，上透水板直径应小于试样直径0.2～0.5mm；
28.优选的，有荷状态位移传感计19、一号位移传感器20a、二号位移传感器20b、三号位移传感器20c、四号位移传感器20d，准确度为全量程的0.2％。
29.请参考图2、图3，内圈容器8包括刚性的多腔结构25，多腔结构包括从上到下依次布置的上腔27，中腔28和下腔29，所述上腔27，中腔28和下腔29靠近试样5的一端均为开敞结构并各自包覆独立并密封连接的橡皮膜，多腔结构与试样5之间还设置有与试样5直接接触的外层橡皮膜26d 外层橡皮膜26d随试样5一同胀缩)；中腔28与一号加压管道9内置或外置加压泵)连接，上腔27、下腔29与二号加压管道30连接，多腔结构内部可充水，为试样施加侧向压力。各个腔与一号加压管道9(内置或外置加压泵)连接，内部可充水，为试样施加侧向压力。上腔27和下腔29为保护腔，中腔28为测量腔，中腔高度不大于试样收缩极限的高度。
30.优选的，温湿度风速控制器15包括用于调节空气温度加热机12、用于调节空气湿度加湿器13和用于调节空气流速的风机14。
31.请参考图4，含水率传感器22，包括三个探头一号含水率传感器探头 22a，二号含水率传感器探头22b，三号含水率传感器探头22c，等间距分布于试样5周围，位于试样5与橡皮膜26之间，在内圈容器8施加的围压作用下，一侧与试样5紧密接触，测量试样的容积含水率，测量范围0-100％ (如天诺环能tdr-6a土壤温湿度传感器)。
32.优选的，多通道数据采集仪16，采样多路并行，可同时对应多个压力传感器18，有荷状态位移传感计19、无荷状态位移传感器20、含水率传感器22、温湿度风速传感器21、一号流量传感器23a、二号流量传感器23b 及摄像头24进行数据采集和通讯传输(市售多通道数据采集器，不少于32 通道，如at4516多通道数据采集仪)。
33.将试样5放于装置内圈容器8里部圆形位置处，试样顶底部放置透水石和滤纸，放置顺序为下透水板6，滤纸，试样5，滤纸，上透水板4。上透水板4上依次放置加压盖板3和加压基座2，盖上顶盖1，顶盖1与外部加压装置相连接。外圈容器7一侧管道与温湿度风速控制器15相连，作为进气口，另一侧管道与抽气泵10相连，作为出气口。内圈容器8两侧管道连接一号加压管道9。摄像头24安装于顶盖1上。含水率传感器22放置于橡皮膜26与试样5，与试样5紧密接触。
34.实施例2：
35.待测试样呈黄褐色，硬塑状态，含黑色铁锰结核，为原状土切削而成的直径61.8mm，高度20mm的环刀样，含水率为17.0％，干密度为1.77g/cm3。
36.步骤一：将装置放置于操作平台上，连接各传感器与多通道数据采集仪 16。多通道数据采集仪16与计算机处理系统17连接。
37.步骤二：在容器内放置下透水板6，将试样5放于下透水板6上，试样 5和下透水板6之间放置薄型滤纸，试样5上依次放上薄型滤纸、上透水板4；
38.步骤三：打开三号阀门11c、四号阀门11d，向内圈容器中注满水，根据试验条件，保持内圈容器内水体体积不变。
39.步骤四：在上透水板4上安放加压盖板3和加压基座2，使加压盖板3 与加压基座2中心对准。
40.步骤五：将装置与加压装置连接，确定需要施加的各级固结压力，开始固结。通过有荷状态位移传感计19记录试样的高度变化，压力传感器18 记录施加的压力，施加每级压力后，每小时变形达0.01mm时，测定试样高度变化作为稳定标准，按照此步骤逐级加压至试验结束。
41.进行以上步骤可完成固结试验。
42.实施例3：
43.步骤一：同实施例2步骤一。
44.步骤二：同实施例2步骤二。
45.步骤三：同实施例2步骤三。
46.步骤四：盖上顶盖1，使一号位移传感器20a、二号位移传感器20b、三号位移传感器20c与上透水板4接触。
47.步骤五：打开一号阀门11a,关闭二号阀门11b，自下而上向容器内注入纯水，并保
持水面高出试样5mm，2小时内位移计读数差值不超过0.01mm，膨胀稳定。
48.进行以上步骤可完成无荷膨胀试验。
49.实施例4：
50.步骤一：同实施例2中步骤一。
51.步骤二：同实施例2中步骤二。
52.步骤三：打开阀门11c、11d，向内圈容器中注满水，根据试验条件，设置一定水压，给试样施加侧向压力，上下两个保护腔的水压略大于中腔的水压。
53.步骤四：同实施例3中步骤四。
54.步骤五：打开一号阀门11a和二号阀门11b。根据试验条件，设置空气的温湿度和风速，与温湿度风速控制器15相连的一侧管道为进气口，另一侧与抽气泵10相连的管道为出气口，保持装置内部空气流通。
55.试验过程中，温湿度风速传感器21记录装置内实际通过的空气的温湿度和风速，含水率传感器22记录试样含水率变化，无荷状态位移传感器20 记录试样垂直方向高度变化，摄像头24记录试样表面裂隙发展情况，设置于一号加压管道9内的一号流量传感器23a和设置于二号加压管道30内的二号流量传感器23b记录试样径向体积变化，计算得出试样任意时刻的半径值。
56.试验中涉及的计算公式：
57.试验过程中，任意时刻试样的半径值r
t
：
[0058][0059]rt
——t时刻，试样的半径，cm；
[0060]
r0——试样的初始半径，cm；
[0061]
δv——t时间内，中腔测量腔的体积变化量,cm3；
[0062]hm
——中腔测量腔的高度，cm。
[0063]
实施例5：
[0064]
进行实施例2后，移除加压基座2和加压盖板3，进行实施例3中步骤四、步骤五，然后打开一号阀门11a和二号阀门11b，排出装置内的水分，再进行实施例4中的步骤五。
[0065]
实施以上步骤可完成试样的固结胀缩一体试验。
[0066]
实施例6：
[0067]
进行实施例4的同时，改变进气口空气的温湿度风速，可进行不同条件和次数下的试样干湿循环试验。
[0068]
膨胀试验过程中可实时测量膨胀过程中土体垂直方向和水平方向的变化；收缩试验过程中可实时测量土体收缩过程中垂直方向和围度的变化，得到土体在收缩过程中的体积变化；细粒土的胀缩试验过程中可调节侧向压力的大小，模拟不同深度处的地应力水平。
[0069]
采用上述的一种高效的细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置，其能较全面的反应干湿循环过程中，土体的结构变化，避免重复试验，减少试验时间。该装置设计结构简单，操作简便，稳定性好，各组构件经久耐用，不易耗损，实用性强，精度高，可根据试验需要设置一个或多个不同测试路径，操作简便易行，显著提高试验效率、灵活度、适用性及精确度，可以更加全面的评价不同干湿循环条件下，土体含水率变化，胀缩变化，固结特性和表
面裂隙发展，具有广泛的应用前景。
[0070]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。