本发明属于路基膨胀土膨胀量、膨胀力测定装置，尤其是对原状膨胀土含水率、厚度、上覆荷载三因素耦合作用下的膨胀量、膨胀力测定。
背景技术：
膨胀土是一种多裂隙并具有显著胀缩性的土质，分布十分广泛，对各类浅层结构具有危害作用。世界上迄今发现存在膨胀土的国家多达46个，遍及六个大洲。与其他国家相比，我国膨胀土及其工程问题具有的特点：一是分布广。我国是世界上膨胀土分布最广泛的国家之一，膨胀土分布面积约占国土陆地总面积的1/3，涉及20多个省。每年因膨胀土引起的工程地质灾害造成的经济损失达数百亿元。二是类型多。各类成因类型的膨胀土如沉积性、残积型、岩溶侵蚀类都有。三是性质复杂。膨胀土工程问题不仅与土的成分、演化历史有关，而且与气候环境、工程特征密切相关。由于膨胀土富含亲水性强的蒙脱石及其混层黏土矿物，在晴雨交替、干湿循环的条件下表现出吸水显著膨胀软化、失水迅速收缩开裂及反复胀缩变形特征，其变形与破坏具有反复性、多发性和长期潜在性等特点，房屋、公路、铁路、地下管道、渠道边坡及其他工程建筑经常受到膨胀土影响，造成巨额的经济损失。
随着中国高速铁路的快速发展，对一般铁路工程而言，膨胀土地基的胀缩变形对路基影响较小，常忽略不计，而高速铁路路基对膨胀变形的要求极为严格，如高速铁路施工中路基沉降允许调整量为15mm，膨胀允许调整量仅为4mm。当高铁穿越膨胀土地段时，由于路基膨胀变形引起的轨面几何状态的变化一方面将造成较大的轮轨附加动荷载，导致车辆运行质量下降，影响行车安全性和舒适性；另一方面，由于轨下基础的膨胀变形，造成钢轨和轨下基础受力状态发生变化，进而导致钢轨和轨下基础变形和伤损加剧，反过来又会恶化轨面几何状态，加剧轮轨相互作用，如此形成恶性循环，严重影响高速铁路线路的服役状态与使用寿命。造成高速铁路路基膨胀的主要原因是膨胀土地基的膨胀，而影响膨胀土膨胀的外部因素主要有含水率、膨胀土厚度和上覆荷载，而渗透系数是衡量膨胀土体渗透性能的一项重要物理力学指标，可用来分析地基上拱的速率，因此系统深入的研究原状膨胀土的膨胀量、膨胀力和渗透性是解决高速铁路路基上拱的核心问题。
针对膨胀土膨胀量的测量，相关专家学者们进行了大量的探索，如自由膨胀率测定仪、土壤膨胀仪、固结仪；针对膨胀土膨胀力测试的主要方法有自由膨胀–压缩试验法、加载膨胀–压缩试验法和恒体积试验法，而这些试验方法主要在固结仪中进行；针对土体渗透系数测量的仪器主要有常水头土壤渗透仪、变水头土壤渗透仪和gds三轴仪，这些研究和发明，在不同的膨胀土工程中发挥了重要的作用。
现有技术一：自由膨胀率测定仪，主要由无径漏斗、量土杯、搅拌器等组成，主要用于检测粘土的自由膨胀率，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。
现有技术一存在以下缺点：仅能测定膨胀土的膨胀特性，而对实际情况下膨胀土的膨胀量无法测定。
现有技术二：土壤膨胀仪，主要有环刀:φ61.8mm×20mm、调节螺丝、导环和百分表组成。主要用于测定原状膨胀土或重塑膨胀土击实样的无荷载膨胀量与膨胀稳定后的含水量。
现有技术二存在以下缺点：仅用于测定固定厚度膨胀土的膨胀量，没有考虑厚度和上覆荷载对膨胀土膨胀量的影响。
现有技术三：固结仪，主要有百分表、环刀、杠杆、砝码等构件组成，用于测定粘土在侧限约束条件下、不同上覆载荷和不同含水率下的膨胀量或膨胀力。
现有技术三存在以下缺点：土样采用环刀取样，由于环刀高度有限，不能测定膨胀土厚度发生变化时的膨胀量、膨胀力，而实际工程中膨胀土厚度对膨胀量和膨胀力影响较大，使得该技术试验结果带有一定的局限性。
现有技术四：常水头土壤渗透仪，主要由筒身、渗水板、刻度板、测压管等组成，水位的测读可由安装在筒上的刻度板的刻度读出。测量各测压管间的水位差和时间差计算渗透系数。
现有技术四存在以下缺点：该仪器主要用于砂类土及含少量砾的无凝聚性土在常水头下的渗透性测定。不适用于膨胀土等粘性土渗透系数的测量。
现有技术五：变水头土壤渗透仪，仪器主要由上盖，底座，套座，环刀，透水石，螺杆等组成，在不大于200cm水头作用下，静置某一时间，待出水管口有水逸出后即可开始测定，通过测量各测压管间的水位差和时间差计算渗透系数。
现有技术五存在以下缺点：该仪器主要用于粘性土在变水头和无上覆荷载情况下渗透性测量，不能测量有上覆荷载作用下粘性土渗透系数，因此对粘性土渗透系数的测量带有一定局限性。
现有技术六：gds三轴仪，仪器主要由控制器、压力室和数据采集系统3大部分组成。试验首先进行吸力平衡，使土样达到控制状态下的气水平衡，再施加一定的水力差，使水从非饱和土样顶部渗流向土样底部，模拟稳态测试。试验中通过观察试样体积变化和含水量变化进行渗透系数计算。
现有技术六存在以下缺点：尽管该仪器可以测定施加荷载情况下土体的渗透性，但仪器操作复杂、误差较大、费时、且成本较高。
技术实现要素：
本发明目的是为了克服以上提到的现有技术中存在的各种问题，针对目前没有膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下膨胀量、膨胀力的测定仪器的现状和目前没有在上覆荷载作用下原状膨胀土渗透性测量仪器的现状，提出一种既能满足原状膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下膨胀力、膨胀量测量，又能满足上覆荷载作用下原状膨胀土渗透性测量，且技术可行，设计合理，经济适用的仪器。
本发明的技术方案是：一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪，包括变压控量注水单元、轴向可调均匀渗水侧限约束单元、变荷加载单元、位移采集单元；
所述变压控量注水单元包括刻度管，供水容器、进水管截止器、刻度管容量调整截止器、进水口止水器，刻度管与供水容器由必要的支撑架夹持或支撑台支撑，刻度管与供水容器通过水管连通，刻度管或供水容器的高度可调节，供水容器底部高度始终在刻度管的最大刻度值之上，刻度管底部连通有水管，进水管截止器设在刻度管与供水容器之间的水管上，刻度管容量调整截止器位于与刻度管底部相通的排水管上，进水口止水器位于与刻度管底部相通的供水管上；
所述轴向可调均匀渗水侧限约束单元包括底座、侧限约束壁、密封圈、活塞、透水体，侧限约束壁在底座之上，侧限约束壁下部与底座之间加以紧固，透水体在侧限约束壁的内部，透水体下方的底座设有空腔，空腔设有进水道、出气道，进水道与供水管相通，出气道延伸到底座外部且其上设有截止阀，截止阀打开时出气道与大气相通，活塞侧壁有凹槽，凹槽中放置有密封环，活塞底侧有内凹槽，内凹槽通过出水管与外界相通；
所述变荷加载单元包括施力装置、应力传感器、传力弹簧、上承压板、下承压板、承压板支撑固定架，所述承压板支撑固定架包括至少三根竖杆，竖杆底部固定在底座上或在竖杆底部加装稳定座，上承压板、下承压板套接在至少三根竖杆上且由紧固件固定在竖杆的某个高度位置，施力装置固定在上承压板底部，施力装置与下承压板上表面之间是应力传感器，应力传感器顶部与施力装置接触、底部与下承压板上表面接触，传力弹簧顶部与下承压板下表面接触、底部与活塞上表面接触；
所述位移采集单元包括位移显示器和高度调节器、支撑杆，支撑杆一端可上下滑动的稳定在一个竖杆上、另一端稳定连接位移显示器，高度调节器高度可调节，高度调节器底部固定在活塞上表面、顶部与位移显示器测量头相接触。
所述刻度管与供水容器间的管路、刻度管与进水道间的管路均为橡胶软管，方便调节刻度管或供水容器的高度，进水管截止器、刻度管容量调整截止器、进水口止水器均为止水夹。
所述侧限约束壁与底座之间的紧固方式为焊接，或者是可拆卸连接结构，即在侧限约束壁下部外圆周设法兰，再通过螺栓把法兰与底座紧固在一起。
所述施力装置为分离式电动液压千斤顶，包含电动机、油箱、油压表、顶升部件、油管，顶升部件与应力传感器接触。
所述上承压板、下承压板与竖杆间的紧固件是螺母，竖杆为螺纹杆，分别在上承压板、下承压板的上表面、下表面各设有螺母。
所述传力弹簧套装到下承压板下表面、活塞上表面的凸块上，限制传力弹簧横向移动。
所述支撑杆在竖杆上可上下滑动的一种具体结构是支撑杆一端有圆环，圆环环壁上开孔，圆环套接到竖杆上并由螺母穿过开孔，螺母端面顶紧支撑杆。
所述高度调节器高度可调节的一种具体结构是分段式结构，上部是螺纹杆，下部是内螺纹套，螺纹杆装入内螺纹套中。
本发明的有益效果是：本装置适用于含水率、厚度、上覆荷载多因素交互耦合下原状或重塑膨胀土膨胀量、膨胀力测定，也适用于原状或重塑膨胀土在不同上覆荷的作用下渗透性测量，解决了多因素交互耦合作用下原状膨胀土膨胀量、膨胀力测量问题，也解决了在上覆荷作用下原状膨胀土渗透性测量问题，仪器各组件安装简单，操作方便。
附图说明
图1是本发明的结构组成示意图；
图中，1-电动机、2-油压表、3-承压板支撑固定架、4-施力装置、5-位移显示器、6-高度调节器、7-密封圈、8-透水体、9-侧限约束壁、10-截止阀、11-应力传感器数显器、12-油箱、13-进水口止水器、14-进水管截止器、15-刻度管、16-供水容器、17-上承压板、18-应力传感器、19-下承压板、20-传力弹簧、21-出水管、22-土样、23-刻度管容量调整截止器、24-排水管、25-供水管、26-底座、27-活塞、28-空腔、29-进水道、30-出气道、31-密封环、32-竖杆、33-支撑杆、34-螺母、35-凸块、36-内凹槽。
具体实施方式
一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪，包括变压控量注水单元、轴向可调均匀渗水侧限约束单元、变荷加载单元、位移采集单元；
所述变压控量注水单元包括刻度管15，供水容器16、进水管截止器14、刻度管容量调整截止器23、进水口止水器13，刻度管15与供水容器16由必要的支撑架夹持或支撑台支撑（图1中未示出），刻度管15与供水容器16通过水管连通，刻度管15或供水容器16的高度可调节，供水容器16底部高度始终在刻度管15的最大刻度值之上，刻度管15底部连通有水管，进水管截止器14设在刻度管15与供水容器16之间的水管上，刻度管容量调整截止器23位于与刻度管15底部相通的排水管24上，进水口止水器13位于与刻度管15底部相通的供水管25上。供水容器16通过管路与水源直接相连，根据试验要求可持续不断的供水。刻度管15刻度均匀，最小刻度是0.01ml，直径为20mm，在原状膨胀土膨胀力、膨胀量测量时可准确控制进水量，进而可确定膨胀土的饱和含水率。
所述轴向可调均匀渗水侧限约束单元包括底座26、侧限约束壁9、密封圈7、活塞27、透水体8，侧限约束壁9在底座26之上，侧限约束壁9下部与底座26之间加以紧固，透水体8在侧限约束壁9的内部，透水体8下方的底座26设有空腔28，空腔28设有进水道29、出气道30，进水道29与供水管25相通，出气道30延伸到底座26外部且其上设有截止阀10，截止阀10打开时出气道30与大气相通，活塞27侧壁有凹槽，凹槽中放置有密封环31，活塞27底侧有内凹槽36，内凹槽36通过出水管21与外界相通，出水管21直径为2mm。
透水体8根据试验的不同，可采用不同的材料组成，当进行渗透性试验时采用透水石，当进行膨胀量和膨胀力试验时采用钢板+滤纸（板上开设透水孔）。进行膨胀量和膨胀力试验时通过调节活塞高度可控制膨胀土厚度。
底座26由40mm厚钢板加工而成，圆形形状，其直径为100mm。侧限约束壁9由钢管加工而成，其内径为68mm，外径为82mm，高为100mm。出气道30的主要作用是在进行膨胀土渗透性测量时将底座中的气体排出，以保证水份与底部透水体8完全接触；密封圈7、密封环31的目的是防止气体外泄对土体渗透性产生影响。
活塞27由20mm厚钢板加工成直径为68mm的圆柱体，内凹槽36直径为40mm，高为15mm。放置密封环31的凹槽宽2mm、深4mm。活塞27的主要作用是一方面在测定膨胀土膨胀量和膨胀力时可在内壁内竖向移动，以调整膨胀土厚度，另一方面在测定膨胀土渗透性时起密封和出水作用。
所述变荷加载单元包括施力装置4、应力传感器18、传力弹簧20、上承压板17、下承压板19、承压板支撑固定架3，所述承压板支撑固定架3有三根或四根竖杆32，竖杆底部固定在底座26上或在竖杆底部加装稳定座，上承压板17、下承压板19套接在竖杆上且由紧固件固定在竖杆的某个高度位置，施力装置4固定在上承压板17底部，施力装置4与下承压板19上表面之间是应力传感器18，应力传感器18顶部与施力装置4接触、底部与下承压板19上表面接触，传力弹簧20顶部与下承压板19下表面接触、底部与活塞27上表面接触。
传力弹簧20的主要作用是当对土样施加上覆荷载时，膨胀土浸水膨胀后可使其释放竖向膨胀量和竖向膨胀力，以保证高精度位移采集单元对传力弹簧变形值的精确测量，该传力弹簧由相关仪器标定而成，可由其变形值准确计算出膨胀土释放的膨胀力。
所述位移采集单元包括位移显示器5和高度调节器6、支撑杆33，支撑杆33一端可上下滑动的稳定在一个竖杆32上、另一端稳定连接位移显示器5，高度调节器6高度可调节，高度调节器6底部焊接固定在活塞27上表面、顶部与位移显示器5测量头相接触。高度调节器6可以伸缩，调节高度以适应不同土壤厚度状况下，与位移显示器5的有效接触。
位移采集单元的位移测量精度为0.001mm。位移显示器5的作用，一方面是测量当原状膨胀土在含水率、厚度和上覆荷载耦合变化时的膨胀位移值，另一方面通过测量传力弹簧的变形值以准确计算出原状膨胀土在含水率、厚度和上覆荷载耦合变化时的膨胀力。
为了方便调节刻度管15或供水容器16的高度，简化结构，刻度管15与供水容器16间的管路、刻度管15与进水道29间的管路均为橡胶软管，进水管截止器14、刻度管容量调整截止器23、进水口止水器13均为止水夹。采用橡胶软管，只要两头密封好即可，不需要复杂的密封式升降结构，可以很方便的提升、下降刻度管15。刻度管15与供水容器16的高度调节可以采用吊挂方式，类似医院输液吊瓶，调节吊绳的长度即可；也可以采用支撑架、夹持器形式，类似化学实验用的铁架台、试管夹，这种结构更稳定，读数更准确。
刻度管15高度可以调节的作用有两方面，一方面在测定原状膨胀土膨胀量、膨胀力时可模拟地下水位的渗入，从膨胀土底部注水，并且注水装置的刻度管15上有均匀刻度可准确计量注水量，通过调节刻度管15的高度实现变压注水；另一方面在测定原状膨胀土渗透性时可通过测定刻度管15中水位的高度实现渗透系数的计算。
侧限约束壁9与底座26之间的紧固方式为焊接，或者是可拆卸连接结构，即在侧限约束壁9下部外圆周设法兰，再通过螺栓把法兰与底座26紧固在一起。
所述施力装置4为分离式电动液压千斤顶，包含电动机1、油箱、油压表2、顶升部件、油管，顶升部件与应力传感器18接触。观察油压表2读数调控对膨胀土施加的上覆荷载大小，应力传感器5可精确测量土样22的上覆荷载。
上承压板17、下承压板19与竖杆33间的紧固件是螺母34，竖杆33为螺纹杆，分别在上承压板17、下承压板19的上表面、下表面各设有螺母34，上下两个螺母相对旋紧。
所述传力弹簧20套装到下承压板19下表面、活塞27上表面的凸块35上，限制传力弹簧20横向移动。
支撑杆33在竖杆32上可上下滑动的一种具体结构是支撑杆33在竖杆32上可上下滑动的一种具体结构是支撑杆33一端有圆环，圆环环壁上开孔，圆环套接到竖杆32上并由螺母穿过开孔，螺母端面顶紧支撑杆。
所述高度调节器6高度可调节的一种具体结构是分段式结构，上部是螺纹杆，下部是内螺纹套，螺纹杆装入内螺纹套中组成伸缩结构。
该测定仪的使用如下：
1、原状膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下膨胀量、膨胀力测量试验操作步骤
按照试验目的及设计要求加工好膨胀土，在侧限约束壁9底部依次放入钢制透水板和滤纸（滤纸饱和吸水量在试验前进行校核），在滤纸上方放入加工好的土样22，调节活塞27使其与土样顶部接触，先紧固上承压板17，再松开下承压板19，使下承压板19在竖杆32上可竖向移动，由施力装置4施加2kpa上覆荷载，保证土样和活塞紧密接触，按试验要求再施加一定上覆荷载时，通过施力装置4加压，同时通过应力传感器数显器11读取应力值，当应力传感器数显器11读数达到试验要求荷载时，将下承压板19固定在其所在的高度，这样做是防止千斤顶回油使荷载值偏小（如果是电动机械式推杆施力的，就可不紧固下承压板19），对试验结果造成误差。加载结束后关闭进水口止水器13和截止阀10，由供水容器16向刻度管15中注水，并记录刻度管15中水位线的刻度。当注水结束后记录位移显示器5的初始读数，然后打开进水口止水器13向土样中注水，并在出水管21接水（出水管21管口接橡皮软管，引到量杯中），观察位移显示器5的读数，直至位移显示器5读数稳定后关闭进水口止水器13。
说明：该试验进行前对轴向可调均匀渗水侧限约束单元底座中的排气道、空腔28和内凹槽36的储水量进行了校核，以保证膨胀土饱和含水率的准确性，饱和含水率的计算方法为注水量与底座储水量和出水管接水量的差值。在进行原状膨胀土膨胀量和膨胀力测量时，活塞不装密封环31，这样做是防止密封环31与侧限约束壁9内壁摩擦对位移测量显示器的测量带来误差，影响膨胀量和膨胀力的准确性。
2、原状膨胀土在上覆荷在作用下渗透性测量试验步骤
按照试验目的及设计要求将膨胀土加工好，在侧限约束壁9底部放入透水石，在透水石上方放入加工好的土样，调节活塞27使其与土样顶部接触，上承压板17为固定状态，下承压板19为松开状态，由千斤顶施加2kpa上覆荷载，保证土样和活塞紧密接触，按试验要求再施加一定上覆荷载时，同样上承压板17为固定状态，下承压板19为松开状态，下承压板在钢筋上可竖向移动，通过施力装置4加压，同时通过应力传感器数显器11读取应力值，当应力传感器数显器11读数达到试验要求荷载时，将下承压板紧固在其所在的高度，这样做是防止千斤顶回油使荷载值偏小，对试验结果造成误差。待位移显示器5读数稳定后，关闭进水口止水器13，由供水容器16向刻度管15中注水，同时记录刻度管15的高度。同时打开截止阀10和进水口止水器13，排除底座26底部的空气，直至从出气道溢出的水中无气泡，关闭截止阀10和进水口止水器13。开进水管截止器14，向刻度管15注纯水，使水升至预定高度（一般不应大于2m），待水位稳定后切断水源。开进水口止水器13，使水通过试样，当出水管21有水溢出时开始测记刻度管15中起始水面高度和起始时间，按预定时间间隔测记水面高度和时间的变化，并测记出水管21管口的水温。将刻度管15中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水面高度和时间变化，重复试验5-6次。当刻度管15中不同起始水面高度下测定的渗透系数在允许差值范围内时，结束试验。
说明：在进行原状膨胀土渗透性试验时，活塞必须带密封环31，这样做是防止漏气对试验结果造成误差。
根据大量的设备稳定性测试，证实本发明可以进行膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下的试验和不同上覆荷载下渗透性的试验。