膨胀力与饱和渗透多功能试验仪的制作方法

文档序号:6011241阅读:271来源:国知局
专利名称:膨胀力与饱和渗透多功能试验仪的制作方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域,具体涉及一种膨胀力与饱和渗透多功能试验仪。
背景技术
膨胀压力试验仪主要是用于研究含粘土矿物材料的膨胀力,饱和渗透试验设备主要是用于研究土的饱和渗透系数。现有膨胀压力试验仪及饱和渗透试验设备仅能分别测定试样在室温条件下的膨胀力特性和渗透系数,而对于需要在较高温度情况下进行膨胀力及渗透试验的材料来说则无能为力。例如当前研究热点问题,高放废物深地质处置库中采用的缓冲/回填材料——高压实膨润土需要在高温、低渗透性环境下进行试验以期对膨润土所处的现实环境进行模拟。现有的试验仪岩石膨胀压力试验仪,包括螺母;平垫圈;横梁;摆柱;接头;压力传感器;上压板;金属透水板;试件;套环;调整器;容器。容器包括底板和上部凹槽,其置于膨胀压力试验仪底部,支撑螺母、平垫圈、横梁、摆柱、接头;压力传感器、上压板、金属透水板、试件、套环;调整件旋入容器底板底部边缘处;摆柱旋入容器底板顶部边缘处;试件置于容器上部凹槽底部;金属透水板夹在试件两端;上压板置于上部的金属透水板顶部; 压力传感器置于上压板顶部;接头置于压力传感器顶部;加力装置置于接头顶部;横梁通过螺母固定在摆柱上,并套在加力装置外,限制加力装置水平位移。该仪器部件多,操作复杂,测量精度不高,人工采集数据,施加水头压力有限,温度控制有限。(中交第二公路勘察设计研究院冲华人民共和国行业标准-公路工程岩石试验规程(JTG E41-2005). 2005,8, 1:21-22。)饱和渗透试验设备,主要是变水头试验法的装置,包括带开关的水头管,其侧壁设有刻度;透明塑料筒,其侧壁顶端开有小孔;透水石。带开关的水头管连接透明塑料筒的底部,试样放置在透明塑料筒底部,透水石夹在试样顶端和低端。该仪器测量精度不高,人工采集数据,施加水头压力有限,温度控制有限。(陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京清华大学出版社,1994. 42-43。)

发明内容
本发明目的是提供一种膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,解决了常规膨胀压力试验仪与饱和渗透试验设备的上述不足,可用于高温度,高水头压力控制下土体膨胀力与饱和渗透系数的试验研究。本发明的技术方案如下本发明提供了一种膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,该多功能试验仪包括渗透膨胀室、温控烘箱、GDS水压/体积控制器、数据采集仪和压样模具;渗透膨胀室置于温控烘箱内,GDS水压/体积控制器置于温控烘箱外,通过导管连接渗透膨胀室,数据采集仪置于温控烘箱外,通过数据线与渗透膨胀室连接;压样模具是独立结构,置于温控烘箱外。所述的GDS水压/体积控制器又称标准压力/体积控制器,是一个通用的水压源和体变测量仪。主要用于商业和教学土力学实验室,该仪器可以作为一个恒定的压力源,代替传统实验室压力源,如水银柱、压缩空气、油泵、静载装置。也可以作为一个体变计,分辨率1mm3。另外,仪器可以通过控制面板编程,按照斜率和循环加载方式加压或按时间线性变化,控制体变。这意味着该装置也是渗透试验的理想设备,可以实现恒定流速或恒定水头。进一步,所述的渗透膨胀室包括底座、试样环、透水石、密封圈、不锈钢活塞、钢罩、 力传感器和溶液瓶,底座侧壁设有孔,顶部设有环形水槽,环形水槽底部设孔与侧壁孔贯穿,环形水槽顶部放置透水石;试样环置于底座上,且为环形中空结构供放置试样、固定透水石,且试样环的外侧设有密封圈;不锈钢活塞插入试样环内,其下端与透水石接触,且不锈钢活塞的侧壁和底部设有贯穿孔,侧壁设有密封圈;钢罩通过旋转置于底座上,且侧壁设有孔;力传感器通过旋转置于钢罩顶部,底部压于不锈钢活塞上;底座侧壁所设孔一端连接GDS水压/体积控制器,另一端排除底座环形水槽中气泡再封闭;不锈钢活塞和钢罩侧壁所设孔提供渗流通道;渗透膨胀室通体未采用螺栓固定。所述的试样两端固定有透水石。所述的温控烘箱包括数控操作板和烘箱,数控操作板可精确显示、调节烘箱的温度;烘箱,其外壳由冷轧钢板制成,外壳与内胆之间用陶瓷纤维和岩棉充填,形成可靠的隔热层;内胆采用钢板或不锈钢板,内胆底部不锈钢管状电加热器,调节渗透膨胀室温度,控制范围是0-500°C,精度为士0. 1°C;数控操作板安置在烘箱箱门左侧,通过导线连接烘箱底部的不锈钢管状电加热器。所述的GDS水压/体积控制器包括步进马达、螺旋驱动杆、活塞、圆筒、压力传感器和数字式电流控制板,步进马达固设于GDS水压/体积控制器左上端,螺旋驱动杆一端与步进马达连接,另一端与活塞连接;活塞置于圆筒内;压力传感器置于圆筒出口处,数字式电流控制板与压力传感器连接。所述的数据采集仪包括液晶显示屏和调节按钮,调节按钮通过数据线连接液晶显示屏;液晶显示屏可显示试验过程中试验数据;调节按钮可设置试验数据的初始值、校对试验参数。所述的压样模具,包括钢垫块、钢箍、试样环、钢套筒和压实活塞,钢垫块支撑压样模具上部结构,钢箍置于钢垫块上;试样环置于钢箍环形中空结构内;钢套筒置于试样环上,压实活塞插入钢套筒和试样环内,压于试样之上。本发明实现了高温、高水头压力控制下的高压实膨润土膨胀力与饱和渗透系数试验研究。具体包括高水头压力,不同温度控制下的饱和渗透试验、不同温度控制下的饱和膨胀力试验。对不同温度及高水头压力的情况下土体膨胀力和渗透特性进行研究,以期获得土体渗透系数及膨胀力在高水头压力、不同温度时的变化规律。本发明同现有技术相比,具有如下优点和有益效果(1)本发明的试验仪实现了膨胀力测试和渗透系数测试一体化。(2)本发明的试验仪实现了高温、高水头压力控制。(3)本发明的试验仪实现了数字化量测和数据自动采集,数据精度较高。(4)本发明的试验仪试验方法简便。(5)本发明的试验仪,设计开发和生产制造的周期短。


图1是本发明膨胀力与饱和渗透多功能试验仪(除压样模具)示意图。图2是本发明渗透膨胀室示意图。图3是本发明压样模具示意图。图4是本发明⑶S水压/体积控制器示意图。图5是本发明数据采集仪示意图。图6是本发明温控烘箱示意图。图7表示200C和40°C高庙子膨润土的膨胀力随水化时间变化图。图8表示不同温度下高庙子膨润土的渗透系数随时间变化图。附图标记渗透膨胀室1 底座11、试样环12、透水石13、密封圈14、不锈钢活塞15、钢罩16、 力传感器17和溶液瓶18。压样模具3 钢垫块31、钢箍32、试样环12、钢套筒33和压实活塞34。⑶S水压/体积控制器4 步进马达41、螺旋驱动杆42、活塞43、圆筒44、压力传感器45和数字式电流控制板46。数据采集仪5 液晶显示屏51,调节按钮52 ;温控烘箱2 数控操作板21,烘箱22。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。图1为本发明膨胀力与饱和渗透多功能试验仪(除压样模具)的结构。如图所示, 包括渗透膨胀室1、温控烘箱2、GDS水压/体积控制器4和数据采集仪5。渗透膨胀室1 置于温控烘箱2内,由温控烘箱2控制渗透膨胀室1的温度;GDS水压/体积控制器4置于温控烘箱2外,通过导管7连接渗透膨胀室1,控制、监测渗透膨胀室1的注水压力和注水量;数据采集仪5置于温控烘箱2外,通过数据线6与渗透膨胀室1连接记录试验数据。压样模具3是独立结构,置于温控烘箱2外。图2为本发明渗透膨胀室的结构。如图所示,渗透膨胀室1,最大外径130mm,高度 183mm,其通体采用耐磨性好和刚度大的不锈钢制成,包括底座11、试样环12、透水石13、 密封圈14、不锈钢活塞15、钢罩16、力传感器17和溶液瓶18 ;底座11,其侧壁设有孔,顶部设有环形水槽,环形水槽底部设孔与侧壁孔贯穿,环形水槽顶部放置透水石13 ;试样环12, 置于底座11上,其环形中空结构供置入试样19、固定透水石13,且侧壁设有密封圈14 ;不锈钢活塞15,插入试样环12内,其下端与透水石13接触,且侧壁和底部设有贯穿孔,侧壁放置密封圈14 ;钢罩16,通过旋转置于试样环12上,限制试样环12水平位移,其侧壁设有孔;力传感器17,旋入钢罩16顶部,其底部与不锈钢活塞15接触,量测试样膨胀力;溶液瓶18,其通过导管与钢罩16侧壁孔连接,供存放脱离子水;试样19,其上下各置一块透水石 13。底座11侧壁所设孔一端连接GDS水压/体积控制器4,另一端排除底座环形水槽中气泡再封闭。不锈钢活塞15和钢罩16侧壁上设置的对应的孔提供渗流通道。渗透膨胀室1 在1. 5MPa水压下,保持工作正常。图3为本发明压样模具的结构,置于温控烘箱外,如图所示,其通体采用耐磨性好和刚度大的不锈钢制成,包括钢垫块31、钢箍32、试样环12、钢套筒33和压实活塞34 钢垫块31,其支撑钢箍32、试样环12、钢套筒33和压实活塞34,且可使试样底面平整;钢箍32, 其置于钢垫块31上,固定试样环12的位置;试样环12,其置于钢箍32环形中空结构内;钢套筒33,其置于试样环12上,供置入粉末状试样35 ;压实活塞34,其插入钢套筒33和试样环12内,压在粉末状试样35上。图4是本发明⑶S水压/体积控制器的结构。如图所示,包括步进马达41、螺旋驱动杆42、活塞43、圆筒44、压力传感器45和数字式电流控制板46;步进马达41,其固设于 GDS水压/体积控制器左上端,可通过计算步数测量体积变化;螺旋驱动杆42,其一端与步进马达41连接,另一端与活塞43连接,传递压力;活塞43,其置于圆筒44内;圆筒44,其为活塞43提供水平位移通道,存放脱离子水;步进马达41和螺旋驱动杆42驱动活塞43直接压缩水;压力传感器45,其置于圆筒44出口处,量测圆筒44的水压力;数字式电流控制板 46,其与压力传感器45通过数据线连接,通过闭合回路控制调节水压力,可显示当前压力值、体变值和设置值,可输入目标压力、目标体积。GDS水压控制器4可施加水压为0-3MPa, 精度士 lkPa。同时可精确记录试验注水体积,精度士 Imm3 ;另外,当压力和体积超过量程时, GDS水压/体积控制器4有自动保护功能。图5为本发明数据采集仪的结构。如图所示,包括液晶显示屏51,显示试验数据; 调节按钮52,其可设置初始值、校对参数;调节按钮52通过数据线连接液晶显示屏51 ;数据采集仪具备了实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈的特点。图6为本发明温控烘箱的结构。如图所示,其包括数控操作板21,其可显示、调节烘箱22的温度;烘箱22,其外壳由冷轧钢板制成,外壳与内胆之间用陶瓷纤维和岩棉充填, 形成可靠的隔热层;内胆采用钢板或不锈钢板,内胆底部不锈钢管状电加热器,其可调节渗透膨胀室温度,控制范围是50-300°C,精度为士 1°C ;数控操作板21安置在烘箱22箱门左侧,通过导线连接烘箱底部的不锈钢管状电加热器。该试验仪的使用方法首先压制试样,在试样干密度已定的情况下,称取定质量的土以获得半径为25mm, 高度为IOmm的试样;将钢垫块31置于压力机上,钢箍32置于钢垫块31上,固定试样环12 的位置;试样环12置于钢箍环形中空结构内;钢套筒33置于试样环12上;粉末状试样19 倒入钢套筒33和试样环12的中空结构内;压实活塞34插入钢套筒33和试样环12内,压在粉末状试样19上。控制压力机对粉末状试样19进行M小时分级压实;压实好的试样19 与试样环12充分接触;按照图2所示,将渗透膨胀室1按照底座11、试样环12、试样19、透水石13、密封圈14、不锈钢活塞15、钢罩16、溶液瓶18的顺序依次组装好;按照图1所示, 将渗透膨胀室1置于温控烘箱2内,通过导管7与GDS水压/体积控制器4连接,通过数据线6与数据采集仪5连接,开始试验。试验开始时,温控烘箱2的温度设为40°C,⑶S水压/体积控制器4设定初始IOKPa 的水头压力,并通过导管7向渗透膨胀室1的底座11 一端注入脱离子水,底座11另一端打开,待排除底座环形水槽中气泡再封闭,GDS水压/体积控制器4保持恒定的水头压力。试样环12中的试样19遇脱离子水开始膨胀,挤压不锈钢活塞15,将膨胀力传递给力传感器 17,力传感器17量测试样竖向膨胀力变化,数据采集仪5记录变化数据,待试样竖向膨胀力 6小时内无变化时,则达到稳定状态;此时,试样已达到饱和状态。随后,GDS水压/体积控
6制器4改设为IMI^a水头压力,并保持恒定,同时记录注水体积变化量,通过一定时间间隔内渗流过试样横断面水的平均注水量,根据达西定律计算渗透系数。计算渗透系数变化值小于10-13时,渗流达到稳定状态;然后,温控烘箱2按40°C -50°C -60°C -50°C _20°C逐级调节温度,进行渗透系数量测,待每一级温度下渗透系数稳定后,确定本级温度对应饱和渗透系数,再施加下一级温度。最后确定试样饱和渗透系数在不同温度下的变化规律。接着,通过压样模具3按上述压制试样步骤,压制相同试样19,将试样19按上述组装顺序放置于膨胀力与饱和渗透多功能试验仪中,开始试验。试验开始时,温控烘箱2的温度设为20°C,⑶S水压/体积控制器4设定初始IOKPa 的水头压力,并通过导管7向渗透膨胀室1的底座11 一端注入脱离子水,底座11另一端打开,待排除底座环形水槽中气泡再封闭,GDS水压/体积控制器4保持恒定的水头压力。力传感器17量测试样竖向膨胀力变化,数据采集仪5记录变化数据,待试样竖向膨胀力6小时内无变化时,则达到稳定状态;随后,通过对比试样在40°C膨胀力变化数据,获得试样膨胀力在不同温度路径下的变化规律。试验结果如图7和图8所示。图7为20°C和40°C下的压实干密度1. 7g/cm3高庙子膨润土的膨胀力试验结果。 图7表明,膨润土饱和过程中,竖向压应力在水化开始阶段快速增加,达到第一个峰值时, 出现回落,之后再次增加,直至稳定。稳定后的竖向压应力即为膨胀力。这可以解释为,在水化第一阶段,集合体吸水膨胀,侧限条件下,竖向压应力迅速增加,达到峰值后,出现土骨架坍塌,膨胀应力出现一定回落,膨润土内各孔隙重组应力重分布。当水化继续进行时,膨润土内部孔隙重分布结束,随水化深入,部分为水化未充分的膨润土再次引起一定程度孔隙膨胀,竖向压应力进入强化阶段。影响膨润土的膨胀速率与施加的水头有关,水头压力为0. lKpa,温度40°C的膨胀力明显比水头压力为0. 02Kpa,温度20°C的膨胀力增长的快。但水头压力变化不影响最终的膨胀力。试验表明,膨润土饱和试验,在40°C时获得膨胀力为3. 41MPa,而20°C时获得膨胀力为3. 02MPa。温度对高庙子膨润土的影响表现为,温度升高,膨润土膨胀力增加,膨胀性能增加。这一现象产生的原因在第4章已经讨论过,由于GMZ膨润土为钠基膨润土,双电层作用占主导,升温使得粒间双电层斥力增加,从而导致膨胀性能增加。图8表明,计算渗透系数在水头压力刚开始达到IMI^a阶段时,随时间变化明显;在第900小时,当渗透系数保持稳定时,说明流入、流出试样的水量保持稳定,此时的渗透系数2. 75X IO-1Vs为1. 7g/cm3侧限高庙子膨润土在40°C时的饱和渗透系数。对同一试样, 由烘箱按40-50-60-50-20°C的路径逐级施加温度,分别获得温度为50、60、50、20°C所对应的饱和渗数系数分别为 3. 41X10"13m/s>4. 36 X l(T13m/s、3. 36 X l(T13m/s、1. 55 X l(T13m/s。升温至50°C测得的饱和渗透系数与降温至50°C测得的饱和渗透系数几乎相同。说明升温和降温路径对同一温度下的饱和渗透影响不大。本发明的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪主要可以实现以下测试1、在试样饱和过程中,通过温控箱对试样进行分级调节温度,使试样处于不同温度的状态,通过力传感器测定试验过程中竖向膨胀力的变化,求得试样竖向膨胀力在不同温度路径下的变化规律。2、在试样充分饱和的情况下,通过温控烘箱对试样分级调节温度,使试样处于不同温度的状态,通过GDS控制仪测定试验过程中计算渗透系数的变化,求得试样饱和渗透系数在不同温度路径下的变化规律。 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于该多功能试验仪包括渗透膨胀室(1)、温控烘箱0)、GDS水压/体积控制器G)、数据采集仪( 和压样模具(3);渗透膨胀室⑴置于温控烘箱⑵内,GDS水压/体积控制器(4)置于温控烘箱(2)外,通过导管 (7)连接渗透膨胀室(1),数据采集仪( 置于温控烘箱外O),通过数据线(6)与渗透膨胀室⑴连接;压样模具⑶是独立结构,置于温控烘箱⑵外。
2.根据权利要求1所述的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于所述的渗透膨胀室(1)包括底座(11)、试样环(12)、透水石(13)、密封圈(14)、不锈钢活塞(15)、钢罩 (16)、力传感器(17)和溶液瓶(18),底座(11)侧壁设有孔,顶部设有环形水槽,环形水槽底部设孔与侧壁孔贯穿,环形水槽顶部放置透水石(1 ;试样环(1 置于底座(11)上,且为环形中空结构供放置试样(19)、固定透水石(13),且试样环(12)的外侧设有密封圈(14); 不锈钢活塞(1 插入试样环(1 内,其下端与透水石(1 接触,且不锈钢活塞(1 的侧壁和底部设有贯穿孔,侧壁设有密封圈(14);钢罩(16)通过旋转置于底座(11)上,且侧壁设有孔;力传感器(17)通过旋转置于钢罩(16)顶部,底部压于不锈钢活塞(15)上;底座 (11)侧壁所设孔一端连接GDS水压/体积控制器G),另一端排除底座环形水槽中气泡再封闭;不锈钢活塞(15)和钢罩(16)侧壁所设孔提供渗流通道。
3.根据权利要求2所述的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于所述的试样 (19)两端固定有透水石(13)。
4.根据权利要求1所述的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于所述的温控烘箱( 包括数控操作板和烘箱0 ;烘箱(22),其外壳由冷轧钢板制成,外壳与内胆之间用陶瓷纤维和岩棉充填,形成隔热层;内胆采用钢板或不锈钢板,内胆底部不锈钢管状电加热器,控制范围是0-500°C,精度为士0. 1°C;数控操作板安置在烘箱02)箱门左侧,通过导线连接烘箱底部的不锈钢管状电加热器。
5.根据权利要求1所述的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于所述的GDS 水压/体积控制器(4)包括步进马达(41)、螺旋驱动杆(42)、活塞(43)、圆筒(44)、压力传感器0 和数字式电流控制板(46),步进马达固设于GDS水压/体积控制器(4)左上端,螺旋驱动杆0 —端与步进马达Gl)连接,另一端与活塞连接;活塞G3)置于圆筒G4)内;压力传感器05)置于圆筒04)出口处,数字式电流控制板G6)与压力传感器(45)连接。
6.根据权利要求1所述的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于所述的数据采集仪( 包括液晶显示屏(51)和调节按钮(52),调节按钮(5 通过数据线连接液晶显示屏(51)。
7.根据权利要求1所述的膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,其特征在于所述的压样模具(3),包括钢垫块(31)、钢箍(32)、试样环(12)、钢套筒(33)和压实活塞(34),钢垫块(31)支撑压样模具(3)上部结构,钢箍(32)置于钢垫块(31)上;试样环(12)置于钢箍(32)环形中空结构内;钢套筒(33)置于试样环(12)上,压实活塞(34)插入钢套筒(33)和试样环(12)内,压于试样(35)之上。
全文摘要
本发明属于岩土工程技术领域,公开了一种膨胀力与饱和渗透多功能试验仪,该多功能试验仪包括渗透膨胀室(1)、温控烘箱(2)、GDS水压/体积控制器(4)、数据采集仪(5)和压样模具(3);渗透膨胀室(1)置于温控烘箱(2)内,GDS水压/体积控制器(4)置于温控烘箱(2)外,通过导管(7)连接渗透膨胀室(1),数据采集仪(5)置于温控烘箱外(2),通过数据线(6)与渗透膨胀室(1)连接;压样模具(3)是独立结构,置于温控烘箱(2)外。本发明的试验仪实现了膨胀力测试和渗透系数测试一体化。
文档编号G01N15/08GK102221600SQ20111015025
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者万敏, 叶为民, 张文翔, 郑赈济, 陈宝, 陈永贵 申请人:同济大学
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