粘土收缩应力测量仪及实验方法
【专利摘要】一种粘土收缩应力测量仪及实验方法，试样盒内设有置于试样内的胶囊，胶囊通过通水管与孔隙水压力传感器连接；试样盒放置在称量装置上；称量装置和孔隙水压力传感器通过信号线与数据采集装置连接。实验方法为，制作试样；连接测量仪，由称量装置获得试样收缩过程中的含水量变化，由孔隙水压力传感器获得试样的收缩应力变化；当孔隙水压力保持恒定不变时，结束实验；通过上述步骤实现粘土收缩应力测量实验。本发明提供通过在试样内设置胶囊，配合高精度孔隙水压力传感器，可以获得粘土试样的收缩应力数据，配合精密的称量装置，本发明还可以获得粘土收缩过程中的含水量变化与收缩应力变化之间的关系。
【专利说明】粘土收缩应力测量仪及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程领域，尤其是一种粘土收缩应力测量仪及实验方法。
【背景技术】
[0002]胀缩性粘土 (如膨胀土、红粘土)具有遇水膨胀、失水收缩等不良水理特征，掌握该类特殊粘土的胀缩特征是进行工程设计、施工的基础工作。目前，描述粘性土膨胀行为的指标有自由膨胀率、有(无)荷膨胀率和膨胀力；然而，描述粘性土收缩特征的指标则只有线缩率和体缩率，而无收缩力。而粘土失水收缩开裂是诱发胀缩性粘土工程灾变的关键因素之一。显然，通过收缩变形预测土体的开裂行为难以实现，而收缩应力则是进行判断粘土开裂与否的参数。但膨胀力与收缩力的测量方法有显著的差异，前者向外扩展变形，故可以通过膨胀反压或力传感器直接测量；后者属于向内收敛，至今还没有现成的方法和仪器可以应用。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种粘土收缩应力测量仪及实验方法，能够确定粘性土收缩应力，并可以得到粘土收缩过程中的含水量变化与收缩应力变化之间的对应关系和收缩的估算值。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种粘土收缩应力测量仪， 试样盒的至少一个端面开放，试样盒内设有置于试样内的胶囊，胶囊通过通水管与孔隙水压力传感器连接；
试样盒放置在称量装置上；
称量装置和孔隙水压力传感器通过信号线与数据采集装置连接。
[0005]在试样盒的底部设有加热底座。
[0006]在试样盒内壁设有防粘层。
[0007]所述的胶囊成柱状，贯通试样，胶囊的两端分别设有进水端头塞和出水端头塞，出水端头塞设有第二阀门，进水端头塞与通水管连接。
[0008]通水管上设有竖直管，竖直管上设有第一阀门，通水管上在竖直管接头和孔隙水压力传感器之间设有第三阀门。
[0009]所述的通水管支撑在支撑架上。
[0010]一种采用上述的粘土收缩应力测量仪进行实验的方法:
一、制作试样；
二、在试样内的胶囊内注满液体，并通过通水管与孔隙水压力传感器连通；
三、将试样盒整体置于称量装置上，将孔隙水压力传感器和称量装置与数据采集装置连接；
四、由称量装置获得试样收缩过程中的含水量变化，由孔隙水压力传感器获得试样的收缩应力变化； 当孔隙水压力保持恒定不变时，结束实验；
通过上述步骤实现粘土收缩应力测量实验。
[0011]制作压实试样时，在试样盒内涂覆防粘层，在胶囊位置下方先铺垫一层土样，压平后安装胶囊，胶囊内置入多个环瓣板，多个环瓣板包覆在支撑柱之外；
支撑柱伸出到试样盒侧壁孔内，并与试样盒侧壁的孔形成密封配合，在胶囊上方覆盖余下的土样，以制样机压实；
抽出支撑柱和环辦板，安装进水％5头塞和出水头塞，在I父囊内填充液体，通过上述步骤得到压实的试样。
[0012]制作土膏试样时，对胶囊填充液体，两端用进水端头塞和出水端头塞封堵，在试样盒内涂覆防粘层，把把粘土调成土膏后，在试样盒内倒入一部分土膏，安装胶囊，进水端头塞和出水端头塞伸出试样盒的侧壁，带入剩余土膏，以刮刀刮平即可。
[0013]在试样盒底部设置加热底座，加热温度最高为30?35°C ;
在通水管上设置竖直管，并在竖直管上设置第一阀门，实验时通过竖直管将水注入胶囊内，并在实验过程中关闭第一阀门。
[0014]本发明提供的一种粘土收缩应力测量仪及实验方法，通过在试样内设置胶囊，配合高精度孔隙水压力传感器，可以获得粘土试样的收缩应力数据，配合精密的称量装置，本发明还可以获得粘土收缩过程中的含水量变化与收缩应力变化之间的关系。本发明的粘土收缩应力测量仪制造成本低，利于制作，操作步骤易于实现，测量精度高，既可测量粘性土样的收缩应力，也可以估算试样的收缩体变。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1为本发明中测量仪的整体结构示意图。
[0016]图2为制样机的结构示意图。
[0017]图3为本发明中胶囊的结构示意图。
[0018]图4为本发明中胶囊和环瓣板、支撑柱的横截面示意图。
[0019]图中:试样盒1，防粘层101，加热底座2，试样3，胶囊4，进水端头塞41，出水端头塞42，环瓣板43，支撑柱44，称量装置5，通水管6，第一阀门7，第二阀门8，第三阀门9，竖直管10，孔隙水压力传感器11，数据采集装置12，压头13，支撑架14，反力架15，液压缸16。
【具体实施方式】
[0020]实施例1:
如图1中，一种粘土收缩应力测量仪，试样盒I的至少一个端面开放，本例中的试样盒I上端面开发，以利试样盒I内试样3的水分蒸发，试样盒I内设有置于试样3内的胶囊4，胶囊4内填充有液体，胶囊4通过通水管6与孔隙水压力传感器11连接；本例中的孔隙水压力传感器11最小分辨率能达到lkPa。
[0021]试样盒I放置在称量装置5上；本例中的称量装置5采用电子天平，称量精度为0.0Olg，量程约为5kg。通过称量装置5实时发送蒸发量的数据。
[0022]称量装置5和孔隙水压力传感器11通过信号线与数据采集装置12电连接。
[0023]优选的方案中，在试样盒I的底部设有加热底座2。由此结构，加快试样3的蒸发速度。本例中采用小功率的加热胶片，加热温度最高为30?35°C。
[0024]优选的方案中，在试样盒I内壁设有防粘层101。由此结构，不会影响试样3的收缩。防粘层101可以采用凡士林，或者其他材料，例如润滑黄油。
[0025]优选的方案如图3中，所述的胶囊4成柱状，贯通试样3，胶囊4的两端分别设有进水端头塞41和出水端头塞42，进水端头塞41和出水端头塞42贯通试样盒I的侧壁，出水端头塞42设有第二阀门8，进水端头塞41与通水管6连接。由此结构，便于胶囊4的安装，也便于在胶囊4内填充液体。
[0026]优选的方案如图1中，通水管6上设有竖直管10，竖直管10上设有第一阀门7，通水管6上在竖直管10接头和孔隙水压力传感器11之间设有第三阀门9。设置的竖直管10便于在实验时往通水管6内加水，从而便于将水加入到胶囊4内。
[0027]优选的方案如图1中，所述的通水管6支撑在支撑架14上。设置的支撑架14用于使通水管6保持平衡，从而不会影响试样盒I的重量变化，即当试样3蒸发时，通水管6没有被锁定，从而可以沿着支撑架14滑动，这样便于整个通水管6都采用硬质材料，以免软质的通水管6自膨胀影响测量精度。
[0028]实施例2:
一种采用上述的粘土收缩应力测量仪进行实验的方法:
本发明装置的工作原理是将胶囊4和通水管6内注满液体，例如蒸馏水，自然蒸发或低恒温加热作用下粘土试样发生失水收缩，收缩过程引起土样内部结构的变化，同时产生收缩应力，通过挤压试样内部的充液体胶囊，从而把收缩应力传导于孔隙水压力传感器11，从而得到试样在收缩过程中所产生的收缩应力。同时，利用精密的称量装置5可以测出试样收缩过程中含水量的变化，从而获得试样整个收缩过程中收缩应力和含水量变化的规律。
[0029]实验具体步骤如下:
一、制作试样3 ；
按照试验计划配置好土样含水量《，可选的，制作压实试样时，在试样盒I内涂覆防粘层101，在胶囊4位置下方先铺垫一层土样，压平后安装胶囊4，胶囊4内置入多个环瓣板43，本例中为3个，在环瓣板43之间沿竖边边缘设有倒角，以形成一个位于内壁的缺口，便于环瓣板43的取出。多个环瓣板43包覆在支撑柱44之外，如图4中所示，置入前，在环瓣板43和支撑柱44外表面涂抹凡士林，以便于试样制成后取出环瓣板43和支撑柱44 ；支撑柱44伸出到试样盒I侧壁孔内，并与试样盒I侧壁的孔形成密封配合，在胶囊4上方覆盖余下的土样，以制样机压实，如图2中所示；试样盒I置于反力架15内，压头13置于试样盒I内，试样盒I下方设有用于上顶的液压缸16。压制时，先人工预压压头13使试样3压实到一定程度，再将试样盒3整体放入反力架15内，启动液压缸16，当压头13下端侧缘和试样盒3边缘接触后，试样压实完成。停止加压后，维持2?3分钟，防止试样回弹。制样完成后，抽出支撑柱44和环辦板43，安装进水纟而头塞41和出水纟而头塞42，在I父囊4内填充液体，通过上述步骤得到压实的试样。
[0030]制作土膏试样时，对胶囊4填充液体，两端用进水端头塞41和出水端头塞42封堵，在试样盒I内涂覆防粘层101，把把粘土调成土骨后，在试样盒I内倒入一部分土骨，安装胶囊4，进水端头塞41和出水端头塞42伸出试样盒I的侧壁，带入剩余土膏，以刮刀刮平即可。
[0031]二、在试样3内的胶囊4内注满液体，并通过通水管6与孔隙水压力传感器11连通；
优选的，在通水管6上设置竖直管10，并在竖直管10上设置第一阀门7，实验时通过竖直管10将水注入胶囊4内，并在实验过程中关闭第一阀门7。
[0032]三、将试样盒I整体置于称量装置5上，将孔隙水压力传感器11和称量装置5与数据采集装置12连接；并对数据进行清零，开始记录数据。
[0033]优选的，在试样盒I底部设置加热底座2，并一起放置在称量装置5上，加热温度最高为30?35°C。
[0034]四、由称量装置5获得试样3收缩过程中的含水量变化，由孔隙水压力传感器11获得试样3的收缩应力变化；
对于压实试样，制样完毕后将试样盒I放在加热底座2上,并一起放在称量装置5上；将进水端头塞41与通水管6连通，在通水管6上设有竖直管10，在出水端头塞42设有第二阀门8，竖直管10上设有第一阀门7，通水管6上设有第三阀门9，优选的竖直管10由支撑架14保持平衡，更加优选的是孔隙水压力传感器11和通水管6均置于称量装置5上，以确保精确称量试样3蒸发的重量变化。
[0035]打开第一阀门7，关闭第二阀门8和第三阀门9，使蒸馏水能够进入到圆柱形的胶囊4内，并将其注满，再连接孔隙水压力传感器11，并打开第三阀门9，使通水管6内没有充水的部分注水，可以通过调节第一阀门7、第二阀门8，来确保通水管6与胶囊4内不含气泡；待上述步骤完成后，关闭第一阀门7、第二阀门8，开启第三阀门9。打开加热底座2、称量装置5和数据采集装置12，并对数据进行清零，开始记录数据；当孔隙水压力恒定不变时，即可结束试验；结束试验后，存储数据；联合采集的数据和基础数据，获得相应试样的收缩应力和收缩的估算值。
[0036]对于土膏试样由于在制样时已经将圆柱形的胶囊4与通水管6连接，因此只需连接压力传感器7，其余操作步骤与压实试样的操作步骤一致。
[0037]通过上述步骤实现粘土收缩应力测量实验。
[0038]上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种粘土收缩应力测量仪，其特征是: 试样盒(I)的至少一个端面开放，试样盒(I)内设有置于试样(3)内的胶囊(4)，胶囊(4)通过通水管(6)与孔隙水压力传感器(11)连接； 试样盒(I)放置在称量装置(5 )上； 称量装置(5 )和孔隙水压力传感器(11)通过信号线与数据采集装置(12 )连接。
2.根据权利要求1所述的一种粘土收缩应力测量仪，其特征是:在试样盒(I)的底部设有加热底座(2)。
3.根据权利要求1所述的一种粘土收缩应力测量仪，其特征是:在试样盒(I)内壁设有防粘层(101)。
4.根据权利要求1所述的一种粘土收缩应力测量仪，其特征是:所述的胶囊(4)成柱状，贯通试样(3)，胶囊(4)的两端分别设有进水端头塞(41)和出水端头塞(42)，出水端头塞(42 )设有第二阀门(8 )，进水端头塞(41)与通水管(6 )连接。
5.根据权利要求1所述的一种粘土收缩应力测量仪，其特征是:通水管(6)上设有竖直管(10)，竖直管(10)上设有第一阀门(7)，通水管(6)上在竖直管(10)接头和孔隙水压力传感器(11)之间设有第三阀门(9 )。
6.根据权利要求5所述的一种粘土收缩应力测量仪，其特征是:所述的通水管(6)支撑在支撑架(14)上。
7.一种采用权利要求1?6任一项所述的粘土收缩应力测量仪进行实验的方法，其特征是包括以下步骤: 一、制作试样(3)； 二、在试样(3)内的胶囊(4)内注满液体，并通过通水管(6)与孔隙水压力传感器(11)连通； 三、将试样盒(I)整体置于称量装置(5)上，将孔隙水压力传感器(11)和称量装置(5 )与数据采集装置(12)连接； 四、由称量装置(5)获得试样(3)收缩过程中的含水量变化，由孔隙水压力传感器(11)获得试样(3)的收缩应力变化； 当孔隙水压力保持恒定不变时，结束实验； 通过上述步骤实现粘土收缩应力测量实验。
8.根据权利要求7所述的一种粘土收缩应力测量实验方法，其特征是:制作压实试样时，在试样盒(I)内涂覆防粘层(101 )，在胶囊(4)位置下方先铺垫一层土样，压平后安装胶囊(4)，胶囊(4)内置入多个环瓣板(43)，多个环瓣板(43)包覆在支撑柱(44)之外； 支撑柱(44 )伸出到试样盒(I)侧壁孔内，并与试样盒(I)侧壁的孔形成密封配合，在胶囊(4)上方覆盖余下的土样，以制样机压实； 抽出支撑柱(44)和环瓣板(43)，安装进水端头塞(41)和出水端头塞(42)，在胶囊(4)内填充液体，通过上述步骤得到压实的试样。
9.根据权利要求7所述的一种粘土收缩应力测量实验方法，其特征是:制作土膏试样时，对胶囊(4)填充液体，两端用进水端头塞(41)和出水端头塞(42)封堵，在试样盒(I)内涂覆防粘层(101 )，把把粘土调成土膏后，在试样盒(I)内倒入一部分土膏，安装胶囊(4)，进水端头塞(41)和出水端头塞(42)伸出试样盒(I)的侧壁，带入剩余土膏，以刮刀刮平即可。
10.根据权利要求7所述的一种粘土收缩应力测量实验方法，其特征是:在试样盒(I)底部设置加热底座(2)，加热温度最高为30?35°C ; 在通水管(6)上设置竖直管(10)，并在竖直管(10)上设置第一阀门(7)，实验时通过竖直管(10)将水注入胶囊(4)内，并在实验过程中关闭第一阀门(7)。
【文档编号】G01N33/24GK104316670SQ201410500322
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】谈云志, 喻波, 李典庆 申请人:三峡大学