测量基质吸力的三轴试验顶帽的制作方法

本发明涉及土木工程三轴试验器械技术领域，特别地，涉及一种测量基质吸力的三轴试验顶帽。

背景技术：

含气土一般指海洋、湖泊底部浅层的含气沉积物，它既是一种能源资源，也是工程上灾害地质的一种类型。含气土一般处于土颗粒、孔隙水、气体、压力、温度及上覆层等多种复杂因素作用下的临界平衡状态，极易被外界扰动而导致迅速逸气破坏，由于现场取土的困难，一般通过模拟实验来研究含气土的工程性状，其中，非饱和土基质吸力，即孔隙气压与孔隙水压差，是引起其应力状态改变的重要原因之一，现有量测方法包括轴平移技术、张力计、接触式滤纸等。

含气土的三轴模拟试验一般采用轴平移技术，在控制所施加基质吸力情况下可测量土体达到平衡后的含水量，孔隙水压是基于非饱和土底座来测量的。而目前用于吸力量测的普通张力计其体型和量程过大，难以应用于室内，而现有的三轴测试产品中，张力计传感器也是与顶帽分离，导致在土样中安置基质吸力探头的过程十分麻烦，且难以应用于高压试验。

技术实现要素：

为了解决上述三轴实验顶帽在应用范围小且操作困难的技术问题，本发明提供一种操作简单、探头安置方便且可应用于高压试验的测量基质吸力的三轴试验顶帽。

本发明提供的一种测量基质吸力的三轴试验顶帽。所述测量基质吸力的三轴试验顶帽包括加载头、特制顶帽和传感器，所述特制顶帽的一端与所述加载头连接，另一端与所述传感器嵌套连接；

所述特制顶帽包括主体顶帽和扩展顶帽，所述主体顶帽和所述扩展顶帽相连接，所述主体顶帽包括顶帽本体、传感器内通道、传感器外接栓、反压通道和反压控制器接口，所述传感器内通道和所述反压通道均内设于所述顶帽本体内部，所述传感器外接栓和所述反压控制器接口分设于所述顶帽本体的两端；

所述传感器包括探头、O型圈、法兰衬垫和土样橡胶模，所述探头设于所述传感器中央，所述法兰衬垫和所述土样橡胶模依次外包于所述探头，所述O型圈外套于所述土样橡胶模一端。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述特制顶帽还包括塑料套模，所述塑料套模呈敞口状，外套于所述主体顶帽和扩展顶帽。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述扩展顶帽包括大气通道，所述大气通道设于所述扩展顶帽内部，其一端与所述扩展顶帽的底部连接，另一端则与所述扩展顶帽的侧壁连接。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述传感器内通道和所述反压通道为台阶式通道，所述传感器内通道一端与所述顶帽本体的底部连接，另一端与所述传感器外接栓连接，所述反压通道一端与所述顶帽本体的底部连接，另一端与所述反压控制器接口连接。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述传感器呈类“凸”字型，卡接于所述传感器内通道的一端。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例 中，所述传感器靠近待测土样的一端与所述顶帽本体的底端表面处于同一水平线。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述探头包括探头接线、内衬环密封固件、传感器隔膜、过水层和外密封圈，在所述探头一端由外至内依次设有所述过水层和所述传感器隔膜，且在该端的最外侧环设有所述外密封圈，所述探头接线内设于所述探头且与所述传感器隔膜相连接，在连接处设有所述内衬环密封固件。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述探头接线穿过所述传感器内通道与所述传感器外接栓电连接。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述传感器外接栓外接有数据采集系统。

在本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽的一较佳实施例中，所述过水层为透水石或微型陶土板。

相较于现有技术，本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽具有以下优点：

一、所述测量基质吸力的三轴试验顶帽可方便地采集含气土等土样顶部基质吸力的变化值，所采集数据可及时用于与非饱和土底座所测孔压值的对比分析，完善试验研究内容。

二、所述测量基质吸力的三轴试验顶帽直接内嵌套有微型张力计传感器，解决了在土样中部表面不便安置所述探头的问题，可应用于常规或高压土三轴试验系统，也可以用于土样顶部的基质吸力量测。

三、所述测量基质吸力的三轴试验顶帽的材料为铝合金并经络氧处理，既提高了结构强度，又利于封装所述探头于所述主体顶帽内部，所述传感器内通道、所述反压通道和所述大气通道均采用台阶式结构设计，可以尽量减少渗水情况的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽一实施例的结构示意图；

图2是图1所示测量基质吸力的三轴试验顶帽的传感器的结构示意图；

图3是图2所示测量基质吸力的三轴试验顶帽的传感器的探头的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽一实施例的结构示意图。所述测量基质吸力的三轴试验顶帽1包括加载头11、特制顶帽13和传感器15，所述特制顶帽13的一端通过固定螺栓与所述加载头11连接，另一端与所述传感器15嵌套连接。

所述特制顶帽13包括主体顶帽131、扩展顶帽133和塑料套模135，所述主体顶帽131和所述扩展顶帽133上下相连，所述塑料套 模135外套于所述扩展顶帽133和所述主体顶帽131。

所述主体顶帽131包括顶帽本体1311、传感器内通道1313、传感器外接栓1315、反压通道1317和反压控制器接口1319，所述传感器内通道1313和所述反压通道1317均内设于所述顶帽本体1311内部，所述传感器外接栓1315和所述反压控制器接口1319分设于所述顶帽本体1311的两端。

所述顶帽本体1311位于所述测量基质吸力的三轴实验顶帽1的底部，与所述扩展顶帽133的底面相连。所述顶帽本体1311的直径为50mm(或61.8mm/100mm)，其材质除采用一般水晶材料外，还采用铝合金材料并经络氧处理，既可以提高所述顶帽本体1311的强度，又利于封装内嵌的所述传感器15。

所述传感器内通道1313内设于所述顶帽本体1311的一侧，其一端与所述传感器外接栓1315连接，另一端与所述顶帽本体1311的底部连通，所述传感器15可卡接于该连通口，所述传感器内通道1313中部设有转角结构，为台阶式结构设计，可以最大程度的减少漏水情况的发生。

同理，内设于所述顶帽本体1311另一侧的所述反压通道1317也为台阶式结构设计，其一端与所述反压控制器1319连接，另一端则与所述顶帽本体1311的底部连通，用于反压气体的输送。

所述传感器外接栓1315和所述反压控制器接口1319分设于所述顶帽本体1311的两端，所述传感器外接栓1315设于所述传感器内通道1313的一端，且两端分别与所述传感器15和外接数据采集系统电连接；所述反压控制器接口1319设于所述反压通道1317的一端且外接有反压气体管道，可调节所述反压通道1317内的压力。

所述扩展顶帽133的底部和所述主体顶帽131的上端大小一致且相互连接，而所述扩展顶帽133的上部呈倒锥状，且通过螺栓与所述 加载头11连接。

所述扩展顶帽133还包括大气通道1331，所述大气通道1331内设于所述扩展顶帽133内部的一侧，其一端与所述扩展顶帽133的底部连接，另一端则与所述扩展顶帽133的侧壁连接，所述大气通道1331与外界大气相连通，也为台阶式结构。

所述塑料套模135呈敞口状，外套于所述扩展顶帽133和所述主体顶帽131，使所述主体顶帽131在实验加载过程中可与所述扩展顶帽133和所述加载头11套接。

请一并参阅图2，为图1所示测量基质吸力的三轴试验顶帽的传感器的结构示意图。所述传感器15呈类“凸”字型，内置于所述传感器内通道1313并卡接于其底端。

所述传感器15包括探头151、O型圈153、法兰衬垫155和土样橡胶模157，所述探头151设于所述传感器15中央，所述法兰衬垫155和所述土样橡胶模157由内至外依次外包于所述探头151，所述O型圈153外套于所述土样橡胶模157的一端。

请一并参阅图3，为图2所示测量基质吸力的三轴试验顶帽的传感器的探头的结构示意图。所述探头151为圆柱形，其靠近待测土样的一端与所述顶帽本体1311的底端表面处于同一水平线。

所述探头151包括探头接线1511、内衬环密封固件1513、传感器隔膜1515、过水层1517和外密封圈1519，所述过水层1517和所述传感器隔膜1515由外至内依次设于所述探头151的一端，且在该端的外侧环设有所述外密封圈1519，所述探头接线1511设于所述探头151的内部，且与所述传感器隔膜1515相连接，在连接处设有所述内衬环密封固件1513。

所述探头接线1511一端与所述传感器隔膜1515连接，另一端穿过所述传感器内通道1313与所述传感器外接栓1315电连接，可以将 受到孔隙水压和气压的压力变化转变为电信号，将变化的压力数值传送给外接的数据采集系统。

所述内衬环密封固件1513环设于所述探头接线1511与所述传感器隔膜1515的连接处，可以防止水通过所述传感器隔膜1515渗透进所述探头151内部，造成电路短路。

所述过水层1517设于所述探头151靠近待测土样的一端，可与所述传感器隔膜1515间形成一水压容腔，孔隙水穿过所述过水层1517积聚在该空间内，可让所述传感器隔膜1515感受到非饱和土的基质吸力，所述过水层1517为透水石或微型陶土板。

所述外密封圈1519环设于所述探头151靠近待测土样一端的外周，材质一般为橡胶，可有效防止待测土样中水渗透进所述传感器内通道1313内。

所述法兰衬垫155外包于所述探头151，且呈阶梯圆柱形，其最大直径与所述传感器内通道1313的内直径相等，可使所述传感器15、卡接于所述传感器内通道1313的一端。

所述土样橡胶模157外包于所述法兰衬垫155，待测土样可通过所述土样橡胶模157与所述特制顶帽13套接。

所述O型圈153外套于所述土样橡胶模157的一端，可以起到卡接与密封的作用，另外所述法兰衬垫155和所述土样橡胶模157其靠近待测土样的一端与所述探头151位于同一水平线。

本发明提供的测量基质吸力的三轴试验顶帽1具有以下优点：

一、所述测量基质吸力的三轴试验顶帽1可方便地采集合气土等土样顶部基质吸力的变化值，所采集数据可及时用于与非饱和土底座所测孔压值的对比分析，完善试验研究内容。

二、所述测量基质吸力的三轴试验顶帽1直接内嵌套有微型张力计传感器15，解决了在土样中部表面不便安置所述探头151的问题， 可应用于常规或高压土三轴试验系统，也可以用于土样顶部的基质吸力量测。

三、所述测量基质吸力的三轴试验顶帽1的材料为铝合金并经络氧处理，既提高了结构强度，又利于封装所述探头151于所述主体顶帽131内部，所述传感器内通道1313、所述反压通道1315和所述大气通道1331均采用台阶式结构设计，可以尽量减少渗水情况的发生。

以上所述仅为本发明的一种实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。