多功能土样胀缩测试仪及测试方法与流程

本发明涉及岩土工程土工试验技术领域，具体地指一种多功能土样胀缩测试仪及测试方法。

背景技术：

膨胀力是土体在不允许侧向变形条件下充分吸水而保持其不发生竖向膨胀所需施加的最大压力值。因此，现在的膨胀力测试仪都是在保持土样体积不变的基础上测试的。但如：在膨胀土层中进行隧道盾构施工，管片受力是发生一定膨胀变形后的膨胀力；核废料处置库中膨润土块体之间有缝隙，其吸水膨胀后的膨胀力，也是发生一定膨胀变形后的膨胀力，等等。定义剩余膨胀力为允许发生一部分膨胀变形后，继续膨胀产生的膨胀力。同时收缩试验通常是将试样推出环刀置于多孔板上进行自由失水收缩，但工程中膨胀土的失水收缩，是在温度、水位变动过程中限制变形下的失水收缩。所以进行膨胀土允许膨胀变形与剩余膨胀力关系、限制变形下失水收缩、以及常规限制膨胀变形测试研究，具有很强的工程意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多功能土样胀缩测试仪及测试方法，既能够实现工程中对膨胀土发生部分膨胀后，剩余膨胀力的预测需求；又能够实现工程环境下膨胀土失水收缩性能研究，以及单独的常规土样膨胀变形试验。该仪器不管是控制的允许膨胀变形，应力传感器测量的膨胀力，位移传感器测量的膨胀变形，还是高精度天平测量的失水量精度均较高，能够为研究提供可信的试验数据。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种多功能土样胀缩测试仪，包括呈圆环柱体形状的试样盒；

所述试样盒下底内侧面固定安装有环形板，所述试样盒与环形板组合为一个整体，所述环形板上表面设有上透水石；

所述上透水石上表面用于搁置被压入土样的环刀，所述环刀外围还设有一个或多个环状护筒；当设置一个环状护筒时，环状护筒内径与环刀的外径相同，环状护筒外径与试样盒内径相同；当设置多个环状护筒时，最内侧的环状护筒内径与环刀的外径相同，最外侧的环状护筒外径与试样盒内径相同，每两个相邻的环状护筒互相贴合；最外侧的环状护筒为两个半环形组合而成，其厚度与环形加热带的厚度相同；

所述土样上方设有用于检测土样膨胀力或膨胀变形量的传感器。

进一步地，所述试样盒顶部竖直安装有两根支撑杆，所述两根支撑杆顶端安装有带孔顶板；支杆上端穿过带孔顶板的孔并竖直安装在带孔顶板上，下端安装传感器，所述传感器下端安装有圆形压盘，所述圆形压盘的直径与环刀内径相同，所述带孔顶板的中心孔圆心、圆形压盘圆心和环刀中心轴在同一竖直轴线上。

更进一步地，所述支杆上部还设有外螺纹，通过与外螺纹相匹配的螺母可将支杆安装在带孔顶板上。

更进一步地，所述支杆表面还刻有刻度读数，用于显示支杆相对于带孔顶板移动的距离。

进一步地，所述试样盒顶端还设有环形盖板，所述环形盖板外径与试样盒外径相同，所述环形盖板内径与环刀内径相同。

更进一步地，所述环形盖板为两个半环形组合而成，所述环形盖板底部还设有一圈环状凸起，用于防止环形盖板安装到试样盒顶端后发生侧移。

进一步地，所述环形板及其对应的试样盒表面开设有进水孔，下透水石安装在环形板内。

进一步地，所述传感器为应力传感器或位移传感器。

另外，本发明还提供一种利用上述多功能土样胀缩测试仪进行土样胀缩测试的方法，它包括以下步骤：

步骤一：根据试验所需土样的密度、土样厚度，将土样压入环刀内，土样高度可低于环刀高度；

步骤二：将试样盒放入水盆中，将上透水石放置在环形板上方，然后将装有土样的环刀搁置于上透水石上表面，环刀外围套装多个环状护筒，每两个相邻的环状护筒互相贴合，最外侧的环状护筒抵触试样盒内侧面；

步骤三：将环形盖板放置在试样盒顶端，将试样盒、支撑杆、带孔顶板连接组合在一起，将支杆、传感器、圆形压盘连接组合在一起，将圆形压盘放入环刀和环形盖板的空心圆柱孔中，并根据允许自主膨胀高度，使用支杆上的刻度将支杆下移到相应位置，将支杆上端套入带孔顶板的孔中，并通过螺母将支杆固定；

步骤四：向水盆中注入水，水进入上透水石，并到达环刀内的土样，进而引起土样竖向膨胀，当土样膨胀至允许自主膨胀高度后，土样与圆形压盘接触，由于圆形压盘的变形限制作用，继续膨胀产生的膨胀力被记录在传感器上，传感器采用应力传感器；

步骤五：膨胀试验结束后，将整套设备从水盆中取出，搁置于试验台或空水盆中，在保持整套设备基本完整下，先后取出环形盖板和最外侧的环状护筒，然后在最外侧的环状护筒空出的位置放入环形加热带，通电加热排水，即可继续进行并完成限制变形条件下的失水收缩试验。

进一步地，若需要进行土样的膨胀变形试验，则可将圆形压盘与土样紧密接触，将支杆上端只套入带孔顶板的孔中而不固定，通过刻度显示支杆在试验前后的上下位移变化量，从而获取膨胀变形量；若支杆刻度精度无法满足试验需求，可在圆形压盘与土样紧密接触的基础上，传感器变换为位移传感器来显示支杆在试验前后的上下位移变化量。

本发明的有益效果如下：

1、针对实际工程中对膨胀土发生部分膨胀后，剩余膨胀力的预测需求。本发明仪器能够进行较高精度的允许膨胀变形控制，并进行发生允许膨胀变形后，剩余膨胀力的测量。

2、针对实际工程环境下膨胀土的失水收缩特点，该仪器能够提供适应工程环境约束条件的失水收缩试验。

3、通过一系列贯穿底部试样盒的进水孔，和与进水孔相接触的透水石，来保证对土样的集中供水，及土样饱和所需的吸水量。

4、通过在试样盒下底内侧面固定安装有环形板，且在环形板上方放置上透水石，这样在进行失水收缩试验时，土样及相关零件不会掉出，以及有足够空间来排水。

5、本发明还可以单独进行膨胀变形试验，以检测土样的膨胀变形量。

6、根据不同土样尺寸的要求，可选配环刀、环状护筒、圆形压盘、环形盖板，对各种实验所需规格具有普遍性和全面性，且可一次性顺序进行剩余膨胀力测量试验和限制变形条件下失水收缩试验。

附图说明

图1 为一种多功能土样胀缩测试仪的结构示意图；

图2为图1中试样盒的结构示意图；

图3为图1中试样盒与支撑杆、带孔顶板的连接结构示意图；

图4为下透水石在试样盒中的安装结构示意图；

图5为上透水石在试样盒中的安装结构示意图；

图6为环刀和环状护筒安装结构示意图；

图7为图1中圆形压盘位于环刀内的结构示意图；

图8为图1中环形盖板安装结构示意图；

图9为图8中环形盖板仰视结构示意图；

图10为图1中试样盒部分对应结构的侧视结构示意图；

图中，试样盒1、支撑杆1.1、带孔顶板1.2、支杆1.3、环形板2、进水孔2.1、下透水石3、上透水石4、环刀5、环状护筒6、土样7、传感器8、圆形压盘8.1、环形盖板9、环状凸起9.1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图10所示，一种多功能土样胀缩测试仪，包括呈圆环柱体形状的试样盒1，

所述试样盒1下底内侧面固定安装有环形板2，所述试样盒1与环形板2组合为一个整体，所述环形板2上表面设有上透水石4；

所述上透水石4上表面用于搁置被压入土样7的环刀5，所述环刀5外围还设有一个或多个环状护筒6；当设置一个环状护筒6时，环状护筒6内径与环刀5的外径相同，环状护筒6外径与试样盒1内径相同；当设置多个环状护筒6时，最内侧的环状护筒6内径与环刀5的外径相同，最外侧的环状护筒6外径与试样盒1内径相同，每两个相邻的环状护筒6互相贴合；最外侧的环状护筒6为两个半环形组合而成，其厚度与环形加热带的厚度相同；环状护筒6之所以为两个半环形组合而成，是因为在失水收缩试验过程中，需要保持支杆1.3、传感器8、圆形压盘8.1不变动的情况下，将环状护筒6取出来，因此环状护筒6设计成可组合的两个半环形，另外每个半环形顶部有一个螺纹孔，这样可以通过螺栓方便地将两个半环形组合而成的环状护筒6顺利取出；另外本实施例中，环形加热带可以为加热带绕制成环形即可；

所述土样7上方设有用于检测土样7膨胀力或膨胀变形量的传感器8。

所述试样盒1顶部竖直安装有两根支撑杆1.1，所述两根支撑杆1.1顶端安装有带孔顶板1.2；所述支杆1.3上端穿过带孔顶板1.2的孔并竖直安装在带孔顶板1.2上，下端安装传感器8，所述传感器8下端安装有圆形压盘8.1，所述圆形压盘8.1的直径与环刀5内径相同，所述带孔顶板1.2的中心孔圆心、圆形压盘8.1圆心和环刀5中心轴在同一竖直轴线上。

所述支杆1.3上部还设有外螺纹，通过与外螺纹相匹配的螺母可将支杆1.3安装在带孔顶板1.2上。

所述支杆1.3表面还刻有刻度读数，用于显示支杆1.3相对于带孔顶板1.2移动的距离。优选地，在本实施例中刻度读数设于支杆1.3外螺纹上方，分别设有1mm的小刻度和1cm的大刻度共10cm。这样便可以能够根据允许膨胀变形大小，来精确控制圆形压盘8所需向下伸入到试样盒1内的距离。

所述试样盒1顶端还设有环形盖板9，所述环形盖板9外径与试样盒1外径相同，所述环形盖板9内径与环刀5内径相同。这样能够方便圆形压盘8.1在环形盖板9及环刀5形成的空心圆柱体通道内上下移动。

所述环形盖板9为两个半环形组合而成，所述环形盖板9底部还设有一圈环状凸起9.1，用于防止环形盖板9安装到试样盒1顶端后发生侧移。优选地，环状凸起9.1的厚度等于试样盒1的高度减去环状护筒6的高度，这样环形盖板9安装到试样盒1顶端后，环状凸起9.1下表面刚好抵触在环状护筒6上表面。

所述环形板2及其对应的试样盒1表面开设有进水孔2.1，下透水石3安装在环形板2内。通过这一系列贯穿底部试样盒的进水孔2.1，和与进水孔2.1相接触的下透水石3，来保证对土样7的集中供水，满足土样7饱和所需的吸水量。

所述传感器8为应力传感器或位移传感器。这样传感器8采用应力传感器时，可以进行土样膨胀力的测量；传感器8采用位移传感器时，可以进行土样膨胀变形量的测量。

本发明实施例利用上述多功能土样胀缩测试仪进行土样胀缩测试的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据试验所需土样7的密度、土样厚度，将土样7压入环刀5内，土样7高度可低于环刀5高度；

步骤二：将试样盒1放入水盆中，将上透水石4放置在环形板2上方，然后将装有土样7的环刀5搁置于上透水石4上表面，环刀5外围套装多个环状护筒6，每两个相邻的环状护筒6互相贴合，最外侧的环状护筒6抵触试样盒1内侧面；

步骤三：将环形盖板9放置在试样盒1顶端，将试样盒1、支撑杆1.1、带孔顶板1.2连接组合在一起，将支杆1.3、传感器8、圆形压盘8.1连接组合在一起，将圆形压盘8.1放入环刀5和环形盖板9的空心圆柱孔中，并根据允许自主膨胀高度，使用支杆1.3上的刻度将支杆1.3下移到相应位置，将支杆1.3上端套入带孔顶板1.2的孔中，并通过螺母将支杆1.3固定；

步骤四：向水盆中注入水，水进入上透水石4，并到达环刀5内的土样7，进而引起土样7竖向膨胀，当土样7膨胀至允许自主膨胀高度后（例如从图10看出土样7至圆形压盘8.1下表面的距离为允许自主膨胀高度），土样7与圆形压盘8.1接触，由于圆形压盘8.1的变形限制作用，继续膨胀产生的膨胀力被记录在传感器8上，传感器8采用应力传感器；

步骤五：膨胀试验结束后，将整套设备从水盆中取出，搁置于试验台或空水盆中，在保持整套设备基本完整下，先后取出环形盖板9和最外侧的环状护筒6，然后在最外侧的环状护筒6空出的位置放入环形加热带，通电加热排水，即可继续进行并完成限制变形条件下的失水收缩试验。本实施例中，失水收缩试验具体为：通电加热排水后，每隔一定时间称取整套设备重量，至两次读数基本不变时拆除整套设备，取出环刀5，量取土样7厚度。

另外，若需要进行土样7的常规膨胀变形试验，则可将圆形压盘8.1与土样7紧密接触，将支杆1.3上端只套入带孔顶板1.2的孔中而不固定，通过刻度显示支杆1.3在试验前后的上下位移变化量，从而获取膨胀变形量；若支杆1.3刻度精度无法满足试验需求，可在圆形压盘8.1与土样7紧密接触的基础上，传感器8变换为位移传感器来显示支杆1.3在试验前后的上下位移变化量。