一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置及方法与流程

本发明属于土建领域的室内试验装置，具体地涉及一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置及方法。

背景技术：

盐渍土地质在我国分布广泛，尤其在西北地区，作为建筑物、公路和铁路等的下部支撑基础，其变形破坏都会对与其相关的各类工程造成巨大危害，而盐胀破坏即为盐渍土最主要的病害之一，随着在盐渍土地区各类工程大量开展建设，对盐渍土的基础试验研究也日益引人关注，其中盐胀机理、影响因素、盐胀系数等并成为设计、施工时必定考虑的核心问题。

盐胀是主要发生在硫酸盐盐渍土，由于硫酸钠结晶时吸收大量的水而造成体积膨胀，使土粒间的空隙增大，土粒松散，形成盐结剥离的蓬松层。施加一定的荷载可以明显抑制盐胀时的盐胀量，而盐渍土的含水率等都会影响盐渍土的盐胀，在工程施工前必然会对盐渍土的基本物理力学性质进行试验研究。

目前对盐胀特性的研究仍然不足，主要表现在对盐胀的机理研究不足、没有一整套完整的盐胀试验标准规范仪器，在各类盐胀试验的研究中，研究员通常会制作简陋的试验仪器进行盐胀系数的测试或是用万能土工试验仪器进行加载或不加载试验，试验周期相当长，且试验过程繁琐，可模拟工况较少。尽管盐胀系数测试有其直观、可靠的方法，但作为一种测试技术，其存在实验投入大、耗时长、成本高，制约因素多、甚至无法进行原形实验的诸多缺陷。而基于相似性理论的模型桩试验为研究、探索和解决问题提供了一种有效方法。

对盐渍土制作盐渍土地基模型，借助科学仪器和实验设备，人为地控制试验条件，研究盐渍土的盐胀和测试其盐胀系数。目前，盐渍土盐胀室内实验已成为研究盐渍土盐胀发生机理，影响因素和盐胀破坏规律的主要手段，并得到广泛应用。

当前，盐渍土盐胀室内试验装置众多，复杂多变，且其价格昂贵，维修费用高，已成为科学研究、实验教学的掣肘。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中试验过程繁琐、可模拟工况单一和花费时间长等缺陷。

技术实现要素：

为解决现有技术的问题，本发明提供一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，包括放置在水平面上的基础平台，固定设置于所述基础平台上的加载框架；所述加载框架内部设有环境模拟箱，所述环境模拟箱内设置试件容器室，并使所述环境模拟箱的顶部与所述试件容器室的上方之间形成一定的预留空间；还包括用于在竖直方向上对所述试件容器室内的盐渍土进行加载的杠杆加载部，所述杠杆加载部包括铰接于所述加载框架外侧上方的在水平方向上设置的第一杠杆，在所述第一杠杆两端均设置有配重力臂调节孔，所述杠杆加载部还包括位于所述预留空间内的加载压板，所述加载压板和所述第一杠杆之间通过竖直传动杆连接；所述加载压板和所述试件容器室顶部之间设有弹性缓冲部；所述试件容器室的顶部还设有位移检测器。

优选地，弹性缓冲部包括固定在螺母上的弹簧和用于将弹簧定位安装于加载压板下表面的弹簧安装螺丝。

优选地，所述第一杠杆和所述加载框架的顶部之间设有动载部，所述动载部包括凸轮机构以及与所述与凸轮机构相连的变速电机。

优选地，所述环境模拟箱顶部设有水雾喷头，及湿度检测器。

优选地，所述环境模拟箱内的温度变化范围为-45℃~60℃。

优选地，所述试件容器室内设有温度检测器。

优选地，所述试件容器室包括四个相互独立的箱体，且在每个所述箱体表面等间距地开设小孔，以供温度检测器埋设。

本发明的另一方面，提供一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验方法。使用前述的实验装置进行实验操作，具体包括如下步骤：

制作室内实验所用的盐渍土模型，并将温度检测器通过环境模拟箱表面的小孔埋设在土体中；对每个土模型进行编号，按一定试验顺序排列好，依次放入环境模拟箱内，安装好竖直传动杆，并确保竖直传动杆与环境模拟箱上小孔没有摩擦；调节基础平台上的加载框架，使整个装置处于水平无倾斜状态；调节加载压板下方的弹性缓冲部的螺母使弹簧处于自然平衡状态，并确保加载压板水平；检查无误后进行加载实验操作。

优选地，进行加载实验操作的步骤具体包括，通过启动变速电机后调节转速，使与电机连接的凸轮机构模拟动荷载加载情况，模拟不同频率下动荷载的施加。

优选地，进行加载实验操作的步骤具体包括，调节第一杠杆一端的平衡配重，使第一杠杆平衡，在与第一杠杆一端的平衡配重相对的另一端加配重砝码，以模拟不同静荷载情况盐胀变化。

本发明提供的一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，可以克服现有技术中试验成本高、过程繁琐、可模拟工况单一和花费时间长等缺陷，以实现成本低、试验简单、可同时模拟多类工况和花费时间短等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的结构示意图；

图2为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的基础平台的立体结构示意图；

图3为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的加载框架的立体结构示意图；

图4为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的第一杠杆的立体结构示意图；

图5为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的凸轮机构结构示意图；

图6为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的凸轮机构与电机连接结构示意图；

图7为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的电机安装支座结构示意图；

图8为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的弹簧螺母立体结构示意图；

图9为本发明实施例的室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的加载压板结构示意图；

图10为本发明实施例的环境模拟箱的立体结构示意图；

图11为本发明实施例的室内盐渍土盐胀系数测试试验流程示意图。

附图标记说明：

100-杠杆加载部，200-基础平台，400-弹性缓冲部，500-加载框架，600-凸轮机构，700-位移检测器，800-试件容器室，900-温度检测器；

11-第一杠杆，13-平衡配重，14-加载砝码，15-第一杠杆连接铰，16-加载压板；161-传动杆；21-支座，22-加载框架连接铰；23-底座横梁，24-调平螺丝，25-底座钢板；31-环境模拟箱，32-水雾喷头，33-排水孔；40-弹簧安装螺丝，42-螺母，43-弹簧；51-加载框架立柱，52-第一加载框架横梁，53-第二加载框架横梁，510-支架，512-座板，601-变速电机，610-小轮，611-电机支座固定安装孔，612-电机安装孔，801-土箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。

如图1-10所示，本发明提供一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，包括放置在水平面上的基础平台200，固定设置于基础平台200上的加载框架500；加载框架500内部设有环境模拟箱31。环境模拟箱31内设置试件容器室800（用于盛放被测试的盐渍土），并使环境模拟箱31的顶部与试件容器室800的上方之间形成一定的预留空间。该装置还包括用于在竖直方向上对试件容器室800内的盐渍土进行加载的杠杆加载部100，杠杆加载部100包括铰接于加载框架500外侧上方的在水平方向上设置的第一杠杆11，在第一杠杆11两端均设置有配重力臂调节孔（用于垂吊配重或者是砝码）。杠杆加载部100还包括位于预留空间内的加载压板16，加载压板16和第一杠杆100之间通过竖直传动杆161连接。加载压板16和试件容器室800的顶部之间设有弹性缓冲部400。试件容器室800的顶部还设有位移检测器700。

其中，杠杆加载部100包括第一杠杆11、平衡配重13、砝码14和加载传动杆161以及其下方的加载压板16。第一杠杆11的一端通过细钢丝与砝码盘相连，另一端同样通过一钢丝和平衡配重盘相连，其上配有平衡配重13，平衡配重13主要是为了平衡第一杠杆11，使其在不加载时第一杠杆11平衡。第一杠杆11上设有前后两组连接件，后部连接件与加载框架500连接于第一杠杆连接铰15处，作为第一杠杆11的支点，前部与竖直传动杆161连接（传动杆161的下端与加载压板16相连接，作为载荷的施力板，其上端穿过环境模拟箱31的顶部孔洞；传动杆161的顶端开有圆孔，可通过圆柱销与第一杠杆11相连接。自平衡杠杆式加载，砝码荷载力臂是加载杆荷载力臂的15倍，因而加载传动杆161传递的荷载是砝码自重荷载的10倍。并且，通过改变杠杆长度或支点位置，也可获得其他倍数竖直加载传动杆161的荷载；右侧平衡配重13用来平衡杠杆，因此通过此方式可方便快捷平衡支点左侧重量）。需要注意的是，竖直加载传动杆161与第一杠杆11的前部连接件铰接时，确保加载传动杆161竖直，且与环境模拟箱31顶部的小孔没有摩擦（传动杆161穿过环境模拟箱31顶部的小孔）。

其中，基础平台200包括支座21、底座横梁23，其功能是对加载框架500以及环境模拟箱31起到支撑的作用，调平螺丝24可对安放于底座横梁23上的钢板25进行调平防止倾斜加载，基础平台200的尺寸依赖于于环境模拟箱31的大小，高度以10~20cm为宜，材质为钢材。其中，立柱、横梁和水平钢板应具备较强的刚度，使得盐渍土模型加载实验时可忽略工作台的变形。本实施例钢板面尺寸为540×785mm；四根横梁均为工字形型钢，当然，也可以调节为其他尺寸，具体根据实际实验需要而定，本实施例在此不做限定。

加载框架500连接在基础平台200上，由左右两根加载框架立柱51和上部顶横梁（第二加载框架横梁53）焊接成门字形，更加牢固。为降低加载框架500自身变量对实验结果的影响，立柱和顶横梁均采用双杆有间隙焊接结构，以增大加载框架500的刚度，抵抗变形，减少实验误差，提高精度；加载框架500的宽度和高度须大于环境模拟箱31的宽度和高度，加载框架500的尺寸以立柱紧贴环境模拟箱31，高度较环境模拟箱31高5~10厘米为宜。本实施例中，左右加载框架立柱51和上部顶横梁（第二加载框架横梁53）焊接成两个门字形；为降低加载框架自身变量对实验结果的影响，立柱51和顶横梁均采用双杆有间隙焊接结构；顶横梁设有安装杠杆支点的支架510和安装凸轮的座板512；加载框架500的宽度和高度在本实施例中为宽度为790mm，高度为950mm。

进一步地，环境模拟箱31的顶部设有水雾喷头32（用于模拟降水工况）。环境模拟箱31内设有温度测试系统/湿度检测器。环境模拟箱31在本发明实施例中是一款单开门dw-40高低温交变湿热试验箱改造得到。其顶部正中位置开了一直径15mm孔，以便加载传动杆161可以插入到试验箱内；其一侧侧壁也开有直径10mm孔，以便位移检测系统（由型号为ghsi750-4-20ma的位移检测器和连接线组成；位移计量程0~10mm）、温度检测系统和伺服控制系统的连接线穿过。该环境模拟箱31上还配备温度设定装置、照明装置、温度显示屏、湿度调节装置和前述提到的水雾喷头32，其最低温度可低至-45℃，设定温度的误差范围能够控制在0.2℃范围内。环境模拟箱31外形尺寸540×785×885mm，箱内工作室尺寸380×430×600mm。

需要补充的是，环境模拟箱31内的试件容器室800用于盛放测试盐渍土，其由4个相互独立的土箱801组成，其形状大小尺寸均一样，每个土箱801由钢板相隔成容积相等的三部分；为方便温度检测器900（温度传感器）的埋设，在箱体每部分都开设有等间距的直径8mm的五个小孔（通过土箱801预设的小孔将其埋设在土体模型的中轴线）；为增强土箱刚度，在其中部焊接有加强肋板；试验土箱801可表面贴覆保温层，保温后可模拟环境温度对盐胀量的影响，去除后可模拟土体自身温度变化对盐胀的影响。

为确保实验效果，环境模拟箱31内的温度变化范围为-45℃~60℃。

进一步地，弹性缓冲部400包括固定在螺母42上的弹簧43和用于将弹簧43定位安装于加载压板下表面的弹簧安装螺丝41。弹簧安装螺丝41安装于加载压板16上，使弹簧43固定在螺母42上，在此，分别安装六个等长度弹簧43，对盐渍土同时进行加载控制，弹簧43可对其中某些土体盐胀量对其他土体减少影响进行调节控制，弹簧刚度根据具体试验选择，使其加载引起的形变适应试验要求。

本发明实施例的技术方案，将一种自平衡杠杆加载部通过加载框架500与环境模拟箱31内的加载压板16相连，并通过砝码施加静力载荷，并可同时做多组试验，为达到实验效果，可以加载与不加载同时进行。具体地，在加载压板16下设置有六个弹簧安装螺丝41，并通过弹簧43缓冲（六个弹簧安装螺丝41上均设置缓冲弹簧43）以减少其中某些土体盐胀对其他试验土体盐胀的影响，使得盐渍土模型室内加载试验周期大大降低，能够实现室内盐胀系数测试试验中涉及静荷载、动荷载，以及多种工况的相关模拟试验。该室内盐渍土可变荷载系数（室内动静载盐渍土盐胀系数测定）实验装置，的材料均为钢材。

进一步地，第一杠杆11和加载框架500的顶部之间设有动载部。动载部包括凸轮机构600以及与凸轮机构600相连的变速电机601。如此，动载部由变速电机601驱动凸轮机构600转动，变速电机601的转速可控制所施加的动荷载频率。另一方面，为降低与传动杆161之间的摩擦，在凸轮上设置有小轮610，将滑动摩擦力转变为滚动摩擦力，减小摩擦。此外，变速电机601与凸轮机构600可拆卸连接。

进一步地，环境模拟箱31是建立高低温湿热环境的模型试验土容器，其上设置有安设温度检测器的小孔，孔径大小依温度检测器感应头大小所钻，环境模拟箱31可定制，可根据试验规范盐渍土模型尺寸选择大小，作为盛装盐渍土的容器。

位移检测器700（位移检测器700通过一架子安装在试件容器室800的上方对其内盐渍土的位移进行测量）、温度检测器900、连接线路可直接选择相关企业的产品组装，该装置也可用于其他有关位移与温度的测量。

本发明的另一方面，提供一种室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验方法，使用前述的实验装置进行实验操作，具体包括如下步骤：

制作室内实验所用的盐渍土模型，并将温度检测器900通过试件容器室800表面的小孔埋设在土体中；对每个土模型进行编号，按一定试验顺序排列好，依次放入环境模拟箱31内，安装好竖直传动杆161，并确保竖直传动杆161与环境模拟箱31上小孔没有摩擦；调节基础平台200上的加载框架500，使整个装置处于水平无倾斜状态；调节加载压板16下方的弹性缓冲部400的螺母42使弹簧43处于自然平衡状态，并确保加载压板16水平；检查无误后进行加载实验操作。

其中，根据相似性规律，制作室内实验所用的盐渍地基土模型；

按照实验设计对其盐渍土进行相应处理，待处理完毕后分批次放入试件容器室800中分层夯实，按测点位置埋设好温度检测器900，在每个土模型顶端安装钢板及盐胀量测量的位移检测计，土体夯实度、温度控制等均须按盐渍土盐胀试验规范的要求进行；

基于上述制作的盐渍土模型，选取与之匹配长度的加载传动杆161，一端与第一杠杆11交接，通过调整杠杆平衡配重砝码，使得未加载时杠杆处于水平平衡位置、传动杆161另一端加载弹簧43与盐渍土模型顶部接触且共线，并调节螺母42使缓冲弹簧43处于自然平衡状态；

检查无误后开始进行加载实验，加载方案应依据盐渍土盐胀试验及模拟工况类别预先制定。

试验中利用位移检测器700（可以是多个）、温度检测器900（可以是多个）和计算机测量、收集盐胀量和土体温度变化数据信息，并整理数据进行分析计算。

与现有技术相比，本发明的技术方案，至少可以达到的有益效果是：

⑴利用加载砝码自重通过杠杆施加静力荷载，操作简单，容易实现，不消耗其它能量，杠杆平衡同样用平衡砝码配重实现，简单易操作；在盐胀试验中，通过改变杠杆支点位置或杠杆长度，可获得不同砝码自重荷载比的加载荷载，完全能够满足室内盐胀试验水加载的需求，同时凸轮机构可方便地施加动荷载，实现静力加载与可变荷载试验要求。

⑵利用加载板下六根弹簧缓冲加载杆，可实现加载与不加载、加载多组的试验同时进行，并保证了试验盐渍土模型是在同种环境、同种工况下进行试验，既减少了试验误差，又大大缩短了试验周期，节省时间与能源，现有技术中，室内盐渍土盐胀试验一般对单个盐渍土模型进行多次试验，试验过程极其繁琐，且耗能极大，极大地限制了室内盐渍土盐胀试验的开展，特别是限制了盐渍土盐胀试验教学的进行，故此套设备方便快捷地进行盐渍土盐胀试验。

⑶实验装置结构简单，造价低廉。本发明总造价不超过5万元人名币，且位移测量记录系统和温度测量记录系统均可与其它实验仪器共用，可进一步降低了实验室设备采购费。

本实施例中实验设备的使用流程如图11所示。

下面介绍一下室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，的安装方法：

本发明实施例的技术方案中，室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置的安装方法是：首先将加工好的基础平台200安置到实验室某一位置，然后焊接加载框架500，并将加工好的加载框架500连接到基础平台200，将环境模拟箱31放置在基础平台200的钢板上，使得加载框架500位于环境模拟箱31的正上方；再将第一杠杆11通过螺栓固结到加载框架500上，连接好砝码盘，安装好加载压板16与弹性缓冲部400，调节第一杠杆11平衡即可。

本发明的技术方案中，室内动静载盐渍土盐胀系数测定实验装置，在模型桩静载实验的流程是：首先按照实验要求和相关规范制作盐渍土模型、布置测点，埋设温度检测器；将其放置加工制作好的盐渍土模型箱放到环境模拟箱31（高低温交变湿热试验箱），按照试验要求进行加载与不加载等相关试验；记录实验数据并分析实验数据。

本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够作出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。