一种适用于非饱和土湿化变形试验的三轴试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及土壤检测设备领域，尤其涉及一种适用于非饱和土湿化变形试验的三轴试验装置。


背景技术：

2.自然界的路基土在绝大多数时间内为土-水-气混合的非饱和状态，土体的强度特性、变形特性、渗透特性随非饱和程度，即含水率的变化而变化，在大气降水、地下水、大气湿度平衡等因素作用下，路基土在运营期内含水率将缓慢上升，产生湿化变形，引起路基不均匀沉降现象，严重的将产生路基大面积沉陷、边坡垮塌等严重问题。合理确定路基土湿化变形特性尤为重要。
3.采用单轴固结试验仪的单轴湿化变形试验虽然操作简单，造价较低，但围压为无限大，与路基实际应力状态差异较大，试验结果可靠性较低。
4.普通三轴仪可通过气压力或水压力，对试件施加可控的围压，在此基础上控制轴向压力，实现三轴应力状态的模拟。但该仪器主要针对饱和土设计，可进行排水固结、排水剪切试验。然而，对土-水-气三相混合的非饱和土，试件一旦压缩或湿化，土体内孔隙气将被排出，但因为没有气路通道，气体被困在试件与橡皮膜之间，抵消了压力室内部分气压力作用，降低有效围压，使应力状态与实际不一致。此外，试件与橡皮膜之间的气体会对注入的水分形成较大阻力，阻碍试件的进一步湿化，甚至导致试件内水分反向排出，湿化变形试验的精度和试验范围有限。
5.非饱和三轴仪可控制土体基质吸力，从而控制干化、湿化过程，但造价昂贵，试验过程缓慢，且需要对非饱和土先饱和，再脱湿，才可进一步进行湿化试验，相当于使土样经历了干湿循环，对土样微观结构产生影响，与实际路基土工作状态不符。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种适用于非饱和土湿化变形试验的三轴试验装置。
7.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
8.一种适用于非饱和土湿化变形试验的三轴试验装置，包括仪器底座、加载架、三轴压力室平台、轴向力控制系统、围压控制系统、反压控制系统、排气隔水系统、数据采集系统，所述加载架安装在仪器底座顶端的立柱上，所述三轴压力室平台安放在仪器底座上，所述轴向力控制系统安装在加载架上，并且所述轴向力控制系统的轴向力加载杆底端与三轴压力室平台的试件顶帽的顶端中心接触，所述三轴压力室平台分别与围压控制系统、反压控制系统和排气隔水系统连通，所述数据采集系统分别与轴向力控制系统、围压控制系统、反压控制系统、排气隔水系统用数据线连接。
9.其中，所述三轴压力室平台包括压力室底座、压力室顶板、玻璃罩、试件顶帽、橡皮膜、非饱和土试件、透水石，所述压力室顶板与压力室底座用长杆螺丝连接，所述玻璃罩夹
在压力室底座与压力室顶板之间，所述压力室底座的顶端中心设有向上突出的中心凸台，所述橡皮膜的下口套在中心凸台上，所述橡皮膜的上口套在试件顶帽上，所述非饱和土试件套在橡皮膜中，所述非饱和土试件的两头分别设有一块透水石，所述压力室顶板的中心设有一个通孔，所述轴向力加载杆套在通孔中，所述通孔的内壁上安装有o型圈。
10.其中，所述试件顶帽上设有第一排气接口，所述压力室底座上设有第二排气接口，所述第一排气接口与第二排气接口用第一软管连接，所述压力室底座的外侧设有围压接口、反压接口、第三排气接口，所述压力室底座中设有连通围压接口与中心凸台一侧的压力室底座顶端的围压通道，所述压力室底座中设有连通反压接口与中心凸台顶端的反压通道，所述压力室底座中设有连通第二排气接口与第三排气接口的排气通道。
11.其中，所述轴向力控制系统包括轴向力加载杆、轴向力控制器、第一压力传感器和位移传感器，所述轴向力加载杆安装在加载架上，所述轴向力控制器通过第二软管与轴向力加载杆的压力调节室连通，所述压力传感器安装在轴向力加载杆中，所述位移传感器安装在轴向力加载杆顶部。
12.其中，所述围压控制系统包括围压电磁开关、第二压力传感器、围压控制器，所述围压接口与围压电磁开关、第二压力传感器、围压控制器依次用第三软管串连。
13.其中，所述反压控制系统包括反压电磁开关、第三压力传感器，所述反压接口与反压电磁开关、第三压力传感器、体变传感器、反压控制器依次用第四软管串连。
14.其中，所述排气隔水系统包括排气电磁开关、排气隔水阀管，所述排气隔水阀管中安装有排气隔水薄膜，所述第三排气接口与排气电磁开关、排气隔水阀管依次用第五软管串连。
15.其中，所述数据采集系统包括数据采集仪和电脑，所述数据采集仪分别用数据线与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、轴向力控制器、位移传感器、围压控制器、体变传感器、反压控制器连接，所述数据采集仪与电脑用网线连接。
16.本实用新型的有益效果是：1、反压控制装置中装有隔水排气装置，可在注水湿化同时保证孔隙气的有效排除，从而确保试件内有效围压稳定，注水湿化过程顺畅；2、开展非饱和土湿化变形试验全过程中不需要控制吸力，试验时间较非饱和三轴仪大大缩短，便于开展需要大量试验的路基土研究；3、水-力路径与实际路基运营期含水率变化过程一致，且可根据需要调整湿化程度，获取含水率分级增大过程中土体湿化变形特征，结果更贴近实际情况；本实用新型与现有技术相比，方法科学，快速有效，经济性强。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
18.图1是本实用新型中三轴试验装置的部分结构示意图；
19.图2是本实用新型中三轴压力室平台和轴向力加载杆装配的结构示意图；
20.图3是本实用新型中三轴压力室平台去除压力室顶板、玻璃罩和长杆螺丝后的结构示意图；
21.图4是本实用新型中三轴压力室平台去除压力室顶板、玻璃罩、长杆螺丝、橡皮膜
和橡皮筋后的结构示意图；
22.图中标号说明：仪器底座1、加载架2、三轴压力室平台3、立柱4、轴向力加载杆5、压力室底座6、压力室顶板7、玻璃罩8、试件顶帽9、橡皮膜10、非饱和土试件11、透水石12、长杆螺丝13、中心凸台14、滤纸15、通孔16、第一排气接口17、第二排气接口18、第一软管19、围压接口20、反压接口21、第三排气接口22、第一压力传感器23、位移传感器24、橡皮筋25。
具体实施方式
23.下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
24.如图1至图4所示，一种适用于非饱和土湿化变形试验的三轴试验装置，包括仪器底座1、加载架2、三轴压力室平台3、轴向力控制系统、围压控制系统、反压控制系统、排气隔水系统、数据采集系统，加载架2安装在仪器底座1顶端的立柱4上，三轴压力室平台3安放在仪器底座1上，轴向力控制系统安装在加载架2上，并且轴向力控制系统的轴向力加载杆5底端与三轴压力室平台3的试件顶帽9的顶端中心接触，三轴压力室平台3分别与围压控制系统、反压控制系统和排气隔水系统连通，数据采集系统分别与轴向力控制系统、围压控制系统、反压控制系统、排气隔水系统用数据线连接。
25.三轴压力室平台3包括压力室底座6、压力室顶板7、玻璃罩8、试件顶帽9、橡皮膜10、非饱和土试件11、透水石12，压力室顶板7与压力室底座6用长杆螺丝13连接，玻璃罩8夹在压力室底座6与压力室顶板7之间，便于玻璃罩8、压力室顶板7和压力室底座6的装配；压力室底座6的顶端中心设有向上突出的中心凸台14，橡皮膜10的下口套在中心凸台14上，橡皮膜10的上口套在试件顶帽9上，橡皮膜10的两头分别套有橡皮筋25，利用橡皮筋25将橡皮膜10的连头分别固定在中心凸台14和试件顶帽9上；非饱和土试件11套在橡皮膜10中，非饱和土试件11的两头分别设有一块透水石12，并在非饱和土试件11与透水石12之间安放一张滤纸15，压力室顶板7的中心设有一个通孔16，轴向力加载杆5套在通孔16中，通孔16的内壁上安装有o型圈。
26.试件顶帽9上设有第一排气接口17，压力室底座6上设有第二排气接口18，第一排气接口17与第二排气接口18用第一软管19连接，压力室底座6的外侧设有围压接口20、反压接口21、第三排气接口22，，压力室底座6中设有连通围压接口20与中心凸台14一侧的压力室底座6顶端的围压通道，用于对非饱和土试件11施加围压；压力室底座6中设有连通反压接口21与中心凸台14顶端的反压通道，用于对非饱和土试件11施加反压，压力室底座6中设有连通第二排气接口18与第三排气接口22的排气通道，用于排出非饱和土试件11中的气体。
27.轴向力控制系统包括轴向力加载杆5、轴向力控制器、第一压力传感器23和位移传感器24，轴向力加载杆5安装在加载架2上，轴向力控制器通过第二软管与轴向力加载杆5的压力调节室连通，压力传感器24安装在轴向力加载杆5中，位移传感器24安装在轴向力加载杆5顶部。
28.围压控制系统包括围压电磁开关、第二压力传感器、围压控制器，围压接口与围压电磁开关、第二压力传感器、围压控制器依次用第三软管串连，利用。
29.反压控制系统包括反压电磁开关、第三压力传感器、体变传感器、反压控制器，反压接口与反压电磁开关、第三压力传感器、体变传感器、反压控制器依次用第四软管串连。
反压控制器通过对第四软管注水，对试件施加反压力；体变传感器可实时得到流过的水量，在本装置中用于确定湿化变形试验中对非饱和土试件的注水量。
30.排气隔水系统包括排气电磁开关、排气隔水阀管，排气隔水阀管中安装有排气隔水薄膜，第三排气接口与排气电磁开关、排气隔水阀管依次用第五软管串连。第五软管为承压1.5mpa、外径10mm的塑料软管。第五软管的末端与大气连通，非饱和土试件中的气体通过第五软管、排气电磁开关、排气隔水阀管排出。
31.立柱的上部外侧有外螺纹，加载架的两头有供立柱穿过的圆孔，每根立柱上螺接两颗将加载架夹住的螺母；加载架2的正面安装有水准调平器，在固定加载架2的时候，贯穿加载架的水平度。
32.本实施例中的排气隔水薄膜采用聚四氟乙烯薄膜，因其疏水性和微孔隙特性，可实现将试件内的孔隙气排出压力室，同时阻止水分流出的作用。
33.数据采集系统包括数据采集仪和电脑，数据采集仪分别用数据线与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、轴向力控制器、位移传感器、围压控制器、体变传感器、反压控制器连接，数据采集仪与电脑用网线连接。
34.工作过程：
35.1、制作直径为50mm、高度为100mm的圆柱体的非饱和土试件，可通过拌和干土和水后静压成型制备重塑土试件、或者通过切土器切取原状土试件，并且记录非饱和土试件的质量和初始含水率。
36.2、检查橡皮膜是否漏气，然后通过承膜筒将橡皮膜套在非饱和土试件外部，确保橡皮膜无褶皱。
37.3、将用橡皮膜包裹的非饱和土试件上下各放置一块直径为50mm的透水石，并在非饱和土试件与透水石之间安放一张直径为50mm的滤纸，将非饱和土试件平放在压力室底座的中心凸台上，将试件顶帽套在橡皮膜的上口中，橡皮膜多出部分翻折，橡皮膜上下两头分别用橡胶圈与试件顶帽、中心凸台固定，确保密封。
38.4、打开轴向力控制器、围压控制系统、反压控制系统，启动数据采集仪和电脑，打开电脑配套软件，连接仪器控制系统。
39.5、用水准调平器将加载架调平，用螺母固定；将玻璃罩放置于压力室底座上，将压力室顶板放置于玻璃罩上，旋紧三根长杆螺丝，并确保外罩与底座间的密封；将轴向力加载杆与横梁相连接。
40.6、在配套软件中操作轴向力加载杆缓慢下降，至加载杆与试件顶帽接触，接触压力控制在0.5n左右，确保试验过程中轴向力加载杆与非饱和土试件之间不发生相对位移。
41.7、打开围压电磁开关、反压电磁开关和排气电磁开关，按试验需求设定围压值，对非饱和土试件进行加压，监测非饱和土试件轴向变形，直至变形量趋于稳定。
42.8、根据所需的湿化程度，计算并在配套软件中输入注水量，打开反压电磁开关，开始通过施加反压向试件内注水；反压力一般为围压的五分之一，可根据实际注水速度调整；注水量达到一级湿化标准时，程序自动关闭反压电磁开关。
43.9、观察配套软件中实时记录的轴向位移-时间曲线，当轴向位移稳定后，可继续进行下一级湿化；进行完最后一级湿化后，关闭仪器，拆下压力室外罩，取出非饱和土试件，进行湿化后土体含水率测试，与体变传感器记录的注水量相互验证。
44.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。