基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量装置及测量方法，包括水平横向透明刻度尺、水平纵向透明刻度尺、竖向透明刻度尺、支撑柱、水平横向钢针、水平纵向钢针。本发明具有的优点包括：适用于非饱和土；该装置针对扁平小试样，扁平小试样厚度小于常规三轴试样，土—水特征曲线试验用时大大缩短；巧妙利用了凸镜放大的物理规律，压力室罩与围压水构成凸透镜，人目视钢针端部在尺上正投影的读数，正投影在尺上分辨清晰，读数精确；根据梯形中位线定理，通过钢针在透明刻度尺上的读数计算试样直径，计算方法消除了钢针安装导致的误差，结果更精确；装置原理合理，量测精度高，简单经济。
【专利说明】
基于扁平小样非饱和±Ξ轴试验体积测量装置及测量方法
技术领域
[0001 ]本发明设及室内±工实验测试装置，尤其是用于研究非饱和±体的静Ξ轴仪，属 于岩±工程测试和非饱和±力学实验设备范畴。
【背景技术】
[0002] 木工程"之±分为饱和±与非饱和±，百分之九十的陆地±属于非饱和±范 畴。近年来，随着国家和地区重大工程中对±体力学特性研究的要求越来越高，要求室内± 工实验条件与实际工程条件一致，针对非饱和±的力学特性室内实验研究乃大势所趋。在 上个世纪九十年代前，设备研制技术还无法实现非饱和力学测试，而21世纪W来，国际上已 开始研制和推广非饱和±力学特性实验设备。
[0003] 作为研究非饱和±工程性质的有力工具之一，±水特征曲线是描述非饱和±中吸 力与饱和度或体积含水量之间关系的曲线。它能够反映非饱和±的众多性质，如渗透性、体 变、强度、应力状态等。同时，作为解释非饱和±行为的一项基本本构关系，±水特征曲线是 将理论、试验及预测方法有机结合的重要关系之一，也是构筑非饱和±各种重要关系的基 础，因此，通过±水特征曲线研究非饱和±的相关性质具有重要的意义。
[0004] 目前常用的±水特征曲线量测方法，如压力板仪法、热敏传感器法、蒸汽平衡法、 渗析法及滤纸法的原理是量测极限应力状态下试样的±水特征曲线，未考虑±体变形、应 力状态对±水特征曲线的影响；而天然状态下的非饱和下蜀±通常处于非极限应力状态， 且非饱和±的体积变化与持水特性存在力一水禪合效应，其力学与水力学行为同时发生且 相互影响，导致上述量测方法在研究原状下蜀±的±水特征曲线时存在局限。非饱和±固 结仪可W控制试样中的竖向应力，但无法测得试样中的径向应力;应力式体积压力板仪与 非饱和轴仪虽然可W精确控制试样的应力状态并量测试样体变，但完整试样体积较 大，试验用时较长。所W，通过降低Ξ轴试样的高度，可W在精确量测试样的应力状态及体 变的同时，有效缩短试验时间。
[0005] 在现有的动静Ξ轴仪体积量测方面，均采用了外体变间接量测法，即量测实验过 程中Ξ轴压力室内水体积的变化来表示±体的体变，根据试样初始体积推算不同时刻试样 体积。此方法的缺陷是把压力室看成绝对刚性结构，在施加围压时其体积不变。然而，在通 常采用的压力室材料为有机玻璃的条件下，是根本不可能实现上述要求的。采用外体变量 测法，用有机玻璃作为压力室材料时，为保证测量结果更准确，通常在实验前标定固定压力 下压力室的体积变化，然后对实验结果的体变值进行修正。显然标定的过程显得繁琐且不 一定准确，因此有必要开发基于扁平小样非饱和±立轴试验体积测量装置。
[0006] 近年来，除原有高校与科研单位因为纵向科研项目对非饱和Ξ轴仪等非饱和±工 设备的需求外，水利、电力、地质、石油、山地灾害、矿山、铁道、海洋等岩±工程勘察、设计与 施工单位需求急速增大，主要用于重大工程设计与施工。基于扁平小样非饱和±立轴试验 体积测量装置的应用，可满足工程与科研界对科研仪器的需要，具有实验原理合理、实验测 试精度高、试验用时较短、技术可行的优点。
【发明内容】
[0007] 发明目的：本发明旨在提供一种简便实用、量测结果准确的非饱和±体积测量装 置，W解决上述问题。
[0008] 技术方案：基于扁平小样非饱和轴试验体积测量装置，包括高进气值陶±板 底座，支撑柱，水平横向透明刻度尺，水平纵向透明刻度尺，横向钢针，纵向钢针，竖向透明 刻度尺，试样，透水石，陶±板，气压控制器插管，反压控制器插管，试样帽，橡胶膜，橡胶圈； 其中：高进气值陶±板底座呈凸台型结构，其上部有圆形凹槽内置圆形陶±板，高进气值陶 ±板底座内部有圆柱形空腔，用于插置反压控制器插管;试样是自制成品圆柱形非饱和± 试样，放置于陶±板上，试样的直径与高进气值陶±板底座顶面相当;试样帽为圆柱形安装 在透水石上，其直径与透水石相当，试样帽上有一圆孔用于插置气压控制器插管;橡胶膜分 别将试样帽、透水石、试样、高进气值陶上板底座含陶上板的一段作为整体包裹住，再用橡 胶圈将橡皮膜位于试样帽及陶±板高进气值陶±板底座部分扎紧，目的是防止压力室罩内 围压水的进入;横向钢针和纵向钢针各一对设置在试样高度范围内橡胶膜的外侧，横向钢 针和纵向钢针均与试样顶面及底面平行，钢针的中点固定在橡胶膜的外侧;横向钢针和纵 向钢针是异面垂直的关系；高进气值陶±板底座的台阶上设置支撑柱，用于粘接水平横向 透明刻度尺、水平纵向透明刻度尺及竖向透明刻度尺;水平横向透明刻度尺的个数为两个 在同一水平面且平行，水平纵向透明刻度尺的个数为两个在同一水平面且平行，竖向透明 刻度尺的个数为一个;设置水平横向透明刻度尺时要与纵向钢针垂直，设置水平纵向透明 刻度尺时要与横向钢针垂直。
[0009] 基于扁平小样非饱和轴试验体积测量方法将本发明装置安装在压力室罩内， 试样帽连接气压控制器，陶±板高进气值陶±板底座连接反压控制器，最后压力室罩内充 满无气水。所述压力室罩与围压水构成的凸透镜，对钢针在透明刻度尺上的正投影的读数 放大，结果更精确。上述两对钢针在透明刻度尺上的正投影的读数用来求试样的直径时，可 W进行Ξ次平均，使结果更精确。
[0010] 本发明具有的优点包括适用于非饱和±;该装置针对扁平小试样，扁平小试样厚 度小于常规Ξ轴试样，±-水特征曲线试验用时大大缩短；
[0011] 本发明巧妙利用了凸镜放大的物理规律，压力室罩与围压水构成凸透镜，人目视 钢针端部在尺上的正投影的读数，正投影在尺上分辨清晰，读数精确；
[0012] 根据梯形中位线定理，通过钢针在透明刻度尺上的读数计算试样直径，计算方法 消除了钢针安装导致的误差；
[0013] 装置原理合理，量测精度高，简单经济。
【附图说明】
[0014] 图1是体积测量装置的俯视图；
[0015]图視体积现慢装置的部分侧视图；
[0016] 图3是体积测量装置的剖面图；
[0017] 图4是运种非饱和轴试验装置示意图；
[0018] 图5是体积测量装置中试样处橡胶膜外侧的钢针布置示意图。
[0019] 图6是钢针端部在水平透明刻度尺上正投影读数方法示意图。
[0020] 图中：1是高进气值陶±板底座，2是支撑柱，3是水平横向透明刻度尺，4是水平纵 向透明刻度尺，5是横向钢针，6是纵向钢针，7是竖向透明刻度尺，8是试样，9是透水石，10是 陶上板，11是气压控制器插管，12是反压控制器插管，13是试样帽，14是橡胶膜，15是橡胶 圈。
【具体实施方式】
[0021] 下面按照说明附图对本发明的【具体实施方式】进行详细的说明。
[0022] 如下部件如图1至图6所示本装置具体包括，高进气值陶±板底座1呈凸台型结构， 其上部有圆形凹槽内置圆形陶±板1〇,高进气值陶±板底座1内部有圆柱形空腔，用于插置 反压控制器插管12。试样8是自制成品圆柱形非饱和±，放置于陶±板10上，试样8的直径与 陶±板10相当。试样帽13为圆柱形安装在透水石9上，其直径与透水石9相当，试样帽13上有 一圆孔用于插置气压控制器插管11。橡胶膜14分别将试样帽13、透水石9、试样8、高进气值 陶±板底座1含陶±板10的一段作为整体包裹住，再用橡胶圈15将橡胶膜14位于试样帽及 陶上板高进气值陶上板底座部分扎紧，目的是防止压力室罩内围压水的进入。压力室罩内 围压水对橡胶膜包裹的试样施加围压，使橡胶膜与试样表面始终紧密贴合，试验中试样体 积发生变化时，平行于试样上下底面且长度中点固定在橡胶膜上的钢针随试样径向变化而 同步位移。橡胶圈15在试样上下的个数各为2~6个。横向钢针5和纵向钢针6各一对设置在 试样8高度范围内橡胶膜14的外侧，如图5所示：四个钢针的中点就是钢针和试样高度范围 内橡胶膜外侧切点;横向钢针5和纵向钢针6是异面垂直的关系，运样设置既方便了读数，也 方便了在不同高度测量试样直径。高进气值陶±板底座1的台阶上设置若干支撑柱2,分别 用于粘接水平横向透明刻度尺3(相当于空间坐标系的X轴）、水平纵向透明刻度尺4(相当于 空间坐标系的y轴)及竖向透明刻度尺7(相当于空间坐标系的Z轴）。水平横向透明刻度尺3 的个数为两个在同一水平面且平行;水平纵向透明刻度尺4的个数为两个在同一水平面且 平行;竖向透明刻度尺7的个数为一个。对水平横向、水平纵向、W及竖向透明刻度尺可采用 1~2根支撑柱2进行粘接支撑。设置水平横向透明刻度尺3时要与纵向钢针6垂直;设置水平 纵向透明刻度尺4时要与横向钢针5垂直。
[0023] 陶±板10的作用是非饱和±与孔隙水压力量测系统之间的分界面，阻止了上面的 空气透过;透水石9的作用是将试样帽里的气压均匀分散在试样±表面;反压控制器的作用 是量测、控制试样中的孔隙水压力W及试样中孔隙水体积变化;气压控制器的作用是量测、 控制±样中的孔隙气压力和整个系统中空气体积变化；围压控制器的作用是量测、控制试 样所受的围压，围压始终不小于试样中的气压与孔隙水压力，在精确控制试样应力状态的 同时保证橡胶膜始终紧密贴合在试样表面，保证体积量测装置读数的有效性。
[0024] 安装纵向、横向钢针，W及各读数透明刻度尺等部件时，应借助铅垂、直角板等衡 器，确保安装精度。固定各部件时务必精确且快速，可W采用蚀刻片睹囑胶预固定，当水平 或垂直定位后，在睹囑胶上施加瞬干剂，加速部件定位，避免胶水硬化过程中部件的位移变 形。
[0025] 水平纵向透明刻度尺4与水平横向透明刻度尺3错开高度设置，但同向透明刻度尺 在同一高度水平固定。橡胶膜14内的试样8所处高度处设置水平横向钢针5、水平纵向钢针6 各一对。试验中，并将本装置安装在压力室罩(为圆柱形）内，在压力室罩内充满无气水，运 样压力室的圆柱表面与围压水构成凸镜。读出试样8左右两侧钢针在透明刻度尺上正投影 处的示数Lii及Lri(i = l，2,3,4)，如图6所示。读出试样8上下底面在竖向透明刻度尺7上的 读数之差的绝对值，即试样高度HdcI为同向水平钢针间橡胶膜厚度，由游标卡尺量测。
[0026] 根据梯形中位线定理，利用公式1、公式2及公式3计算试样直径D。
V =地相/4 公式5; 根据公式4和公式5计算不同时刻试样体积V。由于压力室的圆柱表面与围压水构成凸 镜，试样尺寸可W估读至0.1mm。
[0027] 开始脱湿-吸湿试验。设置各控制器的目标值，通过压力控制器对试样施加围压、 反压与气压进行试验。试验中水下荷重传感器端头与试样帽始13终不接触。 在本实验中，轴压台的位置不能过低，防止围压作用于高进气值陶±板底座时将轴压 水压缩，导致轴压台下降，磨损内部橡胶密封件。
【主权项】
1. 基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量装置，其特征在于包括：高进气值陶土板 底座（1)，支撑柱(2)，水平横向透明刻度尺(3)，水平纵向透明刻度尺(4)，横向钢针(5)，纵 向钢针(6)，竖向透明刻度尺(7)，试样(8)，透水石(9)，陶土板（10)，气压控制器插管（11)， 反压控制器插管（12)，试样帽（13)，橡胶膜（14)，橡胶圈（15);其中：高进气值陶土板底座 (1)呈凸台型结构，其上部有圆形凹槽内置圆形陶土板（10)，高进气值陶土板底座（1)内部 有圆柱形空腔，用于插置反压控制器插管（12);试样(8)是自制成品圆柱形非饱和土试样， 放置于陶土板（10)上，试样（8)的直径与高进气值陶土板底座（1)顶面（10)相当；试样帽 (13)为圆柱形安装在透水石(9)上，其直径与透水石(9)相当，试样帽（13)上有一圆孔用于 插置气压控制器插管（11);橡胶膜（14)分别将试样帽（13)、透水石(9)、试样(8)、高进气值 陶土板底座（1)含陶土板（10)的一段作为整体包裹住，再用橡胶圈（15)将橡胶膜（14)位于 试样帽（13)及陶土板高进气值陶土板底座（1)部分扎紧，目的是防止压力室罩内围压水的 进入;横向钢针(5)和纵向钢针(6)各一对设置在试样(8)高度范围内橡胶膜(14)的外侧，横 向钢针(5)和纵向钢针(6)均与试样(8)顶面及底面平行，钢针的中点固定在橡胶膜（14)的 外侧;横向钢针(5)和纵向钢针(6)是异面垂直的关系;高进气值陶土板底座（1)的台阶上设 置支撑柱(2 )，用于粘接水平横向透明刻度尺(3 )，水平纵向透明刻度尺(4 )，竖向透明刻度 尺(7);水平横向透明刻度尺(3)的个数为两个在同一水平面且平行，水平纵向透明刻度尺 (4)的个数为两个在同一水平面且平行，竖向透明刻度尺(7)的个数为一个;设置水平横向 透明刻度尺(3)时要与横向钢针(6)垂直，设置水平纵向透明刻度尺(4)时要与纵向钢针(5) 垂直。2. 根据权利要求1所述之基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量装置，其特征在于： 对各水平横向透明刻度尺(3)、水平纵向透明刻度尺(4)、以及竖向透明刻度尺(7)均可采用 1~2根支撑柱(2)进行粘接支撑。3. 基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量方法，其特征在于，将权利要求1所述的测 量装置安装在压力室罩，在压力室罩内充满无气水，这样压力室的圆柱表面与围压水构成 凸镜，这样便对横向钢针(5)在水平纵向透明刻度尺(4)上和纵向钢针(6)端部在水平横向 透明刻度尺(3)上的正投影的读数放大，结果更精确。4. 根据权利要求3所述之基于扁平小样非饱和土三轴试验体积测量方法，其特征在于， 所述横向钢针(5)在水平纵向透明刻度尺(4)上和纵向钢针(6)在水平横向透明刻度尺(3) 上的正投影的读数，读出试样(8)左右两侧钢针在透明刻度尺上正投影处的示数Lu及L ri(i =1，2,3,4);根据梯形中位线定理，利用公式1、公式2及公式3,在计算试样(8)的直径D;读 出试样上下底面在竖向透明刻度尺(7)上的读数之差的绝对值，即试样高度H;采用公式4和 公式5计算出试样(8)的体积：公式1; 公式2; 公式3; i3 = 4 公式 4; ?-? V = jtD2H/4 公式 5。
【文档编号】G01N15/08GK106066298SQ201610388039
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610388039.4, CN 106066298 A, CN 106066298A, CN 201610388039, CN-A-106066298, CN106066298 A, CN106066298A, CN201610388039, CN201610388039.4
【发明人】李彤, 韩爱民, 王旭东, 徐洪钟
【申请人】南京工业大学