基于真空负压的粗粒土强度和变形特性测定装置的制作方法

本发明涉及一种基于真空负压的粗粒土强度和变形特性测定装置。适用于岩土工程相关领域，尤其适用于室内试验中用于工程力学特性测定的技术领域。

背景技术：

我国目前正处于基础设施的大面积建设阶段，城市住宅，交通，城际交通工程大量兴建。而无论是普通住宅还是交通设施，土木工程建设中，构筑物最终都是坐落于地基之上。上部结构物受到的荷载作用，最终都会通过基础传递到地基。因此，工程设计中首先要评估地基是否具有足够的承载力用于抵抗上部构筑物的自重以及其他荷载。此外，由于外部荷载的作用往往表现为长期的和往复的特性，而地基土在这种往复荷载作用下会发生变形累积。对于一般建筑，地基变形会造成房屋建筑出现裂缝，影响正常使用；对于高铁等交通工程，路基的沉降将会影响高铁的正常运营，并造成安全隐患。因此，除了地基的承载力，土体在往复作用下的变形是工程设计中需要考虑的另一个因素。

对于粗粒土的强度和变形特性，一个最重要的影响因素就是土体受到的应力水平。只有掌握了粗粒土在不同的应力水平下的强度和变形特性，才能够计算地基承载力，并评估其长期变形响应。因此，开发一套能够迅速，便捷地测定粗粒土在不同应力水平下的强度和变形特性的试验装置具有重要的工程实际意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单、操作便捷、成本较低、实用性强的基于真空负压的粗粒土强度和变形特性测定装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于真空负压的粗粒土强度和变形特性测定装置，其特征在于：包括控制器、支架、竖向位移加载机构、试样密封装载机构、负压真空装置、轴力计、孔隙压力传感器和位移传感器，试样密封装载机构具有用于装载试样且可根据内外压差变化膨胀收缩的密封腔室；

其中支架具有反力基座、反力支杆和横梁，横梁位于反力基座上方，横梁通过反力支杆固定于反力基座上；

所述反力基座上由下而上依次接有竖向位移加载机构、底座和试样密封装载机构，试样密封装载机构上方设有轴力计，轴力计通过压力杆和螺栓固定于上方的横梁上；

所述负压真空装置经乳胶管连通所述试样密封装载机构的密封腔室；

所述孔隙压力传感器通过乳胶管联通至所述试样密封装载机构的密封腔室；所述位移传感器设置于反力基座和底座之间；

所述控制器与竖向位移加载机构和负压真空装置电路连接，控制竖向位移加载机构和负压真空装置动作；所述控制器与轴力计、孔隙压力传感器和位移传感器电路连接，获取轴力计、孔隙压力传感器和位移传感器测得的数据。

所述试样密封装载机构具有筒状的乳胶膜，乳胶膜下端依次套在下部水晶头和试样基座上，并经O型密封圈密封，乳胶膜上端套在上部水晶头上并经O型密封圈密封，乳胶膜与上、下部水晶头围成所述密封腔室。

所述控制器包括计算机和数据采集控制器，计算机经数据采集控制器与所述竖向位移加载机构、负压真空装置、轴力计、孔隙压力传感器和位移传感器电路连接。

所述竖向位移加载机构具有与所述控制器电路连接的伺服电机。

所述负压真空装置包括负压真空箱和负压控制器，负压真空箱通过乳胶管连通所述密封腔室，负压真空箱经负压控制器与所述控制器电路连接。

所述上部水晶头水平布置，其顶部对应所述轴力计设有凹槽。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、制作方便、成本较低，通过真空负压方法配合筒状的乳胶膜模拟土体所处的不同应力水平，操作便捷，具有较高的实用性。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例中试样受力图。

图3为实施例模拟的土体应力路径图。

图4为实施例模拟的土体应力-应变响应图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一种基于真空负压的粗粒土强度和变形特性测定装置，包括计算机17、数据采集控制器16、支架、竖向位移加载机构、试样密封装载机构、负压真空箱14、负压控制器15、轴力计5、孔隙压力传感器13和位移传感器11。

支架具有反力基座3、反力支杆2和横梁1，横梁1位于反力基座3上方，横梁1通过反力支杆2固定于反力基座3上。

本例中在反力基座3上设有竖向位移加载机构，竖向位移加载机构上端接有底座10，底座10上设置试样密封装载机构。本例中试样密封装载机构包括筒状的乳胶膜7、上部水晶头61、下部水晶头62和试样基座9，乳胶膜7下端依次套在下部水晶头62和试样基座9上，并经O型密封圈8密封，粗土粒试样撒入乳胶膜7内，粗土粒试样上表面水平放置上部水晶头61，该上部水晶头与乳胶膜7经O型密封圈8密封，本例中上部水晶头61顶面设有凹槽。

本实施例在上部水晶头61的上方置有轴力计5，轴力计5通过压力杆4和螺栓固定于上方的横梁1上，通过旋转螺栓可以实现压力杆4和轴力计5的上下移动，便于试样的安装就位。本例中调整轴力计5位置使其顶部刚刚顶在上部水晶头61表面凹槽上，保证两者之间实现点-点接触，避免因施力不均导致的试样受力不均匀，加载过程中轴力计5可以实时反馈施加在试样顶部的荷载。

本实施例中竖向位移加载机构具有伺服电机12，伺服电机12控制其上方的底座10上下移动的。本例在底座10和反向基座3之间设有位移传感器11，通过位移传感器11可以测定底座10相对反向基座3的竖向位移，从而测定加载过程中试样的轴向应变。

本例中负压真空箱14与负压控制器15电路连接，负压真空箱14通过乳胶管穿过试样密封装载机构的下部水晶头62联通至试样下部。通过负压真空箱14和负压控制器15可以实现试样内部不同量级的负压荷载，从而模拟实际中粗粒土试样所处的不同的应力水平。本实施例中孔隙压力传感器13通过乳胶管穿过试样密封装载机构的上部水晶头61联通至试样上部，实时采用试样内部的真空负压力大小。

计算机17通过数据采集控制器16与伺服电机12、位移传感器11、负压控制器15、孔隙压力传感器13和轴力计5电路连接，计算机17通过控制伺服电机12可以对试样进行应力控制和应变控制的加载，加载形式既可以是静力加载，也可以是动力加载；计算机17通过控制负压控制器15控制负压真空箱14，从而实现试样内部不同量级的负压荷载；计算机17通过轴力计5、负压控制器15、孔隙压力传感器13获取相应的试验数据，并将试验数据显示和进行保存。

本实施例的加载原理如下：

首先，对试样施加真空负压σ₀，即等向加载，根据力的平衡条件：

土体试样在三个方向的应力大小为：

σ₁＝σ₂＝σ₃＝σ₀；

这里σ₂、σ₃分别代表水平方向(径向)的应力，σ₁代表竖直方向(轴向)的应力。

之后控制伺服电机12，移动加载基座10对试样施加轴向荷载σ_load：

土体试样的应力状态如图2为：

σ₂＝σ₃＝σ₀；

σ₁＝σ_load+σ₀；

如图3所示为岩土工程中常用的p-q(p代表平均应力，q代表偏应力，具体计算公式见图3)坐标系中试验试样的应力路径，通过控制负压可以实现不同应力水平的静力和循环加载。

如图4为试样在不同形式荷载作用下的典型响应曲线，通过本装置，可以得到试样在不同应力水平和循环荷载下的强度、刚度和累积变形响应。

本实施例的加载过程包括以下步骤：

将乳胶膜套在下部水晶头62和试样基座上，并使用O型密封圈8密封；

将试验粗粒土撒入乳胶膜7中，安装上部水晶头61并同样使用O型密封圈8密封，保证试样气密性，并通过乳胶管将孔隙压力计连接至上部水晶头61；

固定横梁1、反力支杆2以及反力基座3形成反力系统；

固定压力杆4和轴力计5，并使轴力计5顶在上部水晶头61表面；

将负压真空箱14一端与试样底部联通，另一端连接负压控制器15；

控制计算机17首先设定试验应力水平，进行负压抽真空；

将轴力计5，孔隙压力传感器13、伺服电机12、负压控制器15连接至数据采集控制器16，并最终汇总给计算机；

控制伺服电机12移动底座10，进行试样轴向的静力或循环加载。