粘土收縮應(yīng)力測量儀及實驗方法
【專利摘要】一種粘土收縮應(yīng)力測量儀及實驗方法，試樣盒內(nèi)設(shè)有置于試樣內(nèi)的膠囊，膠囊通過通水管與孔隙水壓力傳感器連接；試樣盒放置在稱量裝置上；稱量裝置和孔隙水壓力傳感器通過信號線與數(shù)據(jù)采集裝置連接。實驗方法為，制作試樣；連接測量儀，由稱量裝置獲得試樣收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器獲得試樣的收縮應(yīng)力變化；當孔隙水壓力保持恒定不變時，結(jié)束實驗；通過上述步驟實現(xiàn)粘土收縮應(yīng)力測量實驗。本發(fā)明提供通過在試樣內(nèi)設(shè)置膠囊，配合高精度孔隙水壓力傳感器，可以獲得粘土試樣的收縮應(yīng)力數(shù)據(jù)，配合精密的稱量裝置，本發(fā)明還可以獲得粘土收縮過程中的含水量變化與收縮應(yīng)力變化之間的關(guān)系。
【專利說明】粘土收縮應(yīng)力測量儀及實驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程領(lǐng)域，尤其是一種粘土收縮應(yīng)力測量儀及實驗方法。

【背景技術(shù)】
[0002]脹縮性粘土 (如膨脹土、紅粘土)具有遇水膨脹、失水收縮等不良水理特征，掌握該類特殊粘土的脹縮特征是進行工程設(shè)計、施工的基礎(chǔ)工作。目前，描述粘性土膨脹行為的指標有自由膨脹率、有(無)荷膨脹率和膨脹力；然而，描述粘性土收縮特征的指標則只有線縮率和體縮率，而無收縮力。而粘土失水收縮開裂是誘發(fā)脹縮性粘土工程災變的關(guān)鍵因素之一。顯然，通過收縮變形預測土體的開裂行為難以實現(xiàn)，而收縮應(yīng)力則是進行判斷粘土開裂與否的參數(shù)。但膨脹力與收縮力的測量方法有顯著的差異，前者向外擴展變形，故可以通過膨脹反壓或力傳感器直接測量；后者屬于向內(nèi)收斂，至今還沒有現(xiàn)成的方法和儀器可以應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種粘土收縮應(yīng)力測量儀及實驗方法，能夠確定粘性土收縮應(yīng)力，并可以得到粘土收縮過程中的含水量變化與收縮應(yīng)力變化之間的對應(yīng)關(guān)系和收縮的估算值。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種粘土收縮應(yīng)力測量儀， 試樣盒的至少一個端面開放，試樣盒內(nèi)設(shè)有置于試樣內(nèi)的膠囊，膠囊通過通水管與孔隙水壓力傳感器連接；
試樣盒放置在稱量裝置上；
稱量裝置和孔隙水壓力傳感器通過信號線與數(shù)據(jù)采集裝置連接。
[0005]在試樣盒的底部設(shè)有加熱底座。
[0006]在試樣盒內(nèi)壁設(shè)有防粘層。
[0007]所述的膠囊成柱狀，貫通試樣，膠囊的兩端分別設(shè)有進水端頭塞和出水端頭塞，出水端頭塞設(shè)有第二閥門，進水端頭塞與通水管連接。
[0008]通水管上設(shè)有豎直管，豎直管上設(shè)有第一閥門，通水管上在豎直管接頭和孔隙水壓力傳感器之間設(shè)有第三閥門。
[0009]所述的通水管支撐在支撐架上。
[0010]一種采用上述的粘土收縮應(yīng)力測量儀進行實驗的方法:
一、制作試樣；
二、在試樣內(nèi)的膠囊內(nèi)注滿液體，并通過通水管與孔隙水壓力傳感器連通；
三、將試樣盒整體置于稱量裝置上，將孔隙水壓力傳感器和稱量裝置與數(shù)據(jù)采集裝置連接；
四、由稱量裝置獲得試樣收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器獲得試樣的收縮應(yīng)力變化； 當孔隙水壓力保持恒定不變時，結(jié)束實驗；
通過上述步驟實現(xiàn)粘土收縮應(yīng)力測量實驗。
[0011]制作壓實試樣時，在試樣盒內(nèi)涂覆防粘層，在膠囊位置下方先鋪墊一層土樣，壓平后安裝膠囊，膠囊內(nèi)置入多個環(huán)瓣板，多個環(huán)瓣板包覆在支撐柱之外；
支撐柱伸出到試樣盒側(cè)壁孔內(nèi)，并與試樣盒側(cè)壁的孔形成密封配合，在膠囊上方覆蓋余下的土樣，以制樣機壓實；
抽出支撐柱和環(huán)辦板，安裝進水％5頭塞和出水頭塞，在I父囊內(nèi)填充液體，通過上述步驟得到壓實的試樣。
[0012]制作土膏試樣時，對膠囊填充液體，兩端用進水端頭塞和出水端頭塞封堵，在試樣盒內(nèi)涂覆防粘層，把把粘土調(diào)成土膏后，在試樣盒內(nèi)倒入一部分土膏，安裝膠囊，進水端頭塞和出水端頭塞伸出試樣盒的側(cè)壁，帶入剩余土膏，以刮刀刮平即可。
[0013]在試樣盒底部設(shè)置加熱底座，加熱溫度最高為30?35°C ;
在通水管上設(shè)置豎直管，并在豎直管上設(shè)置第一閥門，實驗時通過豎直管將水注入膠囊內(nèi)，并在實驗過程中關(guān)閉第一閥門。
[0014]本發(fā)明提供的一種粘土收縮應(yīng)力測量儀及實驗方法，通過在試樣內(nèi)設(shè)置膠囊，配合高精度孔隙水壓力傳感器，可以獲得粘土試樣的收縮應(yīng)力數(shù)據(jù)，配合精密的稱量裝置，本發(fā)明還可以獲得粘土收縮過程中的含水量變化與收縮應(yīng)力變化之間的關(guān)系。本發(fā)明的粘土收縮應(yīng)力測量儀制造成本低，利于制作，操作步驟易于實現(xiàn)，測量精度高，既可測量粘性土樣的收縮應(yīng)力，也可以估算試樣的收縮體變。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明:
圖1為本發(fā)明中測量儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為制樣機的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明中膠囊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明中膠囊和環(huán)瓣板、支撐柱的橫截面示意圖。
[0019]圖中:試樣盒1，防粘層101，加熱底座2，試樣3，膠囊4，進水端頭塞41，出水端頭塞42，環(huán)瓣板43，支撐柱44，稱量裝置5，通水管6，第一閥門7，第二閥門8，第三閥門9，豎直管10，孔隙水壓力傳感器11，數(shù)據(jù)采集裝置12，壓頭13，支撐架14，反力架15，液壓缸16。

【具體實施方式】
[0020]實施例1:
如圖1中，一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，試樣盒I的至少一個端面開放，本例中的試樣盒I上端面開發(fā)，以利試樣盒I內(nèi)試樣3的水分蒸發(fā)，試樣盒I內(nèi)設(shè)有置于試樣3內(nèi)的膠囊4，膠囊4內(nèi)填充有液體，膠囊4通過通水管6與孔隙水壓力傳感器11連接；本例中的孔隙水壓力傳感器11最小分辨率能達到lkPa。
[0021]試樣盒I放置在稱量裝置5上；本例中的稱量裝置5采用電子天平，稱量精度為0.0Olg，量程約為5kg。通過稱量裝置5實時發(fā)送蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)。
[0022]稱量裝置5和孔隙水壓力傳感器11通過信號線與數(shù)據(jù)采集裝置12電連接。
[0023]優(yōu)選的方案中，在試樣盒I的底部設(shè)有加熱底座2。由此結(jié)構(gòu)，加快試樣3的蒸發(fā)速度。本例中采用小功率的加熱膠片，加熱溫度最高為30?35°C。
[0024]優(yōu)選的方案中，在試樣盒I內(nèi)壁設(shè)有防粘層101。由此結(jié)構(gòu)，不會影響試樣3的收縮。防粘層101可以采用凡士林，或者其他材料，例如潤滑黃油。
[0025]優(yōu)選的方案如圖3中，所述的膠囊4成柱狀，貫通試樣3，膠囊4的兩端分別設(shè)有進水端頭塞41和出水端頭塞42，進水端頭塞41和出水端頭塞42貫通試樣盒I的側(cè)壁，出水端頭塞42設(shè)有第二閥門8，進水端頭塞41與通水管6連接。由此結(jié)構(gòu)，便于膠囊4的安裝，也便于在膠囊4內(nèi)填充液體。
[0026]優(yōu)選的方案如圖1中，通水管6上設(shè)有豎直管10，豎直管10上設(shè)有第一閥門7，通水管6上在豎直管10接頭和孔隙水壓力傳感器11之間設(shè)有第三閥門9。設(shè)置的豎直管10便于在實驗時往通水管6內(nèi)加水，從而便于將水加入到膠囊4內(nèi)。
[0027]優(yōu)選的方案如圖1中，所述的通水管6支撐在支撐架14上。設(shè)置的支撐架14用于使通水管6保持平衡，從而不會影響試樣盒I的重量變化，即當試樣3蒸發(fā)時，通水管6沒有被鎖定，從而可以沿著支撐架14滑動，這樣便于整個通水管6都采用硬質(zhì)材料，以免軟質(zhì)的通水管6自膨脹影響測量精度。
[0028]實施例2:
一種采用上述的粘土收縮應(yīng)力測量儀進行實驗的方法:
本發(fā)明裝置的工作原理是將膠囊4和通水管6內(nèi)注滿液體，例如蒸餾水，自然蒸發(fā)或低恒溫加熱作用下粘土試樣發(fā)生失水收縮，收縮過程引起土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，同時產(chǎn)生收縮應(yīng)力，通過擠壓試樣內(nèi)部的充液體膠囊，從而把收縮應(yīng)力傳導于孔隙水壓力傳感器11，從而得到試樣在收縮過程中所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。同時，利用精密的稱量裝置5可以測出試樣收縮過程中含水量的變化，從而獲得試樣整個收縮過程中收縮應(yīng)力和含水量變化的規(guī)律。
[0029]實驗具體步驟如下:
一、制作試樣3 ；
按照試驗計劃配置好土樣含水量《，可選的，制作壓實試樣時，在試樣盒I內(nèi)涂覆防粘層101，在膠囊4位置下方先鋪墊一層土樣，壓平后安裝膠囊4，膠囊4內(nèi)置入多個環(huán)瓣板43，本例中為3個，在環(huán)瓣板43之間沿豎邊邊緣設(shè)有倒角，以形成一個位于內(nèi)壁的缺口，便于環(huán)瓣板43的取出。多個環(huán)瓣板43包覆在支撐柱44之外，如圖4中所示，置入前，在環(huán)瓣板43和支撐柱44外表面涂抹凡士林，以便于試樣制成后取出環(huán)瓣板43和支撐柱44 ；支撐柱44伸出到試樣盒I側(cè)壁孔內(nèi)，并與試樣盒I側(cè)壁的孔形成密封配合，在膠囊4上方覆蓋余下的土樣，以制樣機壓實，如圖2中所示；試樣盒I置于反力架15內(nèi)，壓頭13置于試樣盒I內(nèi)，試樣盒I下方設(shè)有用于上頂?shù)囊簤焊?6。壓制時，先人工預壓壓頭13使試樣3壓實到一定程度，再將試樣盒3整體放入反力架15內(nèi)，啟動液壓缸16，當壓頭13下端側(cè)緣和試樣盒3邊緣接觸后，試樣壓實完成。停止加壓后，維持2?3分鐘，防止試樣回彈。制樣完成后，抽出支撐柱44和環(huán)辦板43，安裝進水纟而頭塞41和出水纟而頭塞42，在I父囊4內(nèi)填充液體，通過上述步驟得到壓實的試樣。
[0030]制作土膏試樣時，對膠囊4填充液體，兩端用進水端頭塞41和出水端頭塞42封堵，在試樣盒I內(nèi)涂覆防粘層101，把把粘土調(diào)成土骨后，在試樣盒I內(nèi)倒入一部分土骨，安裝膠囊4，進水端頭塞41和出水端頭塞42伸出試樣盒I的側(cè)壁，帶入剩余土膏，以刮刀刮平即可。
[0031]二、在試樣3內(nèi)的膠囊4內(nèi)注滿液體，并通過通水管6與孔隙水壓力傳感器11連通；
優(yōu)選的，在通水管6上設(shè)置豎直管10，并在豎直管10上設(shè)置第一閥門7，實驗時通過豎直管10將水注入膠囊4內(nèi)，并在實驗過程中關(guān)閉第一閥門7。
[0032]三、將試樣盒I整體置于稱量裝置5上，將孔隙水壓力傳感器11和稱量裝置5與數(shù)據(jù)采集裝置12連接；并對數(shù)據(jù)進行清零，開始記錄數(shù)據(jù)。
[0033]優(yōu)選的，在試樣盒I底部設(shè)置加熱底座2，并一起放置在稱量裝置5上，加熱溫度最高為30?35°C。
[0034]四、由稱量裝置5獲得試樣3收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器11獲得試樣3的收縮應(yīng)力變化；
對于壓實試樣，制樣完畢后將試樣盒I放在加熱底座2上,并一起放在稱量裝置5上；將進水端頭塞41與通水管6連通，在通水管6上設(shè)有豎直管10，在出水端頭塞42設(shè)有第二閥門8，豎直管10上設(shè)有第一閥門7，通水管6上設(shè)有第三閥門9，優(yōu)選的豎直管10由支撐架14保持平衡，更加優(yōu)選的是孔隙水壓力傳感器11和通水管6均置于稱量裝置5上，以確保精確稱量試樣3蒸發(fā)的重量變化。
[0035]打開第一閥門7，關(guān)閉第二閥門8和第三閥門9，使蒸餾水能夠進入到圓柱形的膠囊4內(nèi)，并將其注滿，再連接孔隙水壓力傳感器11，并打開第三閥門9，使通水管6內(nèi)沒有充水的部分注水，可以通過調(diào)節(jié)第一閥門7、第二閥門8，來確保通水管6與膠囊4內(nèi)不含氣泡；待上述步驟完成后，關(guān)閉第一閥門7、第二閥門8，開啟第三閥門9。打開加熱底座2、稱量裝置5和數(shù)據(jù)采集裝置12，并對數(shù)據(jù)進行清零，開始記錄數(shù)據(jù)；當孔隙水壓力恒定不變時，即可結(jié)束試驗；結(jié)束試驗后，存儲數(shù)據(jù)；聯(lián)合采集的數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)試樣的收縮應(yīng)力和收縮的估算值。
[0036]對于土膏試樣由于在制樣時已經(jīng)將圓柱形的膠囊4與通水管6連接，因此只需連接壓力傳感器7，其余操作步驟與壓實試樣的操作步驟一致。
[0037]通過上述步驟實現(xiàn)粘土收縮應(yīng)力測量實驗。
[0038]上述的實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，其特征是: 試樣盒(I)的至少一個端面開放，試樣盒(I)內(nèi)設(shè)有置于試樣(3)內(nèi)的膠囊(4)，膠囊(4)通過通水管(6)與孔隙水壓力傳感器(11)連接； 試樣盒(I)放置在稱量裝置(5 )上； 稱量裝置(5 )和孔隙水壓力傳感器(11)通過信號線與數(shù)據(jù)采集裝置(12 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，其特征是:在試樣盒(I)的底部設(shè)有加熱底座(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，其特征是:在試樣盒(I)內(nèi)壁設(shè)有防粘層(101)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，其特征是:所述的膠囊(4)成柱狀，貫通試樣(3)，膠囊(4)的兩端分別設(shè)有進水端頭塞(41)和出水端頭塞(42)，出水端頭塞(42 )設(shè)有第二閥門(8 )，進水端頭塞(41)與通水管(6 )連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，其特征是:通水管(6)上設(shè)有豎直管(10)，豎直管(10)上設(shè)有第一閥門(7)，通水管(6)上在豎直管(10)接頭和孔隙水壓力傳感器(11)之間設(shè)有第三閥門(9 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量儀，其特征是:所述的通水管(6)支撐在支撐架(14)上。
7.一種采用權(quán)利要求1?6任一項所述的粘土收縮應(yīng)力測量儀進行實驗的方法，其特征是包括以下步驟: 一、制作試樣(3)； 二、在試樣(3)內(nèi)的膠囊(4)內(nèi)注滿液體，并通過通水管(6)與孔隙水壓力傳感器(11)連通； 三、將試樣盒(I)整體置于稱量裝置(5)上，將孔隙水壓力傳感器(11)和稱量裝置(5 )與數(shù)據(jù)采集裝置(12)連接； 四、由稱量裝置(5)獲得試樣(3)收縮過程中的含水量變化，由孔隙水壓力傳感器(11)獲得試樣(3)的收縮應(yīng)力變化； 當孔隙水壓力保持恒定不變時，結(jié)束實驗； 通過上述步驟實現(xiàn)粘土收縮應(yīng)力測量實驗。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量實驗方法，其特征是:制作壓實試樣時，在試樣盒(I)內(nèi)涂覆防粘層(101 )，在膠囊(4)位置下方先鋪墊一層土樣，壓平后安裝膠囊(4)，膠囊(4)內(nèi)置入多個環(huán)瓣板(43)，多個環(huán)瓣板(43)包覆在支撐柱(44)之外； 支撐柱(44 )伸出到試樣盒(I)側(cè)壁孔內(nèi)，并與試樣盒(I)側(cè)壁的孔形成密封配合，在膠囊(4)上方覆蓋余下的土樣，以制樣機壓實； 抽出支撐柱(44)和環(huán)瓣板(43)，安裝進水端頭塞(41)和出水端頭塞(42)，在膠囊(4)內(nèi)填充液體，通過上述步驟得到壓實的試樣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量實驗方法，其特征是:制作土膏試樣時，對膠囊(4)填充液體，兩端用進水端頭塞(41)和出水端頭塞(42)封堵，在試樣盒(I)內(nèi)涂覆防粘層(101 )，把把粘土調(diào)成土膏后，在試樣盒(I)內(nèi)倒入一部分土膏，安裝膠囊(4)，進水端頭塞(41)和出水端頭塞(42)伸出試樣盒(I)的側(cè)壁，帶入剩余土膏，以刮刀刮平即可。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種粘土收縮應(yīng)力測量實驗方法，其特征是:在試樣盒(I)底部設(shè)置加熱底座(2)，加熱溫度最高為30?35°C ; 在通水管(6)上設(shè)置豎直管(10)，并在豎直管(10)上設(shè)置第一閥門(7)，實驗時通過豎直管(10)將水注入膠囊(4)內(nèi)，并在實驗過程中關(guān)閉第一閥門(7)。
【文檔編號】G01N33/24GK104316670SQ201410500322
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】談云志, 喻波, 李典慶 申請人:三峽大學