本實用新型涉及巖土工程土工試驗技術領域，具體地指一種多功能土樣脹縮測試儀。

背景技術：

膨脹力是土體在不允許側向變形條件下充分吸水而保持其不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值。因此，現在的膨脹力測試儀都是在保持土樣體積不變的基礎上測試的。但如：在膨脹土層中進行隧道盾構施工，管片受力是發(fā)生一定膨脹變形后的膨脹力；核廢料處置庫中膨潤土塊體之間有縫隙，其吸水膨脹后的膨脹力，也是發(fā)生一定膨脹變形后的膨脹力，等等。定義剩余膨脹力為允許發(fā)生一部分膨脹變形后，繼續(xù)膨脹產生的膨脹力。同時收縮試驗通常是將試樣推出環(huán)刀置于多孔板上進行自由失水收縮，但工程中膨脹土的失水收縮，是在溫度、水位變動過程中限制變形下的失水收縮。所以進行膨脹土允許膨脹變形與剩余膨脹力關系、限制變形下失水收縮、以及常規(guī)限制膨脹變形測試研究，具有很強的工程意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服上述不足，提供一種多功能土樣脹縮測試儀，既能夠實現工程中對膨脹土發(fā)生部分膨脹后，剩余膨脹力的預測需求；又能夠實現工程環(huán)境下膨脹土失水收縮性能研究，以及單獨的常規(guī)土樣膨脹變形試驗。該儀器不管是控制的允許膨脹變形，應力傳感器測量的膨脹力，位移傳感器測量的膨脹變形，還是高精度天平測量的失水量精度均較高，能夠為研究提供可信的試驗數據。

本實用新型為解決上述技術問題，所采用的技術方案是：一種多功能土樣脹縮測試儀，包括呈圓環(huán)柱體形狀的試樣盒；

所述試樣盒下底內側面固定安裝有環(huán)形板，所述試樣盒與環(huán)形板組合為一個整體，所述環(huán)形板上表面設有上透水石；

所述上透水石上表面用于擱置被壓入土樣的環(huán)刀，所述環(huán)刀外圍還設有一個或多個環(huán)狀護筒；當設置一個環(huán)狀護筒時，環(huán)狀護筒內徑與環(huán)刀的外徑相同，環(huán)狀護筒外徑與試樣盒內徑相同；當設置多個環(huán)狀護筒時，最內側的環(huán)狀護筒內徑與環(huán)刀的外徑相同，最外側的環(huán)狀護筒外徑與試樣盒內徑相同，每兩個相鄰的環(huán)狀護筒互相貼合；最外側的環(huán)狀護筒為兩個半環(huán)形組合而成，其厚度與環(huán)形加熱帶的厚度相同；

所述土樣上方設有用于檢測土樣膨脹力或膨脹變形量的傳感器。

進一步地，所述試樣盒頂部豎直安裝有兩根支撐桿，所述兩根支撐桿頂端安裝有帶孔頂板；所述支桿上端穿過帶孔頂板的孔并豎直安裝在帶孔頂板上，下端安裝傳感器，所述傳感器下端安裝有圓形壓盤，所述圓形壓盤的直徑與環(huán)刀內徑相同，所述帶孔頂板的中心孔圓心、圓形壓盤圓心和環(huán)刀中心軸在同一豎直軸線上。

更進一步地，所述支桿上部還設有外螺紋，通過與外螺紋相匹配的螺母可將支桿安裝在帶孔頂板上。

更進一步地，所述支桿表面還刻有刻度讀數，用于顯示支桿相對于帶孔頂板移動的距離。

進一步地，所述試樣盒頂端還設有環(huán)形蓋板，所述環(huán)形蓋板外徑與試樣盒外徑相同，所述環(huán)形蓋板內徑與環(huán)刀內徑相同。

更進一步地，所述環(huán)形蓋板為兩個半環(huán)形組合而成，所述環(huán)形蓋板底部還設有一圈環(huán)狀凸起，用于防止環(huán)形蓋板安裝到試樣盒頂端后發(fā)生側移。

進一步地，所述環(huán)形板及其對應的試樣盒表面開設有進水孔，下透水石安裝在環(huán)形板內。

進一步地，所述傳感器為應力傳感器或位移傳感器。

另外，本實用新型利用上述多功能土樣脹縮測試儀進行土樣脹縮測試的方法包括以下步驟：

步驟一：根據試驗所需土樣的密度、土樣厚度，將土樣壓入環(huán)刀內，土樣高度可低于環(huán)刀高度；

步驟二：將試樣盒放入水盆中，將上透水石放置在環(huán)形板上方，然后將裝有土樣的環(huán)刀擱置于上透水石上表面，環(huán)刀外圍套裝多個環(huán)狀護筒，每兩個相鄰的環(huán)狀護筒互相貼合，最外側的環(huán)狀護筒抵觸試樣盒內側面；

步驟三：將環(huán)形蓋板放置在試樣盒頂端，將試樣盒、支撐桿、帶孔頂板連接組合在一起，將支桿、傳感器、圓形壓盤連接組合在一起，將圓形壓盤放入環(huán)刀和環(huán)形蓋板的空心圓柱孔中，并根據允許自主膨脹高度，使用支桿上的刻度將支桿下移到相應位置，將支桿上端套入帶孔頂板的孔中，并通過螺母將支桿固定；

步驟四：向水盆中注入水，水進入上透水石，并到達環(huán)刀內的土樣，進而引起土樣豎向膨脹，當土樣膨脹至允許自主膨脹高度后，土樣與圓形壓盤接觸，由于圓形壓盤的變形限制作用，繼續(xù)膨脹產生的膨脹力被記錄在傳感器上，傳感器采用應力傳感器；

步驟五：膨脹試驗結束后，將整套設備從水盆中取出，擱置于試驗臺或空水盆中，在保持整套設備基本完整下，先后取出環(huán)形蓋板和最外側的環(huán)狀護筒，然后在最外側的環(huán)狀護筒空出的位置放入環(huán)形加熱帶，通電加熱排水，即可繼續(xù)進行并完成限制變形條件下的失水收縮試驗。

進一步地，若需要進行土樣的膨脹變形試驗，則可將圓形壓盤與土樣緊密接觸，將支桿上端只套入帶孔頂板的孔中而不固定，通過刻度顯示支桿在試驗前后的上下位移變化量，從而獲取膨脹變形量；若支桿刻度精度無法滿足試驗需求，可在圓形壓盤與土樣緊密接觸的基礎上，傳感器變換為位移傳感器來顯示支桿在試驗前后的上下位移變化量。

本實用新型的有益效果如下：

1、針對實際工程中對膨脹土發(fā)生部分膨脹后，剩余膨脹力的預測需求。本實用新型儀器能夠進行較高精度的允許膨脹變形控制，并進行發(fā)生允許膨脹變形后，剩余膨脹力的測量。

2、針對實際工程環(huán)境下膨脹土的失水收縮特點，該儀器能夠提供適應工程環(huán)境約束條件的失水收縮試驗。

3、通過一系列貫穿底部試樣盒的進水孔，和與進水孔相接觸的透水石，來保證對土樣的集中供水，及土樣飽和所需的吸水量。

4、通過在試樣盒下底內側面固定安裝有環(huán)形板，且在環(huán)形板上方放置上透水石，這樣在進行失水收縮試驗時，土樣及相關零件不會掉出，以及有足夠空間來排水。

5、本實用新型還可以單獨進行膨脹變形試驗，以檢測土樣的膨脹變形量。

6、根據不同土樣尺寸的要求，可選配環(huán)刀、環(huán)狀護筒、圓形壓盤、環(huán)形蓋板，對各種實驗所需規(guī)格具有普遍性和全面性，且可一次性順序進行剩余膨脹力測量試驗和限制變形條件下失水收縮試驗。

附圖說明

圖1 為一種多功能土樣脹縮測試儀的結構示意圖；

圖2為圖1中試樣盒的結構示意圖；

圖3為圖1中試樣盒與支撐桿、帶孔頂板的連接結構示意圖；

圖4為下透水石在試樣盒中的安裝結構示意圖；

圖5為上透水石在試樣盒中的安裝結構示意圖；

圖6為環(huán)刀和環(huán)狀護筒安裝結構示意圖；

圖7為圖1中圓形壓盤位于環(huán)刀內的結構示意圖；

圖8為圖1中環(huán)形蓋板安裝結構示意圖；

圖9為圖8中環(huán)形蓋板仰視結構示意圖；

圖10為圖1中試樣盒部分對應結構的側視結構示意圖；

圖中，試樣盒1、支撐桿1.1、帶孔頂板1.2、支桿1.3、環(huán)形板2、進水孔2.1、下透水石3、上透水石4、環(huán)刀5、環(huán)狀護筒6、土樣7、傳感器8、圓形壓盤8.1、環(huán)形蓋板9、環(huán)狀凸起9.1。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細描述。

如圖1至圖10所示，一種多功能土樣脹縮測試儀，包括呈圓環(huán)柱體形狀的試樣盒1，

所述試樣盒1下底內側面固定安裝有環(huán)形板2，所述試樣盒1與環(huán)形板2組合為一個整體，所述環(huán)形板2上表面設有上透水石4；

所述上透水石4上表面用于擱置被壓入土樣7的環(huán)刀5，所述環(huán)刀5外圍還設有一個或多個環(huán)狀護筒6；當設置一個環(huán)狀護筒6時，環(huán)狀護筒6內徑與環(huán)刀5的外徑相同，環(huán)狀護筒6外徑與試樣盒1內徑相同；當設置多個環(huán)狀護筒6時，最內側的環(huán)狀護筒6內徑與環(huán)刀5的外徑相同，最外側的環(huán)狀護筒6外徑與試樣盒1內徑相同，每兩個相鄰的環(huán)狀護筒6互相貼合；最外側的環(huán)狀護筒6為兩個半環(huán)形組合而成，其厚度與環(huán)形加熱帶的厚度相同；環(huán)狀護筒6之所以為兩個半環(huán)形組合而成，是因為在失水收縮試驗過程中，需要保持支桿1.3、傳感器8、圓形壓盤8.1不變動的情況下，將環(huán)狀護筒6取出來，因此環(huán)狀護筒6設計成可組合的兩個半環(huán)形，另外每個半環(huán)形頂部有一個螺紋孔，這樣可以通過螺栓方便地將兩個半環(huán)形組合而成的環(huán)狀護筒6順利取出；另外本實施例中，環(huán)形加熱帶可以為加熱帶繞制成環(huán)形即可；

所述土樣7上方設有用于檢測土樣7膨脹力或膨脹變形量的傳感器8。

所述試樣盒1頂部豎直安裝有兩根支撐桿1.1，所述兩根支撐桿1.1頂端安裝有帶孔頂板1.2；所述支桿1.3上端穿過帶孔頂板1.2的孔并豎直安裝在帶孔頂板1.2上，下端安裝傳感器8，所述傳感器8下端安裝有圓形壓盤8.1，所述圓形壓盤8.1的直徑與環(huán)刀5內徑相同，所述帶孔頂板1.2的中心孔圓心、圓形壓盤8.1圓心和環(huán)刀5中心軸在同一豎直軸線上。

所述支桿1.3上部還設有外螺紋，通過與外螺紋相匹配的螺母可將支桿1.3安裝在帶孔頂板1.2上。

所述支桿1.3表面還刻有刻度讀數，用于顯示支桿1.3相對于帶孔頂板1.2移動的距離。優(yōu)選地，在本實施例中刻度讀數設于支桿1.3外螺紋上方，分別設有1mm的小刻度和1cm的大刻度共10cm。這樣便可以能夠根據允許膨脹變形大小，來精確控制圓形壓盤8所需向下伸入到試樣盒1內的距離。

所述試樣盒1頂端還設有環(huán)形蓋板9，所述環(huán)形蓋板9外徑與試樣盒1外徑相同，所述環(huán)形蓋板9內徑與環(huán)刀5內徑相同。這樣能夠方便圓形壓盤8.1在環(huán)形蓋板9及環(huán)刀5形成的空心圓柱體通道內上下移動。

所述環(huán)形蓋板9為兩個半環(huán)形組合而成，所述環(huán)形蓋板9底部還設有一圈環(huán)狀凸起9.1，用于防止環(huán)形蓋板9安裝到試樣盒1頂端后發(fā)生側移。優(yōu)選地，環(huán)狀凸起9.1的厚度等于試樣盒1的高度減去環(huán)狀護筒6的高度，這樣環(huán)形蓋板9安裝到試樣盒1頂端后，環(huán)狀凸起9.1下表面剛好抵觸在環(huán)狀護筒6上表面。

所述環(huán)形板2及其對應的試樣盒1表面開設有進水孔2.1，下透水石3安裝在環(huán)形板2內。通過這一系列貫穿底部試樣盒的進水孔2.1，和與進水孔2.1相接觸的下透水石3，來保證對土樣7的集中供水，滿足土樣7飽和所需的吸水量。

所述傳感器8為應力傳感器或位移傳感器。這樣傳感器8采用應力傳感器時，可以進行土樣膨脹力的測量；傳感器8采用位移傳感器時，可以進行土樣膨脹變形量的測量。

本實用新型實施例利用上述多功能土樣脹縮測試儀進行土樣脹縮測試的方法，包括以下步驟：

步驟一：根據試驗所需土樣7的密度、土樣厚度，將土樣7壓入環(huán)刀5內，土樣7高度可低于環(huán)刀5高度；

步驟二：將試樣盒1放入水盆中，將上透水石4放置在環(huán)形板2上方，然后將裝有土樣7的環(huán)刀5擱置于上透水石4上表面，環(huán)刀5外圍套裝多個環(huán)狀護筒6，每兩個相鄰的環(huán)狀護筒6互相貼合，最外側的環(huán)狀護筒6抵觸試樣盒1內側面；

步驟三：將環(huán)形蓋板9放置在試樣盒1頂端，將試樣盒1、支撐桿1.1、帶孔頂板1.2連接組合在一起，將支桿1.3、傳感器8、圓形壓盤8.1連接組合在一起，將圓形壓盤8.1放入環(huán)刀5和環(huán)形蓋板9的空心圓柱孔中，并根據允許自主膨脹高度，使用支桿1.3上的刻度將支桿1.3下移到相應位置，將支桿1.3上端套入帶孔頂板1.2的孔中，并通過螺母將支桿1.3固定；

步驟四：向水盆中注入水，水進入上透水石4，并到達環(huán)刀5內的土樣7，進而引起土樣7豎向膨脹，當土樣7膨脹至允許自主膨脹高度后（例如從圖10看出土樣7至圓形壓盤8.1下表面的距離為允許自主膨脹高度），土樣7與圓形壓盤8.1接觸，由于圓形壓盤8.1的變形限制作用，繼續(xù)膨脹產生的膨脹力被記錄在傳感器8上，傳感器8采用應力傳感器；

步驟五：膨脹試驗結束后，將整套設備從水盆中取出，擱置于試驗臺或空水盆中，在保持整套設備基本完整下，先后取出環(huán)形蓋板9和最外側的環(huán)狀護筒6，然后在最外側的環(huán)狀護筒6空出的位置放入環(huán)形加熱帶，通電加熱排水，即可繼續(xù)進行并完成限制變形條件下的失水收縮試驗。本實施例中，失水收縮試驗具體為：通電加熱排水后，每隔一定時間稱取整套設備重量，至兩次讀數基本不變時拆除整套設備，取出環(huán)刀5，量取土樣7厚度。

另外，若需要進行土樣7的常規(guī)膨脹變形試驗，則可將圓形壓盤8.1與土樣7緊密接觸，將支桿1.3上端只套入帶孔頂板1.2的孔中而不固定，通過刻度顯示支桿1.3在試驗前后的上下位移變化量，從而獲取膨脹變形量；若支桿1.3刻度精度無法滿足試驗需求，可在圓形壓盤8.1與土樣7緊密接觸的基礎上，傳感器8變換為位移傳感器來顯示支桿1.3在試驗前后的上下位移變化量。