本發(fā)明涉及一種體積變化測定儀，尤其涉及一種非飽和土試驗(yàn)過程中能夠精確測量試樣總體積變化的裝置，可與多種土工試驗(yàn)儀器聯(lián)合使用，如非飽和土三軸儀等。

背景技術(shù)：

在土工試驗(yàn)中，試樣的體積變化在一定程度上反映著土體的壓縮、剪脹等物理特性。根據(jù)土的含水情況，可將土體分為兩種，即飽和土和非飽和土；對于飽和土樣，試驗(yàn)過程中土體體積的變化量等于試樣的排水量，通常采用體變管或者反壓控制器進(jìn)行測量，前者易受到外界環(huán)境和人為因素等的影響，測量精度低。

對于非飽和土試樣，由于土體中包含有固相、氣相和液相，其中氣相和液相是可壓縮的，故試驗(yàn)過程中土體的體積變化量不僅與液相有關(guān)，也與氣相有關(guān)，此時將不能采用上述方法進(jìn)行試樣體積變化的測量。通常，其測量方法可分為以下幾種：一是測量試樣周邊液體的體積變化來間接測量，二是分別測量試樣中氣相和液相的體積變化，三是利用高清圖像處理等先進(jìn)技術(shù)直接測得試樣的體積變化。由于后兩種方法難以操作、高成本、測量精度難以掌控等問題，第一種方法得到了廣泛的應(yīng)用。

而針對第一種方法，現(xiàn)有的儀器多采用與壓力室相連接的體變管測量試樣周圍液體體積變化，或者采用連通型雙壓力室結(jié)構(gòu)測量內(nèi)室水位變化等方法間接得到試樣的體積變化。通常，前者易受到環(huán)境溫度的影響，測量精度難以控制，且難以生成連續(xù)的數(shù)據(jù)；而后者則由于內(nèi)室尺寸較大，試樣變化引起的液體水位變化難以測量，試驗(yàn)精度較低，難以達(dá)到試驗(yàn)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種精度高、實(shí)用性強(qiáng)土工試驗(yàn)用的體積變化測定儀，通過與土工試驗(yàn)儀器的周圍壓力源相連接，測量穩(wěn)壓過程中因試樣體積變化而補(bǔ)償?shù)膲毫υ匆后w體積量，進(jìn)而精確測得試驗(yàn)過程中試樣的總體積變化。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種體積變化測定儀，其特征在于，它包括轉(zhuǎn)換箱、與轉(zhuǎn)換箱相連的頂室和與頂室相連的數(shù)顯表；

所述的轉(zhuǎn)換箱包括箱體、地腳、控制開關(guān)、轉(zhuǎn)向開關(guān)和側(cè)筒壁管線接口，所述的箱體的頂板上開設(shè)有用于安裝頂室的圓孔，所述的地腳固定在箱體的下底板上，控制開關(guān)和轉(zhuǎn)向開關(guān)分別安裝于箱體的面板上，通過控制開關(guān)和轉(zhuǎn)向開關(guān)不同的轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)管路的不同連接方式；所述的兩個側(cè)筒壁管線接口位于箱體的兩側(cè)面上，通過通水管線分別與土工試驗(yàn)儀器的周圍壓力源和壓力室相連接；

所述的頂室包括下封蓋、懸臂桿、數(shù)顯表夾具、封蓋、第一連接頭、第二連接頭、第一排氣帽、第二排氣帽、連桿、第一管線快插接口、第二管線快插接口、第一儲水腔體、第二儲水腔體、側(cè)筒壁和活塞；

所述的下封蓋和封蓋分別固定于側(cè)筒壁的兩端，并通過連桿相連接，連桿兩端采用螺母進(jìn)行固定；

所述的封蓋上表面和下封蓋下表面分別安裝有第一連接頭和第二連接頭，第一排氣帽和第二排氣帽分別固定在第一連接頭和第二連接頭上；

所述的活塞位于側(cè)筒壁內(nèi)部，活塞的上部和下部分別放置有第一儲水腔體和第二儲水腔體，第一儲水腔體通過圓柱頭螺釘密封固定于活塞上，第二儲水腔體通過圓柱頭螺釘密封固定于下封蓋上；

所述的封蓋內(nèi)部設(shè)置有L型的第一容水通道，L型的第一容水通道一端與第一連接頭連接固定，另一端與第一管線快插接口連接固定，L型的第一容水通道在L型的拐角處與第一儲水腔體相連通；

所述的下封蓋內(nèi)部設(shè)置有L型的第二容水通道，L型的第二容水通道一端與第二連接頭連接固定，另一端與第二管線快插接口連接固定，L型的第二容水通道在L型的拐角處與第二儲水腔體相連通。

作為優(yōu)選方案，以上所述的體積變化測定儀，所述的第一管線快插接口和第二管線快插接口分別與轉(zhuǎn)換箱中的通水管線相連接。

作為優(yōu)選方案，以上所述的體積變化測定儀，所述的側(cè)筒壁上沿高度方向留有橢圓形通道，懸臂桿穿過側(cè)筒壁上的橢圓形通道，固定于活塞與第二儲水腔體之間。

作為優(yōu)選方案，以上所述的體積變化測定儀，數(shù)顯表夾具的一端固定于封蓋的下邊緣，數(shù)顯表穿過數(shù)顯表夾具上的圓孔，并用固定螺絲進(jìn)行固定，數(shù)顯表的測頭與懸臂相接觸。

作為優(yōu)選方案，以上所述的體積變化測定儀，所述的數(shù)顯表的最大行程為25mm。

作為優(yōu)選方案，以上所述的體積變化測定儀，所述的第一儲水腔體和第二儲水腔體的最大承壓為3MPa。

作為優(yōu)選方案，以上所述的轉(zhuǎn)換箱主要通過旋轉(zhuǎn)箱體上的控制開關(guān)和轉(zhuǎn)向開關(guān)改變箱體內(nèi)部的管線連接，實(shí)現(xiàn)頂室內(nèi)部活塞運(yùn)動方向的改變，并采用數(shù)顯表測量頂室內(nèi)部活塞的移動位移量，進(jìn)而計(jì)算得到試樣的體積變化。

本發(fā)明所述的體積變化測定儀主要是與土工試驗(yàn)儀器中的周圍壓力源相連接，通過測量穩(wěn)壓過程中因試樣體積變化而補(bǔ)償?shù)膲毫υ匆后w體積量，進(jìn)而精確測得試驗(yàn)過程中試樣的總體積變化。

本發(fā)明提供的體積變化測定儀的操作使用方法：其包括以下步驟：

步驟一：管線連接，將體積變化測定儀與周圍壓力源和壓力室之間進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)換箱的一個側(cè)筒壁管線接口通過通水管線與試驗(yàn)中的周圍壓力源相連接，另一個側(cè)筒壁管線接口通過通水管線與壓力室相連接；

步驟二：注水排氣，對體積變化測定儀的頂室進(jìn)行注水排氣，旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)和轉(zhuǎn)向開關(guān)，使兩個開關(guān)分別指向“體積變化”方向和“向上流動”的方向，打開第一排氣帽，利用壓力控制源向第二儲水腔體內(nèi)注水，直至懸臂桿移動至距離側(cè)筒壁橢圓形孔洞的上邊緣8～10mm，停止向第二儲水腔體內(nèi)注水；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向開關(guān)，使其指向“向下流動”方向，壓力控制源內(nèi)的液體注入第一儲水腔體內(nèi)，并適當(dāng)?shù)鼗蝿禹斒?，直至第一儲水腔體內(nèi)無氣體排出，關(guān)閉第一排氣帽，并將頂室倒置；打開第二排氣帽，利用壓力控制源向第一儲水腔體內(nèi)注水，直至懸臂桿移動至側(cè)筒壁橢圓形孔洞的中間位置為止，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向開關(guān)，使其指向“向上流動”方向，此時壓力源向第二儲水腔體內(nèi)注水，適當(dāng)?shù)鼗蝿禹斒?，直至第二儲水腔體內(nèi)的氣體排完為止，擰緊第二排氣帽；重復(fù)上述操作3-5次，直至沒有氣泡排出為止；

步驟三：開始試驗(yàn)，將控制開關(guān)和轉(zhuǎn)向開關(guān)分別旋轉(zhuǎn)至“體積變化”方向和“向上流動”方向，此時數(shù)顯表的讀數(shù)為h₁，完成試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，即可開始試驗(yàn)；根據(jù)周圍壓力的作用過程，整個試驗(yàn)可分為周圍壓力施加階段和周圍壓力穩(wěn)壓階段：

周圍壓力施加階段：為達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)中所設(shè)置的周圍壓力值，周圍壓力源將向第二儲水腔體中注入液體，施加壓力，此時，第二儲水腔體膨脹、推動活塞上升，擠壓第一儲水腔體內(nèi)的液體進(jìn)入壓力室內(nèi)，使第一儲水腔體與壓力室內(nèi)的壓力和第二儲水腔體內(nèi)等同，進(jìn)而達(dá)到所設(shè)置的目標(biāo)周圍壓力值σ₃；同時，活塞上升過程中，帶動懸臂桿向上運(yùn)動，數(shù)顯表測量得到的位移值發(fā)生變化，讀數(shù)為h₁；

周圍壓力穩(wěn)壓階段：由于周圍壓力和軸向壓力的作用，試樣將發(fā)生壓縮變形，周圍壓力難以維持穩(wěn)定狀態(tài)，相應(yīng)的體積變化測定儀第一儲水腔體和第二儲水腔體內(nèi)的壓力值均發(fā)生變化，通過伺服反饋，周圍壓力源將向第二儲水腔體中注入液體，活塞上升，擠壓第一儲水腔體，使第一儲水腔體、第二儲水腔體和壓力室維持目標(biāo)周圍壓力值σ₃，此時，第一儲水腔體或第二儲水腔體內(nèi)液體的變化量即為試樣體積的總變化量，數(shù)顯表的讀數(shù)為h₂，儲水腔體的截面積為s₁，計(jì)算得到試樣體積的總變化量為ΔV＝s₁·|h₁-h₂|；

當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“向下流動”方向時，周圍壓力源的液體將進(jìn)入第一儲水腔體，活塞下降，擠壓第二儲水腔體，使周圍壓力維持恒定。

與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的體積變化測定儀，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可克服現(xiàn)有技術(shù)受環(huán)境變化影響大，測量結(jié)果精確度低等缺陷。

本發(fā)明采用密閉結(jié)構(gòu)，可避免試驗(yàn)過程中液體蒸發(fā)對體積測量精度的影響，可大大提高試樣體積變化測量的精確度；

本發(fā)明采用數(shù)顯表，測量精度高，能夠與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動連續(xù)記錄和儲存。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的體積變化測定儀結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明所述的體積變化測定儀頂室結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明所述的體積變化測定儀頂室剖面圖。

圖4是本發(fā)明所述的體積變化測定儀轉(zhuǎn)換箱結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

實(shí)施例1

如圖1至4所示，一種體積變化測定儀，它包括轉(zhuǎn)換箱1、與轉(zhuǎn)換箱1相連的頂室2和與頂室2相連的數(shù)顯表3；

所述的轉(zhuǎn)換箱1包括箱體18、地腳19、控制開關(guān)20、轉(zhuǎn)向開關(guān)21和側(cè)筒壁管線接口22，所述的箱體18的頂板上開設(shè)有用于安裝頂室2的圓孔，所述的地腳19固定在箱體18的下底板上，控制開關(guān)20和轉(zhuǎn)向開關(guān)21分別安裝于箱體18的面板上，通過控制開關(guān)20和轉(zhuǎn)向開關(guān)21不同的轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)管路的不同連接方式；所述的兩個側(cè)筒壁管線接口22位于箱體18的兩側(cè)面上，通過通水管線分別與土工試驗(yàn)儀器的周圍壓力源和壓力室相連接；

所述的頂室2包括下封蓋4、懸臂桿5、數(shù)顯表夾具6、封蓋8、第一連接頭10-1、第二連接頭10-2、第一排氣帽11-1、第二排氣帽11-2、連桿12、第一管線快插接口13-1、第二管線快插接口13-2、第一儲水腔體14-1、第二儲水腔體14-2、側(cè)筒壁16和活塞17；

所述的下封蓋4和封蓋8分別固定于側(cè)筒壁16的兩端，并通過連桿12相連接，連桿12兩端采用螺母9進(jìn)行固定；

所述的封蓋8上表面和下封蓋4下表面分別安裝有第一連接頭10-1和第二連接頭10-2，第一排氣帽11-1和第二排氣帽11-2分別固定在第一連接頭10-1和第二連接頭10-2上；

所述的活塞17位于側(cè)筒壁16內(nèi)部，活塞17的上部和下部分別放置有第一儲水腔體14-1和第二儲水腔體14-2，第一儲水腔體14-1通過圓柱頭螺釘15-1密封固定于活塞17上，第二儲水腔體14-2通過圓柱頭螺釘15-2密封固定于下封蓋4上；

所述的封蓋8內(nèi)部設(shè)置有L型的第一容水通道8-1，L型的第一容水通道8-1一端與第一連接頭10-1連接固定，另一端與第一管線快插接口13-1連接固定，L型的第一容水通道8-1在L型的拐角處與第一儲水腔體14-1相連通；

所述的下封蓋4內(nèi)部設(shè)置有L型的第二容水通道4-1，L型的第二容水通道4-1一端與第二連接頭10-2連接固定，另一端與第二管線快插接口13-2連接固定，L型的第二容水通道4-1在L型的拐角處與第二儲水腔體14-2相連通。

以上所述的體積變化測定儀，所述的第一管線快插接口13-1和第二管線快插接口13-2分別與轉(zhuǎn)換箱1中的通水管線相連接。

以上所述的體積變化測定儀，其特征在于，所述的側(cè)筒壁16上沿高度方向留有橢圓形通道，懸臂桿5穿過側(cè)筒壁16上的橢圓形通道，固定于活塞17與第二儲水腔體14-2之間。

以上所述的體積變化測定儀，數(shù)顯表夾具6的一端固定于封蓋8的下邊緣，數(shù)顯表3穿過數(shù)顯表夾具6上的圓孔，并用固定螺絲7進(jìn)行固定，數(shù)顯表3的測頭(3-1)與懸臂桿5相接觸。

以上所述的體積變化測定儀，所述的數(shù)顯表3的最大行程為25mm。所述的第一儲水腔體14-1和第二儲水腔體14-2的最大承壓為3MPa。

實(shí)施例2

體積變化測定儀的操作使用方法：其包括以下步驟：

步驟一：管線連接，將體積變化測定儀與周圍壓力源和壓力室之間進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)換箱1的一個側(cè)筒壁管線接口22通過通水管線與試驗(yàn)中的周圍壓力源相連接，另一個側(cè)筒壁管線接口22通過通水管線與壓力室相連接；

步驟二：注水排氣，對體積變化測定儀的頂室2進(jìn)行注水排氣，旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)20和轉(zhuǎn)向開關(guān)21，使兩個開關(guān)分別指向“體積變化”方向和“向上流動”的方向，打開第一排氣帽11-1，利用壓力控制源向第二儲水腔體14-2內(nèi)注水，直至懸臂桿5移動至距離側(cè)筒壁16橢圓形孔洞的上邊緣8～10mm，停止向第二儲水腔體14-2)內(nèi)注水；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向開關(guān)21，使其指向“向下流動”方向，壓力控制源內(nèi)的液體注入第一儲水腔體14-1內(nèi)，并適當(dāng)?shù)鼗蝿禹斒?，直至第一儲水腔體14-1內(nèi)無氣體排出，關(guān)閉第一排氣帽11-1，并將頂室2倒置；打開第二排氣帽11-2，利用壓力控制源向第一儲水腔體14-1內(nèi)注水，直至懸臂桿5移動至側(cè)筒壁16橢圓形孔洞的中間位置為止，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向開關(guān)21，使其指向“向上流動”方向，此時壓力源向第二儲水腔體14-2內(nèi)注水，適當(dāng)?shù)鼗蝿禹斒?，直至第二儲水腔體14-2內(nèi)的氣體排完為止，擰緊第二排氣帽11-2；重復(fù)上述操作3-5次，直至沒有氣泡排出為止；

步驟三：開始試驗(yàn)，將控制開關(guān)20和轉(zhuǎn)向開關(guān)21分別旋轉(zhuǎn)至“體積變化”方向和“向上流動”方向，此時數(shù)顯表3的讀數(shù)為h₁，完成試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，即可開始試驗(yàn)；根據(jù)周圍壓力的作用過程，整個試驗(yàn)可分為周圍壓力施加階段和周圍壓力穩(wěn)壓階段：

周圍壓力施加階段：為達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)中所設(shè)置的周圍壓力值，周圍壓力源將向第二儲水腔體14-2中注入液體，施加壓力，此時，第二儲水腔體14-2膨脹、推動活塞17上升，擠壓第一儲水腔體14-1內(nèi)的液體進(jìn)入壓力室內(nèi)，使第一儲水腔體14-1與壓力室內(nèi)的壓力和第二儲水腔體14-2內(nèi)等同，進(jìn)而達(dá)到所設(shè)置的目標(biāo)周圍壓力值σ₃；同時，活塞17上升過程中，帶動懸臂桿5向上運(yùn)動，數(shù)顯表3測量得到的位移值發(fā)生變化，讀數(shù)為h₁；

周圍壓力穩(wěn)壓階段：由于周圍壓力和軸向壓力的作用，試樣將發(fā)生壓縮變形，周圍壓力難以維持穩(wěn)定狀態(tài)，相應(yīng)的體積變化測定儀第一儲水腔體14-1和第二儲水腔體14-2內(nèi)的壓力值均發(fā)生變化，通過伺服反饋，周圍壓力源將向第二儲水腔體14-2中注入液體，活塞17上升，擠壓第一儲水腔體14-1，使第一儲水腔體14-1、第二儲水腔體14-2和壓力室維持目標(biāo)周圍壓力值σ₃，此時，第一儲水腔體14-1或第二儲水腔體14-2內(nèi)液體的變化量即為試樣體積的總變化量，數(shù)顯表3的讀數(shù)為h₂，儲水腔體14的截面積為s₁，計(jì)算得到試樣體積的總變化量為ΔV＝s₁·|h₁-h₂|；

當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)21旋轉(zhuǎn)至“向下流動”方向時，周圍壓力源的液體將進(jìn)入第一儲水腔體14-1，活塞17下降，擠壓第二儲水腔體14-2，使周圍壓力維持恒定。