一种便携式多功能土体力学性能试验装置

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一种便携式多功能土体力学性能试验装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于岩土工程、地质工程土工测试技术领域，涉及一种便携式多功能土体力学性能试验装置。\n背景技术\n[0002] 基坑工程和地下工程在勘察阶段往往需要测量土体物理力学参数，目前，所采用的方法大多为取样后送往实验室进行试验。然而，由于在运输和保存过程中，常常会对土样产生二次扰动，从而影响土体力学参数的准确性，这将对后期工程设计、施工造成风险。另外，由于实验室试验周期较长，往往不能及时获得试验数据，将增加工程周期。\n[0003] 申请号为201210390847.6的中国发明专利公布了一种实时量测土样膨胀力的试验装置，该装置包括一个采用钢化玻璃水槽的固结仪，置于透水石上的环箍外侧设有护环，环箍内侧直接与带有土样的环刀紧密接触，土样上下表面设有薄滤纸，土样顶部放置上透水石和加压盖，橡胶帽上部分与环刀紧密接触，下部分与固结仪水槽外侧紧密接触，固结仪旁边摆放的水箱位于铁架上，水箱与橡胶帽的进水孔连接，固结仪外侧设置的钢架横梁中部设有带螺纹竖向传力杆，传力杆与加压盖接触，固结仪和铁架都置于天平上，可以实时量测土样膨胀力，可以得到土样的膨胀力时程曲线。该专利公布的装置虽然能够较为精确地量测士样的膨胀力，但螺杆加力方式较为单一且加力范围有限，不适用于测量土样的固结及渗透相关的参数，在需要进行全面土样参数测试的条件下，其实用性较差，没有克服传统固结试验装置单一性的技术缺陷。\n[0004] 申请号为201310066361.1的中国发明专利公布了一种固结渗透联合试验装置和方法，该装置包括用于放置实验土样的土样仓，土样仓的顶端和底端都设有透水石，或一端设有透水石且另一端设有不透水试块；透水石上设有与该透水石导通的孔隙水导管，且孔隙水导管上设有孔隙水流量监测仪；土样仓顶部设有密封塞；土样仓的底部固定在平台上，且该土样仓顶部设有加压装置；土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；平台上设有用于放置土样仓的样品室，加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；样品室固定于平台上，且顶部设有开口；拉力架的第一端通过连接机构连接配重块，第二端套接在样品室上以对样品室内的试验样本进行加压。该专利公布的装置使用配重块进行加载不能有效控制加载精度，不能满足膨胀力精细测试的需求，其使用导水孔注水，对于一般固结试验而言，饱和效率低且可能无法将土中空气完全排出，同时，由于各试验部件单独存在，大大增加装置的体积空间，而且不利于装置迅速便捷的移动，不具有便携性。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可在工程现场测量土体力学参数、渗透系数和膨胀土膨胀性能的多功能试验装置。\n[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：\n[0007] 一种便携式多功能土体力学性能试验装置，该装置包括上刚性梁、下刚性梁、刚性螺纹柱、上部加力机构、下部加力机构、水槽、试验槽、测量机构及渗透机构，所述的下刚性梁中部设有下部加力机构，该下部加力机构上设有水槽，所述的试验槽设置在水槽中，所述的上刚性梁通过刚性螺纹柱可上、下移动地设置在下刚性梁上，所述的上刚性梁中部设有内螺纹孔，所述的上部加力机构穿过内螺纹孔，并通过测量机构与试验槽相连接，所述的试验槽通过导水管与渗透机构相连通。\n[0008] 所述的上刚性梁、下刚性梁及刚性螺纹柱共同组成外框架，用于给整个试验装置提供结构支撑和反力，所述的刚性螺纹柱可方便拆卸、安装，并能够根据实际应用情况来任意调节上刚性梁与下刚性梁之间的距离。\n[0009] 所述的上部加力机构为螺杆扭转加力机构或砝码增重加力机构，所述的螺杆扭转加力机构包括加压螺纹柱与转动杆，所述的加压螺纹柱的一端穿过内螺纹孔与测量机构相连接，另一端设有转动杆，所述的砝码增重加力机构包括传力柱、承台及砝码，所述的传力柱的一端穿过内螺纹孔与测量机构相连接，另一端固定在承台的底部，所述的砝码设置在承台上。\n[0010] 所述的加压螺纹柱上设有与内螺纹孔相匹配的外螺纹，通过转动加压螺纹柱可对下部试验槽中的土样施加轴向力。\n[0011] 所述的传力柱与上刚性梁中部螺纹孔之间，实现无约束自由移动，通过在承台上放置砝码，可对下部试验槽中的土样施加轴向力。\n[0012] 所述的上部加力机构可根据试验要求自主选择螺杆扭转加力机构或砝码增重加力机构。\n[0013] 所述的下刚性梁中部设有卡槽，所述的刚性螺纹柱为一对，对称设置在下刚性梁的左、右两侧，所述的刚性螺纹柱的顶部通过螺母与上刚性梁固定连接，底部通过螺纹与下刚性梁固定连接。\n[0014] 所述的下部加力机构包括液压千斤顶、导管及手压式液压活塞，所述的液压千斤顶设置在卡槽中，并通过导管与手压式液压活塞相连接，所述的水槽设置在液压千斤顶上，所述的液压千斤顶可对上部试验槽中的土样施加轴向力。\n[0015] 所述的试验槽包括顶帽、底座、护环、环刀、土样层、透水石a及透水石b，所述的底座设置在水槽的底部，所述的顶帽、护环及环刀由上至下依次设置在底座上，所述的顶帽上设有顶渗透导水孔，所述的底座上设有饱和导水孔及底渗透导水孔，该底渗透导水孔位于饱和导水孔的上方，所述的饱和导水孔为一对，对称设置在底座的左、右两侧，所述的顶渗透导水孔、饱和导水孔及底渗透导水孔的端部均设有止水夹，所述的底座与顶帽之间由下至上依次设有透水石a、土样层及透水石b。\n[0016] 所述的土样置于环刀内，环刀的顶部固定在护环上，底部固定在底座上。\n[0017] 所述的止水夹可根据需要进行打开，所述的饱和导水孔端部的止水夹打开后，可以通过向水槽内注水，来直接对试验槽中的土样进行饱和。\n[0018] 所述的测量机构包括测力环、位移计a、位移计b及十字梁，所述的测力环的顶端通过铰接与上部加力机构相连接，底端通过十字梁与顶帽点接触连接，所述的位移计a、位移计b通过连接杆分别设置在十字梁和水槽上。\n[0019] 所述的水槽主要用于对土样进行饱和。\n[0020] 所述的测量机构用于测量试验槽中土样所承受的轴向荷载，其中，所述的位移计a、位移计b分别用于测量十字梁与水槽的位移，并通过两者的位移差值，来计算得到土样的变形量。\n[0021] 所述的测量机构可用于测量土样受力状态及其轴向变形。\n[0022] 所述的渗透机构包括供水罐及量筒，所述的供水罐通过导水管依次与试验槽、量筒相连通。\n[0023] 所述的试验槽顶帽上的顶渗透导水孔、试验槽底座上的底渗透导水孔均通过导水管分别与供水罐、量筒相连通。\n[0024] 所述的渗透机构主要用于对试验槽中的土样施加孔隙水压力或对其进行饱和，其中，所述的供水罐、量筒通过导水管用于对土样进行渗透试验，测量土样的渗透系数，同时，还可以结合加力机构进行相应的试验。\n[0025] 试验过程中，将环刀内试验土样放置在装有透水石a的底座上，上部放置透水石b，并加盖护环、顶帽，将整个试验槽和水槽放置在框架内，即可进行以下试验：\n[0026] (1)固结试验：水槽中注水，打开饱和导水孔，关闭渗透导水孔，从上部螺纹扭转加力机构、上部砝码增重加力机构或下部千斤顶加力机构中，选择加力方式，对土样进行加力，测量土体变形参数；\n[0027] (2)渗透试验：供水罐预先设置水头高度，打开渗透导水孔，关闭饱和导水孔，从上部螺纹扭转加力机构、上部砝码增重加力机构或下部千斤顶加力机构中，选择加力方式，对土样进行加力或者不加力，测量土体渗透参数；\n[0028] (3)膨胀性能试验：水槽中注水，打开饱和导水孔，关闭渗透导水孔，从上部螺纹扭转加力机构、上部砝码增重加力机构或下部千斤顶加力机构中，选择加力方式，对上样进行加力或者不加力，测量土体膨胀力或膨胀率。\n[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下特点：\n[0030] 1)由于采用刚性螺纹柱，可以根据实际试验条件来调节上刚性梁与下刚性梁之间的距离，以此来调节试验框架大小，能适用于不同的工况条件；\n[0031] 2)采用多种可拆卸加力方式，如上部螺纹扭转加力机构、上部砝码增重加力机构及下部千斤顶加力机构，可以根据试验需求选择相应的加力机构，装置实用性强，适用范围广；\n[0032] 3)装置各试验部件均可轻松拆卸、调节、安装，方便试验人员携带；\n[0033] 4)可在工程现场实时进行土工试验，可满足固结、渗透系数及膨胀上膨胀性能的测量，能够有效消除土样因运输或保存所产生的二次扰动，在保证上体力学参数测量准确度的同时，能够有效缩短试验周期，提高试验效率；\n[0034] 5)由于将加力机构、测量机构与渗透机构紧密相结合，能够实现对土样逐级施加压力，准确测定有侧限条件下不同时刻土样的垂直变形量及与之对应的孔隙水释出量，能够同时对土样固结参数、土样渗透系数进行测试，从而有效克服了目前常规渗透试验方法测试渗透参数偏大的缺陷以及固结试验装置单一性的缺陷。\n附图说明\n[0035] 图1为本发明一种便携式多功能土体力学性能试验装置的结构示意图；\n[0036] 图2为本发明一种便携式多功能土体力学性能试验装置中试验槽的结构示意图；\n[0037] 图中标记说明：\n[0038] 11-刚性螺纹柱、12-上刚性梁、13-下刚性梁、14-螺母、21-加压螺纹柱、22-转动杆、23-传力柱、24-承台、25-砝码、26-液压千斤顶、27-导管、28-手压式液压活塞、3-试验槽、31-顶帽、32-底座、33-护环、34-环刀、35-土样层、361-透水石a、362-透水石b、37-顶渗透导水孔、38-底渗透导水孔、39-饱和导水孔、41-测力环、42-十字梁、431-位移计a、432-位移计b、51-供水罐、52-导水管、53-量筒、54-水槽、6-连接杆。\n具体实施方式\n[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。\n[0040] 实施例：\n[0041] 如图1所示，一种便携式多功能土体力学性能试验装置，该装置包括上刚性梁12、下刚性梁13、刚性螺纹柱11、上部加力机构、下部加力机构、水槽54、试验槽3、测量机构及渗透机构，下刚性梁13中部设有下部加力机构，该下部加力机构上设有水槽54，试验槽3设置在水槽54中，上刚性梁12通过刚性螺纹柱11可上、下移动地设置在下刚性梁13上，上刚性梁\n12中部设有内螺纹孔，上部加力机构穿过内螺纹孔，并通过测量机构与试验槽3相连接，试验槽3通过导水管52与渗透机构相连通。\n[0042] 上刚性梁12、下刚性梁13及刚性螺纹柱11共同组成外框架，用于给整个试验装置提供结构支撑和反力，刚性螺纹柱11可方便拆卸、安装，并能够根据实际应用情况来任意调节上刚性梁12与下刚性梁13之间的距离。\n[0043] 上部加力机构为螺杆扭转加力机构或砝码增重加力机构，螺杆扭转加力机构包括加压螺纹柱21与转动杆22，加压螺纹柱21的一端穿过内螺纹孔与测量机构相连接，另一端设有转动杆22，砝码增重加力机构包括传力柱23、承台24及砝码25，传力柱23的一端穿过内螺纹孔与测量机构相连接，另一端固定在承台24的底部，砝码25设置在承台24上。\n[0044] 加压螺纹柱21上设有与内螺纹孔相匹配的外螺纹，通过转动加压螺纹柱21可对下部试验槽3中的土样施加轴向力。\n[0045] 传力柱23与上刚性梁12中部螺纹孔之间可实现无约束自由移动，通过在承台24上放置砝码25，可对下部试验槽3中的土样施加轴向力。\n[0046] 在具体试验过程中，上部加力机构可根据试验要求自主选择螺杆扭转加力机构或砝码增重加力机构。\n[0047] 下刚性梁13中部设有卡槽，刚性螺纹柱11为一对，对称设置在下刚性梁13的左、右两侧，刚性螺纹柱11的顶部通过螺母14与上刚性梁12固定连接，底部通过螺纹与下刚性梁\n13固定连接。\n[0048] 下部加力机构包括液压千斤顶26、导管27及手压式液压活塞28，液压千斤顶26设置在卡槽中，并通过导管27与手压式液压活塞28相连接，水槽54设置在液压千斤顶26上，液压千斤顶26可对上部试验槽3中的土样施加轴向力。\n[0049] 如图2所示，试验槽3包括顶帽31、底座32、护环33、环刀34、土样层35、透水石a361及透水石b362，底座32设置在水槽54的底部，顶帽31、护环33及环刀34由上至下依次设置在底座32上，顶帽31上设有顶渗透导水孔37，底座32上设有饱和导水孔39及底渗透导水孔38，该底渗透导水孔38位于饱和导水孔39的上方，饱和导水孔39为一对，对称设置在底座32的左、右两侧，底座32与顶帽31之间由下至上依次设有透水石a361、土样层35及透水石b362，顶渗透导水孔37、饱和导水孔39及底渗透导水孔38的端部均设有止水夹。\n[0050] 土样置于环刀34内，环刀34的顶部固定在护环33上，底部固定在底座32上。\n[0051] 止水夹可根据需要进行打开，例如，饱和导水孔39端部的止水夹打开后，可以通过向水槽54内注水，来直接对试验槽3中的土样进行饱和。\n[0052] 水槽54主要用于对土样进行饱和。\n[0053] 测量机构包括测力环41、位移计a431、位移计b432及十字梁42，测力环41的顶端通过铰接与上部加力机构相连接，底端通过十字梁42与顶帽31点接触连接，位移计a431、位移计b432通过连接杆6分别设置在十字梁42和水槽54上。\n[0054] 测量机构用于测量试验槽3中土样所承受的轴向荷载，其中，位移计a431、位移计b432分别用于测量十字梁42与水槽54的位移，并通过两者的位移差值，来计算得到土样的变形量。\n[0055] 测量机构可用于测量土样受力状态及其轴向变形。\n[0056] 渗透机构包括供水罐51及量筒53，供水罐51通过导水管52依次与试验槽3、量筒53相连通。\n[0057] 试验槽3顶帽31上的顶渗透导水孔37、试验槽3底座32上的底渗透导水孔38均通过导水管52分别与供水罐51、量筒53相连通。\n[0058] 渗透机构主要用于对试验槽3中的土样施加孔隙水压力或对其进行饱和，其中，供水罐51、量筒53通过导水管52用于对土样进行渗透试验，测量土样的渗透系数，同时，还可以结合加力机构进行相应的试验。