CN109443988B - 一种粗颗粒土流变特性的测试仪器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，属于土工试验仪器技术领域，包括框架（16），所述框架（16）的一侧面顶端横梁的外侧面上设置有导轨架（21），所述导轨架（21）外侧面设置有两个第一螺孔，所述第一螺孔内设置有第一螺杆，所述第一螺杆与第一滑轮（18）相连，水平导轨（20）的中部设置有用于穿过两所述第一滑轮（18）的第一长条形通孔（23），所述水平导轨（20）穿过所述第一滑轮（18）后放置在所述导轨架（21）上。本发明还提供了一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法。本发明在试验加载过程中竖向荷载始终垂直于试样，杠杆无需调平。

Description

一种粗颗粒土流变特性的测试仪器及测试方法

技术领域

本发明涉及一种粗颗粒土流变特性的测试仪器及测试方法，尤其涉及一种能够进行粗颗粒土K ₀ 状态下长期流变试验的单向压缩流变仪以及测试方法，属于土工试验仪器技术领域。

背景技术

随着我国土石坝的大量建设，粗颗粒土的流变特性研究成为岩土工程领域的一大研究热点。在研究粗颗粒土的流变特性时，目前国内多采用大型三轴剪切流变仪进行流变试验。尽管长期三轴流变试验可以测定特定应力条件下粗颗粒土的流变特性，但是进行长期三轴流变试验时，几乎无法逾越的是体积应变的测量误差。

由于单向固结仪具有操作简单、容易获得试验过程中试样的孔隙比且得到的数据相比于三轴流变试验较准确可靠等优点，因此有些科研人员对传统的适用于粘土、砂土的单向固结仪进行改造，设计出不同形式的适用于粗颗粒土的单向压缩流变仪。这些仪器中，一部分采用液压千斤顶施加竖向荷载，另一部分采用机械式砝码加载。对于前者，断电或仪器本身的故障会导致长时间流变试验的失败。对于后者，大部分仪器在加载过程中当杠杆倾斜较大时，需要调平，这可能会对试样造成扰动，影响试验结果的准确性。另外，粗颗粒土与试样桶的产生的侧壁摩擦力往往不可忽视，而目前的堆石料固结仪一般不进行侧壁摩擦力的测量，这样可能会导致竖向应力与实际存在一定的偏差，同样影响试验结果的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，该仪器通过限位装置保证竖向荷载始终垂直于试样，加载过程中无需调平杠杆，不会对试样造成扰动，测量精度高。

进一步地，本发明还提供一种侧限条件下粗颗粒土流变特性的测试仪器，该仪器考虑了粗颗粒土与试样桶的产生的侧壁摩擦力，可以获得试样所受的实际竖向应力，测量结果更加精准。

本发明还提供一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法，该法操作简单，可控性强，测量精度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，包括框架，所述框架的一侧面顶端横梁的外侧面上设置有导轨架，所述导轨架外侧面设置有两个第一螺孔，所述第一螺孔内设置有第一螺杆，所述第一螺杆与第一滑轮相连，水平导轨的中部设置有用于穿过两所述第一滑轮的第一长条形通孔，所述水平导轨穿过所述第一滑轮后放置在所述导轨架上；

所述横梁的下表面中心与连接块的顶端相连，所述连接块的右侧面中部设置有用于容纳加压杠杆的一端头的凹槽，所述凹槽上下两端与所述加压杠杆的上下表面之间均留有空隙，所述连接块的外侧面设置有端部轴承，中心轴依次穿过所述连接块侧壁、加压杠杆和端部轴承后再通过第二螺杆固定第二滑轮；

所述连接块下方设置有加载架，第三螺杆贯穿所述加载架的外侧面后再与第三滑轮相连；

竖直导轨中部设置有用于穿过所述第二滑轮和第三滑轮的第二长条形通孔，所述竖直导轨穿过所述第二滑轮和第三滑轮后顶端与所述水平导轨固定连接；

所述加压杠杆的另一端头连有砝码，所述加压杠杆与所述连接块相连的一端水平向外连有装配式的平衡杠杆，所述平衡杠杆通过挂钩连接砝码架；

所述加载架底端与待加压的试样桶相接触。

所述框架的底面上活动设置有底座，ㅠ型支座包括一体连接的底端支脚和顶端连板，所述底座的上方设置有环型垫板，所述ㅠ型支座的底端支脚穿入所述环型垫板的内环，与所述内环相连的所述环型垫板上表面设置有环形凹槽，所述ㅠ型支座的顶端连板位于所述环形凹槽内，所述环型垫板下放置有压重传感器；4根竖直的拉杆穿过所述环型垫板上的螺孔并穿过所述环型垫板下的螺母后对准所述底座上的钻孔***；将所述试样桶放置在所述顶端连板上后，在所述试样桶外放置护筒，使所述拉杆穿过所述护筒的钻孔后将所述拉杆的螺帽拧紧，再依次在所述试样桶内放入第一多孔板、试样、第二多孔板和加压上盖，所述第一多孔板位于所述ㅠ型支座的顶端连板上表面，所述加压上盖上设置有凹孔，所述加载架下方设置有凸起的加载帽；所述加载帽与凹孔相适配。

所述底座上连有排水管。

所述底座的下方设置有滚轴，所述滚轴设置于支架上。

所述第一多孔板和第二多孔板的材质均为不锈钢。

所述试样桶顶端设置有百分表。

所述百分表的个数为2个。

一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01，试验前，将平衡杠杆取下，用支撑杆将加压杠杆撑起；

S02，安装试样桶，装填试样，装填完成后，安装平衡杠杆，并在砝码架上加适量配重，使加压杠杆平衡移动至与水平线最大夹角位置；

S03，推动底座使得加载架下的加载帽与加压上盖对中，调节加载架下的加载帽的凸起与加压上盖的凹孔接触；

S04，通过添加砝码至目标值进行压缩或流变试验；通过百分表的读数取平均值即可得到试样的变形量。

一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法，还包括以下步骤，通过底座的排水管对试样在常水头状态下进行饱和；当需要进行干湿循环以及湿化试验时，通过底座的排水管实现试样由干变饱和、由饱和变湿状态下的变化。

本发明通过限位装置保证加载过程中竖向荷载始终垂直于试样；机械式砝码加载可保证竖向应力长时间稳定；采用不锈钢试样桶，通过改变试样桶与底座的连接方式实现侧壁摩擦力的测量。

本发明通过限位装置保证竖向荷载始终垂直于试样是利用滑轮与竖直导轨、水平导轨、导轨架组合成T字型的刚性限位装置。当加载瞬间加载架发生左右晃动时，试样桶底座下面是滚轴，也会随加载架运动。但是加载架会被穿过端部轴承和加载架横梁外侧的两个滑轮的竖直导轨限制。竖直导轨与穿过框架横梁上的两个第一滑轮的水平导轨相连，由于限位装置刚度很大，穿过框架横梁上的两个第一滑轮的水平导轨也会随竖直导轨的运动而在水平方向运动，但同时受到竖直导轨的限制。这样就使得加载过程中加载架始终垂直于试样，保证了试验过程中竖向荷载始终垂直于试样。

本发明中试样桶的尺寸可根据试验粗颗粒土的最大粒径与规范要求的试样桶直径、高度的最小值与最大粒径的比值要求确定。

本发明通过改变试样桶与底座的连接方式实现侧壁摩擦力的测量，将ㅠ型支座穿过U型垫板放置在底座上，4根拉杆穿过U型垫板上的螺孔及U型垫板下的螺母后，对准底座的钻孔穿入。U型垫板下放置压重传感器。将试样桶放置在U型垫板上后，在试样桶上部放置护筒，拉杆穿过护筒的钻孔。将拉杆顶部的螺帽拧紧后，依次在试样桶放入第一多孔板、试样、第二多孔板、加压上盖。U型垫板可以相对于ㅠ型支座向下运动，此时U型垫板、拉杆、试样桶、护筒作为一个整体首先将自重传至U型垫板，再传至压重传感器。同样的，试验过程中产生的侧壁摩擦力也同样的传至压重传感器上。将试验过程中压重传感器的读数减去加载前的读数即可得到实时的侧壁摩擦力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1、试样桶，2、试样，3、加压上盖，4、第一多孔板，5、ㅠ型支座，6、U型垫板，7、压重传感器，8、底座，9、拉杆，10、滚轴，11、护筒，12加载架，13、端部轴承，14、加压杠杆，15、砝码，16、框架，18、第一滑轮，19、竖直导轨，20、水平导轨，21、导轨架，22、百分表，23、第一长条形通孔，24、连接块，25、第二滑轮，26、第三滑轮，27、第二长条形通孔，28、底端支脚，29、顶端横板，30、第二多孔板，31、支架，32、平衡杠杆，33、砝码架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，包括框架16，所述框架16的一侧面顶端横梁的外侧面上设置有导轨架21，所述导轨架21外侧面设置有两个第一螺孔，所述第一螺孔内设置有第一螺杆，所述第一螺杆与第一滑轮18相连，水平导轨20的中部设置有用于穿过两所述第一滑轮18的第一长条形通孔23，所述水平导轨20穿过所述第一滑轮18后放置在所述导轨架21上；

所述横梁的下表面中心与连接块24的顶端相连，所述连接块24的右侧面中部设置有用于容纳加压杠杆14的一端头的凹槽，所述凹槽上下两端与所述加压杠杆14的上下表面之间均留有空隙，所述连接块24的外侧面设置有端部轴承13，中心轴依次穿过所述连接块24侧壁、加压杠杆14和端部轴承13后再通过第二螺杆固定第二滑轮25；

所述连接块24下方设置有加载架12，第三螺杆贯穿所述加载架12的外侧面后再与第三滑轮26相连；

竖直导轨19中部设置有用于穿过所述第二滑轮25和第三滑轮26的第二长条形通孔27，所述竖直导轨19穿过所述第二滑轮25和第三滑轮26后顶端与所述水平导轨20固定连接；

所述加压杠杆14的另一端头连有砝码15，所述加压杠杆14与所述连接块24相连的一端水平向外连有装配式的平衡杠杆32，所述平衡杠杆32通过挂钩连接砝码架33；

所述加载架12底端与待加压的试样桶1相接触。

所述框架16的底面上活动设置有底座8，ㅠ型支座5包括一体连接的底端支脚28和顶端连板29，所述底座8的上方设置有环型垫板6，所述ㅠ型支座5的底端支脚28穿入所述环型垫板6的内环，与所述内环相连的所述环型垫板6上表面设置有环形凹槽，所述ㅠ型支座5的顶端连板29位于所述环形凹槽内，所述环型垫板6下放置有压重传感器7；4根竖直的拉杆9穿过所述环型垫板6上的螺孔并穿过所述环型垫板6下的螺母后对准所述底座8上的钻孔***；将所述试样桶1放置在所述顶端连板29上后，在所述试样桶1外放置护筒11，使所述拉杆9穿过所述护筒11的钻孔后将所述拉杆9的螺帽拧紧，再依次在所述试样桶1内放入第一多孔板4、试样2、第二多孔板30和加压上盖3，所述第一多孔板4位于所述ㅠ型支座5的顶端连板29上表面，所述加压上盖3上设置有凹孔，所述加载架12下方设置有凸起的加载帽；所述加载帽与凹孔相适配。

所述底座8上连有排水管。

所述底座8的下方设置有滚轴10，所述滚轴10设置于支架31上。

所述第一多孔板4和第二多孔板30）的材质均为不锈钢。

所述试样桶1顶端设置有百分表22。

所述百分表22的个数为2个。

一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法，包括以下步骤：

S01，试验前，将平衡杠杆32取下，用支撑杆将加压杠杆14撑起；

S02，安装试样桶1，装填试样2，装填完成后，安装平衡杠杆32，并在砝码架33上加适量配重，使加压杠杆14平衡移动至与水平线最大夹角位置；

S03，推动底座8使得加载架12下的加载帽与加压上盖3对中，调节加载架12下的加载帽的凸起与加压上盖3的凹孔接触；

S04，通过添加砝码15至目标值进行压缩或流变试验；通过百分表22的读数取平均值即可得到试样2的变形量。

测试方法还包括以下步骤，通过底座8的排水管对试样2在常水头状态下进行饱和；当需要进行干湿循环以及湿化试验时，通过底座8的排水管实现试样2由干变饱和、由饱和变湿状态下的变化。

本实施例的导轨架21两侧各有两个螺孔，两侧内部螺孔上螺杆将导轨架21固定在框架16的一个横梁侧面上，导轨架21两侧外部的两个第一螺孔上通过第一螺杆固定2个第一滑轮18。在端部轴承13外侧和加载架12外侧分别用螺杆（即第二螺杆和第三螺杆）固定两个滑轮（即两个第二滑轮25和两个第三滑轮26）后，将竖直导轨19穿过第二滑轮25和第三滑轮26。将水平导轨20穿过导轨架21上的第一滑轮18后，将竖直导轨19上抬至与水平导轨20接触，并用螺杆将二者固定。上述结构为本实施例的限位装置的结构，限位装置保证加载过程中竖向荷载始终垂直于试样2。

试验前，用木杆或其他支撑杆将加压杠杆14撑起，将平衡杠杆32取下。ㅠ型支座5穿过U型垫板6放置在底座8上。将4根拉杆9穿过U型垫板6上的螺孔并用U型垫板6下的螺母固定后对准底座8上的钻孔***，将压重传感器7放置在U型垫板6下，将试样桶1放置在U型垫板6上后，在试样桶1上放置护筒11，使得拉杆9穿过护筒11的钻孔，拉杆9的螺帽拧紧后，依次在试样桶放入第一多孔板4、试样2、第二多孔板30和加压上盖3。安装完成后，安装平衡杠杆32，在砝码架33上添加配重至加压杠杆14平衡移动至与水平线呈最大夹角位置。推动底座8使得加载架12下的加载帽与加压上盖3对中，调节加载架12下的加载帽的凸起与加压上盖的凹槽接触。通过加砝码15至目标值进行压缩或流变试验。通过2个百分表22的读数取平均值即可得到试样2的变形量。上述结构为本实施例的侧限条件下粗颗粒土流变特性的测试仪器，将试验过程中压重传感器的读数减去加载前的读数即可得到实时的侧壁摩擦力，使本实施例计算后的竖向应力与实际值保持一致，测量结果精准。

本实施例通过底座8的排水管对试样2在常水头状态下进行饱和。当需要进行干湿循环以及湿化试验时，通过底座8的排水管可以实现试样2由干变饱和、由饱和变湿状态下的变化。

综上所示，本实施例试验加载过程中竖向荷载始终垂直于试样，加压杠杆无需调平；可以进行恒定竖向应力下粗颗粒土的长期流变试验，并测量试验过程中的侧壁摩擦力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：包括框架（16），所述框架（16）的一侧面顶端横梁的外侧面上设置有导轨架（21），所述导轨架（21）外侧面设置有两个第一螺孔，所述第一螺孔内设置有第一螺杆，所述第一螺杆与第一滑轮（18）相连，水平导轨（20）的中部设置有用于穿过两个所述第一滑轮（18）的第一长条形通孔（23），所述水平导轨（20）穿过所述第一滑轮（18）后放置在所述导轨架（21）上；

所述横梁的下表面中心与连接块（24）的顶端相连，所述连接块（24）的右侧面中部设置有用于容纳加压杠杆（14）的一端头的凹槽，所述凹槽上下两端与所述加压杠杆（14）的上下表面之间均留有空隙，所述连接块（24）的外侧面设置有端部轴承（13），中心轴依次穿过所述连接块（24）侧壁、加压杠杆（14）和端部轴承（13）后再通过第二螺杆固定第二滑轮（25）；

所述连接块（24）下方设置有加载架（12），第三螺杆贯穿所述加载架（12）的外侧面后再与第三滑轮（26）相连；

竖直导轨（19）中部设置有用于穿过所述第二滑轮（25）和第三滑轮（26）的第二长条形通孔（27），所述竖直导轨（19）穿过所述第二滑轮（25）和第三滑轮（26）后顶端与所述水平导轨（20）固定连接；

所述加压杠杆（14）的另一端头连有砝码（15），所述加压杠杆（14）与所述连接块（24）相连的一端水平向外连有装配式的平衡杠杆（32），所述平衡杠杆（32）通过挂钩连接砝码架（33）；

所述加载架（12）底端与待加压的试样桶（1）相接触。

2.根据权利要求1所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：所述框架（16）的底面上活动设置有底座（8），ㅠ型支座（5）包括一体连接的底端支脚（28）和顶端连板（29），所述底座（8）的上方设置有环型垫板（6），所述ㅠ型支座（5）的底端支脚（28）穿入所述环型垫板（6）的内环，与所述内环相连的所述环型垫板（6）上表面设置有环形凹槽，所述ㅠ型支座（5）的顶端连板（29）位于所述环形凹槽内，所述环型垫板（6）下放置有压重传感器（7）；4根竖直的拉杆（9）穿过所述环型垫板（6）上的螺孔并穿过所述环型垫板（6）下的螺母后对准所述底座（8）上的钻孔***；将所述试样桶（1）放置在所述顶端连板（29）上后，在所述试样桶（1）外放置护筒（11），使所述拉杆（9）穿过所述护筒（11）的钻孔后将所述拉杆（9）的螺帽拧紧，再依次在所述试样桶（1）内放入第一多孔板（4）、试样（2）、第二多孔板（30）和加压上盖（3），所述第一多孔板（4）位于所述ㅠ型支座（5）的顶端连板（29）上表面，所述加压上盖（3）上设置有凹孔，所述加载架（12）下方设置有凸起的加载帽；所述加载帽与凹孔相适配。

3.根据权利要求2所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：所述底座（8）上连有排水管。

4.根据权利要求2所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：所述底座（8）的下方设置有滚轴（10），所述滚轴（10）设置于支架（31）上。

5.根据权利要求2所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：所述第一多孔板（4）和第二多孔板（30）的材质均为不锈钢。

6.根据权利要求2所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：所述试样桶（1）顶端设置有百分表（22）。

7.根据权利要求6所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器，其特征在于：所述百分表（22）的个数为2个。

8.采用权利要求6~7任一项所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01，试验前，将平衡杠杆（32）取下，用支撑杆将加压杠杆（14）撑起；

S02，安装试样桶（1），装填试样（2），装填完成后，安装平衡杠杆（32），并在砝码架（33）上加适量配重，使加压杠杆（14）平衡移动至与水平线最大夹角位置；

S03，推动底座（8）使得加载架（12）下的加载帽与加压上盖（3）对中，调节加载架（12）下的加载帽的凸起与加压上盖（3）的凹孔接触；

S04，通过添加砝码（15）至目标值进行压缩或流变试验；通过百分表（22）的读数取平均值即可得到试样（2）的变形量。

9.根据权利要求8所述的一种粗颗粒土流变特性的测试仪器的测试方法，其特征在于：还包括以下步骤，通过底座（8）的排水管对试样（2）在常水头状态下进行饱和；当需要进行干湿循环以及湿化试验时，通过底座（8）的排水管实现试样（2）由干变饱和、由饱和变湿状态下的变化。

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