CN214121848U - 一种水力耦合作用下土体试验*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水力耦合作用下土体试验***，包括底座、设置在底座上的升降机构和设置在升降机构上的围压装置，以及设置在围压装置上的轴压装置、与围压装置连通的渗水加载机构；围压装置包括供放置圆柱土样的围压室和与围压室连接的围压加载测量机构，渗水加载机构包括与圆柱土样顶部连通的渗水部件和与圆柱土样底部连通的集水部件；轴压装置包括设置在底座上的轴压加载架、与轴压加载架配合的轴压测量部件和与轴压测量部件连接的位移计。本实用新型在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，从而便于后续研究土样的力学参数。

Description

一种水力耦合作用下土体试验***

技术领域

本实用新型属于岩土工程试验领域，尤其是涉及一种水力耦合作用下土体试验***。

背景技术

当前，研究各类土样水力耦合作用下变形特性的室内试验主要包括：直剪试验、基于固结仪的固结试验和常规三轴剪切试验等。直剪仪由于没有渗水装置，只能对不同含水量条件下的土样开展剪切试验，即“双线法”，因此不能直接反映土样渗透过程中的力学性质；且直剪仪无法在剪切过程中测定土样的轴向应变、体积应变和渗透系数等力学参数。固结仪虽可对试验过程中的土样进行阶段性的加载与渗水，但仍不能较为真实的反映土样性质；且固结仪同样存在监测指标较少的问题。常规的三轴剪切仪主要由压力室、加载架、反压装置、排水管和监测设备等组成。三轴剪切仪中对于渗水过程，由于不能确定反压装置中的渗水量，因此也无法通过排水管推算土样的体积应变及渗透系数。即常规的三轴剪切仪可开展水力耦合的试验，但是无法测定试样的体积应变和渗透系数，而体积应变和渗透系数是反映土样结构变化、密实程度和渗透特性的重要指标。

因此，现如今缺少一种水力耦合作用下土体试验***，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种水力耦合作用下土体试验***，其设计合理，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：包括底座、设置在底座上的升降机构和设置在所述升降机构上的围压装置，以及设置在所述围压装置上的轴压装置、与所述围压装置连通的渗水加载机构；

所述围压装置包括供放置圆柱土样的围压室和与所述围压室连接的围压加载测量机构，所述渗水加载机构包括与圆柱土样顶部连通的渗水部件和与所述圆柱土样底部连通的集水部件；

所述轴压装置包括设置在底座上的轴压加载架、与所述轴压加载架配合的轴压测量部件和与所述轴压测量部件连接的位移计。

上述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述轴压测量部件包括测力传感器、安装在测力传感器顶部且与所述轴压加载架配合的上传递杆和安装在测力传感器底部的下传递杆，所述下传递杆的底部穿过围压室与圆柱土样的顶部接触；所述下传递杆上设置有供位移计安装的安装杆，所述位移计的伸缩探针抵接在围压室的顶面。

上述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述渗水部件包括渗水筒、设置在渗水筒顶部且与所述渗水筒连通的加压管和设置在渗水筒底部且为围压室内圆柱土样注水的注水管，所述注水管上设置有注水阀，所述加压管上设置有加压阀和压力表，所述渗水筒中设置有上水位传感器；

所述集水部件包括与圆柱土样底部连接的排水管和与所述排水管连通的集水筒，所述集水筒内设置有下水位传感器，所述排水管上设置有排水阀。

上述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述围压加载测量机构包括外层承压管和设置在外层承压管中的内层测管，所述外层承压管和内层测管同轴布设，所述内层测管的外侧壁和所述外层承压管的内侧壁之间设置有间隙，所述外层承压管的底部外和所述内层测管的底部内相贴合，所述内层测管的顶面低于所述外层承压管的顶部底面，且所述内层测管的顶部开口；

所述内层测管通过连接管与围压室底部内连通，所述连接管上设置有出水阀，所述内层测管中设置有内水位传感器；

所述外层承压管顶部设置有外加压管，所述外加压管上设置有外加压阀和外压力表。

上述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述升降机构包括升降底板和两个对称设置在所述升降底板两侧的升降部件，两个所述升降部件结构相同，两个所述升降部件均包括安装在底座上的升降电机、与升降电机传动连接的升降丝杆和套设在所述升降丝杆上的丝母，以及套设在所述升降丝杆上且与所述丝母连接的连接板，所述连接板和升降底板连接，所述围压室安装在升降底板上。

上述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述轴压加载架包括两个对称安装在底座上的立杆和安装在两个立杆上的横梁，所述横梁的两端设置有横梁通孔，所述横梁通孔的直径大于立杆的直径，所述横梁的两端能穿设在立杆上，所述立杆上设置有螺母，所述螺母的数量为两个，两个所述螺母位于横梁的上下侧；

所述横梁上设置有与上传递杆配合的加载杆，所述加载杆上设置有锁紧螺母，所述锁紧螺母的数量为两个，两个所述锁紧螺母位于横梁的上下侧。

上述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述圆柱土样的顶部设置有上滤纸，所述上滤纸上设置上透水石，所述圆柱土样的底部设置有下滤纸，所述下滤纸下设置下透水石；

所述圆柱土样外侧壁安装橡胶模，所述橡胶模的顶部高于上透水石的顶部2cm～3cm，橡胶模的底部低于下透水石的底部2cm～3cm；

所述圆柱土样位于中底托和顶托之间，所述下透水石的底部和底托的顶部相贴合，上透水石的顶部和顶托的底部相贴合，橡胶模的底部伸入底托的外侧面，橡胶模的顶部伸入顶托的外侧面。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、设计合理且安装布设简便，投入成本较低。

2、所采用的围压室，一方面是为了便于圆柱土样的安装，以使圆柱土样的底部和围压室中底托密封贴合，圆柱土样的顶部和顶托的贴合；另一方面，是为了给围压室内注水，从而模拟圆柱土样周侧围压状态，提高了圆柱土样的试验准确度。

3、所采用的渗水加载机构包括渗水部件和集水部件，通过渗水部件给圆柱土样中注水，通过集水部件收集圆柱土样中渗出的水，从而实现圆柱土样的渗透系数测量。

4、所采用的围压加载测量机构，通过围压加载测量机构与围压室连通，一方面实现围压加载测量机构给围压室注水，另一方面圆柱土样发生体积应变挤压围压室中水回流至围压加载测量机构，这样通过围压加载测量机构还能实现圆柱土样的体积应变的测量。

5、所采用的升降机构，是为了通过升降机构中升降电机带动围压室垂直向上移动，实现轴力的加载试验。

综上所述，本实用新型设计合理，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记说明:

1—轴压加载架； 1-1—立杆； 1-2—横梁；

1-3—螺母； 1-4—加载杆； 1-5—锁紧螺母；

2—测力传感器； 2-1—下传递杆； 2-2—安装杆；

2-3—上传递杆； 3—位移计； 4—围压室；

4-1—底托； 4-2—顶托； 5-1—上滤纸；

5-2—下滤纸； 5-3—上透水石； 5-4—下透水石；

6—橡胶模； 7—圆柱土样； 9-1—升降电机；

9-2—联轴器； 9-3—丝母； 9-4—连接板；

9-5—升降丝杆； 11-1—加压管；

11-2—压力表； 11-3—加压阀； 12—渗水筒；

12-1—上水位传感器； 13—连接管； 13-1—出水阀；

14—注水管； 14-1—注水阀； 15—外层承压管；

15-1—外加压管； 15-2—外压力表； 15-3—外加压阀；

16—内层测管； 16-1—内水位传感器； 17—集水筒；

17-1—下水位传感器； 18—排水管； 18-1—排水阀；

20—底座； 21—升降底板。

具体实施方式

如图1所示的一种水力耦合作用下土体试验***，包括底座20、设置在底座20上的升降机构和设置在所述升降机构上的围压装置，以及设置在所述围压装置上的轴压装置、与所述围压装置连通的渗水加载机构；

所述围压装置包括供放置圆柱土样7的围压室4和与所述围压室4连接的围压加载测量机构，所述渗水加载机构包括与圆柱土样7顶部连通的渗水部件和与所述圆柱土样7底部连通的集水部件；

所述轴压装置包括设置在底座20上的轴压加载架1、与所述轴压加载架1配合的轴压测量部件和与所述轴压测量部件连接的位移计3。

本实施例中，所述轴压测量部件包括测力传感器2、安装在测力传感器2顶部且与所述轴压加载架1配合的上传递杆2-3和安装在测力传感器2底部的下传递杆2-1，所述下传递杆2-1的底部穿过围压室4与圆柱土样7的顶部接触；所述下传递杆2-1上设置有供位移计3安装的安装杆2-2，所述位移计3的伸缩探针抵接在围压室4的顶面。

本实施例中，所述渗水部件包括渗水筒12、设置在渗水筒12顶部且与所述渗水筒12连通的加压管11-1和设置在渗水筒12底部且为围压室4内圆柱土样7注水的注水管14，所述注水管14上设置有注水阀14-1，所述加压管11-1上设置有加压阀11-3和压力表11-2，所述渗水筒12中设置有上水位传感器12-1；

所述集水部件包括与圆柱土样7底部连接的排水管18和与所述排水管18连通的集水筒17，所述集水筒17内设置有下水位传感器17-1，所述排水管18上设置有排水阀18-1。

本实施例中，所述围压加载测量机构包括外层承压管15和设置在外层承压管15中的内层测管16，所述外层承压管15和内层测管16同轴布设，所述内层测管16的外侧壁和所述外层承压管15的内侧壁之间设置有间隙，所述外层承压管15的底部外和所述内层测管16的底部内相贴合，所述内层测管16的顶面低于所述外层承压管15的顶部底面，且所述内层测管16的顶部开口；

所述内层测管16通过连接管13与围压室4底部内连通，所述连接管13上设置有出水阀13-1，所述内层测管16中设置有内水位传感器16-1；

所述外层承压管15顶部设置有外加压管15-1，所述外加压管15-1上设置有外加压阀15-3和外压力表15-2。

本实施例中，所述升降机构包括升降底板21和两个对称设置在所述升降底板21两侧的升降部件，两个所述升降部件结构相同，两个所述升降部件均包括安装在底座20上的升降电机9-1、与升降电机9-1传动连接的升降丝杆9-5和套设在所述升降丝杆9-5上的丝母9-3，以及套设在所述升降丝杆9-5上且与所述丝母9-3连接的连接板9-4，所述连接板9-4和升降底板21连接，所述围压室4安装在升降底板21上。

本实施例中，所述轴压加载架1包括两个对称安装在底座20上的立杆1-1和安装在两个立杆1-1上的横梁1-2，所述横梁1-2的两端设置有横梁通孔，所述横梁通孔的直径大于立杆1-1的直径，所述横梁1-2的两端能穿设在立杆1-1上，所述立杆1-1上设置有螺母1-3，所述螺母1-3的数量为两个，两个所述螺母1-3位于横梁1-2的上下侧；

所述横梁1-2上设置有与上传递杆2-3配合的加载杆1-4，所述加载杆1-4上设置有锁紧螺母1-5，所述锁紧螺母1-5的数量为两个，两个所述锁紧螺母1-5位于横梁1-2的上下侧。

本实施例中，所述圆柱土样7的顶部设置有上滤纸5-1，所述上滤纸5-1上设置上透水石5-3，所述圆柱土样7的底部设置有下滤纸5-2，所述下滤纸5-2下设置下透水石5-4；

所述圆柱土样7外侧壁安装橡胶模6，所述橡胶模6的顶部高于上透水石5-3的顶部2cm～3cm，橡胶模6的底部低于下透水石5-4的底部2cm～3cm；

所述圆柱土样7位于中底托4-1和顶托4-2之间，所述下透水石5-4的底部和底托4-1的顶部相贴合，上透水石5-3的顶部和顶托4-2的底部相贴合，橡胶模6的底部伸入底托4-1的外侧面，橡胶模6的顶部伸入顶托4-2的外侧面。

本实施例中，设置围压室4，一方面是为了便于圆柱土样7的安装，以使圆柱土样7的底部和围压室4中底托4-1贴合，圆柱土样7的顶部和顶托4-2的贴合；另一方面，是为了给围压室4内注水，从而模拟圆柱土样7周侧围压状态，提高了圆柱土样7的试验准确度。

本实施例中，渗水加载机构包括渗水部件和集水部件，通过渗水部件给圆柱土样7中注水，通过集水部件收集圆柱土样7中渗出的水，从而实现圆柱土样7的渗透系数测量。

本实施例中，围压加载测量机构，通过围压加载测量机构与围压室4连通，一方面实现围压加载测量机构给围压室4注水，另一方面圆柱土样7发生体积应变挤压围压室4中水回流至围压加载测量机构，这样通过围压加载测量机构还能实现圆柱土样7的体积应变的测量。

本实施例中，升降机构，是为了通过升降机构中升降电机9-1带动围压室4垂直向下移动，实现轴压力的加载试验，提高了试验范围。

本实施例中，轴压测量部件包括测力传感器、上传递杆和下传递杆，通过设置下传递杆，便于连接安装杆2-2的安装，从而实现位移计3安装，从而便于将圆柱土样7的轴向应变通过下传递杆传递至位移计3；设置测力传感器，是为了实现对圆柱土样7加载的轴压力的检测。

本实施例中，实际连接时，所述升降电机9-1的输出轴通过联轴器9-2与升降丝杆9-5传动连接。

本实施例中，上水位传感器12-1、下水位传感器17-1、内水位传感器16-1可参考PY201-RS485型号的液位传感器，其具有高精度、高可靠性、使用方便等优点。

本实施例中，升降电机9-1可参考伺服电机。

本实施例中，位移计3可参考电感调频式位移传感器。

本实施例中，所述测力传感器2为S型测力传感器。

本实用新型具体使用时，当加载围压时，操作出水阀13-1、外加压阀15-3打开，通过外加压管15-1给外层承压管15内充入压缩气体，内层测管16中的水通过连接管13为围压室4内注水，以使围压室4内充满水，在外加压管15-1中充入压缩气体的过程中，外压力表15-2对外加压管15-1中的压力进行检测，通过外加压阀15-3的调节以使外加压管15-1中的压力满足围压试验要求值，当围压室4内充满水时，内水位传感器16-1对内层测管16中的水位进行检测，围压室内充满水时内层测管的水位记作内层测管初始水位；

在对圆柱土样7围压的加载过程中，内水位传感器16-1对内层测管16中的水位进行实时检测，并将检测到的内层测管水位改变值，根据内层测管水位改变值和内层测管初始水位，得到圆柱土样7的体积应变。

当加载轴压力时，位移计3检测到的位移值初始值，升降机构推动所述围压室4向上移动，直至上传递杆2-3的顶部接触加载杆1-4，加载杆1-4施加的压力通过上传递杆2-3、测力传感器2和下传递杆2-1传递至圆柱土样7，实现对圆柱土样7轴压力的加载；

在对圆柱土样7轴压力的加载过程中，内水位传感器16-1对内层测管16中的水位进行实时检测，按照上述方法得到圆柱土样7加载轴压力时的体积应变；

同时，测力传感器2对圆柱土样7加载的轴压力进行检测，并将检测到轴压力，还通过下传递杆2-1和安装杆2-2带动位移计3的伸缩探针移动，位移计3检测到的位移值改变值，通过位移值改变值和位移值初始值，得到圆柱土样7的轴向应变。

当水力耦合作用时，操作注水阀14-1打开，通过加压管11-1给渗水筒12内充入压缩气体，渗水筒12中的水通过注水管14为圆柱土样7内注水；在加压管11-1中充入压缩气体的过程中，压力表11-2对加压管11-1中的压力进行检测，通过注水阀14-1的调节，以使加压管11-1中的压力满足渗透试验要求值；同时操作排水阀18-1打开，圆柱土样7渗透出来的水通过排水管18进入集水筒17；

在对圆柱土样7水力耦合作用渗透的过程中，内水位传感器16-1对内层测管16中的水位进行实时检测，按照上述方法得到圆柱土样7渗透时的体积应变和轴向应变；

在对圆柱土样7水力耦合作用渗透的过程中，下水位传感器17-1对集水筒17水位进行检测，上水位传感器12-1对渗水筒12水位进行检测，根据达西定律，并结合渗水筒12中水位和集水筒17中水位，得到圆柱土样7的渗透系数。

本实施例中，操作升降电机9-1转动，升降电机9-1转动带动升降丝杆9-5转动，升降丝杆9-5转动通过丝母9-3和连接板9-4带动围压室4垂直向上移动。

本实施例中，实际实验时，圆柱土样7放入围压室4之前，给集水筒17中注水，集水筒17中水一部分进入排水管18，以使排水管18中无气泡。

综上所述，本实用新型设计合理，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：包括底座(20)、设置在底座(20)上的升降机构和设置在所述升降机构上的围压装置，以及设置在所述围压装置上的轴压装置、与所述围压装置连通的渗水加载机构；

所述围压装置包括供放置圆柱土样(7)的围压室(4)和与所述围压室(4)连接的围压加载测量机构，所述渗水加载机构包括与圆柱土样(7)顶部连通的渗水部件和与所述圆柱土样(7)底部连通的集水部件；

所述轴压装置包括设置在底座(20)上的轴压加载架(1)、与所述轴压加载架(1)配合的轴压测量部件和与所述轴压测量部件连接的位移计(3)。

2.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述轴压测量部件包括测力传感器(2)、安装在测力传感器(2)顶部且与所述轴压加载架(1)配合的上传递杆(2-3)和安装在测力传感器(2)底部的下传递杆(2-1)，所述下传递杆(2-1)的底部穿过围压室(4)与圆柱土样(7)的顶部接触；所述下传递杆(2-1)上设置有供位移计(3)安装的安装杆(2-2)，所述位移计(3)的伸缩探针抵接在围压室(4)的顶面。

3.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述渗水部件包括渗水筒(12)、设置在渗水筒(12)顶部且与所述渗水筒(12)连通的加压管(11-1)和设置在渗水筒(12)底部且为围压室(4)内圆柱土样(7)注水的注水管(14)，所述注水管(14)上设置有注水阀(14-1)，所述加压管(11-1)上设置有加压阀(11-3)和压力表(11-2)，所述渗水筒(12)中设置有上水位传感器(12-1)；

所述集水部件包括与圆柱土样(7)底部连接的排水管(18)和与所述排水管(18)连通的集水筒(17)，所述集水筒(17)内设置有下水位传感器(17-1)，所述排水管(18)上设置有排水阀(18-1)。

4.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述围压加载测量机构包括外层承压管(15)和设置在外层承压管(15)中的内层测管(16)，所述外层承压管(15)和内层测管(16)同轴布设，所述内层测管(16)的外侧壁和所述外层承压管(15)的内侧壁之间设置有间隙，所述外层承压管(15)的底部外和所述内层测管(16)的底部内相贴合，所述内层测管(16)的顶面低于所述外层承压管(15)的顶部底面，且所述内层测管(16)的顶部开口；

所述内层测管(16)通过连接管(13)与围压室(4)底部内连通，所述连接管(13)上设置有出水阀(13-1)，所述内层测管(16)中设置有内水位传感器(16-1)；

所述外层承压管(15)顶部设置有外加压管(15-1)，所述外加压管(15-1)上设置有外加压阀(15-3)和外压力表(15-2)。

5.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述升降机构包括升降底板(21)和两个对称设置在所述升降底板(21)两侧的升降部件，两个所述升降部件结构相同，两个所述升降部件均包括安装在底座(20)上的升降电机(9-1)、与升降电机(9-1)传动连接的升降丝杆(9-5)和套设在所述升降丝杆(9-5)上的丝母(9-3)，以及套设在所述升降丝杆(9-5)上且与所述丝母(9-3)连接的连接板(9-4)，所述连接板(9-4)和升降底板(21)连接，所述围压室(4)安装在升降底板(21)上。

6.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述轴压加载架(1)包括两个对称安装在底座(20)上的立杆(1-1)和安装在两个立杆(1-1)上的横梁(1-2)，所述横梁(1-2)的两端设置有横梁通孔，所述横梁通孔的直径大于立杆(1-1)的直径，所述横梁(1-2)的两端能穿设在立杆(1-1)上，所述立杆(1-1)上设置有螺母(1-3)，所述螺母(1-3)的数量为两个，两个所述螺母(1-3)位于横梁(1-2)的上下侧；

所述横梁(1-2)上设置有与上传递杆(2-3)配合的加载杆(1-4)，所述加载杆(1-4)上设置有锁紧螺母(1-5)，所述锁紧螺母(1-5)的数量为两个，两个所述锁紧螺母(1-5)位于横梁(1-2)的上下侧。

7.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验***，其特征在于：所述圆柱土样(7)的顶部设置有上滤纸(5-1)，所述上滤纸(5-1)上设置上透水石(5-3)，所述圆柱土样(7)的底部设置有下滤纸(5-2)，所述下滤纸(5-2)下设置下透水石(5-4)；

所述圆柱土样(7)外侧壁安装橡胶模(6)，所述橡胶模(6)的顶部高于上透水石(5-3)的顶部2cm～3cm，橡胶模(6)的底部低于下透水石(5-4)的底部2cm～3cm；

所述圆柱土样(7)位于中底托(4-1)和顶托(4-2)之间，所述下透水石(5-4)的底部和底托(4-1)的顶部相贴合，上透水石(5-3)的顶部和顶托(4-2)的底部相贴合，橡胶模(6)的底部伸入底托(4-1)的外侧面，橡胶模(6)的顶部伸入顶托(4-2)的外侧面。

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