[發(fā)明專利]一種可精確測(cè)量非飽和土變形規(guī)律的溫控三軸系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611030034.0
• 申請(qǐng)日: 2016-11-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106596283A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周超;吳宏偉;程青
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣州市香港科大霍英東研究院
• 主分類號(hào): G01N3/18
• 分類號(hào): G01N3/18
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙)44248
• 代理人: 曹大鵬

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于環(huán)境巖土和能源巖土工程領(lǐng)域，具體涉及一種可精確測(cè)量非飽和土變形規(guī)律的溫控三軸系統(tǒng)，主要應(yīng)用于對(duì)環(huán)境巖土和能源巖土工程中測(cè)試不同應(yīng)力狀態(tài)的非飽和土在冷熱循環(huán)條件下變形規(guī)律的試驗(yàn)研究。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由于可持續(xù)發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源利用的要求，環(huán)境巖土和能源巖土工程日益受到重視，發(fā)展十分迅速，例如垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層和防滲層系統(tǒng)、能源樁工程等。這些環(huán)境巖土和能源巖土工程都涉及到非飽和土體在循環(huán)應(yīng)力-滲流-溫度作用下的變形規(guī)律的測(cè)量問(wèn)題。

在自然界和工程界，土體大多處于非飽和狀態(tài)。非飽和土的體變，除了水體積的變化外，還包括土樣中氣的體積變化。非飽和土體變的量測(cè)相較于飽和土而言，耗時(shí)更長(zhǎng)，更容易受到實(shí)驗(yàn)裝置微漏、土體蠕變等因素的影響。溫度對(duì)于土體體積等有著重要的影響，主要體現(xiàn)在：隨著溫度的升高或降低，土顆粒自身會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，當(dāng)土顆粒自身的熱脹冷縮達(dá)到一定的程度將導(dǎo)致土顆粒的重新排列分布，進(jìn)而導(dǎo)致土體總體積的收縮或膨脹。

目前，可控溫度的非飽和土體積變化與彈性參數(shù)測(cè)量裝置尚缺乏。現(xiàn)有技術(shù)CN104614256A提供了一種溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀，包括加載臺(tái)架、三軸壓力室、壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)量測(cè)采集系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)與所述數(shù)據(jù)量測(cè)采集系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)溫度進(jìn)行增溫也可降溫，擴(kuò)大了溫度控制范圍。然而該溫控式冷熱循環(huán)非飽和土三軸儀不能對(duì)土體試樣的小應(yīng)變模量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

另外，CN102175539A提供了一種溫控非飽和土三軸儀壓力室系統(tǒng)，包括加載臺(tái)架、壓力罩，該壓力罩固定設(shè)置于所述加載臺(tái)架，該壓力室系統(tǒng)還設(shè)有與所述壓力罩連接的溫度控制系統(tǒng)，所述壓力罩包括頂蓋和外壁，該外壁為夾層結(jié)構(gòu)；所述溫度控制系統(tǒng)包括電熱板、導(dǎo)線、溫度控制器和溫度傳感器，所述電熱板設(shè)置于外壁夾層內(nèi)，并通過(guò)導(dǎo)線與溫度控制器相連接；所述溫度傳感器通過(guò)一固定螺帽固定于壓力罩頂蓋，且一端置于壓力罩內(nèi)，另一端通過(guò)導(dǎo)線與溫度控制器相連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度的精確控制和量測(cè)，可以開(kāi)展不同溫度下的多種非飽和土試驗(yàn)。但是由于使用電熱板為控溫元件，該溫控非飽和土三軸儀壓力室系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)室溫以上溫度的控制，對(duì)于低于室溫溫度的控制仍受到限制。此外，直接將電熱板至于外壁夾層內(nèi)的方法對(duì)于整套系統(tǒng)溫度的均勻性有所影響，升溫時(shí)靠近電熱板的區(qū)域溫度會(huì)相對(duì)較高。此外，該系統(tǒng)不能對(duì)土體試樣的小應(yīng)變模量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容：

針對(duì)工程中這些實(shí)際問(wèn)題，迫切需要研發(fā)出適用于工程實(shí)際的可實(shí)現(xiàn)大范圍(5℃到90℃)精確與穩(wěn)定溫度控制的非飽和土在不同應(yīng)變范圍(極小應(yīng)變<0.001％；小應(yīng)變0.001％-1％；大應(yīng)變>1％)的土體變形規(guī)律測(cè)量裝置來(lái)解決上述問(wèn)題。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種可精確測(cè)量非飽和土變形規(guī)律的溫控三軸系統(tǒng)，包括內(nèi)壓力室和外壓力室，內(nèi)壓力室置于外壓力室內(nèi)，通過(guò)底座支撐，以及：

(1)溫度控制系統(tǒng)：主要由水浴、加熱/冷卻單元、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器、泵、熱電偶以及放置于內(nèi)壓力室和外壓力室之間的螺旋式銅管組成。

加熱/冷卻單元可改變水浴中液體的溫度，水浴與螺旋式銅管通過(guò)輸水管道相連接，通過(guò)泵可實(shí)現(xiàn)熱/冷水的循環(huán)以達(dá)到改變溫度的目的。

熱電偶置于內(nèi)壓力室的無(wú)氣水中，用以實(shí)時(shí)量測(cè)內(nèi)壓力室內(nèi)水的溫度并反饋給溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器。

溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器可根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)溫度和實(shí)測(cè)溫度控制加熱/冷卻單元。可控制的目標(biāo)溫度范圍是5℃到90℃。

所述的外壓力室外側(cè)有絕熱材料包裹，以減少外界環(huán)境溫度的影響與熱量損失。所述的輸水管道外有絕熱材料包裹，以減少外界環(huán)境溫度的影響與熱量損失。

(2)吸力與應(yīng)力控制系統(tǒng)：主要通過(guò)連接氣壓控制器、豎向加荷軸、孔氣壓管線組成。外壓力室頂部開(kāi)孔設(shè)有氣壓控制器；豎向加荷軸垂直貫穿內(nèi)、外壓力室，并在頂部與壓力百分表連接；底座上還開(kāi)孔設(shè)有孔氣壓管線。

氣壓控制器、豎向加荷軸、孔氣壓管線三者分別施加圍壓、軸壓和孔隙水壓力。

優(yōu)選內(nèi)室設(shè)計(jì)成開(kāi)頂?shù)模@能保證內(nèi)外室圍壓總是相等，不存在滯后現(xiàn)象；另外，內(nèi)壓力室底部設(shè)有進(jìn)水孔，優(yōu)選給內(nèi)室充水時(shí)，從底部進(jìn)水，這樣空氣很容易從上部排出，因此氣泡不易滯留在內(nèi)壓力室里。

內(nèi)壓力室腔體通過(guò)環(huán)形密封槽和O形圈與底座連接，并用密封螺母密封。

(3)雙壓力室體積量測(cè)系統(tǒng)：底座上設(shè)有排水孔，通過(guò)管線與外部的鎮(zhèn)流管和滴定管相連接，用以監(jiān)測(cè)非飽和土試樣中水體積的變化(吸水和排水)以及用于排出裝置中滯留的空氣。