温控非饱和土三轴仪压力室系统

摘要

本发明涉及一种温控非饱和土三轴仪压力室系统，包括加载台架、压力罩，该压力罩固定设置于所述加载台架，该压力室系统还设有与所述压力罩连接的温度控制系统，所述压力罩包括顶盖和外壁，该外壁为夹层结构；所述温度控制系统包括电热板、导线、温度控制器和温度传感器，所述电热板设置于外壁夹层内，并通过导线与温度控制器相连接；所述温度传感器通过一固定螺帽固定于压力罩顶盖，且一端置于压力罩内，另一端通过导线与温度控制器相连接。本发明在常规非饱和土三轴仪基础上实现了对实验温度的精确控制和量测，可以开展不同温度下的多种非饱和土试验，提高了普通非饱和土三轴仪的通用性；对温度的控制实现了自动化，且所测数据准确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可对实验温度进行有效控制的非饱和土三轴仪压力室系统，属于土木工程土工实验仪器技术领域。

背景技术

现有的关于非饱和土基本性质的研究，大多是在常温下进行的，忽略温度的影响。然而，自然界的土体总是处于特定的自然环境之中，其基本性质将随着所处的水分、温度条件不同而产生很大差异，忽略周围环境因素的影响而得到的土体基本性质将是不准确的，也不能满足实际工程的需要。虽然由于冻土工程的发展，使得考虑低温对土体性质影响的研究已取得一定的成果，但高温对土体影响的研究则相对发展缓慢。近期，随着一大批现代岩土工程的建设发展，考虑高温对非饱和土基本性质影响的研究逐渐受到国内外研究者的关注。例如，在高放核废料地质处置库中，作为缓冲/回填材料的非饱和膨润土是一道重要的人工屏障，由于受核废料放出的热量影响，其温度逐渐升高，含水量逐渐减小。最终，随着地下水位的上升，土样产生湿化从而再次达到饱和，这一过程中，温度变化使得非饱和土持水性能、渗透特性以及变形性质均有别于常温土体。此外，在地热资源的开发利用、CO₂地下封存、高压电缆埋设以及石油开采等诸多工程建设领域，开展温度,主要针对的是20℃-100℃之间的高温，对非饱和土基本性质影响的研究，都有着重要的理论意义和应用价值。

为了研究非饱和土基本性质的温度效应，常温下的土工试验设备已不能满足要求，研制温控非饱和土试验设备显得尤为迫切与重要。

常规的GDS非饱和土三轴仪是进行非饱和土静力三轴试验的有效工具，其最大特点是通过数字加压控制系统，准确控制试样加/反压及试验过程中的各压力值，并可快速反映相应阶段的体积变化量，实现对试验过程较高精度的控制和自动化数据采集，取得较高精度的试验结果。然而，常规GDS非饱和土三轴仪不能对实验过程中的温度进行有效控制，无法满足考虑温度影响的非饱和土实验要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种利用既有常规GDS非饱和土三轴仪的基础上增加温度控制的功能的温控非饱和土三轴仪压力室系统，该压力室系统在常规非饱和土三轴仪基础上实现了对实验温度的精确控制和量测，可以开展不同温度下的多种非饱和土试验，提高了普通非饱和土三轴仪的通用性；对温度的控制实现了自动化，且所测数据准确。

根据上述发明构思，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种温控非饱和土三轴仪压力室系统，包括加载台架、压力罩，该压力罩固定设置于所述加载台架，该压力室系统还设有与所述压力罩连接有温度控制系统，所述压力罩包括顶盖和外壁；所述温度控制系统包括电热板、导线、温度控制器和温度传感器；所述压力罩外壁为夹层结构，其内设置电热板；所述电热板通过导线与温度控制器相连接；所述温度传感器通过一固定螺帽固定于压力罩顶盖，其一端置于压力罩内，另一端通过导线与温度控制器相连接。

所述电热板均布于压力罩外壁夹层的内壁上。

所述压力罩外壁夹层外壁还设置隔热层。

所述隔热层为隔热石棉。

所述压力罩外壁采用不锈钢材质。

所述加载台架由承台、升降台、底座、2根支杆、横梁和轴向荷载传感器、支架、轴向位移传感器构成；所述2根支杆下端与承台固定连接，上端穿过横梁两端，由固定螺栓固定连接；所述轴向荷载传感器上端与横梁中点处相连接，下端与活塞杆相接触；所述轴向位移传感器下端与顶盖相接触，上端通过支架与活塞杆相连接。

所述压力罩包括顶盖、外壁、活塞杆，所述顶盖与外壁焊接，外壁与底座之间通过由上至下贯穿整个外壁的固定螺杆固定连接，压力罩整体置于由升降台支撑的底座上；压力罩外壁为不锈钢制成的夹层结构，从外到内依次布置隔热石棉、固定螺杆、筒状电热板；压力罩顶盖上设置一排气阀，中央设置一可上下滑动的活塞杆，其下端通过防水轴套穿过顶盖中心与压力罩内部的有机玻璃试样帽相接触，上端与轴向荷载传感器相接触。

在所述轴向活塞杆和有机玻璃试样帽之间设置增高垫块，该增高垫块由上下两个直径不同的圆柱体组成，其顶部与轴向活塞杆相接触，顶部的半圆形凹槽与轴向活塞杆顶部的半圆形凸起半径相匹配；底部与有机玻璃试样帽相接触，两者直径相等。

所述外壁的底面与底座顶面通过固定螺杆连接，其中，压力罩顶盖四周的圆孔与底座四周的圆孔一一对应，所述固定螺杆通过压力罩外壁内部贯通连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.    本发明在常规GDS非饱和土三轴仪基础上改进增加了温度控制系统，实现了对温度的有效控制，可开展不同温度下的多种非饱和土土工试验。

2.    本发明为了能够使土样整体均匀受热，在压力罩内均匀设置环形筒状电热板，有效保证了加热的均匀性。

3.    本发明对温度的控制操作简便，数据的测量和采集实现自动化，且所测数据精确。

4.    本发明为了防止压力罩内热量的散失，将压力罩设计成夹层结构，并在夹层内的加热板外部设置隔热石棉，有效防止压力罩内热量的散失。

5.    非饱和土土水特征曲线测试时，一般要求试样高度较小，轴向活塞杆与有机玻璃试样帽无法接触，为此，本发明在它们之间设置一增高垫块。该增高垫块的设置，减小了试样的高度，有效缩减了原仪器进行土水特征曲线试验所需的时间，提高了效率。

附图说明

图1为一般三轴试验时本发明温控非饱和土三轴仪压力室系统的结构示意图；

图2为非饱和土土水特征曲线试验时本发明温控非饱和土三轴仪压力室系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明温控非饱和土三轴仪压力室系统，包括加载台架、压力罩和温度控制系统；

所述加载台架包括承台14、升降台15、底座17、2根支杆19、横梁22和轴向荷载传感器24、支架25和轴向位移传感器26；2根支杆19下端与承台14固定连接，上端穿过横梁22两端，由固定螺栓23固定连接；轴向荷载传感器24上端与横梁中点处相连接，下端与活塞杆18相接触；轴向位移传感器26下端与顶盖2相接触，上端通过支架25与活塞杆18相连接；

所述压力罩包括顶盖2、外壁4和活塞杆18；顶盖2与外壁4焊接，外壁4与底座17之间通过由上至下贯穿整个外壁的固定螺杆3固定连接，压力罩整体置于由升降台15支撑的底座17上；压力罩外壁4为不锈钢制成的夹层结构，从外到内依次布置隔热石棉5、筒状电热板8；压力罩顶盖2上设置一排气阀1，中央设置可上下滑动的活塞杆18，该活塞杆18下端通过防水轴套21穿过顶盖2中心与压力罩内部的有机玻璃试样帽6相接触，上端与轴向荷载传感器24相接触;所述外壁4的底面与底座17顶面通过固定螺杆3连接，其中，压力罩顶盖2四周的圆孔与底座17四周的圆孔一一对应，所述固定螺杆3通过压力罩外壁4内部贯通连接。

所述温度控制系统包括筒状电热板8、温度传感器20、导线27和温度控制器28；所述的筒状电热板8为压力罩内部的温度改变提供热源，首尾相接环绕压力罩上下各布置一块，其内部电阻丝的两端通过导线27与温度控制器28相连接；温度传感器20通过一固定螺帽固定于压力罩顶盖2，其一端置于压力罩内的水中，另一端通过导线27与温度控制器28相连接；温度控制器28接电源，其误差范围为±0.5℃，能够对压力罩内部的温度进行精确控制。

围压施加及测试管道12一端与压力罩内部相连接，另一端与常规非饱和土三轴仪围压控制器相连接；反压施加及测试管道13一端与压力罩内试样底部的高进气值陶土板11相连接，另一端与常规非饱和土三轴仪反压控制器相连接；气压施加及测试管道16一端穿过压力罩内试样顶部的有机玻璃试样帽6与透水石7相接触，另一端与常规非饱和土三轴仪气压控制器相连接。

压力罩底座17中央设置高进气值陶土板11，陶土板11上放置土样10，土样外部由橡皮膜9包裹，顶部依次为透水石7、有机玻璃试样帽6，试样帽6顶部与活塞杆18相接触。

具体操作方式如下：

1. 试验前准备工作：准备实验用土、土样制备工具、各种传感器件等辅助材料，检查仪器各部件是否正常，制备试验用土样并进行抽气饱和，对高进气值陶土板11进行饱和；

2. 试样安装：先将高进气值陶土板11安装在底座17中心位置，然后将饱和好的包裹在橡皮膜9内的土样10直接安装在高进气值陶土板11上，再将透水石7安装在试样顶部，将有机玻璃试样帽6安装在透水石7顶部，最后，用橡皮套将土样10上、下两端外部的橡皮膜分别与有机玻璃试样帽6、高进气值陶土板11固定紧密；试件安装好后，将轴向活塞杆18下移至与有机玻璃试样帽6顶部接触；

3. 拧开排气阀1通过围压施加及测试管道12向压力罩内注满水，然后拧紧排气阀1；将围压施加及测试管道12、反压施加及测试管道13、气压施加及测试管道16的末端分别与常规GDS三轴仪相连接，并施加相应的围压、反压和气压；

4. 待围压、反压和气压施加完毕后，开启温度控制器28的电源开关，温度控制器28发出改变温度的指令给筒状电热板8，通过设置温度的上限和下限来设置所需实验温度；电筒状热板8开始加热，同时温度传感器20测试被加热的压力罩内水的温度，当压力罩内温度达到预定温度时，温度传感器20检测到并发出一个返回信号给温度控制器28，温度控制器28再向电热板8发出停止加热的信号，从而达到温度恒定在预定温度的目的，由此，温度控制器28上的温度显示屏将会恒定在一定值；

5. 当温度控制器28的显示温度恒定后，为了使土样内部的温度也达到外部压力罩内温度，等待1至2小时，然后即可按照常规的非饱和土试验方法，进行强度试验、应力应变关系试验等相关试验。所测得的相关数据即为当前所设定温度下土体相关指标。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于，进行非饱和土土水特征曲线测试时，为了在保证达到相同精度、试验结果的情况下缩短实验时间，在轴向活塞杆18和有机玻璃试样帽6之间设置增高垫块29，由此可以采用高度较小的试样。所述增高垫块29由上下两个直径不同的圆柱体组成，其顶部与轴向活塞杆18相接触，顶部的半圆形凹槽与轴向活塞杆18顶部的半圆形凸起半径相等而吻合；底部与有机玻璃试样帽6相接触，两者直径相等。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。