一种湿、热、力环境可控的土体变形测试装置及方法
本发明涉及路基工程，特别是指一种湿、热、力环境可控的土体变形测试装置及方法。
背景技术：
1、我国国土面积广大，交通工程发达，路基工程中需要用到的土壤数量庞大，受不同土的工程特性的影响，路基的沉降变形易受温度、湿度等外界环境的影响。因此需基于实际工程中复杂的环境条件，设计相应的实验装置和实验方法，提供稳定的温度和湿度控制，实现不同层位的路基土模拟，实验模拟路基土的变形，以此指导路基土的填筑问题，对于指导我国的路基工程问题具有重大意义。
2、目前，现有的研究路基土沉降变形影响的实验主要包括动三轴实验和固结实验，用于研究土体动荷载或静荷载；而且已有实验只能研究土体在单一荷载条件下所受的影响，而路基土处于湿、热、力耦合的复杂环境之中，常规实验并不能很好的指导工程实际。对比本发明，动三轴试样制备和实验操作较为复杂，对于实验的操作技术的要求较高，动三轴制作成本高昂，难以广泛应用于各工地实验室指导实际施工。固结实验数据具有一定偶然性，对实验仪器的精读要求很高，仪器需要定期维护。
3、因此为了研究湿、热、力耦合的复杂环境对土体的影响，现有技术中也有一些设备和方法想要底成本的来实现准确的模拟，如中国专利号为：cn202110748885.3，专利名称为一种湿、热、力环境可控的土体变形测试装置及方法，装置包括试验箱、环境温湿度控制系统及量测系统；试验箱，用于放置岩土试样并模拟岩土试样的湿度、温度及所受光照环境；岩土试样外随试样高度变化包裹有不同层数的橡皮膜，用于模拟岩土试样所受围压；温度传感器，用于监测岩土试样的温度；微波加热装置，用于微波加热岩土试样内部的水；红外成像仪，用于记录微波加热全过程中岩土试样内部水的形态及变化，即得岩土试样内部裂隙的形态及变化。虽然，其能够模拟岩土试样在外界光照、浸水、受压时的湿、热、力耦合作用对裂隙的影响，但是此专利却具有如下缺陷：1、通过水位控制，模拟地下水，因此不能精准控制某一层位的土体湿度，而在具体的路基施工中不同层位会有不同的施工要求；2、通过包不同层数的橡皮膜模拟围压，不能提供精准的力的大小，进行数据分析，仅能作为规律探究的装置；3、无法提供循环的动荷载；
4、还有中国专利号为：cn202010632045.6，专利名称为考虑循环荷载和土体饱和度的蠕变仪及试验方法，包括加载台、保温保湿系统、试样盒、应变采集系统、循环加载系统，保温保湿系统包括保温保湿控制元件、温度湿度监测探头、保温保湿箱，试样盒包括夹具、加热片、注水管，夹具在试样盒两端夹持土工材料试样，夹具左侧与试样盒固定，右侧与提供水平拉力装置连接，由水平拉力装置向夹具的右侧施加水平拉力，在试样盒顶部设置由循环加载系统带动上下移动的第一砝码，对试样盒内的试样按设定的加载频率提升、降落，对试样顶部施加循环压力。虽然其保温保湿箱可以设定试样内温度和湿度，实现为蠕变试样施加长期稳定的循环荷载的目的，但是此专利具有如下缺陷，1、其利用杠杆形式进行加载，导致加压不稳定；2、其杠杆仅对试样上部加压，不能实现对不同层位路基土的受力模拟；3、其保温保湿系统只能对土体的上部和下部进行水分迁移，与土体的实际环境情况不符。因此，解决现有技术的缺陷，提供一种可以更好模拟实际工程中复杂的环境条件的土体变形测试装置，具有重要实际意义和应用价值。
技术实现思路
1、本发明解决现有技术的不足而提供一种可实现针对不同温度、湿度及路基不同层位受上部静荷载和循环动荷载下的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置及方法。
2、为实现上述目的，本发明首先提出了一种湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，包括环境箱、自动式循环加载装置、固定支架、土体固定筒、位移采集器、应力采集器和荷载块；环境箱内安装有固定支架，所述土体固定筒通过固定支架可拆卸安装在环境箱内，土体固定筒内的空腔沿轴向从下到上依次分为试件放置区、位移采集区、应力采集区和载荷放置区；
3、所述土体固定筒的筒壁上、在试件放置区所在区域均匀开设有多个透水透气孔，土体固定筒的筒壁上、在位移采集区上开设有监测窗，所述监测窗将土体固定筒内腔与外部连通，所述土体固定筒内从下到上依次放置有与土体固定筒内径相匹配的下部透水石、试件、上部透水石、应力采集器和荷载块，所述下部透水石、试件和上部透水石设置在试件放置区内，所述应力采集器设置在应力采集区内，所述荷载块设置在载荷放置区内，所述位移采集区置于应力采集器与上部透水石之间，所述位移采集器的检测端通过监测窗插入在应力采集器与上部透水石之间；
4、所述环境箱的顶部、在固定支架的正上方安装有自动式循环加载装置，所述自动式循环加载装置的工作端上安装有加载杆，所述加载杆插入环境箱内与荷载块的顶部抵接。
5、本实施方式中，环境箱通过保温管分别与恒温控制装置的空气进口和空气出口以及湿度控制装置的空气进口和空气出口连接，恒温控制装置和湿度控制装置对环境箱内的温度和湿度进行控制。
6、本实施方式中，透水透气孔的直径为0.5～1mm。
7、本实施方式中，荷载块的顶部设有与加载杆大小相匹配的凹槽，加载杆的底部设置在凹槽内。
8、本实施方式中，所述土体固定筒由左半弧板和右半弧板拼接而成，所述左半弧板和右半弧板通过固定支架固定连接形成整体。
9、本实施方式中，位移采集器包括固定杆、连接杆和检测端，所述检测端包括采集传感探针和位移监测板，所述固定杆竖直布设，连接杆水平布设，连接杆的一端固定在固定杆的顶部，连接杆的另一端上安装有竖直布设的采集传感探针，所述位移监测板水平布设在采集传感探针的下方，位移监测板的一端插装在应力采集器与上部透水石之间，位移监测板的另一端从监测窗伸出土体固定筒与采集传感探针的检测端接触连接，采集传感探针与数据采集装置电连接。
10、本实施方式中，所述试件包括土样和包裹在土样外侧的滤纸，滤纸覆盖土样侧面以及上、下顶面，滤纸的滤膜孔径小于0.075mm。
11、本实施方式中，所述荷载块外径小于土体固定筒内径，使得荷载块与土体固定筒内壁之间形成0.5mm的间隙，所述间隙内填充有凡士林。
12、本实施方式中，所述固定支架包括顶部护环、底部护环和连杆，所述顶部护环的中部设有与土体固定筒外径相匹配的定位孔，所述底部护环上设有与定位孔位置对应的定位环，所述顶部护环和底部护环相互平行布设，底部护环上、以定位环为中心、在定位环四周均匀固定有多根连杆，所述连杆与底部护环垂直布设，所述顶部护环上设有与连杆位置、大小相匹配的通孔，所述连杆的顶部螺纹连接有螺母，顶部护环通过通孔套装在连杆上，并且通过上、下两个螺母固定在连杆上。
13、本发明还包括一种采用上述土体变形测试装置进行土体变形测试的方法，具体包括如下步骤：
14、s1、试样制备与饱和：
15、制备土样，土样采用三层静压成型，并且提前饱和实验的土样，称取饱和后的土样质量，记录实验初始含水率；
16、s2、实验环境准备：
17、按照测试要求调整环境箱内的温度和湿度，使环境箱内部维持稳定的温度和湿度；
18、s3、土样放置与养护：
19、在土样外部包上提前制作的滤膜，在土样顶部和底部放上湿润的滤纸，包好滤纸的土样形成试样，打开土体固定筒，将试样放入土体固定筒，然后将提前浸泡24h的上部透水石和下部透水石分别放置在试样的顶部和底部，关闭土体固定筒，将土体固定筒整体放入环境箱内，并且通过固定支架固定，将试样在环境箱设定的湿、热条件下养护24h，然后在土体固定筒的上部透水石上方依次布设应力采集器和荷载块；
20、s4、动力循环加载：
21、设置自动式循环加载装置荷载大小、加载频率、加载次数，打开自动式循环加载装置，通过自动式循环加载装置对试样进行循环加载，当开始受力时即为所设定的湿、热条件下循环荷载的开始点，记录位移量和应力值；
22、s5、应力、应变数据采集：
23、每隔1s记录位移采集器的位移值和荷载块的应力值；
24、s6、排水量记录：
25、测试设定时间到达后，取出土样，称取实验后土样质量，计算土样的排水量；
26、s7、调整实验温度设定值、湿度设定值、荷载大小和加载频率、加载次数，重复步骤1-6，并记录位移采集器9位移值和荷载块11的应力值，计算每次土样排水量。
27、采用上述结构，本发明与现有的技术相比具有如下优点：
28、1、可准确对环境进行模拟：
29、①可以实现在湿、热、力可控条件下，不同层位的土体变形的测试，改善常规动三轴实验只能研究单一荷载作用对土体影响的问题，实验环境更加符合工程实际。
30、②对比动三轴实验的试件，试件只能通过上部和下部透水石进出水，本发明可以通过土体固定筒的透水透气孔实现对土体侧面的排水。此外，透水透气孔可以模拟土体在湿、热环境下四周都受影响，使热蒸汽更好的渗入在土体内部。
31、③采用温度和湿度分开控制的方式，能使热汽分布更加均匀，温度和湿度可以设置具体大小，稳定维持，实验更具准确性，环境模拟更加精确。
32、2、本发明的土体固定筒、荷载块、位移传感器、应力传感器相互配合起作用：
33、①土体固定筒仅在试件放置区位置设置透水透气孔，透水透气孔直径为0.5mm，土体固定筒的筒壁厚为2mm，土体固定筒沿轴向均匀布设五十组透水透气孔组，每组透水透气孔组包括沿圆周方向均匀布设的五十个透水透气孔，透水透气孔采用激光开孔，激光开孔后保证孔边缘平滑，使得模具符合测试要求的强度和刚度。土体固定筒的筒壁上、在位移采集区上开设有监测窗，所述监测窗方便位移采集器的检测端插入在应力采集器与上部透水石之间，土体固定筒由左半弧板和右半弧板拼接而成，更加方便实验前后试件做核磁等无损检测，避免实验后脱模对土体造成的破坏。
34、②在实际工程中，路面以下各层位的土体会受到来自上部土体的自重应力的影响，用不同重量大小的荷载块代表不同层位的土体受到上部土体的荷载大小，当进行实验时，本装置可以通过更换不同重量的荷载块，来模拟不同层位的静荷载，完成对路基中不同位置土体的变形模拟，具有灵活性的特点。荷载块外径小于土体固定筒内径，使得荷载块与土体固定筒内壁之间设有间隙，所述间隙内填充有凡士林，防止荷载块和土体固定筒产生剪切力，减小外径因素对测试的影响。
35、③本发明中应力传感器设置的作用是为了验证动荷载施加的大小和频率的准确性，防止因为荷载块的设置，动荷载传播过程中出现衰减的情况，记录真实的土体受力。位移传感器的位移监测板穿过土体固定筒，设置在透水石上方是为了防止位移监测板直接作用在试件上造成土体变形。采用位移监测板与采集传感探针结合是为了测量土体真实的实时位移变形，如果将采集传感探针设置在荷载块上方，难以保证检测到的是土体的情况。
36、综上所述，本发明中各部件配合紧密，不仅考虑了各层位土体受路基路面各层位的受自重情况，设置荷载块，还考虑了实际工程中土体四周与周围环境接触，保证环境模拟更加精确，测试结果更准确。
技术特征：
1.一种湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：包括环境箱(4)、自动式循环加载装置(5)、固定支架(7)、土体固定筒(8)、位移采集器(9)、应力采集器(10)和荷载块(11)；环境箱(4)内安装有固定支架(7)，所述土体固定筒(8)通过固定支架(7)可拆卸安装在环境箱(4)内，土体固定筒(8)内的空腔沿轴向从下到上依次分为试件放置区、位移采集区、应力采集区和载荷放置区；
2.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：环境箱(4)通过保温管(3)分别与恒温控制装置(1)的空气进口和空气出口以及湿度控制装置(2)的空气进口和空气出口连接，恒温控制装置(1)和湿度控制装置(2)对环境箱(4)内的温度和湿度分别进行控制。
3.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：透水透气孔(812)的直径为0.5～1mm。
4.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：荷载块(11)的顶部设有与加载杆(6)大小相匹配的凹槽，加载杆(6)的底部设置在凹槽内。
5.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：所述土体固定筒(8)由左半弧板(81)和右半弧板(82)拼接而成，所述左半弧板(81)和右半弧板(82)通过固定支架(7)固定连接形成整体。
6.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：位移采集器(9)包括固定杆(91)、连接杆(92)和检测端，所述检测端包括采集传感探针(93)和位移监测板(94)，所述固定杆(91)竖直布设，连接杆(92)水平布设，连接杆(92)的一端固定在固定杆(91)的顶部，连接杆(92)的另一端上安装有竖直布设的采集传感探针(93)，所述位移监测板(94)水平布设在采集传感探针(93)的下方，位移监测板(94)的一端插装在应力采集器(10)与上部透水石(83)之间，位移监测板(94)的另一端从监测窗(811)伸出土体固定筒(8)与采集传感探针(93)的检测端接触连接，采集传感探针(93)与数据采集装置电连接。
7.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：所述试件(85)包括土样和包裹在土样外侧的滤纸，滤纸覆盖土样侧面以及上、下顶面，滤纸的滤膜孔径小于0.075mm。
8.根据权利要求1所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：所述荷载块(11)外径小于土体固定筒(8)内径，使得荷载块(11)与土体固定筒(8)内壁之间形成0.5mm的间隙，所述间隙内填充有凡士林。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的湿、热、力环境可控的土体变形测试装置，其特征在于：所述固定支架(7)包括顶部护环(71)、底部护环(72)和连杆(74)，所述顶部护环(71)的中部设有与土体固定筒(8)外径相匹配的定位孔，所述底部护环(72)上设有与定位孔位置对应的定位环，所述顶部护环(71)和底部护环(72)相互平行布设，底部护环(72)上、以定位环为中心、在定位环四周均匀固定有多根连杆(74)，所述连杆(74)与底部护环(72)垂直布设，所述顶部护环(71)上设有与连杆(74)位置、大小相匹配的通孔，所述连杆(74)的顶部螺纹连接有螺母(75)，顶部护环(71)通过通孔套装在连杆(74)上，并且通过上、下两个螺母(75)固定在连杆(74)上。
10.一种采用权利要求1至9任意一项所述的土体变形测试装置进行土体变形测试的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
技术总结
一种湿、热、力环境可控的土体变形测试装置及方法，包括环境箱，环境箱内安装有固定支架，所述土体固定筒通过固定支架可拆卸安装在环境箱内，土体固定筒内的空腔沿轴向从下到上依次分为试件放置区、位移采集区、应力采集区和载荷放置区，下部透水石、试件和上部透水石设置在试件放置区内，应力采集器设置在应力采集区内，荷载块设置在载荷放置区内，位移采集区置于应力采集器与上部透水石之间，位移采集器的检测端通过监测窗插入在应力采集器与上部透水石之间，本发明可实现针对不同温度、湿度及路基不同层位受上部静荷载和循环动荷载下的土体变形测试，保证环境模拟更加精确，测试结果更准确。
技术研发人员：张锐,陈彦蓉,訾银辉,李露,黄智勇,张亚飞,张浩,周连振,郭震,王瑞杰
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23