溫控體變儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種溫控體變儀，包括外軸室和內(nèi)軸室，外軸室和內(nèi)軸室都扣裝在底座上。在底座內(nèi)設(shè)有5根外端與外部連通的管道，其中兩根管道的內(nèi)端與外軸室內(nèi)連通，3根管道的內(nèi)端與內(nèi)軸室內(nèi)連通。在內(nèi)軸室頂部設(shè)有一根內(nèi)測壓管；在底座上設(shè)有一根外測壓管。在底座的中央位置形成有一凸臺，實(shí)驗(yàn)土樣安裝在凸臺上。內(nèi)軸室和外測壓管壓力的壓差信號通過壓差傳感器傳給電腦讀取。并實(shí)現(xiàn)用空壓機(jī)對土樣施加反壓與用傳感器測量土樣內(nèi)部孔隙水壓力的功能。本發(fā)明可以準(zhǔn)確的模擬低溫或溫度變化情況下，土樣受力的情況，同時(shí)能夠準(zhǔn)確測量實(shí)驗(yàn)過程中土樣的體積變化，用于凍土體積變化的研究，問寒區(qū)地基、路基工程建設(shè)提供建議。
【專利說明】溫控體變儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)巖土工程設(shè)備領(lǐng)域，具體來說，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種精確測量低溫下凍土體積變化的體變儀。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源、礦產(chǎn)、淡水以及森林的資源的巨大需求，各種資源蘊(yùn)藏豐富的廣袤凍土區(qū)必將成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此人類在凍土地區(qū)開放建設(shè)將日趨頻繁，這也將勢必帶來大量寒區(qū)工程建設(shè)?，F(xiàn)如今，我國能源、交通、通訊、水利、給排水、石油輸送管線等許多工程將要建設(shè)或己經(jīng)建設(shè)廣袤但土性復(fù)雜的凍土區(qū)。我國還有一些關(guān)系到國家發(fā)展戰(zhàn)略的大型項(xiàng)目也要涉及到凍土工程，例如南水北調(diào)、西氣東輸?shù)葢?zhàn)略工程。
[0003]公路作為戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，在凍土地區(qū)的開發(fā)中具有舉足輕重的作用。在季節(jié)性凍土地區(qū)的地表層都存在一層冬凍夏融的凍結(jié)-融化層，作為地基的凍結(jié)一融化層，在凍融過程中土體性質(zhì)受氣溫的變化直接影響著上部建筑物的穩(wěn)定與安全。因此，在凍土地區(qū)進(jìn)行水利工程、工業(yè)與民用建筑及交通運(yùn)輸工程的建設(shè)，就必須對凍土及其與工程建筑物相互作用的一系列工程凍土學(xué)理論和實(shí)踐問題做出解答，以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性、耐久性及經(jīng)濟(jì)合理性。
[0004]路面結(jié)構(gòu)的長期性能和路基土的性能有很大的關(guān)系，尤其是在季節(jié)性凍土區(qū)，道路在一年內(nèi)至少經(jīng)歷一次凍融循環(huán)，冬凍春融時(shí)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部及周圍濕度和溫度都在波動(dòng)。在凍融條件下，路基材料特性會(huì)出現(xiàn)大幅度的改變，嚴(yán)重影響道路承載重交通荷載的能力，更嚴(yán)重的可能使道路發(fā)生嚴(yán)重破壞。在中國的季節(jié)性凍土區(qū)，路面溫度變化范圍_40°C到50°C，路基最大凍深線可達(dá)路面以下2米甚至更深。很明顯，這些環(huán)境條件的變化會(huì)對路面結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生重大的影響。對于季節(jié)性凍土區(qū)道路路基土的力學(xué)參數(shù)研究資料比較分散，路基設(shè)計(jì)和施工缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)，在一些路段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的路基凍害現(xiàn)象，冬季較強(qiáng)烈的凍脹導(dǎo)致春季較嚴(yán)重的融沉和翻漿，并形成槽溝狀車轍。
[0005]因此開展季節(jié)性凍土區(qū)土在凍融循環(huán)過程中體積變化的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0006]目前，國內(nèi)外測量土體積變化的實(shí)驗(yàn)儀器一般是基于常溫實(shí)驗(yàn)下的固結(jié)儀，包括:垂直加載力系統(tǒng)、直剪環(huán)刀、水平位置固定裝置、測定土樣豎向變形的裝置等部分組成。常規(guī)的體變測量儀器，不能測量低溫下土的體積變化，對于溫度變化情況下的體積測量更加束手無策；同時(shí)，由于土樣在剛性的環(huán)刀中受到了環(huán)刀的徑向的約束，對于體積的測量以為徑向約束而與實(shí)際情況不一致，直接導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于現(xiàn)有的技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種解決技術(shù)背景中所描述的傳統(tǒng)體變儀無法測量溫度變化以及低溫情況下土的體積變化，未考慮徑向約束對實(shí)驗(yàn)精度影響的問題，一種能精確模擬現(xiàn)實(shí)情況并精確測量土樣體積變化的實(shí)驗(yàn)儀器。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
[0009]一種溫控體變儀，包括外軸室和內(nèi)軸室，外軸室和內(nèi)軸室都扣裝在底座上；在所述的底座內(nèi)設(shè)有5根外端與外部連通的管道，其中兩根管道的內(nèi)端與外軸室內(nèi)連通，3根管道的內(nèi)端與內(nèi)軸室內(nèi)連通；與外軸室內(nèi)連通的管道為管道a、管道e，與內(nèi)軸室內(nèi)連通的管道為管道b、管道C、管道d;在內(nèi)軸室頂部設(shè)有一根與內(nèi)軸室內(nèi)部相通的內(nèi)測壓管，內(nèi)測壓管置于外軸室中；在底座上設(shè)有一根置于外軸室中、并位于內(nèi)軸室外的外測壓管，外測壓管下端與底座內(nèi)所述的管道a連接；在底座的中央位置形成有一凸臺，凸臺被包封在內(nèi)軸室內(nèi)部，凸臺中設(shè)有通過底座與外部連通的所述的管道d。
[0010]本發(fā)明應(yīng)用溫控體變儀在低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟，為:
[0011]I)、制備土樣；
[0012]2 )、將土樣安裝在凸臺上；
[0013]3)、安裝內(nèi)軸室；
[0014]4)、將內(nèi)測壓管安在內(nèi)軸室上，將外測壓管安在底座上；
[0015]5)、安裝外軸室；
[0016]6)、向管道a、管道b內(nèi)加入乙二醇溶液，至液面高度到達(dá)內(nèi)測壓管內(nèi)停止，再將管道a和管道b外接壓差傳感器的兩端；壓差傳感器的輸出信號接入電腦或信號處理裝置，得到內(nèi)測壓管液面變化情況；
[0017]7)、管道C、管道d外接壓力傳感器和反壓裝置，對測量土樣的空隙水壓力、對土樣施加反壓，可以實(shí)現(xiàn)用空壓機(jī)對土樣施加反壓與用傳感器測量土樣內(nèi)部孔隙水壓力的功倉泛;
[0018]8)、通過管道e，向外軸室加入乙二醇溶液至內(nèi)測壓管液面高度處，關(guān)閉閥門；
[0019]9)、向外軸室輸入壓縮空氣；
[0020]10)、將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放入可溫控的冷浴箱內(nèi)；
[0021]11)、通過測量壓差傳感器的輸出信號，可以得到內(nèi)測壓管內(nèi)液面的變化情況，從而計(jì)算出土樣的體積變化情況。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023]本發(fā)明解決了傳統(tǒng)的固結(jié)儀式的體變儀只能測量常溫環(huán)境下因?yàn)閴毫ψ兓鸬捏w積變化的問題?？梢詼?zhǔn)確的模擬低溫或溫度變化情況下，土樣受力的情況，同時(shí)能夠準(zhǔn)確測量實(shí)驗(yàn)過程中土樣的體積變化，用于凍土體積變化的研究，問寒區(qū)地基、路基工程建設(shè)提供建議。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明溫控體變儀的外形圖，
[0025]圖2是溫控體變儀的俯視(透視)圖，
[0026]圖3是去除外軸室后的立體(透視)圖，
[0027]圖4是圖2中的A-A剖視圖，
[0028]圖5是圖2中的B-B剖視圖，
[0029]圖6是圖2中的C-C剖視圖。[0030]圖中標(biāo)記:
[0031]1.外軸室，2.內(nèi)軸室，3.底座，4.凸臺，5.頂管，6.內(nèi)測壓管，7.外測壓管。【具體實(shí)施方式】
[0032]參照圖1 -圖6，對本發(fā)明的實(shí)施例作說明:
[0033]本發(fā)明的一種溫控體變儀，包括外軸室I和內(nèi)軸室2。外軸室I和內(nèi)軸室2都扣裝在底座3上，通過螺栓固定，并用密封圈進(jìn)行密封。
[0034]在所述的底座3內(nèi)設(shè)有5根外端與外部連通的管道，其中兩根管道的內(nèi)端與外軸室I內(nèi)連通，3根管道的內(nèi)端與內(nèi)軸室2內(nèi)連通；與外軸室內(nèi)連通的管道設(shè)為管道a、管道e，與內(nèi)軸室內(nèi)連通的管道設(shè)為管道b、管道C、管道d。外軸室I和內(nèi)軸室2中的設(shè)施及各管道在外軸室I和內(nèi)軸室2中的設(shè)置方式如下:
[0035]在內(nèi)軸室2頂部設(shè)有一根與內(nèi)軸室2內(nèi)部相通的內(nèi)測壓管6，內(nèi)測壓管6置于外軸室I中。內(nèi)測壓管6和內(nèi)軸室2之間通過螺紋連接，用生料帶密封。在底座3上設(shè)有一根置于外軸室I中、并位于內(nèi)軸室2外的外測壓管7，外測壓管7下端通過螺紋與底座3內(nèi)的管道a連接，并用生料帶密封；管道a的外端與外部連通。在底座3的中央位置形成有一凸臺4,凸臺4被包封在內(nèi)軸室2內(nèi)部。凸臺4為<J)62mmXh20mm。凸臺4中設(shè)有一根通過底座3與外部連通的管道d，管道d頂端與內(nèi)軸室2連通。在底座3中另設(shè)有兩根管道b和管道c，管道b和管道c的內(nèi)端與內(nèi)軸室2連通、外端與外部連通。在底座3中還設(shè)有一根內(nèi)端與外軸室I連通、外端與外部連通的管道e。在外軸室I頂端安有一根通向外部的頂管5，可以為與外軸室I相連的內(nèi)、外測壓管提供相同的氣壓。
[0036]應(yīng)用上述溫控體變儀在低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟為:
[0037]1、通過實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，確定使用土的類型，將土碾碎，過篩，放入烘箱烘干。
[0038]利用制備土樣的三瓣膜制備土樣，土樣的尺寸為Φ 61.8mmXh50mm,干土的質(zhì)量、含水量都根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃計(jì)算結(jié)果確定。
[0039]2、土樣制備完成后，套上橡皮膜，與內(nèi)軸室內(nèi)部空間隔絕不透水。將土樣安裝在底座3的凸臺4上，上部通過軟管與底座3的管道c連通，密封；下部與管道d連通。使得土樣上端的水可以通過管道c流出，土樣下端的水可以通過管道d流出。
[0040]3、安裝內(nèi)軸室2及其密封圈，用螺栓和螺母配合使用將內(nèi)軸室2壓緊、密封在底座3上。
[0041]4、將內(nèi)測壓管6擰在內(nèi)軸室2上，將外測壓管7擰在底座3上，其中內(nèi)測壓管6、外測壓管7的螺紋上纏繞生料帶用于密封。
[0042]5、安裝外軸室I及其密封圈，同樣用螺栓和螺母將其壓緊，密封在底座3上。
[0043]6、將管道a、管道b外端先連通，向內(nèi)加入乙二醇溶液，至液面高度到達(dá)內(nèi)測壓管6內(nèi)停止，此時(shí)內(nèi)、外測壓管(6、7)的液面高度相同。然后關(guān)閉閥門再將管道a和管道b外接壓差傳感器的兩端。所述的壓差的傳感器工作的靜壓范圍為O?800KPa，壓差變化范圍為O?3KPa。壓差傳感器的輸出信號接入電腦或信號處理裝置，對壓差進(jìn)行測量，得到內(nèi)測壓管6液面變化情況。
[0044]7、若實(shí)驗(yàn)需要，管道C、管道d外接壓力傳感器和反壓裝置，對測量土樣的空隙水壓力、對土樣施加反壓，可以實(shí)現(xiàn)用空壓機(jī)對土樣施加反壓與用傳感器測量土樣內(nèi)部孔隙水壓力的功能。
[0045]8、通過管道e，向外軸室I加入乙二醇溶液至內(nèi)測壓管6液面高度處，關(guān)閉閥門。
[0046]9、外軸室I頂部的頂管5外接限壓閥，再接空氣壓縮機(jī)向外軸室I輸入壓縮空氣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃確定外軸室的氣壓大小。
[0047]10、將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放入可溫控的冷浴箱內(nèi)，溫度控制情況按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃確定。
[0048]11、通過測量壓差傳感器的輸出信號，可以得到內(nèi)測壓管6內(nèi)液面的變化情況，從而計(jì)算出土樣的體積變化情況。實(shí)驗(yàn)的過程中，為測量體積準(zhǔn)確，可以根據(jù)土樣體積變化的大小調(diào)整使用不同內(nèi)徑的內(nèi)測壓管6，使得液面變化范圍在壓差傳感器的精確測量范圍內(nèi)。
[0049]實(shí)驗(yàn)的過程中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器可以至于可以控溫的環(huán)境中，如冷浴箱，通過設(shè)置冷浴箱內(nèi)的溫度及其變化情況，從而模擬溫度的變化情況。為加快溫度的傳遞，可以在外軸室內(nèi)，加不高于測壓管的液體，使得實(shí)驗(yàn)過程中冷浴箱內(nèi)的溫度與試樣的溫度盡快的達(dá)到一致。
[0050]實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)軸室內(nèi)與外軸室內(nèi)的液體使用乙二醇溶液，在低溫的環(huán)境下仍可流動(dòng)，繼續(xù)提供原來的功能——傳遞氣壓、傳遞熱量(溫度)。
[0051]實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)軸室的液體一直在內(nèi)測壓管內(nèi)變化,當(dāng)土樣體積變化的過程中，內(nèi)測壓管內(nèi)的液面隨之變化，從而反應(yīng)在壓差傳感器的輸出數(shù)據(jù)上。
[0052]本發(fā)明溫控體變儀實(shí)驗(yàn)的基本原理是:
[0053]外軸室上端開口，與空氣壓縮機(jī)相連，可以為與外軸室相連的內(nèi)、外測壓管提供相同的氣壓，內(nèi)軸室不會(huì)因?yàn)橥廨S室的氣壓而變形。內(nèi)軸室和外測壓管通過底座內(nèi)部的管道與實(shí)驗(yàn)儀器外的壓差傳感器相連接，傳感器測得的內(nèi)軸室(內(nèi)測壓管)、外測壓管的壓差信號可以通過與之相連的電腦讀取。土樣內(nèi)部上下通過底座內(nèi)部的管道與外部的管道相連，可以實(shí)現(xiàn)用空壓機(jī)對土樣施加反壓與用傳感器測量土樣內(nèi)部孔隙水壓力的功能。在內(nèi)軸室內(nèi)外氣壓相同的情況下，氣壓通過內(nèi)軸室的液體施加在土樣周圍。此時(shí)改變外軸室的氣壓大小，便可改變對土樣施加的圍壓大?。挥捎趦?nèi)、外測壓管同時(shí)在外軸室提供的相同的氣壓下，壓差傳感器測得的壓差便反應(yīng)了周圍測壓管的液面變化情況。
【權(quán)利要求】
1.一種溫控體變儀，包括外軸室(I)和內(nèi)軸室(2)，外軸室(I)和內(nèi)軸室(2)都扣裝在底座(3)上；其特征在于: 在所述的底座(3)內(nèi)設(shè)有5根外端與外部連通的管道，其中兩根管道的內(nèi)端與外軸室(I)內(nèi)連通，3根管道的內(nèi)端與內(nèi)軸室(2)內(nèi)連通；與外軸室(I)內(nèi)連通的管道為管道a、管道e，與內(nèi)軸室(2)內(nèi)連通的管道為管道b、管道C、管道d ； 在內(nèi)軸室(2)頂部設(shè)有一根與內(nèi)軸室(2)內(nèi)部相通的內(nèi)測壓管(6)，內(nèi)測壓管(6)置于外軸室(I)中； 在底座(3)上設(shè)有一根置于外軸室(I)中、并位于內(nèi)軸室(2)外的外測壓管(7),外測壓管(7)下端與底座(3)內(nèi)所述的管道a連接； 在底座(3)的中央位置形成有一凸臺(4)，凸臺(4)被包封在內(nèi)軸室(2)內(nèi)部，凸臺(4)中設(shè)有通過底座(3)與外部連通的所述的管道d。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控體變儀，其特征在于:外軸室(I)和內(nèi)軸室(2)都通過螺栓固定底座(3)上，并用密封圈進(jìn)行密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控體變儀，其特征在于:內(nèi)測壓管(6)和內(nèi)軸室(2)之間通過螺紋連接，用生料帶密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控體變儀，其特征在于:外測壓管(7)下端通過螺紋與管道a連接，并用生料帶密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的溫控體變儀，其特征在于:所述的凸臺(4)為Φ 62mmXh20mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控體變儀，其特征在于:在外軸室(I)頂端安有一根通向外部的頂管(5)，可以為與外軸室(I)相連的內(nèi)、外測壓管提供相同的氣壓。
7.應(yīng)用上述溫控體變儀在低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟，為: 1)、制備土樣； 2)、土樣制備完成后，套上橡皮膜，與內(nèi)軸室內(nèi)部空間隔絕不透水；將土樣安裝在底座(3)的凸臺(4)上，上部通過軟管與底座(3)的管道c連通，密封；下部與管道d連通；使得土樣上端的水可以通過管道c流出，土樣下端的水可以通過管道d流出； 3)、安裝內(nèi)軸室(2)； 4)、將內(nèi)測壓管(6)安在內(nèi)軸室(2)上，將外測壓管(7)安在底座(3)上； 5)、安裝外軸室(I)； 6)、將管道a、管道b外端先連通，向內(nèi)加入乙二醇溶液，至液面高度到達(dá)內(nèi)測壓管(6)內(nèi)停止，此時(shí)內(nèi)、外測壓管的液面高度相同；然后關(guān)閉閥門再將管道a和管道b外接壓差傳感器的兩端；壓差傳感器的輸出信號接入電腦或信號處理裝置，對壓差進(jìn)行測量，得到內(nèi)測壓管(6)液面變化情況； 7)、管道C、管道d外接壓力傳感器和反壓裝置，對測量土樣的空隙水壓力、對土樣施加反壓，可以實(shí)現(xiàn)用空壓機(jī)對土樣施加反壓與用傳感器測量土樣內(nèi)部孔隙水壓力的功能； 8)、通過管道e，向外軸室(I)加入乙二醇溶液至內(nèi)測壓管(6)液面高度處，關(guān)閉閥門； 9)、外軸室(I)頂部的頂管(5)外接限壓閥，再接空氣壓縮機(jī)向外軸室(I)輸入壓縮空氣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃確定外軸室的氣壓大小； 10)、將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放入可溫控的冷浴箱內(nèi)，溫度控制情況按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃確定；11)、通過測量壓差傳感器的輸出信號，可以得到內(nèi)測壓管(6)內(nèi)液面的變化情況，從而計(jì)算出土樣的體積變化情況。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的步驟，其特征在于:在所述的步驟I)中，制備土樣是通過實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，確定使用土的類型，將土碾碎，過篩，放入烘箱烘干；利用制備土樣的三瓣膜制備土樣，干土的質(zhì)量、含水量都根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃計(jì)算結(jié)果確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的步驟，其特征在于:在所述的步驟6)中，壓差傳感器工作的靜壓范圍為O~800KPa，壓差變化范圍為O~3KPa。
【文檔編號】G01N33/24GK103713109SQ201310647856
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】李旭, 趙學(xué)文, 田亞護(hù), 劉建坤, 徐耀 申請人:北京交通大學(xué)