本發(fā)明涉及一種基于真空負(fù)壓的粗粒土強(qiáng)度和變形特性測(cè)定裝置。適用于巖土工程相關(guān)領(lǐng)域，尤其適用于室內(nèi)試驗(yàn)中用于工程力學(xué)特性測(cè)定的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)目前正處于基礎(chǔ)設(shè)施的大面積建設(shè)階段，城市住宅，交通，城際交通工程大量興建。而無(wú)論是普通住宅還是交通設(shè)施，土木工程建設(shè)中，構(gòu)筑物最終都是坐落于地基之上。上部結(jié)構(gòu)物受到的荷載作用，最終都會(huì)通過(guò)基礎(chǔ)傳遞到地基。因此，工程設(shè)計(jì)中首先要評(píng)估地基是否具有足夠的承載力用于抵抗上部構(gòu)筑物的自重以及其他荷載。此外，由于外部荷載的作用往往表現(xiàn)為長(zhǎng)期的和往復(fù)的特性，而地基土在這種往復(fù)荷載作用下會(huì)發(fā)生變形累積。對(duì)于一般建筑，地基變形會(huì)造成房屋建筑出現(xiàn)裂縫，影響正常使用；對(duì)于高鐵等交通工程，路基的沉降將會(huì)影響高鐵的正常運(yùn)營(yíng)，并造成安全隱患。因此，除了地基的承載力，土體在往復(fù)作用下的變形是工程設(shè)計(jì)中需要考慮的另一個(gè)因素。

對(duì)于粗粒土的強(qiáng)度和變形特性，一個(gè)最重要的影響因素就是土體受到的應(yīng)力水平。只有掌握了粗粒土在不同的應(yīng)力水平下的強(qiáng)度和變形特性，才能夠計(jì)算地基承載力，并評(píng)估其長(zhǎng)期變形響應(yīng)。因此，開發(fā)一套能夠迅速，便捷地測(cè)定粗粒土在不同應(yīng)力水平下的強(qiáng)度和變形特性的試驗(yàn)裝置具有重要的工程實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)的基于真空負(fù)壓的粗粒土強(qiáng)度和變形特性測(cè)定裝置。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于真空負(fù)壓的粗粒土強(qiáng)度和變形特性測(cè)定裝置，其特征在于：包括控制器、支架、豎向位移加載機(jī)構(gòu)、試樣密封裝載機(jī)構(gòu)、負(fù)壓真空裝置、軸力計(jì)、孔隙壓力傳感器和位移傳感器，試樣密封裝載機(jī)構(gòu)具有用于裝載試樣且可根據(jù)內(nèi)外壓差變化膨脹收縮的密封腔室；

其中支架具有反力基座、反力支桿和橫梁，橫梁位于反力基座上方，橫梁通過(guò)反力支桿固定于反力基座上；

所述反力基座上由下而上依次接有豎向位移加載機(jī)構(gòu)、底座和試樣密封裝載機(jī)構(gòu)，試樣密封裝載機(jī)構(gòu)上方設(shè)有軸力計(jì)，軸力計(jì)通過(guò)壓力桿和螺栓固定于上方的橫梁上；

所述負(fù)壓真空裝置經(jīng)乳膠管連通所述試樣密封裝載機(jī)構(gòu)的密封腔室；

所述孔隙壓力傳感器通過(guò)乳膠管聯(lián)通至所述試樣密封裝載機(jī)構(gòu)的密封腔室；所述位移傳感器設(shè)置于反力基座和底座之間；

所述控制器與豎向位移加載機(jī)構(gòu)和負(fù)壓真空裝置電路連接，控制豎向位移加載機(jī)構(gòu)和負(fù)壓真空裝置動(dòng)作；所述控制器與軸力計(jì)、孔隙壓力傳感器和位移傳感器電路連接，獲取軸力計(jì)、孔隙壓力傳感器和位移傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)。

所述試樣密封裝載機(jī)構(gòu)具有筒狀的乳膠膜，乳膠膜下端依次套在下部水晶頭和試樣基座上，并經(jīng)O型密封圈密封，乳膠膜上端套在上部水晶頭上并經(jīng)O型密封圈密封，乳膠膜與上、下部水晶頭圍成所述密封腔室。

所述控制器包括計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集控制器，計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制器與所述豎向位移加載機(jī)構(gòu)、負(fù)壓真空裝置、軸力計(jì)、孔隙壓力傳感器和位移傳感器電路連接。

所述豎向位移加載機(jī)構(gòu)具有與所述控制器電路連接的伺服電機(jī)。

所述負(fù)壓真空裝置包括負(fù)壓真空箱和負(fù)壓控制器，負(fù)壓真空箱通過(guò)乳膠管連通所述密封腔室，負(fù)壓真空箱經(jīng)負(fù)壓控制器與所述控制器電路連接。

所述上部水晶頭水平布置，其頂部對(duì)應(yīng)所述軸力計(jì)設(shè)有凹槽。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本較低，通過(guò)真空負(fù)壓方法配合筒狀的乳膠膜模擬土體所處的不同應(yīng)力水平，操作便捷，具有較高的實(shí)用性。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例中試樣受力圖。

圖3為實(shí)施例模擬的土體應(yīng)力路徑圖。

圖4為實(shí)施例模擬的土體應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)施例為一種基于真空負(fù)壓的粗粒土強(qiáng)度和變形特性測(cè)定裝置，包括計(jì)算機(jī)17、數(shù)據(jù)采集控制器16、支架、豎向位移加載機(jī)構(gòu)、試樣密封裝載機(jī)構(gòu)、負(fù)壓真空箱14、負(fù)壓控制器15、軸力計(jì)5、孔隙壓力傳感器13和位移傳感器11。

支架具有反力基座3、反力支桿2和橫梁1，橫梁1位于反力基座3上方，橫梁1通過(guò)反力支桿2固定于反力基座3上。

本例中在反力基座3上設(shè)有豎向位移加載機(jī)構(gòu)，豎向位移加載機(jī)構(gòu)上端接有底座10，底座10上設(shè)置試樣密封裝載機(jī)構(gòu)。本例中試樣密封裝載機(jī)構(gòu)包括筒狀的乳膠膜7、上部水晶頭61、下部水晶頭62和試樣基座9，乳膠膜7下端依次套在下部水晶頭62和試樣基座9上，并經(jīng)O型密封圈8密封，粗土粒試樣撒入乳膠膜7內(nèi)，粗土粒試樣上表面水平放置上部水晶頭61，該上部水晶頭與乳膠膜7經(jīng)O型密封圈8密封，本例中上部水晶頭61頂面設(shè)有凹槽。

本實(shí)施例在上部水晶頭61的上方置有軸力計(jì)5，軸力計(jì)5通過(guò)壓力桿4和螺栓固定于上方的橫梁1上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺栓可以實(shí)現(xiàn)壓力桿4和軸力計(jì)5的上下移動(dòng)，便于試樣的安裝就位。本例中調(diào)整軸力計(jì)5位置使其頂部剛剛頂在上部水晶頭61表面凹槽上，保證兩者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)接觸，避免因施力不均導(dǎo)致的試樣受力不均勻，加載過(guò)程中軸力計(jì)5可以實(shí)時(shí)反饋施加在試樣頂部的荷載。

本實(shí)施例中豎向位移加載機(jī)構(gòu)具有伺服電機(jī)12，伺服電機(jī)12控制其上方的底座10上下移動(dòng)的。本例在底座10和反向基座3之間設(shè)有位移傳感器11，通過(guò)位移傳感器11可以測(cè)定底座10相對(duì)反向基座3的豎向位移，從而測(cè)定加載過(guò)程中試樣的軸向應(yīng)變。

本例中負(fù)壓真空箱14與負(fù)壓控制器15電路連接，負(fù)壓真空箱14通過(guò)乳膠管穿過(guò)試樣密封裝載機(jī)構(gòu)的下部水晶頭62聯(lián)通至試樣下部。通過(guò)負(fù)壓真空箱14和負(fù)壓控制器15可以實(shí)現(xiàn)試樣內(nèi)部不同量級(jí)的負(fù)壓荷載，從而模擬實(shí)際中粗粒土試樣所處的不同的應(yīng)力水平。本實(shí)施例中孔隙壓力傳感器13通過(guò)乳膠管穿過(guò)試樣密封裝載機(jī)構(gòu)的上部水晶頭61聯(lián)通至試樣上部，實(shí)時(shí)采用試樣內(nèi)部的真空負(fù)壓力大小。

計(jì)算機(jī)17通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制器16與伺服電機(jī)12、位移傳感器11、負(fù)壓控制器15、孔隙壓力傳感器13和軸力計(jì)5電路連接，計(jì)算機(jī)17通過(guò)控制伺服電機(jī)12可以對(duì)試樣進(jìn)行應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的加載，加載形式既可以是靜力加載，也可以是動(dòng)力加載；計(jì)算機(jī)17通過(guò)控制負(fù)壓控制器15控制負(fù)壓真空箱14，從而實(shí)現(xiàn)試樣內(nèi)部不同量級(jí)的負(fù)壓荷載；計(jì)算機(jī)17通過(guò)軸力計(jì)5、負(fù)壓控制器15、孔隙壓力傳感器13獲取相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示和進(jìn)行保存。

本實(shí)施例的加載原理如下：

首先，對(duì)試樣施加真空負(fù)壓σ₀，即等向加載，根據(jù)力的平衡條件：

土體試樣在三個(gè)方向的應(yīng)力大小為：

σ₁＝σ₂＝σ₃＝σ₀；

這里σ₂、σ₃分別代表水平方向(徑向)的應(yīng)力，σ₁代表豎直方向(軸向)的應(yīng)力。

之后控制伺服電機(jī)12，移動(dòng)加載基座10對(duì)試樣施加軸向荷載σ_load：

土體試樣的應(yīng)力狀態(tài)如圖2為：

σ₂＝σ₃＝σ₀；

σ₁＝σ_load+σ₀；

如圖3所示為巖土工程中常用的p-q(p代表平均應(yīng)力，q代表偏應(yīng)力，具體計(jì)算公式見圖3)坐標(biāo)系中試驗(yàn)試樣的應(yīng)力路徑，通過(guò)控制負(fù)壓可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)力水平的靜力和循環(huán)加載。

如圖4為試樣在不同形式荷載作用下的典型響應(yīng)曲線，通過(guò)本裝置，可以得到試樣在不同應(yīng)力水平和循環(huán)荷載下的強(qiáng)度、剛度和累積變形響應(yīng)。

本實(shí)施例的加載過(guò)程包括以下步驟：

將乳膠膜套在下部水晶頭62和試樣基座上，并使用O型密封圈8密封；

將試驗(yàn)粗粒土撒入乳膠膜7中，安裝上部水晶頭61并同樣使用O型密封圈8密封，保證試樣氣密性，并通過(guò)乳膠管將孔隙壓力計(jì)連接至上部水晶頭61；

固定橫梁1、反力支桿2以及反力基座3形成反力系統(tǒng)；

固定壓力桿4和軸力計(jì)5，并使軸力計(jì)5頂在上部水晶頭61表面；

將負(fù)壓真空箱14一端與試樣底部聯(lián)通，另一端連接負(fù)壓控制器15；

控制計(jì)算機(jī)17首先設(shè)定試驗(yàn)應(yīng)力水平，進(jìn)行負(fù)壓抽真空；

將軸力計(jì)5，孔隙壓力傳感器13、伺服電機(jī)12、負(fù)壓控制器15連接至數(shù)據(jù)采集控制器16，并最終匯總給計(jì)算機(jī)；

控制伺服電機(jī)12移動(dòng)底座10，進(jìn)行試樣軸向的靜力或循環(huán)加載。