一种基于土体弹性测试的土体测试仪及其试验方法

摘要

本发明公开了一种基于土体弹性测试的土体测试仪及其试验方法，所述土体测试仪包括，测量舱，用于放置测试用试样土块，所述测量舱为密封的腔体，其内设置有用于挤压所述试样土块的挤压装置；弹性监测系统，其包括一连接设置在所述试样土块上的检测构件，用于实时监测所述试样土块受到挤压时的弹性模量；湿度发生装置，设置在所述测试仓外部且连通所述测试仓，并可向所述测量舱内输入干气或湿气，用于改变所述测量舱内的温度或湿度，以使所述试样土块的本体结构发生与所述测量舱内部的温度或湿度的一致变化。可广泛应用于岩土工程技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于土体弹性测试的土体测试仪及其试验方法。

背景技术

伴随着先进试验设备的快速完善以及计算机编程语言的发展，土体的弹性行为日益受到人们的重视，土体的弹性模是反映土体强度重要指标之一，弹性模量的改变反映土体内部的应力状态变化，弹性模量是采用弹塑性本构模型计算土体应力应变时所必需的土的力学性质指标。然而由于土体本身是一种多相非均质体，土体的弹性模量获取易受试验周围环境的影响，例如：空气中的水分影响土体的含水率、试验周围环境的温度影响土体水分的蒸发等，使用传统的手段将会很困难，会造成土体弹性模量获取不精确的后果。因此，在测量土体弹性模量时，对同一试件进行分析十分重要，起到连续实验并且节省时间的作用。

传统方法及仪器中，测量手段过于复杂，测量电流采用单臂电桥灵敏度低且没有温度补偿功能、检流计的精度不高，这些都会严重影响测量结果的准确性。因此，现有技术中，缺乏一种小型化土体测试仪，能够有效解决以往人们通过取处于不同相对湿度的土体进行实验获得不同弹性模量，取样多且重复实验较费时间的问题，实现对同一土块进行不同相对湿度下弹性模量测量的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于土体弹性测试的土体测试仪及其试验方法。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于土体弹性测试的土体测试仪，所述土体测试仪包括，测量舱，用于放置测试用试样土块，所述测量舱为密封的腔体，其内设置有用于挤压所述试样土块的挤压装置；

弹性监测系统，其包括一连接设置在所述试样土块上的检测构件，用于实时监测所述试样土块受到挤压时的弹性模量；

湿度发生装置，设置在所述测试仓外部且连通所述测试仓，所述湿度发生装置可向所述测量舱内输入干气或湿气，用于改变所述测量舱内的温度或湿度，以使所述试样土块的本体结构发生与所述测量舱内部的温度或湿度的一致变化。

优选地，所述检测构件为多个应变片，且至少一对所述应变片相对贴合设置在所述试样土块的侧壁，用于检测所述式样土块受到挤压时的形变信息；

所述弹性监测系统还包括：应变采集模块，用于获取所述形变信息并发送至PC端。

优选地，所述挤压装置包括，顶部不锈钢体和底部不锈钢体，二者相对设置将所述试样土块夹持在内，且所述顶部不锈钢体的上端连接一压力杆，所述压力杆远离所述顶部不锈钢体的一端穿出所述测量舱的侧壁并连接一压力试验仪，所述底部不锈钢体的底部设置一压力传感装置。

优选地，所述测量舱从上到下依次包括上部装置、中部装置和下部装置，所述上部装置和下部装置为相对设置的凹槽状，且二者槽口相对，所述中部装置为一平板状，所述中部装置的两端夹持于所述上部装置和下部装置之间；

其中，所述上部装置和中部装置的其中一相对端均设置突出于所述上部装置和中部装置的本体的延伸部，所述上部装置和中部装置的延伸部竖向垂直，且通过一竖向螺杆自上而下穿设连接至所述下部装置，所述螺杆连接在所述上部装置、中部装置和下部装置的位置节段上均设置有螺丝帽。

优选地，所述测量舱的外侧壁涂抹有硅胶涂料。

优选地，所述应变片通过MAX232DR型号的接口利用导线与所述应变采集模块连接。

优选地，所述应变采集模块采用MAX1452应变采集模块型号。

一种基于土体弹性测试的土体测试仪的试验方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备所述试样土块，得到第一次待测试的所述试样土块；

步骤S2，将所述步骤S1中的所述第一次待测试的所述试样土块放置在所述测量舱中，进行第一次压力测试，得到一次弹性模量；

步骤S3，对所述步骤S2中所述试样土块进行一次压力测试的后的测量舱内充入湿气或干气，改变所述试样土块的湿度或温度，得到第二次待测试的所述试样土块；

步骤S4，对所述步骤S3中所述第二次待测试的所述试样土块进行第二次压力测试，得到二次弹性模量，并与所述一次弹性模量相比较，比较所述二次弹性模量与一次弹性模量比较是否变化，进而得到改变测量腔内部的温度或湿度对同一所述试样土块是否有影响。

优选地，所述步骤S3中对测量舱内输入湿气或干气后，还需要进行周期性静置工序

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明可以对同一土块进行不同相对湿度下弹性模量的测量，符合一般自然条件下土体的变化，通过将试样土块放置在测量舱内利用挤压装置挤压使试样土块发生形变，进而利用弹性监测系统监测试样土块发生形变后的弹性模量，然后通过改变测量腔内的湿度或者温度进而改变试样土块的湿度或者温度，持续性对试样土块进行多次反复地挤压以及弹性模量监测，进而为自然条件下变化较大的土体变化提供试全面的验考，同时也解决了现有技术当中，将不同湿度的多个试样土块分别进行挤压测试并分别记录弹性模量，试验成本较高、工序繁琐、且不符合自然条件下同一土体的自然变化的技术问题。

2、MAX1452应变采集模块可以有效避免传统采集应变参数仪器如电桥放大倍数低、检流计的精度不高带来的误差影响，具有各通道供电以及工作完全独立、采集的应变参数更精确、高效等优点。

3、在测量舱的外部设置连通测量舱的湿度发生装置，湿度发生装置可以改变测量舱中空气相对湿度，试样土块的湿度会随着测量舱中空气相对湿度而改变，实现了测量舱内温度和湿度的精确控制，并且可对测量舱内温度和湿度进行检定校准。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明基于土体弹性测试的土体测试仪的结构示意图；

说明书附图标记说明：1、试样土块，2、应变片，3、顶部不锈钢体，4、底部不锈钢体，5、万向节，6、湿度发生装置，7、上部装置，8、中部装置，9、下部装置，10螺杆，11、螺丝帽，12、压力杆，13、压力传感器，14、S型不锈钢体，15、底部柱状不锈钢体，16、导线，17、PC端，18、导线，19、MAX1452应变采集模块，20、橡胶套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种基于土体弹性测试的土体测试仪，所述土体测试仪包括，测量舱，用于放置测试用试样土块1，所述测量舱为密封的腔体，其内设置有用于挤压所述试样土块1的挤压装置；

弹性监测系统，其包括一连接设置在所述试样土块上的检测构件，用于实时监测所述试样土块1受到挤压时的弹性模量；

湿度发生装置6，设置在所述测试仓外部且连通所述测试仓，所述湿度发生装置可向所述测量舱内输入干气或湿气，用于改变所述测量舱内的温度或湿度，以使所述试样土块1的本体结构发生与所述测量舱内部的温度或湿度的一致变化。

在上述技术方案中，将一块试样土块1放置在测量舱中，通过改变测量舱内的温度和湿度，以改变一块试样土块1的温度和湿度，进而测得自然状态下土体结构的不同形态，避免了现有技术中，将多块不同湿度以及温度的实验用土块进行重复测量试验、在依次比对，工作量大、成本高的避免；

首先，先制备符合试验条件的试样土块1，适应本装置的试样土块1尺寸可参照，直径为2～3cm，厚度约为8mm，以及在试样土块1放置在测量舱内时，其表面平整度、平直度、侧面的垂直度等均需按照：试样土块1的上表面和下表面应当平行、试样土块1的表面应与仪器中轴线垂直、试样土块1的侧表面应与仪器中轴线平行的标准；

然后，关闭测量舱，通过压力试验仪向压力杆12方向施压，进行对试样土块1的第一次压力试验，即将压力传输至顶部不锈钢体3，以使试样土块1均匀受压，受压时，通过弹性监测系统的弹片实时监测并将试样土块1的形变信息传输至PC端17并记录储存，完成第一次压力试验；

最后，对进行第一次压力试验的试样土块1进行第1+N次压力试验，N大于1；步骤为：利用湿度发生装置6向测量舱内充入湿气或者干气，改变测量舱内的温度或湿度，进而改变测量舱内试样土块的温度或者湿度，进行第N次压力试验，然后比较每一次的压力试验结果，根据PC端17数据的变化进而判断不同湿度试样土块1的弹性模量。

进一步地，每一次的压力实验过程中，压力试验仪压力的加载速率为1MPa/min，加载至7MPa后卸载至3MPa，重复上述加卸载过程两次。

在另一种技术方案中，所述检测构件为多个应变片2，且至少一对所述应变片2相对贴合设置在所述试样土块1的侧壁，用于检测所述式样土块受到挤压时的形变信息；

所述弹性监测系统还包括：应变采集模块19，用于获取所述形变信息并发送至PC端17。

在上述技术方案中，多个应变片2，且至少一对应变片2相对设置在试样土块1的侧壁，以便更精准获取土体的形变参数信息，然后将该信息通过应变采集模块19传输至PC端17，然后根据参数信息计算出弹性模量，弹性模量的计算方式为：取两个应变片2从加载至7MPa后卸载至3MPa时间段应变的平均值Δε，按照弹性模量计算公式E＝Δσ/Δε计算，这里Δσ＝4MPa，然后取两次卸载段弹性模量计算值的平均值作为所述试样土块1的弹性模量。

在另一种技术方案中，所述挤压装置包括，顶部不锈钢体3和底部不锈钢体4，二者相对设置将所述试样土块1夹持在内，且所述顶部不锈钢体3的上端连接一压力杆12，所述压力杆12远离所述顶部不锈钢体3的一端穿出所述测量舱的侧壁并连接一压力试验仪，所述底部不锈钢体4的底部设置一压力传感装置。

在上述技术方案中，挤压装置的顶部不锈钢体3和底部不锈钢体4的想对面均需设置为适应试样土块1的接触平面的平整状态，以便提高后续的挤压、试验的精度。

在另一种技术方案中，所述测量舱从上到下依次包括上部装置7、中部装置8和下部装置9，所述上部装置7和下部装置9为相对设置的凹槽状，且二者槽口相对，所述中部装置8为一平板状，所述中部装置8的两端夹持于所述上部装置7和下部装置9之间；

其中，所述上部装置7和中部装置8的其中一相对端均设置突出于所述上部装置7和中部装置8的本体的延伸部，所述上部装置7和中部装置8的延伸部竖向垂直，且通过一竖向螺杆10自上而下穿设连接至所述下部装置9，所述螺杆10连接在所述上部装置7、中部装置8和下部装置9的位置节段上均设置有螺丝帽11，顶部不锈钢体3和压力杆12通过橡胶套筒20连接固定，中间安置调节器拆卸的万向节5，在压力传感器的底部还设置有S型不锈钢体14和底部柱状不锈钢体15，用于当压力过大时通过S型不锈钢体14提供回弹空间，保护上部的构件和装置。

在另一种技术方案中，所述测量舱的外侧壁涂抹有硅胶涂料。

在上述技术方案中，硅胶涂料为有机硅胶涂料，为保障测量舱的密封性，在其外侧壁涂抹一层有机硅胶涂料，其具有较好的防止透气透湿的作用，有效的保障了测量舱与外界空气隔绝，保证了实验的精确性。

在另一种技术方案中，所述应变片2通过MAX232DR型号的接口利用导线16与所述应变采集模块19连接。

在另一种技术方案中，所述应变采集模块19采用MAX1452应变采集模块19型号。

在上述技术方案中，所述MAX232DR型号的接口是用来做电平转换的，目的是使应变片2、MAX1452应变采集模块19和电脑等模块区域电压保持一致；

同时，MAX1452应变采集模块19具有使用芯片少、封装小、功耗低、各通道供电以及工作完全独立、采集的应变参数更精确、高效等优点，使用MAX1452应变采集模块19可以有效避免传统采集应变参数仪器如电桥放大倍数低、检流计的精度不高带来的误差影响。

进一步地，湿度发生装置6，优先采用湿度发生器EPOCH20147S，EPOCH2017S湿度发生器采用分流法原理，内置温湿度标准器和控制模块，全自动发生干湿气，并在恒温控制的测量腔室中均匀混合,实现了测试室内温度和湿度的精确控制，可对温度和湿度测量设备进行检定校准。

所述静置一段时间的目的是使试样土块1充分吸收空气中的水分，使试样土块1的相对湿度与测量舱中相对湿度一致，因为试样土块1本身的尺寸比较小，土的渗透系数比较大，试样土块1比较容易吸收空气中的水分。

一种基于土体弹性测试的土体测试仪的试验方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备所述试样土块1，得到第一次待测试的所述试样土块1；

步骤S2，将所述步骤S1中的所述第一次待测试的所述试样土块1放置在所述测量舱中，进行第一次压力测试，得到一次弹性模量；

步骤S3，对所述步骤S2中所述试样土块1进行一次压力测试的后的测量舱内充入湿气或干气，改变所述试样土块1的湿度或温度，得到第二次待测试的所述试样土块1；

步骤S4，对所述步骤S3中所述第二次待测试的所述试样土块1进行第二次压力测试，得到二次弹性模量，并与所述一次弹性模量相比较，比较所述二次弹性模量与一次弹性模量比较是否变化，进而得到改变测量腔内部的温度或湿度对同一所述试样土块是否有影响。

在另一种技术方案中，所述步骤S3中对测量舱内输入湿气或干气后，还需要进行周期性静置工序。

在上述技术方案中，静置工序的目的是使试样土块1充分吸收空气中的水分，使试样土块1的相对湿度与测量舱中相对湿度一致，因为试样土块1本身的尺寸比较小，土的渗透系数比较大，试样土块1比较容易吸收空气中的水分。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。