一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪制造技术

本发明专利技术公开一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪，包括变压控量注水单元、轴向可调均匀渗水侧限约束单元、变荷加载单元、位移采集单元。本发明专利技术的有益效果：解决了多因素交互耦合作用下原状膨胀土膨胀量、膨胀力测量问题，也解决了在上覆荷作用下原状膨胀土渗透性测量问题，仪器各组件安装简单，操作方便。

An expansive potential measuring instrument for expansive soil of high speed railway

The invention discloses an expansive potential tester for expansive soil of high-speed railway foundation, which comprises a variable pressure control water injection unit, an axial adjustable uniform water seepage lateral restriction unit, a variable load loading unit and a displacement acquisition unit. The invention has the advantages of solving the problem of measuring the expansion amount and expansion force of intact expansive soil under the interaction of multiple factors, and solving the problem of measuring the permeability of intact expansive soil under the action of overlying load. The installation of each component of the instrument is simple and the operation is convenient.

【技术实现步骤摘要】
一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪
本专利技术属于路基膨胀土膨胀量、膨胀力测定装置，尤其是对原状膨胀土含水率、厚度、上覆荷载三因素耦合作用下的膨胀量、膨胀力测定。
技术介绍
膨胀土是一种多裂隙并具有显著胀缩性的土质，分布十分广泛，对各类浅层结构具有危害作用。世界上迄今发现存在膨胀土的国家多达46个，遍及六个大洲。与其他国家相比，我国膨胀土及其工程问题具有的特点：一是分布广。我国是世界上膨胀土分布最广泛的国家之一，膨胀土分布面积约占国土陆地总面积的1/3，涉及20多个省。每年因膨胀土引起的工程地质灾害造成的经济损失达数百亿元。二是类型多。各类成因类型的膨胀土如沉积性、残积型、岩溶侵蚀类都有。三是性质复杂。膨胀土工程问题不仅与土的成分、演化历史有关，而且与气候环境、工程特征密切相关。由于膨胀土富含亲水性强的蒙脱石及其混层黏土矿物，在晴雨交替、干湿循环的条件下表现出吸水显著膨胀软化、失水迅速收缩开裂及反复胀缩变形特征，其变形与破坏具有反复性、多发性和长期潜在性等特点，房屋、公路、铁路、地下管道、渠道边坡及其他工程建筑经常受到膨胀土影响，造成巨额的经济损失。随着中国高速铁路的快速发展，对一般铁路工程而言，膨胀土地基的胀缩变形对路基影响较小，常忽略不计，而高速铁路路基对膨胀变形的要求极为严格，如高速铁路施工中路基沉降允许调整量为15mm，膨胀允许调整量仅为4mm。当高铁穿越膨胀土地段时，由于路基膨胀变形引起的轨面几何状态的变化一方面将造成较大的轮轨附加动荷载，导致车辆运行质量下降，影响行车安全性和舒适性；另一方面，由于轨下基础的膨胀变形，造成钢轨和轨下基础受力状态发生变化，进而导致钢轨和轨下基础变形和伤损加剧，反过来又会恶化轨面几何状态，加剧轮轨相互作用，如此形成恶性循环，严重影响高速铁路线路的服役状态与使用寿命。造成高速铁路路基膨胀的主要原因是膨胀土地基的膨胀，而影响膨胀土膨胀的外部因素主要有含水率、膨胀土厚度和上覆荷载，而渗透系数是衡量膨胀土体渗透性能的一项重要物理力学指标，可用来分析地基上拱的速率，因此系统深入的研究原状膨胀土的膨胀量、膨胀力和渗透性是解决高速铁路路基上拱的核心问题。针对膨胀土膨胀量的测量，相关专家学者们进行了大量的探索，如自由膨胀率测定仪、土壤膨胀仪、固结仪；针对膨胀土膨胀力测试的主要方法有自由膨胀–压缩试验法、加载膨胀–压缩试验法和恒体积试验法，而这些试验方法主要在固结仪中进行；针对土体渗透系数测量的仪器主要有常水头土壤渗透仪、变水头土壤渗透仪和GDS三轴仪，这些研究和专利技术，在不同的膨胀土工程中发挥了重要的作用。现有技术一：自由膨胀率测定仪，主要由无径漏斗、量土杯、搅拌器等组成，主要用于检测粘土的自由膨胀率，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。现有技术一存在以下缺点：仅能测定膨胀土的膨胀特性，而对实际情况下膨胀土的膨胀量无法测定。现有技术二：土壤膨胀仪，主要有环刀:Φ61.8mm×20mm、调节螺丝、导环和百分表组成。主要用于测定原状膨胀土或重塑膨胀土击实样的无荷载膨胀量与膨胀稳定后的含水量。现有技术二存在以下缺点：仅用于测定固定厚度膨胀土的膨胀量，没有考虑厚度和上覆荷载对膨胀土膨胀量的影响。现有技术三：固结仪，主要有百分表、环刀、杠杆、砝码等构件组成，用于测定粘土在侧限约束条件下、不同上覆载荷和不同含水率下的膨胀量或膨胀力。现有技术三存在以下缺点：土样采用环刀取样，由于环刀高度有限，不能测定膨胀土厚度发生变化时的膨胀量、膨胀力，而实际工程中膨胀土厚度对膨胀量和膨胀力影响较大，使得该技术试验结果带有一定的局限性。现有技术四：常水头土壤渗透仪，主要由筒身、渗水板、刻度板、测压管等组成，水位的测读可由安装在筒上的刻度板的刻度读出。测量各测压管间的水位差和时间差计算渗透系数。现有技术四存在以下缺点：该仪器主要用于砂类土及含少量砾的无凝聚性土在常水头下的渗透性测定。不适用于膨胀土等粘性土渗透系数的测量。现有技术五：变水头土壤渗透仪，仪器主要由上盖，底座，套座，环刀，透水石，螺杆等组成，在不大于200cm水头作用下，静置某一时间，待出水管口有水逸出后即可开始测定，通过测量各测压管间的水位差和时间差计算渗透系数。现有技术五存在以下缺点：该仪器主要用于粘性土在变水头和无上覆荷载情况下渗透性测量，不能测量有上覆荷载作用下粘性土渗透系数，因此对粘性土渗透系数的测量带有一定局限性。现有技术六：GDS三轴仪，仪器主要由控制器、压力室和数据采集系统3大部分组成。试验首先进行吸力平衡，使土样达到控制状态下的气水平衡，再施加一定的水力差，使水从非饱和土样顶部渗流向土样底部，模拟稳态测试。试验中通过观察试样体积变化和含水量变化进行渗透系数计算。现有技术六存在以下缺点：尽管该仪器可以测定施加荷载情况下土体的渗透性，但仪器操作复杂、误差较大、费时、且成本较高。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服以上提到的现有技术中存在的各种问题，针对目前没有膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下膨胀量、膨胀力的测定仪器的现状和目前没有在上覆荷载作用下原状膨胀土渗透性测量仪器的现状，提出一种既能满足原状膨胀土在含水率、厚度、上覆荷载耦合作用下膨胀力、膨胀量测量，又能满足上覆荷载作用下原状膨胀土渗透性测量，且技术可行，设计合理，经济适用的仪器。本专利技术的技术方案是：一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪，包括变压控量注水单元、轴向可调均匀渗水侧限约束单元、变荷加载单元、位移采集单元；所述变压控量注水单元包括刻度管，供水容器、进水管截止器、刻度管容量调整截止器、进水口止水器，刻度管与供水容器由必要的支撑架夹持或支撑台支撑，刻度管与供水容器通过水管连通，刻度管或供水容器的高度可调节，供水容器底部高度始终在刻度管的最大刻度值之上，刻度管底部连通有水管，进水管截止器设在刻度管与供水容器之间的水管上，刻度管容量调整截止器位于与刻度管底部相通的排水管上，进水口止水器位于与刻度管底部相通的供水管上；所述轴向可调均匀渗水侧限约束单元包括底座、侧限约束壁、密封圈、活塞、透水体，侧限约束壁在底座之上，侧限约束壁下部与底座之间加以紧固，透水体在侧限约束壁的内部，透水体下方的底座设有空腔，空腔设有进水道、出气道，进水道与供水管相通，出气道延伸到底座外部且其上设有截止阀，截止阀打开时出气道与大气相通，活塞侧壁有凹槽，凹槽中放置有密封环，活塞底侧有内凹槽，内凹槽通过出水管与外界相通；所述变荷加载单元包括施力装置、应力传感器、传力弹簧、上承压板、下承压板、承压板支撑固定架，所述承压板支撑固定架包括至少三根竖杆，竖杆底部固定在底座上或在竖杆底部加装稳定座，上承压板、下承压板套接在至少三根竖杆上且由紧固件固定在竖杆的某个高度位置，施力装置固定在上承压板底部，施力装置与下承压板上表面之间是应力传感器，应力传感器顶部与施力装置接触、底部与下承压板上表面接触，传力弹簧顶部与下承压板下表面接触、底部与活塞上表面接触；所述位移采集单元包括位移显示器和高度调节器、支撑杆，支撑杆一端可上下滑动的稳定在一个竖杆上、另一端稳定连接位移显示器，高度调节器高度可调节，高度调节器底部固定在活塞上表面、顶部与位移显示器测量头相接触。所述刻度管与供水容器间的管路、刻度管与进水道间的管路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪，其特征是：包括变压控量注水单元、轴向可调均匀渗水侧限约束单元、变荷加载单元、位移采集单元；所述变压控量注水单元包括刻度管（15），供水容器（16）、进水管截止器（14）、刻度管容量调整截止器（23）、进水口止水器（13），刻度管（15）与供水容器（16）由必要的支撑架夹持或支撑台支撑，刻度管（15）与供水容器（16）通过水管连通，刻度管（15）或供水容器（16）的高度可调节，供水容器（16）底部高度始终在刻度管（15）的最大刻度值之上，刻度管（15）底部连通有水管，进水管截止器（14）设在刻度管（15）与供水容器（16）之间的水管上，刻度管容量调整截止器（23）位于与刻度管（15）底部相通的排水管（24）上，进水口止水器（13）位于与刻度管（15）底部相通的供水管（25）上；所述轴向可调均匀渗水侧限约束单元包括底座（26）、侧限约束壁（9）、密封圈（7）、活塞（27）、透水体（8），侧限约束壁（9）在底座（26）之上，侧限约束壁（9）下部与底座（26）之间加以紧固，透水体（8）在侧限约束壁（9）的内部，透水体（8）下方的底座（26）设有空腔（28），空腔（28）设有进水道（29）、出气道（30），进水道（29）与供水管（25）相通，出气道（30）延伸到底座（26）外部且其上设有截止阀（10），截止阀（10）打开时出气道（30）与大气相通，活塞（27）侧壁有凹槽，凹槽中放置有密封环（31），活塞（27）底侧有内凹槽（36），内凹槽（36）通过出水管（21）与外界相通；所述变荷加载单元包括施力装置（4）、应力传感器（18）、传力弹簧（20）、上承压板（17）、下承压板（19）、承压板支撑固定架（3），所述承压板支撑固定架（3）包括至少三根竖杆（32），竖杆底部固定在底座（26）上或在竖杆底部加装稳定座，上承压板（17）、下承压板（19）套接在至少三根竖杆上且由紧固件固定在竖杆的某个高度位置，施力装置（4）固定在上承压板（17）底部，施力装置（4）与下承压板（19）上表面之间是应力传感器（18），应力传感器（18）顶部与施力装置（4）接触、底部与下承压板（19）上表面接触，传力弹簧（20）顶部与下承压板（19）下表面接触、底部与活塞（27）上表面接触；所述位移采集单元包括位移显示器（5）和高度调节器（6）、支撑杆（33），支撑杆（33）一端可上下滑动的稳定在一个竖杆（32）上、另一端稳定连接位移显示器（5），高度调节器（6）高度可调节，高度调节器（6）底部固定在活塞（27）上表面、顶部与位移显示器（5）测量头相接触。...

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路地基膨胀土膨胀潜势测定仪，其特征是：包括变压控量注水单元、轴向可调均匀渗水侧限约束单元、变荷加载单元、位移采集单元；所述变压控量注水单元包括刻度管（15），供水容器（16）、进水管截止器（14）、刻度管容量调整截止器（23）、进水口止水器（13），刻度管（15）与供水容器（16）由必要的支撑架夹持或支撑台支撑，刻度管（15）与供水容器（16）通过水管连通，刻度管（15）或供水容器（16）的高度可调节，供水容器（16）底部高度始终在刻度管（15）的最大刻度值之上，刻度管（15）底部连通有水管，进水管截止器（14）设在刻度管（15）与供水容器（16）之间的水管上，刻度管容量调整截止器（23）位于与刻度管（15）底部相通的排水管（24）上，进水口止水器（13）位于与刻度管（15）底部相通的供水管（25）上；所述轴向可调均匀渗水侧限约束单元包括底座（26）、侧限约束壁（9）、密封圈（7）、活塞（27）、透水体（8），侧限约束壁（9）在底座（26）之上，侧限约束壁（9）下部与底座（26）之间加以紧固，透水体（8）在侧限约束壁（9）的内部，透水体（8）下方的底座（26）设有空腔（28），空腔（28）设有进水道（29）、出气道（30），进水道（29）与供水管（25）相通，出气道（30）延伸到底座（26）外部且其上设有截止阀（10），截止阀（10）打开时出气道（30）与大气相通，活塞（27）侧壁有凹槽，凹槽中放置有密封环（31），活塞（27）底侧有内凹槽（36），内凹槽（36）通过出水管（21）与外界相通；所述变荷加载单元包括施力装置（4）、应力传感器（18）、传力弹簧（20）、上承压板（17）、下承压板（19）、承压板支撑固定架（3），所述承压板支撑固定架（3）包括至少三根竖杆（32），竖杆底部固定在底座（26）上或在竖杆底部加装稳定座，上承压板（17）、下承压板（19）套接在至少三根竖杆上且由紧固件固定在竖杆的某个高度位置，施力装置（4）固定在上承压板（17）底部，施力装置（4）与下承压板（19）上表面之间是应力传感器（18），应力传感器（18）顶部与施力装置（4）接触、底部与下承压板（19）上表面接触，传力弹簧（20）顶部与下承压板（19）下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王起才，薛彦瑾，张戎令，马丽娜，王冲，张志方，杨国涛，张乘波，李进前，王炳忠，崔晓宁，刘树红，祁强，胡锐鹏，卓彬，
申请(专利权)人：兰州交通大学，中国铁路总公司，
类型：发明
国别省市：甘肃,62