基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置

1.本实用新型涉及一种基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置，特别是一种荷载与干湿协同作用基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置。


背景技术：

2.构筑物的土基在天然状况下受上覆荷载与干湿循环协同作用，干湿循环作用下土体强度劣化，土基发生位移、形变，会导致构筑物产生破坏，造成人员伤亡和经济损失。
3.当前土在荷载作用下干湿循环试验装置多数为在环刀样上堆砌砝码以模拟存在竖向荷载下的干湿循环试验，为了控制干湿循环幅度，用称重法计算含水率时需要卸载。这与工程中一定深度的土体总是存在荷载作用的真实情况不符，干湿循环过程中反复卸载与加载对土体强度有一定影响。
4.光纤是一种优良的敏感元件,具有传输范围广、体积小、质量轻、抗电磁核辐射干扰的优点，能够适用于各种环境的监测。利用光纤光栅湿度传感器能够实时监测样品干湿循环过程中的含水率情况，省略样品拆卸的步骤。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于，提供基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置。以解决背景技术中提出关于目前研究中与实际不符的问题。
6.本实用新型的技术方案：基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置，包括有支撑底座，支撑底座从左至右依次设置有推动座、直剪盒、量力环和锁紧螺母；所述直剪盒包括有固定在一起的上剪切盒与下剪切盒，剪切盒中从上至下依次放置有不透水板、试验土样、透水石和透水传压盖，透水传压盖外部还套接有铝箔圆环，透水传压盖上设置有传压组件，还包括设置在直剪盒上方的加热装置；试验土样内部上、下两端各设有1个光纤光栅湿度传感器，光纤光栅湿度传感器的入射端头接入光发射器、接收端头接入光接收器，光接收器连接计算机。
7.前述的基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置中，所述试验土样的顶、底部各设有1个传感器预留槽，上剪切盒与下剪切盒上各设有1个预留孔，每个预留孔对齐1个传感器预留槽。
8.前述的基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置中，所述加热装置包括有可调节支架，可调节支架的顶部底面设置有灯暖浴霸。
9.前述的基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置中，所述透水传压盖中心设置有凸出的圆柄，圆柄处设置有凹槽，凹槽周边的透水传压盖上均匀布置有透水孔。
10.本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型通过在试验土样中设置有光纤光栅湿度传感器，由于光纤是一种优良的敏感元件,具有传输范围广、体积小、质量轻、抗电磁核辐射干扰的优点，能够适用于各种环境的监测。利用光纤光栅湿度传感器能够实时监测样品干湿循环过程中的含水率情况，省略样品拆卸的步骤。
11.本实用新型的试验装置可对试样进行干湿循环，实时监测试样含水率变动，在整个干湿循环过程中不需对试样卸载,避免了对试样的扰动。干湿循环后可直接对试样进行直剪试验，避免了以往干湿循环过程结束后再进行安装试样时产生的扰动和质量损失。
附图说明
12.图1是本实用新型立面图；
13.图2是本实用新型平面布置图；
14.图3是本实用新型干湿循环时的剪切盒正截面图；
15.图4是本实用新型干湿循环时的剪切盒侧截面图；
16.图5是本实用新型透水传压盖截面图；
17.图6是本实用新型透水传压盖平面图；
18.图7是本实用新型试样的传感器预留槽位置；
19.图8是本实用新型光纤光栅湿度传感器平面图；
20.图9是本实用新型上下剪切盒预留孔位示意图；
21.图10是本实用新型光纤光栅湿度传感器预埋位置示意图；
22.图11是本实用新型土含水率监测装置连接示意图。
23.附图标记：1-可调节支架；2-灯暖浴霸；3-推动座；4-传压杆；5-直剪盒；6-量力环；7-平稳锤；8-杠杆；9-支撑底座；10-砝码托盘；11-锁紧螺母；12-光纤光栅湿度传感器；13-铝箔圆环；14-长螺丝；15-上剪切盒；16-下剪切盒；17-不透水板；18-试验土样；19-透水石；20-透水传压盖；21-传感器预留槽；22-光发射器；23-光接收器；24-电子计算机。
实施方式
24.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
25.本实用新型的实施例：一种荷载与干湿协同作用基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置, 如图1-11所示，由改装的直剪仪、加热装置、土含水率监测装置和传压组件组成，改装的直剪仪包括推动座3、传压杆4、直剪盒5、量力环6、平稳锤7、杠杆8、支撑底座9、砝码托盘10、锁紧螺母11；加热装置包括可调节支架1、灯暖浴霸2；土含水率监测装置包括光纤光栅湿度传感器12、光发射器22、光接收器23、电子计算机24；传压组件包括传压杆4、平稳锤7、杠杆8和砝码托盘10，与现有的直剪试验装置中的传压组件结构一致，故此处不再赘述。
26.所述直剪盒5的上剪切盒15与下剪切盒16用长螺丝14旋紧固定，剪切盒内部从下至上依次布置不透水板17，所述不透水板17上放置一片滤纸，滤纸上方放置试验土样18，所述试验土样18上的传感器预留槽21应与剪切盒上的预留孔对齐。所述试验土样18上再附滤纸，滤纸上放置透水石19，所述透水石19上放置透水传压盖20。光纤光栅湿度传感器12穿过试验土样18上的传感器预留槽21，使传感器与土体接触。传压杆4的施力螺丝顶在所述透水传压盖20上。传压杆4上有两根立杆连接下部杠杆8。
27.不透水板17、透水石19为高10mm、直径61.8mm的圆柱。试验土样18为高20mm、直径61.8mm的圆柱，其顶面与底面平行开传感器预留槽21，尺寸为长50.5mm直径6mm。上剪切盒
15、下剪切盒16的内径为61.8mm，上剪切盒表面有一道深1mm可嵌入环刀的凹槽。
28.所述透水传压盖20底部为直径61.2mm的圆，上部中心圆柄处有凹槽，可与传压杆4的施力螺丝嵌合连接，可对试验土样18施加均布荷载。透水传压盖20上均布直径3mm的透水孔，利于试验土样8的水分进入与散失。透水传压盖20周边嵌套一个外径为61.8mm、厚度为0.1mm、高度为20mm的铝箔圆环13，用于从透水传压盖20上部注水。
29.通过调整平稳锤7使杠杆8水平，在砝码托盘10上放置砝码，使杠杆作用力通过传压杆4作用在直剪盒5上。
30.光纤光栅湿度传感器12，其尺寸为长50.5mm、直径5.5mm的圆柱。试验前将其通过直剪盒预留孔穿过试验土样18上的传感器预留槽21，使传感器与土体接触。光纤光栅湿度传感器12两端分别为入射端头与接收端头，入射端头接入光发射器22，接收端头接入光接收器23，光接收器23连接计算机24使用相应软件查看光信号变化情况，从而分析湿度变化情况。
31.所述灯暖浴霸2安置于可调节支架1上，通过调整可调节支架1，控制灯暖浴霸2处于直剪盒5正上方，并处于适当高度。
32.进行直剪试验时拆除光纤光栅湿度传感器12，使用锁紧螺母11固定量力环6与直剪盒5紧贴。取下直剪盒5上的长螺丝14。之后试验步骤以《公路土工试验规程》jtg3430—2020中的规范程序操作。
33.荷载与干湿协同作用基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置的使用方法，包括以下步骤：
34.步骤一：试验土样18在顶面与底面平行开传感器预留槽21。
35.步骤二：将上剪切盒15与下剪切盒16用长螺丝14旋紧固定，在剪切盒内放入一块不透水板17，并在不透水板上放一张滤纸；将试验土样18嵌在上剪切盒15的凹槽上，试验土样18上的传感器预留槽21应与剪切盒上的预留孔对齐。试验土样18上面放置一张滤纸，再放透水石19，将透水石连同试验土样18垂直向下推入剪切盒。在透水石19上放置透水传压盖20，再将铝箔圆环13嵌套在透水传压盖20上。将光纤光栅湿度传感器12通过直剪盒预留孔穿过试验土样18上的传感器预留槽21，使传感器与土体接触。到此完成直剪盒5的安装。
36.步骤三：将直剪盒5安置在支撑底座9上相应位置。调整所述平稳锤7使杠杆8水平，将传压杆4的施力螺丝与嵌合在透水传压盖20上部中心圆柄凹槽处，在砝码托盘10上放置砝码，使杠杆力通过传压杆4和透水传压盖20均匀作用在试验土样18上，至此完成对试样的竖向加载。
37.步骤四：将光纤光栅湿度传感器12的入射端头接入光发射器22，接收端头接入光接收器23。试验前打开光发射器22使其发送光信号，光接收器23连接电子计算机24使用相应软件查看光信号变化情况，分析湿度变化情况。
38.步骤五：干燥过程：首先将灯暖浴霸2安置于可调节支架1上，通过调整可调节支架1，控制灯暖浴霸2处于直剪盒5正上方，并处于适当高度。打开灯暖浴霸2模拟太阳光照对试验土样18烘干。通过光纤光栅湿度传感器12光接收器23端电子计算机24实时监测湿度变化情况，当同一试样上下两个测点的湿度均值达到预定干燥程度时关闭浴霸，静置至上下两个测点湿度相同。
39.步骤六：加湿过程：用注射器缓慢注入铝箔圆环13与透水传压盖20所围的槽内，使
水缓慢渗入。通过光纤光栅湿度传感器12光接收器23端电子计算机24实时监测湿度变化情况，当同一试样上下两个测点的湿度均值达到预定增湿程度时关闭浴霸，静置至上下两个测点湿度相同。到此为一个干湿循环过程。
40.步骤七：达到预定的干湿循环次数后，拆除光纤光栅湿度传感器12，使用锁紧螺母11固定量力环6与直剪盒5紧贴。取下直剪盒5上的长螺丝14。之后按照《公路土工试验规程》jtg3430—2020中的规范程序操作，进行直剪试验。

技术特征：
1.基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置，其特征在于：包括有支撑底座（9），支撑底座（9）从左至右依次设置有推动座（3）、直剪盒（5）、量力环（6）和锁紧螺母（11）；所述直剪盒（5）包括有固定在一起的上剪切盒（15）与下剪切盒（16），剪切盒中从上至下依次放置有不透水板（17）、试验土样（18）、透水石（19）和透水传压盖（20），透水传压盖（20）外部还套接有铝箔圆环（13），透水传压盖（20）上设置有传压组件，还包括设置在直剪盒（5）上方的加热装置；试验土样（18）内部上、下两端各设有1个光纤光栅湿度传感器（12），光纤光栅湿度传感器（12）的入射端头接入光发射器（22）、接收端头接入光接收器（23），光接收器（23）连接计算机（24）。2.根据权利要求1所述的基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置，其特征在于：所述试验土样（18）的顶、底部各设有1个传感器预留槽（21），上剪切盒（15）与下剪切盒（16）上各设有1个预留孔，每个预留孔对齐1个传感器预留槽（21）。3.根据权利要求1所述的基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置，其特征在于：所述加热装置包括有可调节支架（1），可调节支架（1）的顶部底面设置有灯暖浴霸（2）。4.根据权利要求1所述的基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置，其特征在于：所述透水传压盖（20）中心设置有凸出的圆柄，圆柄处设置有凹槽，凹槽周边的透水传压盖（20）上均匀布置有透水孔。

技术总结
本实用新型公开了一种基于光纤实时监测土样含水率下直剪试验装置。包括推动座、传压杆、直剪盒、量力环、平稳锤、杠杆、支撑底座、砝码托盘、锁紧螺母、可调节支架、灯暖浴霸、光纤光栅湿度传感器、光发射器、光接收器、电子计算机。剪切盒内从下至上依次放置不透水板、试验土样、滤纸、透水石、透水传压盖。光纤光栅湿度传感器通过直剪盒上的预留孔安置于试验土样上的传感器预留槽，将光纤传感器连接光接收器，通过电子计算机相应软件计算光信号实时监测湿度变化。本实用新型可对土样施加荷载的同时进行干湿循环，可实时监测土样含水率变化情况，在干湿循环过程中无卸载，干湿循环后无需对样品装卸即可直接进行直剪试验。对样品装卸即可直接进行直剪试验。对样品装卸即可直接进行直剪试验。


技术研发人员：陈开圣 王琴琴 罗国夫
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/14