专利名称：室内动力排水固结试验系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种室内岩土力学试验系统及其方法；具体地说，主要是针对软土地基的动力排水固结加固处理，尤其在现场试验条件不具备、工期紧张等情况下，利用本发明能够在实验室内有效地模拟现场动力排水固结法处理饱和软土地基的施工工艺，并利用冲击荷载施加瞬间对冲击应力、土试样内孔压和变形信号的采集和分析，掌握软土在冲击荷载作用下的动态响应规律，对于发展土动力学理论、完善动力排水固结的软土加固机理以及优化现场设计施工方案具有重要理论意义和工程实用价值。
背景技术：
根据软土的工程特性，将强夯法和排水固结法结合起来，根据现场地质条件、工程施工情况与技术要求进行排水体系设计，利用动力荷载及填土静载促使软土加速排水固结，达到缩短软土固结时间，加快施工进度，节省工程造价的目的，该种方法被称为“动力排水固结法”。一般而言，动力排水固结法在工期上比堆载预压法短，在造价上要比块石强夯法、粉喷桩法低，在适用范围上比传统的强夯法更为广泛。
由于软粘土工程特性的特殊性和复杂性，加之动力排水固结法应用时间并不长，目前应用这项技术处理软粘土地基仍停留在积累经验阶段，尚无一套成熟的理论和设计计算方法。因此，开展和加强动力排水固结法的理论研究和系统试验工作以揭示该法的一些基本规律，探寻该法的合理施工工艺，是提高该项技术工程应用水平的必然要求，具有非常重要的意义。国内学者在改进的固结仪上作了冲击荷载作用下淤泥的一维固结变形室内试验，对淤泥和砂的动力特性进行了对比。但研究的是饱和粘性土重塑试样在冲击荷载下孔压和变形的发展规律，对冲击瞬间动力特性研究不够深入。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现场施工条件复杂、施工机械设备笨重、测试人员较多且测试过程复杂和测试方案有限等缺点，提供一种室内动力排水固结试验系统及其方法。本发明不但使得监测方式便利，并可进行多种设计方案对比，还可进行施工工艺优化。对软土动力排水固结动态响应分析具有显著的优点，也可运用于其它非饱和土的动力固结施工工艺和加固机理研究领域。
本发明的目的是这样实现的一、系统如图1，本系统由冲击荷载施加装置A、应变式三轴压力室B、应力、变形传感器C、动态电阻应变仪D、浮点工程动测仪E、PC计算机F、加压框架G组成；在加压框架G底部向上依次设置有应变式三轴压力室B、冲击荷载施加装置A；在应变式三轴压力室B、冲击荷载施加装置A中设置有应力、变形传感器C；应力、变形传感器C、动态电阻应变仪D、浮点工程动测仪E、PC计算机F依次连接。
本系统是利用冲击荷载施加装置A将冲击荷载作用于应变式三轴压力室B内已经固结好的试验土样H上，通过应力、变形传感器C和动态电阻应变仪D测试冲击应力、试样内孔压和轴向变形的动态信号，利用浮点工程动测仪E和PC计算机F对动态信号进行采集、传输和记录。
二、方法本方法包括下列步骤①根据试样直径尺寸，按比例沿试样轴向中心进行钻孔，孔中灌注细砂；②将钻孔后的试样装入应变式三轴压力室B，进行反压饱和；③在应变式三轴压力室B的传力柱B1上安装冲击荷载施加装置A，并安装应力、变形传感器C以进行孔隙水压力、冲击应力和轴向变形测试；④利用数采仪器进行动态信号采集、传输和记录。
本发明具有以下优点和积极效果
①本系统结构简单、测试精度高、稳定性好、可操作性强、仪器调试方便，对安装测试人员没有很强的技术要求。
②在整个测试过程中，通过传感器和浮点工程动测仪采集软土动力固结的动态响应信号，实现软土动力固结的瞬时动态测试，这对施工环境复杂、工期紧迫、资金相对紧张的工况条件下尤为适用。
图1-本系统结构示意图。
其中A-冲击荷载施加装置，包括A1-落锤； A2-落锤导杆；A3-冲击承载板；A4-马头型支架； A5-固定导向圆杆；A6-橡胶垫片；B-应变式三轴压力室，包括B1-传力柱； B2-室外壁；C-应力、变形传感器，包括C1-百分表； C2-冲击压力传感器； C3-孔隙水压力传感器；D-动态电阻应变仪；E-浮点工程动测仪；F-PC计算机；G-加压框架；H-试验土样。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一、系统各部件1、冲击荷载施加装置A由落锤A1、落锤导杆A2、冲击承载板A3、马头型支架A4、导向圆杆A5、橡胶垫片A6组成；设置在加压框架G上的马头型支架A4的悬臂端连接有落锤导杆A2；沿落锤导杆A2从上到下，依次设置有落锤A1、橡胶垫片A6、与导向圆杆A5连接的冲击承载板A3。
2、应变式三轴压力室B由传力柱B1和外壁B2组成；传力柱B1置于外壁B2的上部中间处；传力柱B1的上端与落锤导杆A2的下端连接，其下端与试验土样H的上部连接。
3、应力、变形传感器C由百分表C1、压力盒C2、孔隙水压力传感器C3组成；两个百分表C1对称设置在冲击承载板A3两边，测试冲击荷载施加过程中土样的轴向变形；冲击压力传感器C2设置落锤导杆A2与传力柱B1之间，测试施加于试验土样H上的冲击应力；孔隙水压力传感器C3设置在三轴仪压力室B底部，测试试样内的孔隙水压力。
4、动态电阻应变仪DYE3817T型具有数字显示功能的动态电阻应变仪，与应力、变形传感器C中的压力盒C2、孔隙水压力传感器C3相连，用以测量冲击应力、孔隙水压力传感器产生的应变信号。
采用了电子自动平衡技术，频率范围宽，精度高，输入阻抗高，低噪声，低漂移，稳定性好。
适用电阻应变片阻值50Ω～10000Ω；精度0.1％；稳定度小于0.05％；5、浮点工程动测仪E选用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM-24FD浮点工程动测仪。
RSM-24FD浮点工程动测仪具有体积小、重量轻、操作简便、功能全的特点，而且具备瞬时浮点A/D、动态应力电桥自动平衡和状态监视等功能。即现速度、力曲线和承载力与打击力，操作软件为WINDOWS风格，全面兼容WINDOWS95/98/2000/XP。
1)硬件配置及技术指标RSM-24FD浮点工程动测仪E由采集仪、电源盒和充电电池组成。
(1)采集仪E1技术指标信号通道4道准确度±2％采样间隔10μs~65.536ms(步距1ms)动态应变仪灵敏度1/(mV/με)(2)电源变换与充电器输入电压220V工频电压充电器可对±12V可充电电池连续充电2)软件配置RSM-24FD专用软件包进行信号采集与分析(预处理、时域分析、频域分析)。
6、PC计算机FPC计算机保证4M内存、80M硬盘空间、软盘1.44M。
7、加压框架G由底座G1及其上面的支架G2组成。
二、具体试验步骤为了能得到准确的试验数据，特制定了严格的试验步骤如下1)淤泥质饱和软粘土试样的安装在试验室内以钢丝锯将土样切削为直径Φ＝6.18cm，高度h≈12cm的圆柱状样。按照普通三轴试验的安装步骤进行，实施反压饱和，并在设定围压下完成等压固结，一般固结时间为700~900min左右。
2)冲击荷载施加装置A的安装将落锤A1贯入落锤导杆A2，将冲击荷载施加装置A固定在应变式三轴压力室的上部，保持良好的稳定性和垂直度。
3)百分表C1、冲击压力传感器C2、孔隙水压力传感器C3的安装注意百分表C1的对称性和稳定性；注意冲击压力传感器C2的平稳性；注意孔隙水压力量测系统内的气泡的排除。
4)信号采集系统连线将测力传输线通过电桥盒与动态电阻应变仪D连接，动态电阻应变仪D输出信号线与浮点工程动测仪E连接，动态采集为手动触发方式，触发通道为冲击压力传感器C2通道，利用笔记本电脑完成对传输信号的采集与存储。
5)将冲击压力传感器C2归零并记录读数，同时记录百分表C1初读数。
6)按下浮点工程动测仪E信号采集键后，以手动提起落锤到一定高度(落锤导杆上刻有标尺)后使其自由下落。
7)浮点工程动测仪E自动完成信号采集。读取百分表读数，作为本击试验的终了值和下一击试验的初值。
8)重复步骤6)和7)，直至本次试验完毕。
附RSM-24FD浮点工程动测仪相关文献1、石革新 应用水泥粉喷桩加固软土地基《科技情报开发与经济》2000年02期2、刘平和、孙灵洁、董喜茹 场地剪切波速的测试《黑龙江交通科技》2004年05期3、石林珂、王俊梅、孙懿斐 用应力波反射法检测人工挖孔灌注桩的效果分析《工程地球物理学报》2004年01期4、杜俭、翁兴中、许亚东 振冲碎石桩在机场高填土软地基处理中的应用《公路》2003年04期
权利要求
1.一种室内动力排水固结试验系统，包括动态电阻应变仪(D)、浮点工程动测仪(E)、PC计算机(F)；其特征在于由冲击荷载施加装置(A)、应变式三轴压力室(B)、应力、变形传感器(C)、动态电阻应变仪(D)、浮点工程动测仪(E)、PC计算机(F)、加压框架(G)组成；在加压框架(G)底部向上依次设置有应变式三轴压力室(B)、冲击荷载施加装置(A)；在应变式三轴压力室(B)和冲击荷载施加装置(A)中设置有应力、变形传感器(C)；应力、变形传感器(C)、动态电阻应变仪(D)、浮点工程动测仪(E)、PC计算机(F)依次连接。
2.按权利要求1所述的一种室内动力排水固结试验系统，其特征在于冲击荷载施加装置(A)由落锤(A1)、落锤导杆(A2)、冲击承载板(A3)、马头型支架(A4)、导向圆杆(A5)、橡胶垫片(A6)组成；设置在加压框架(G)上的马头型支架(A4)的悬臂端连接有落锤导杆(A2)；沿落锤导杆(A2)从上到下，依次设置有落锤(A1)、橡胶垫片(A6)、与导向圆杆(A5)连接的冲击承载板(A3)。
3.按权利要求1所述的一种室内动力排水固结试验系统，其特征在于应变式三轴压力室(B)由传力柱(B1)和外壁(B2)组成；传力柱(B1)置于外壁(B2)的上部中间处；传力柱(B1)的上端与落锤导杆(A2)的下端连接，其下端与试验土样(H)的上部连接。
4.按权利要求1所述的一种室内动力排水固结试验系统，其特征在于应力、变形传感器(C)由百分表(C1)、冲击压力传感器(C2)、孔隙水压力传感器(C3)组成；两个百分表(C1)对称设置在冲击承载板(A3)两边；冲击压力传感器(C2)设置落锤导杆(A2)与传力柱(B1)之间；孔隙水压力传感器(C3)设置在三轴仪压力室(B)底部。
5.按权利要求1所述的一种室内动力排水固结试验系统，其特征在于加压框架(G)由底座(G1)及其上面的支架(G2)组成。
6.一种室内动力排水固结试验方法，其特征在于①根据试样直径尺寸，按比例沿试样轴向中心进行钻孔，孔中灌注细砂；②将钻孔后的试样装入应变式三轴压力室(B)，进行反压饱和；③在应变式三轴压力室(B)的传力柱(B1)上安装冲击荷载施加装置(A)，并安装应力、变形传感器(C)以进行孔隙水压力、冲击应力和轴向变形测试；④利用数采仪器进行动态信号采集、传输和记录。
全文摘要
本发明公开了一种室内动力排水固结试验系统及其方法，涉及一种室内岩土力学试验系统及其方法。本系统由冲击荷载施加装置A、应变式三轴压力室B、应力、变形传感器C、动态电阻应变仪D、浮点工程动测仪E、PC计算机F、加压框架G组成；本方法是①根据试样直径尺寸，按比例沿试样轴向中心进行钻孔，孔中灌注细砂；②将钻孔后的试样装入应变式三轴压力室B，进行反压饱和；③在应变式三轴压力室B的传力柱B1上安装冲击荷载施加装置A，并安装应力、变形传感器C以进行孔隙水压力、冲击应力和轴向变形测试；④利用数采仪器进行动态信号采集、传输和记录。本发明对施工环境复杂、工期紧迫、资金相对紧张的工况条件下尤为适用。
文档编号E02D1/00GK1724993SQ20051001913
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者孟庆山, 汪稔, 孔令伟, 胡明鉴, 王吉利 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所