实时监测干土固结过程的装置及其监测方法与流程

本发明涉及干土固结过程的实时监测，特别是涉及一种自动实时测试干土固结过程中的监测装置及其监测方法。

背景技术：

在外力作用下，工程土土体体积缩小的现象称为压缩。由正应力引起的体积变形，即由于外荷载导致地基内正应力增加，使得土体体积缩小，在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移。过大的沉降，特别是不均匀沉降，会使建筑物发生倾斜、开裂以致不能正常使用。因此，研究分析地基土在荷载作用下的沉降特性是非常重要的。地基土在外荷载作用下，空气逐渐被挤出，土骨架颗粒之间相互挤密，土的孔隙减小，从而引起土的压缩变形。一般在土工测试中，通过测定土在固结过程中的压缩曲线来研究土的沉降特性。目前，土固结过程中的压缩曲线主要是采用手动实现分级加载并人工读取孔隙度的方法来完成测试的。该方法需要进行多次人工读取并确定稳定时的孔隙度，才能进行下一级的加载。这种方法存在几个问题:(1)采用人工放置砝码来实现分级加载的加载方式较为粗放，系统误差较大；(2)只能按规范施加不连续变化的荷载，最终绘制出的压缩曲线只是由少量的较为离散的数据点通过拟合得到的曲线，不够精确；(3)每级压力施加后都需要人工读取压缩量，人工读取数据的方式会同时引起系统误差和偶然误差，从而导致换算得到的孔隙度不准确；(4)须分多次、间隔一定时间读取试验数据，每级加载后需固结很久才能获得稳定时的位移变化量，数据监测费时费力。

申请号为201110030140.X的中国发明专利，公开的是一种新型非饱和土高压固结试验装置，该仪器只适用于土木工程中遇到的各种土质在非饱和状态下的固结系数及压缩规律的量测,但是该装置中大量的使用了传感器，导致其造价高昂，而且其中操作复杂，采集数据较多，不便于实际的工程推广。

申请号为201620077360.6的中国发明专利，公开的是一种双杠杆固结试验仪，该仪器在传统的土壤固结试验仪的基础上进行了技术上的优化,只是增加了防止土壤试块崩坏散落、测量精准的功能，而且本质上还是人工加载，工作量大，不能从根本上减小由大量重复性的人工操作所带来的误差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种实时监测干土固结过程的装置及其监测方法。

一种实时监测干土固结过程的装置，包括油压泵、应力室、活塞，其中，空腔布置在活塞上，在活塞上部的空腔内填充液压油；油压泵与空腔刚性连接；在活塞中内置有管道，在管道上设置气体流量计和阀门；

应力室是一个密闭结构，由四周的挡板、底座和顶盖围成的，底座内设管道，管道连接至惰性气瓶，管道上设有两个阀门，两个阀门之间布置有气体流量计，两个气体流量计均与数据采集系统相连；

土试样放置在应力室的底座与活塞之间。

空腔的截面为T形；活塞为直杆构件，截面为十字形结构。

借助数据采集系统可通过测试气体流量计的读数，推导得到土试样的孔隙度，进而得到压缩曲线。

实时监测干土固结过程的方法，步骤如下：

(1)将土样制作成柱体状，并用塑料膜包裹，备用；

(2)、将土样放置在应力室的底座上，土样顶部接触活塞底部，将应力室合起来；

(3)、利用压力泵给空腔内的液压油施加荷载P，液压油受压将活塞往下推动，土样受到活塞的压力收缩，土样受到的荷载为P；

(4)、待荷载施加完毕，关闭底座与惰性气瓶连接管道的两个阀门，此时活塞顶部的阀门保持打开或者关闭状态，向底座与惰性气瓶连接管道内充气，打开离惰性气瓶近的阀门，使惰性气体填充底座与惰性气瓶连接管道上的两个阀门之间，关上离惰性气瓶近的阀门，利用数据采集系统采集两个阀门之间的气体流量计的读数P1；待采集完毕后，保持活塞顶部的阀门关闭状态，打开底座与惰性气瓶连接管道上离底座近的阀门，则惰性气体从底座与惰性气瓶连接管道上的两个阀门之间逐渐流入离惰性气瓶近的阀门和活塞顶部的阀门之间，待惰性气体在整个管道内浓度一致，气体流量计的读数稳定后，利用数据采集系统采集活塞顶部的气体流量计的读数P2，根据式(1)获得式(2)，进而获得此荷载下的孔隙度e：

P1×V_A＝P2×(V_A+V_B+V_N) 式(1)

V_N＝P1×V_A-P2×(V_A+V_B) 式(2)

其中V_A是底座与惰性气瓶连接管道上的两个阀门之间的体积；V_B是底座与惰性气瓶连接管道上离底座近的阀门与活塞顶部阀门之间的管道体积；V_A、V_B可通过波尔定律守恒测定，其中V_B不包含试样的体积，只是管道的体积；

e＝V_N/V 式(3)

V:土样总体积；V_N：空隙体积。

(5)、逐渐增加荷载施加在土样的压缩荷载，重复步骤(4)，获得了一系列荷载下的孔隙度；以荷载为横坐标，孔隙度为纵坐标，绘图，得到该土样的压缩曲线，根据压缩曲线得到压缩系数。

本发明的有益效果：

(1)本发明借助压力泵施加荷载，相邻荷载的差值小，能连续获取稳定荷载的孔隙度，结果准确度提高；

(2)操作简单，无需人工读取土固结过程中的压缩量，直接换算得到一系列孔隙度值，并绘制出该土样的压缩曲线，从而得到压缩系数；

(3)本方法克服了人工加载的不连续性、人工读取数据所带来的误差，提高了准确度。

附图说明

图1是本发明实时监测干土固结过程的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1所得压缩曲线。

附图中各部分的标记如下：1：惰性气瓶；2、7：气体流量计；3、4、5：阀门；6：软管；8：活塞；9：空腔；10：油压泵；11：底座；12:应力室；13：数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的有点和特征能够更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参照图1，一种实时监测干土固结过程的装置，其中，油压泵10与空腔9刚性连接，空腔9内设置可上下滑动的活塞8，活塞为直杆构件，截面为十字形结构，在活塞上部的空腔9填充液压油，油压泵10对空腔9施加压力，则空腔9中的液压油受压，使活塞8向下移动，对活塞底部的土试样施加压力；为了放大液压效果，空腔9的截面为T形。在活塞8中内置有贯通的管道，与软管6软性连接。在软管6上设置气体流量计7、阀门5，软管6具有良好的气密性，可承受较大气压而不漏气。

应力室12是一个密闭结构，由四周的挡板、底座和顶盖围成的，呈长方体形，用于屏蔽土体试样受到外界影响，检测时把土样放在应力室的底座11上，土样顶部被活塞8压紧,底座11内设管道，管道连接至惰性气瓶1，管道上设有阀门3和阀门4，阀门3和阀门4之间布置有一个气体流量计2，气体流量计2和气体流量计7与数据采集系统13相连。

借助数据采集系统13可通过测试气体流量计2、7的压力读数，推导得到特定时刻的土试样的孔隙度，进而得到压缩曲线。

实施例1：

本实施例所采用的土样是采集自南京市雨花台区某工程基坑土,将土样制成尺寸φ×h为50mm×100mm，密度为1.8g/cm³的柱体，然后用气密性良好的塑料套包裹土样。

(1)、通过利用波尔定律守恒，对阀门3与阀门4之间的管道体积V_A、阀门4与阀门5之间的软管体积V_B进行测定，其中V_B没有包含试样的体积，只是管道的体积；

(2)、将土样放置在应力室12的底座11上，在底座壁上涂抹凡士林，将应力室合起来；

(3)、利用压力泵10给空腔9内的液压油施加荷载P＝1kpa，液压油受压将活塞往下推动，土样受到活塞的压力收缩，土样受到的荷载也是P＝1kpa；期间不断的向空腔9中注入液压油，从而维持荷载不变；

(4)、待荷载施加完毕，关上阀门3、阀门4(此时阀门5是打开状态)，利用惰性气瓶向管道充惰性气(本实施例中采用的是氩气)，慢慢打开阀门3，氩气从阀门3慢慢流入阀门3和阀门4之间的管道，观察气体流量计2的读数P1达到100bar(此读数是结合气体流量计的最大阈值确定，太小的话变化不明显)后关上阀门3，利用数据采集系统采集气体流量计2的读数P1；待采集完毕后，关上阀门5，打开阀门4，则氩气从阀门3和阀门4之间的管道逐渐流入阀门4和阀门5之间，待氩气浓度基本一致，气体流量计2、7的读数稳定且趋于一致后，利用数据采集系统采集气体流量计2或气体流量计7的读数P2，并借助波尔定律转换，根据式(1)获得式(2)，进而获得此荷载下的孔隙度e₀：

P1×V_A＝P2×(V_A+V_B+V_N) 式(1)

V_N＝P1×V_A-P2×(V_A+V_B) 式(2)

其中V_A是阀门3与阀门4之间的管道体积；V_B是阀门4与阀门5之间的软管体积；

e₀＝V_N/V 式(3)

V:土样总体积；V_N：空隙体积。

(6)、逐渐增加荷载施加在土样的压缩荷载(P1……P5＝20kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa)，重复步骤(4)，获得了一系列荷载下的孔隙度(e1……e5)；以荷载为横坐标，孔隙度为纵坐标，绘图，得到该土样的压缩曲线，如图3所示，得到压缩系数＝0.35。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作等效结构或者等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。