室内测试基床系数的自动化装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及岩土工程测试技术领域，具体而言，涉及一种室内模拟现场原位 K3tl测试基床系数的土工试验自动化装置。
【背景技术】
[0002] 1867年Winkler在研宄铁路路基上部结构时，提出弹性地基的假设：地基上任意 一点所受的压力强度P与该点的地基沉降量S成正比，表述为：K = P/s。工程上常将直径 为30cm的承压板产生0. 125cm沉降时的压力强度P与沉降量s (0. 125cm)之比，称标准基床 系数K3tl。基床系数作为一种地基压缩性大小的参数，率先在弹性地基上的梁板计算中得到 应用，而后应用于承受横向荷载的结构物内力分析、地基抗力计算等。目前，基床系数已被 我国设计人员广泛应用于境内外城市轨道交通、铁路路基、沉管隧道等一系列工程计算中， 并被国标《地铁设计规范》（GB50157-2013)、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001，2009年 版）等规范列入及指导应用。若基床系数设计取值比实际值偏小，会使设计方案趋于保守， 造成工程浪费；若基床系数设计取值比实际值偏大，会使所采用的工程措施安全性降低，并 可能危及工程安全。
[0003] 现有测定基床系数的方法主要有：1)原位测试IW法（简称K3tl),现场在K 3tl载荷 刚性压板上逐级加荷，测定地基的变形与荷载变化的关系，根据载荷与沉降（P?S)曲线确 定基床系数；2)室内三轴法，室内先对试样进行饱和及固结处理，然后在不同应力路径下 进行固结排水剪三轴试验，绘制Δ 〇1'?Ahtl曲线，根据曲线初始切线模量或某一割线模 量得到基床系数。
[0004] K3tl法作为获取基床系数的首选，适应测定表层土和施工阶段基坑开挖深度范围内 的土体，但易受试验方法的局限及现场条件限制。近年来，由于地下空间的开发利用，基础 和地下工程的埋置深度呈现向深层发展的趋势。勘察阶段对不开挖的表层以下各土层很难 直接通过实测测定，同时现场必须有提供反力的设施，实施起来耗费人力物力较大，从而限 制了 K3tl法的大规模应用，水运工程受限尤为显著。
[0005] 现有《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)(简称城交规范）针对室 内三轴法推荐了二个应用实例：1)铁三院中心试验室在常规三轴仪上对试样按深度固结， 恢复土的原始状态，通过土的静止侧压力系数K tl计算出围压σ 3，施加围压O3后对试样进 行压缩剪切，试验得到应变为I. 25_时对应的应力，这样得到的基床系数值较为接近经验 值；2)上海岩土工程勘察设计研宄院根据取样深度确定固结压力，采用传统三轴仪，进行 等向固结，固结稳定后，用三轴固结排水剪得到应力应变关系曲线，试验结果也较为接近经 验值。室内三轴法因快捷、简便、低成本、无环境限制等优势，弥补了 M去的缺陷，但试验时 应力应变关系曲线初始直线段不明显或离散性较大，试验结果比K3tl获取的试验结果大2? 8倍，以致设计无法直接采纳。《城交规范》在鼓励创新的同时，建议室内三轴法取值应按各 地区K 3tl法或经验值综合确定基床系数。
[0006] 另，中国发明专利申请公开说明书CN101377079A已公开了"一种室内测定基床系 数的方法"。对土体直径39. 1mm、高度80mm试样，通过控制〇3不变，来满足Δ σ 3/Λ O1 = 0这一种试验条件，采用室内固结排水三轴法获取基床系数，取得有益尝试。但现有公知常 识已在公开文献及国家规范中清楚表明，并非控制〇 3不变而逐步增大〇 Jp荷试验，而应 按不同的应力路径控制围压增量，这样的结果最为接近K3tl值；另外，CN101377079A所绘制 Ε?Λ ε曲线，需按土性选取基床系数，更显得试验结果的不确定性。
[0007] 又，中国实用新型专利200920227682. 4公开了一种"基床系数试验测试装置"，采 用结构简单的压力舱方式，通过侧向加压恢复自重压力状态，然后竖向加压直接测定土的 基床系数，为室内快速测定基床系数取得了有益的突破。但由于采用水头饱和法，对软粘土 存在饱和不足现象；受室内试验边界条件限制，无法测出试样轴向加载侧壁剪应力，以致影 响基床系数的准确性。
[0008] 现有室内三轴法所存在的缺陷：1)实际压缩沉降影响深度超过试样高度，以至测 得的沉降量s偏小；2)无法测出试样轴向加载 〇 i产生的侧壁剪应力f，造成试样轴向荷载 P(P= O1-D偏大。上述原因使得试验结果与K3tl比较偏差过大，以至设计无法直接采纳。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种可以在室内快速、准确地测出基床系数 的自动化装置，以克服现有技术的上述缺陷。
[0010] 为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种室内测试基床系数 的自动化装置，包括以下部分：轴向加压装置，包括一个基座、可以相对于基座上下运动的 升降台和固定在基座上的加压支架，还包括用于测量所述升降台相对于基座的位移的位移 传感器，所述加压支架上设有压力杆，压力杆上设有荷载传感器；压力室，固定在升降台上， 用于放置试样，压力室内设有位于试样底部的底座和位于试样顶部的环形压板，环形压板 上设有上透水孔，环形压板的内圈设有上透水板，底座上设有下透水孔，底座的上面设有下 透水板，所述环形压板、上透水板分别连接外传力杆和内传力杆，所述外传力杆和内传力杆 与所述加压支架上的压力杆相连接；剪切控制器，与所述升降台传动连接，用于驱动升降台 上下运动；周围压力控制器，通过围压管道与压力室连通，围压管道上设有围压传感器；反 压力控制器，通过顶部管道与所述环形压板的上透水孔连接；顶部管道上设有反压力传感 器；孔隙压力传感器，通过底部管道与所述底座的下透水孔连接；数据采集器，分别与所述 位移传感器、荷载传感器、围压传感器、反压力传感器和孔隙压力传感器相连接；计算机控 制系统，分别与所述数据采集器、剪切控制器、周围压力控制器和反压力控制器相连接。
[0011] 优选地，还包括一个上端开口的排水管，所述排水管的下端通过第一三通阀与顶 部管道相连接。
[0012] 优选地，还包括一个上端开口的量管，所述量管的下端通过第二三通阀与底部管 道相连接。
[0013] 优选地，所述剪切控制器、周围压力控制器和反压力控制器均为液压伺服电机，所 述液压伺服电机包括依次连接的伺服电机、定量泵和液压缸。
[0014] 优选地，所述位移传感器设置在传力杆与压力室之间。
[0015] 优选地，所述压力杆通过一个变径控制器与外传力杆、内传力杆相连接。
[0016] 优选地，所述围压管道、顶部管道和底部管道均采用橡胶软管。
[0017] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0018] 1、本实用新型装置根据国标《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999)设计，可采 用变径加压方式，能在室内试验实现K3tl的应力路径及边界条件，模拟轴向加载时土体产生 的侧壁剪应力€对O 1的影响，自动绘制Λ 〇 /?ε试验曲线，并计算得到基床系数。
[0019] 2、本实用新型装置具有实时监测试样的孔隙水压力、周围压力和反压力变化情 况，自动执行反压力饱和、排水固结、剪切试验；实时检测轴向荷载和试样沉降的轴向变形， 自动判断试样是否产生剪切破坏或者剪切过程是否应该终止。
[0020] 3、本实用新型装置采用通用的测力及位移传感器，各模块组件的通用性好，从而 可降低整个装置的成本。
[0021] 4、本实用新型装置具备较高的自动化水平，试验人员只需通过计算机控制系统软 件设置好试验流程，设定好试验参数，就能以无人干预的方式高精度地自动完成基床系数 测试。该装置不仅大大地缩短了试验时间，也节约了大量的人力和物力资源，具有显著的现 实意义和经济价值。也为今后《城交规范》室内三轴法基床系数章节修编，提供了有益的参 考。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型室内测试基床系数的自动化装置的组成示意图。
[0023] 图2为本实用新型自动化装置在进行试样饱和时的示意图。
[0024] 图3为本实用新型自动化装置在进行试样固结时的示意图。
[0025] 图4为本实用新型自动化装置在进行试样剪切时的示意图。
[0026] 图5为本实用新型自动化装置生成的一种Λ 〇 i'?ε曲线图。
[0027] 图6为本实用新型自动化装置中计算机控制系统的运行流程图。
[0028] 图中：
[0029] 1、试样 2、橡皮膜 3、环形压板
[0030] 4、注水口 5、外传力杆 6、内传力杆
[0031] 7、上透水板 8、压力室 9、下透水板
[0032] 10、剪切控制器 11、基座 12、加压支架
[0033] 13、荷载传感器 14、压力杆 15、位移传感器
[0034] 16、变径控制器 17、底座 18、升降台
[0035] 19、活动闸板 20、反压力控制器 21、反压力传感器
[0036] 22、第一三通阀 23、顶部管道 24、排水管
[0037] 25、排水阀