专利名称：室内快速加荷固结试验设备及其方法
技术领域：
本发明涉及一种室内土工试验系统及方法，属于岩土工程勘察领域。主要用于各类建筑物、构筑物的地基变形特性指标的测试，尤其在现场不具备试验条件、工期紧张以及试验精度要求高等情况下利用本方法能够快速准确地测定建筑地基变形特性指标，通过所获得的地基变形特性指标进行建筑物的地基与基础设计。
背景技术：
土工试验是为岩土工程设计与施工提供科学依据的必要的手段。固结试验是一种模拟地基土体受到附加应力后产生相应变形的室内缩尺模型试验。随着新的岩土工程勘察规范的颁布，设计部门对固结试验及其地基土的变形特性指标的选用要求越来越高。以往用压缩试验所得的压缩性指标近似代替固结特性指标进行建筑物地基基础设计的做法已被禁止，固结特性指标必须通过固结试验来确定。
但是长期以来，多数土工试验仍停留在通过人工测试采集数据的原始、繁琐的阶段。按照常规固结试验传统的逐级加载方式，对于粘性土试样施加的每级荷载需维持24小时，按照试验规程要求每个试样需加荷8～16级，则一个试验周期往往需要8～16天。如有特殊需要(对于高层建筑物地基)，则试验周期将超过20天。如此长的试验周期是业主和设计施工等部门所难以承受的，因此，改进固结试验设备及其方法是岩土工程勘察领域迫切的需求。
目前，国内外同行专家对连续加荷固结试验方法进行了一定的研究，但其成果并未得到推广普及应用。各勘察单位的实验室只能采用常规的方法进行固结试验，又因为常规固结试验具有试验历时长、试验手段陈旧、试验结果人为影响因素大等缺陷，致使相关单位对固结试验产生抵触情绪，从而以压缩试验结果代替固结试验结果，最终导致不能准确地提供科学可靠的地基变形特性指标。
中国专利CN1724993中公开了一种室内动力排水固结试验系统及其方法，它是将土样放置在一应变式三轴压力室内，然后通过人工施加一定的冲击载荷完成对土样的压缩，进行固结试验，这种实验方法具有快速的特点，但是由于冲击载荷与实际的工况的静负荷相差甚远，所获得的力学特性指标只反映土的动力特性参数，如果用冲击载荷而得到的试验结果来指导静载荷的工况条件下的应用，其准确性让人怀疑。并且使用CN1724993中公开的方法的设备中还需要有浮点工程动测仪等辅助设备，其位移传感器则是用两个百分表测量位移，其精度受到一定的限制，并且由于需要人工调整和读数，存在一定的人为误差，其试验方法和过程也就比较复杂而不准确。
发明内容
为了克服常规固结试验历时长、手段陈旧、试验精度低等缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种能够快速、准确的获取地基变形特性指标的室内快速加荷固结试验设备及其方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是本发明所用的室内快速加荷固结试验设备包括竖向荷载施加装置、放置试验土样用的固结容器、设置在固结容器和竖向荷载施加装置的之间液体压力传感器和变形传感器、与液体压力传感器和变形传感器及应变仪连接的PC计算机；竖向荷载施加装置为连续施力的加压设备，固结容器设置在竖向荷载施加装置底部的加压活塞台板上；液体压力传感器和位移传感器和PC计算机之间还连接有静态电阻应变仪。
本发明设备的竖向荷载施加装置的具体结构为自上到下依次设置有加压框架、固结容器、加压活塞台板和加压稳压系统，加压稳压系统与加压控制系统连接；加压框架中间设置有安装位移传感器的竖向圆孔，位移传感器与固结容器的传压承载板的上端连接，在固结容器的底座处安装液体压力传感器。竖向荷载施加装置可以充分利用现有常规固结试验仪的加压装置，如对于磅秤式固结仪，其竖向荷载施加装置为杠杆式，对于气压式固结仪，其竖向荷载施加装置为气缸式。
本发明设备的固结容器的具体结构为固结容器的底座置于竖向荷载施加装置的加压活塞台板上，固结容器的底座的上部周边设置加压护环，加压护环和底座之间通过紧固螺栓固定连接，加压护环和底座之间设置有密封圈，密封圈和加压护环将试验土样的底部密封；使试验土样承受荷载时的双面排水变为单面排水。底座的中部设置有连接着液体压力传感器的下透水板；加压护环上设置有加压紧固螺栓，导向环设置在加压紧固螺栓上面；导向环内设置有盛放试验土样的环刀，试验土样上面设有上透水板，上透水板上面设置有传压承载板；在底座上设置有安装位移传感器的位移传感器支架。
本发明设备的位移传感器的具体结构为位移传感器下端连接有位移传感器导杆；加压框架中间设置有竖向圆孔，位移传感器导杆穿过此竖向圆孔，位移传感器位于竖向荷载施加装置的加压框架上方，固定在位移传感器支架上，位移传感器导杆与固结容器的传压承载板连接。
利用本发明的设备进行试验的方法如下①按照《土工试验规程》的规定采取试验土样；②对所采取的试验土样进行抽真空饱和；③将试验土样安装在固结容器内；④将位移传感器固定在位移传感器支架上，位移传感器的探针与位移传感器导杆连接，位移传感器导杆穿过加压框架中间的预留圆孔与固结容器的传压承载板连接，将液体压力传感器安装在底座侧面。
⑤对试验土样施加瞬时荷载，施加荷载后，在25分钟内以5分钟的时间间隔利用传感器、静态电阻应变仪和PC计算机同时对试验土样底部的孔隙水压力和试验土样的变形量进行数据采集、传输和记录。
⑥按事先选定的荷载率对试验土样逐级施加下一级荷载，重复步骤⑤直至本次试验结束。
试验时，由竖向荷载施加装置将荷载作用于固结容器内的试验土样上，通过液体压力、位移传感器和静态电阻应变仪测试每级荷载下的试样底部孔隙水压力和试样的竖向位移信号，利用静态电阻应变仪和PC计算机对信号进行采集、传输和记录。当然，上述步骤⑤中的试验时间也可以取与25分钟和5分钟相近的时间。
本发明所取得的技术进步是本发明克服常规固结试验历时长、手段陈旧、试验精度低等缺点，为地基变形特性指标的室内快速加荷固结试验提供了一种快速、准确的获取数据的设备，以及一种全新的方法。
本发明不但有效缩短了试验历时，提高了试验结果的精确性，而且其试验仪器可由常规固结试验仪器改装，结构简单、操作方便，便于本发明的普及。本发明的方法及设备的测试精度高、稳定性好、便于操作、仪器调试方便，自动化程度高，对试验人员没有很强的技术要求。
本方法试验周期较常规固结试验可缩短90％以上，尤其适用于工期紧迫、试验精度高、资金相对紧张的情况。
这种实验方法采用的是与实际工况非常接近的静负荷实验，克服了用冲击载荷代替静载荷的缺点，减少了浮点工程动测仪等辅助设备；其位移传感器数字化仪器，直接和计算机相连，克服了人工调整和读数的误差，使结果更加准确。
图1是本发明的设备的结构示意图；图2是本发明设备的固结容器的结构示意图。
其中A1-加压活塞台板；A2-加压框架；A3-加压稳压系统；A4-加压控制系统；B1-底座；B2-下透水板；B3-加压护环；B4-密封圈；B5-环刀；B6-上透水板；B7-导向环； B8-传压承载板；B9-位移传感器支架；B10-加压紧固螺栓；C1-液体压力传感器；C2-位移传感器；C3-位移传感器导杆；D-静态电阻应变仪；E-PC计算机；F-试验土样。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明本发明的设备包括竖向荷载施加装置、放置试验土样用的固结容器、设置在固结容器和竖向荷载施加装置的之间液体压力传感器C1和变形传感器C2、与液体压力传感器C1和变形传感器C2及静态电阻应变仪D连接的PC计算机E；竖向荷载施加装置为连续施力的加压设备。
下面首先对本设备的各部分部件分别描述1、竖向荷载施加装置由加压活塞台板A1、加压框架A2、加压稳压系统A3、加压控制系统A4组成。从加压框架A2开始，从上到下依次设置有固结容器、加压活塞台板A1及加压稳压系统A3，加压稳压系统A3与加压控制系统A4连接；设置在竖向荷载施加装置上的加压框架A2中间留有竖向圆孔，该竖向圆孔内设置位移传感器导杆C3。
2、固结容器由底座B1、下透水板B2、加压护环B3、密封圈B4、环刀B5、上透水板B6、导向环B7、传压承载板B8、位移传感器支架B9以及加压紧固螺栓B10等组成。固结容器的底座B1置于竖向荷载施加装置的加压活塞台板A1上，固结容器的底座B1的上部的周边设置有加压护环B3，加压护环B3和底座B1之间通过紧固螺栓固定连接，加压护环B3和底座B1之间设置有密封圈B4，密封圈B4和加压护环B3将底座B1的底部密封，使试样承受荷载时的双面排水变为单面排水。底座B1的中部设置有连接着液体压力传感器C1的下透水板B2；加压护环B3上设置有加压紧固螺栓B10，导向环B7设置在加压紧固螺栓B10的上面；导向环B7的环内设置有传压承载板B8，导向环B7下面设有上透水板B6；在加压护环B3和导向环B7之间设置有盛放试验土F的环刀B5；在底座B1上固定有安装位移传感器C2的位移传感器支架B9。
3、液体压力传感器和位移传感器液体压力传感器C1测试试验土样F底部孔隙水压力；位移传感器C2测试试验土样F的竖向变形。位移传感器C2下面连接有位移传感器导杆C3，位移传感器导杆C3在加压框架A2中间的竖向圆孔内穿过；位移传感器C2位于竖向荷载施加装置的加压框架A2上方，固定在位移传感器支架B9上，位移传感器导杆C3与固结容器的传压承载板B8连接。
4、静态电阻应变仪D选用BZ2205C型静态电阻应变仪，它具有数字显示功能，与液体压力传感器C1、位移传感器C2连接，用以测试试验土样F底部孔隙水压力、试验土样F的竖向变形等信号。
适用电阻应变片阻值60～1000Ω；分辨率1με，精度0.1％±1με，测点数20。
5、PC计算机E保证4M内存、80M硬盘空间、软盘1.44M。
固结容器设置在竖向荷载施加装置底部的加压活塞台板A1上；固结容器的上面是竖向荷载施加装置的加压框架A2，液体压力传感器C1和位移传感器C2和PC计算机E之间连接有静态电阻应变仪D。竖向荷载施加装置可以充分利用现有常规固结试验仪的加压装置，如对于磅秤式固结仪，其竖向荷载施加装置为杠杆式，对于气压式固结仪，其竖向荷载施加装置为气缸式。液体压力传感器C1设置在固结容器的底部侧面，位移传感器C2位于加压框架A2上方，通过位移传感器导杆C3与固结容器的传压承载板B8衔接。
下面结合本发明的设备对本发明所用的方法步骤进行详细描述1、采取试验土样F根据《土工试验规程》(SL237-1999)对固结试验用试样的要求，将试验土样F切削成直径Φ＝7.98cm，高度h＝2.0cm的圆饼状试样。
2、试验土样F抽真空饱和将切取的试样装入饱和器，放入真空罐，进行抽真空饱和。
3、安装试验土样F将经过充分饱和的试验土样F取出，安装在固结容器内。注意固结容器内下透水板B2和上透水板B6也必须充分饱和。将装有试验土样F的固结容器安装在竖向荷载施加装置上，并与竖向荷载施加装置连接稳固。
4、在固结容器的传压承载板B8上端安装位移传感器C2，在底座B1处安装液体压力传感器C1，以进行竖向位移和孔隙水压力测试。安装时注意液体压力传感器C1的平稳性、位移传感器C2的稳定性，并排除液体压力传感器C1及连通管路内的气泡。
5、对试验土样F施加瞬时荷载，施加荷载后，在25分钟内以5分钟的时间间隔利用静态电阻应变仪D和PC计算机E同时对试验土样F底部的孔隙水压力和试验土样F的变形量进行数据采集、传输和记录。
6、按事先选定的荷载率对试验土样F逐级施加下一级荷载，重复步骤5直至本次试验结束。
权利要求
1.室内快速加荷固结试验设备，包括竖向荷载施加装置、放置试验土样(F)用的固结容器、设置在固结容器和竖向荷载施加装置之间的液体压力传感器(C1)和变形传感器(C2)、与液体压力传感器(C1)和变形传感器(C2)及应变仪连接的PC计算机(E)，其特征在于竖向荷载施加装置为连续施力的加压设备，固结容器设置在竖向荷载施加装置底部的加压活塞台板(A1)上；液体压力传感器(C1)和位移传感器(C2)和PC计算机(E)之间还连接有静态电阻应变仪(D)。
2.按权利要求1所述的室内快速加荷固结试验设备，其特征在于所述竖向荷载施加装置的结构为自上到下依次设置有加压框架(A2)、固结容器、加压活塞台板(A1)和加压稳压系统(A3)，加压稳压系统(A3)与加压控制系统(A4)连接；位移传感器(C2)设置在固结容器的传压承载板(B8)的上端，在固结容器的底座(B1)侧面处安装液体压力传感器(C1)。
3.按权利要求1或者2所述的室内快速加荷固结试验设备，其特征在于所述固结容器的结构是底座(B1)置于加压活塞台板(A1)上，底座(B1)的上部周边设置加压护环(B3)，加压护环(B3)和底座(B1)之间设置有橡胶密封圈(B4)；底座(B1)的中部设置有连通着液体压力传感器(C1)的下透水板(B2)；加压护环(B3)上设置有加压紧固螺栓(B10)，导向环(B7)设置在加压紧固螺栓(B10)上面；导向环(B7)内设置有盛放试验土样(F)的环刀(B5)，试验土样上面设有上透水板(B6)，上透水板(B6)上面设置有传压承载板(B8)；在底座(B1)上设置有安装位移传感器的位移传感器支架(B9)。
4.按权利要求1或者2所述的室内快速加荷固结试验设备，其特征在于所述位移传感器(C2)下端连接有位移传感器导杆(C3)；位移传感器(C2)固定在位移传感器支架(B9)上、位于加压框架(A2)上方，加压框架(A2)中间设置有安装位移传感器导杆(C3)的竖向圆孔，位移传感器导杆(C3)与固结容器的传压承载板(B8)连接。
5.根据权利要求1所述的室内快速加荷固结试验设备，其特征在于利用本设备进行试验的方法如下①按照《土工试验规程》的规定采取试验土样(F)；②对所采取的试验土样(F)进行抽真空饱和；③将试验土样(F)安装在固结容器内；④将位移传感器(C2)固定在位移传感器支架(B9)上，位移传感器(C2)的探针与位移传感器导杆(C3)连接，位移传感器导杆(C3)穿过加压框架(A2)中间的预留圆孔与固结容器的传压承载板(B8)连接，将液体压力传感器(C1)安装在底座(B1)侧面；⑤对试验土样(F)施加瞬时荷载，施加荷载后，在25分钟内以5分钟的时间间隔利用传感器、静态电阻应变仪(D)和PC计算机(E)同时对试验土样(F)底部的孔隙水压力和试验土样(F)的变形量进行数据采集、传输和记录；⑥按事先选定的荷载率对试验土样(F)逐级施加下一级荷载，重复步骤⑤直至本次试验结束。
全文摘要
本发明公开了一种室内快速加荷固结试验设备及其方法，属于岩土工程勘察及各类建筑物地基的变形特性指标的测试领域。本设备由竖向荷载施加装置、盛放试验土样的固结容器、液体压力传感器和变形传感器、静态电阻应变仪、PC计算机组成；本发明的试验步骤是①取样，经抽气饱和后待用；②将试验土样装入固结容器，对试样底部进行密封并与传感器连接；③将固结容器放置在竖向荷载施加装置内，并在相应位置安装液体压力传感器和变形传感器，进行孔隙水压力和竖向变形测试；④利用静态电阻应变仪和PC计算机进行静态信号采集、传输和记录。本发明对工期紧迫、试验精度要求高、资金相对紧张的情况尤为适用。
文档编号E02D33/00GK101059491SQ200710061958
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月24日 优先权日2007年5月24日
发明者张力霆, 齐清兰, 彭朝晖, 任德亮, 王扬 申请人:石家庄铁道学院