一种超高压固结试验装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种超高压固结试验装置和方法，装置包括用于放置实验土样的土样仓，所述土样仓的顶端和底端都设有透水石，或其中一端设有透水石且另一端设有不透水试块，且所述土样仓顶部设有密封塞；其中土样仓的底部固定在平台上，且顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；所述平台上设有用于放置土样仓的样品室，所述加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；其中所述样品室固定于平台上，且顶部设有开口；所述拉力架的第一端通过连接机构连接所述配重块，第二端套接在样品室上以通过所述配重块的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。
【专利说明】一种超高压固结试验装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械【技术领域】，特别是涉及一种超高压固结试验装置和方法。
【背景技术】
[0002]固结试验是一种常用的土工试验方法之一，是基于土力学理论研究和工程实践的试验，被国内外广泛应用。自奥地利土力学家Karl Terzaghi 1923年创始土力学理论以来，就采用固结试验仪来进行固结实验。
[0003]早期的固结试验仪采用杠杆原理，采用人工读数、人工计算数据。上个世纪八十年代中期则是采用人工加荷、自动采集数据并立即打印出来，采集器与计算机不能相连，需要将数据重新录入计算机再进行处理。现在随着软件技术、计算机技术及高压真空泵性能等的发展，目前已经全自动固结仪。
[0004]国内外生产土工试验仪的商家并不是太多，国内外大多数相关仪器有两个缺陷:第一:测试量程小。第二:试验条件无可选择，只能是双面排水一种试验条件。
[0005]关于固结试验仪的测试量程，我国目前比较知名一起产生公司有:北京华勘科技有限责任公司、南京土壤仪器厂等高压固结试验仪，仪器垂直应力的最大量程应力为3200KPa。国外生产土工设备比较好的美国GE0C0MP公司及英国⑶S公司生产的固结仪最大垂直应力为3.5MPa。最大垂直应力为3.5MPa固结仪可为荷重不大的埋深在50米之内的工程提供试验参数，但对于深埋工程、大区域的深部变形工程(比如大于15层的高层建筑、深海隧道工程、华北的沧州、衡水、黄骅等地区抽取350?600米以内的地下水产生的地面沉降等)难以提供有效的参数，给工程设计人员、施工人员及研究人员带来很大的障碍。
[0006]关于试验排水条件，由于目前试验仪结构简单，密封性差，所以实验条件仅能是双面排水，但实际工程确实有土层单面排水和土层双面排水的不同条件，所以仅考虑双面排水指标提供的数据可能会有很大的误差。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、加压稳定性好、能够提供(T20Mpa压力的超高压固结试验装置和方法。
[0008]为解决上述技术问题，本实用新的实施例提供一种超高压固结试验装置，包括用于放置实验土样的土样仓，所述土样仓的顶端和底端都设有透水石，或其中一端设有透水石且另一端设有不透水试块，且所述土样仓顶部设有密封塞；其中土样仓的底部固定在平台上，且顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；所述平台上设有用于放置土样仓的样品室，所述加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；其中所述样品室固定于平台上，且顶部设有开口 ；所述拉力架的第一端通过连接机构连接所述配重块，第二端套接在所述样品室上以通过所述配重块的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。
[0009]作为上述技术方案的优选，所述拉力架为一矩形框，包括两个竖直框、顶部水平框、底部水平框，所述底部水平框通过连接机构连接配重块，所述顶部水平框设有用于对所述样品室内的试验样本进行加压的凸起。
[0010]作为上述技术方案的优选，所述平台上设有两个开口以使所述拉力架的两个竖直框套接在所述开口内。
[0011]作为上述技术方案的优选，所述平台上还设有支架，所述变形传感器一端连接顶部水平框，另一端连接支架。
[0012]作为上述技术方案的优选，所述连接机构包括连杆、连接线、滑轮组，所述连杆一端连接所述拉力框，另一端通过连接线连接所述配重块；所述滑轮组包括下滑轮组和定滑轮；其中所述下滑轮组设置在该平台之下；该平台上设有一个突出于平台上表面的支撑架，该定滑轮设置在该支撑架上；所述连接线一端固定在该拉力框的底部水平框上，另一端固定在该配重块上；且所述连接线绕接在所述下滑轮组和定滑轮上。
[0013]作为上述技术方案的优选，还包括连接所述垂直压力传感器和变形传感器的数据处理单元。
[0014]为了达到上述目的，本发明实施例还提出了一种利用前述任意一种超高压固结试验装置进行固结试验的方法，包括: 制样步骤:在切样环刀内壁涂覆润滑剂，通过该切样环刀将土样制成圆柱形，然后对切样环刀及其中的圆柱形土样进行称重并进行物理性质试验；
抽真空步骤:将试样放置在饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走；然后边注入蒸馏水边继续抽气，以使试样的饱和度Sr ^ 90% ；
试样安装步骤:将透水石进行浸水饱和后，将试样从饱和器中挪入到样品室内，并在该试样的一端放置透水石，另一端放置透水石或不透水试块；然后加入密封塞并安装好变形传感器和垂直压力传感器；
试验步骤:对试验设备进行调试后，进行加荷试验。
[0015]作为上述技术方案的优选，所述试验步骤具体包括:
对试验设备进行调试，并设置数据处理单元的读数间隔时间；
进行一级加荷并获取荷载下的土样变形；
当土样变形稳定后，进行下一级加荷或卸荷。
[0016]作为上述技术方案的优选，所述方法还包括:
通过所述数据处理单元对该试样所受到的应力和产生的形变的实时数据进行采集并记录。
[0017]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
上述方案中，能够通过配重块任意调整垂直应力，以完成垂直应力O~20MPa 土工压缩试验。该装置的核心是记录变化应力下不同时刻样品的变形量，从而计算出土样其它的相应变形指标。本发明的超高压固结试验装置包括加压装置、垂直应力传感器、变形传感器、数据处理单元，能够通过对样品施加垂直压力，施加应力的大小、不同时刻样品产生的变形通过软件自动采集完成。通过计算机对应力及变形的大小实时数据采集、记录存储、计算等，从而得到一定压力下变形参数完成试验。该仪器具有量程大、结构简单、稳定性好、精度高、使用面广的优点。弥补了目前对高层构筑物、深埋工程、高荷载工程难以提供有效的数据的缺点，适合为土体产生压缩工程提供相应的设计计算等参数。本发明实施例的超高压固结试验装置和方法适用于测试粉砂、细砂、中砂、粗砂、粉土、粉质粘土、粘土等土样。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的土样仓的结构示意图；
图2为本发明实施例的加压装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0020]本发明实施例提出了一种固结渗透联合试验装置，其结构如图1、图2所示的，包括用于放置实验土样的土样仓101，所述土样仓101的顶端和底端都设有透水石102，或是其中一端设有透水石另一端设有不透水试块，且所述透水石102连接有排水装置104，且所述土样仓101顶部设有密封塞105。如图1所示的，是两端都设置透水石102的结构。
[0021]如图2所示的，其中土样仓101的底部固定在平台I上，且顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器103和变形传感器12以测试应力和土样的变形。如图2所示的，所述平台I上设有用于放置土样仓的样品室2，所述加压装置包括用于提供压力的配重块3、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架4。其中所述样品室2固定于平台上，且顶部设有开口。所述拉力架4的第一端通过连接机构连接所述配重块3，第二端套接在所述样品室2上以通过所述配重块4的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。这样在使用时，通过调整配重块的重量可以获得所需的测试压力，具有量程大、结构简单、稳定性好、精度高的优点。
[0022]如图1所示的，所述透水石102连接有排水装置104。如图1所示的，该排水装置104可以穿过该密封塞105和底部基座。
[0023]如图1所示的，垂直应力传感器103和变形传感器12连接数据处理单元106，并通过所述数据处理单元106对该试样所受到的应力和产生的形变的实时数据进行采集并记录。
[0024]具体的，如图2所示，该拉力架4为一矩形框，包括两个竖直框、顶部水平框、底部水平框。该底部水平框通过连接机构连接配重块，所述顶部水平框设有用于对所述样品室内的试验样本进行加压的凸起41。这样可以通过该凸起41来对测试样本进行加压，以提高加压的稳定性和持续性。
[0025]具体的，该连接机构可以如图2所示的，包括连杆5和连接线6，所述连杆5 —端连接所述拉力框4，另一端通过连接线6连接所述配重块3。
[0026]为了进一步提高稳定性，如图2所示的，所述平台I上设有两个开口以使所述拉力架4的两个竖直框套接在所述开口内。这样该开口可以起到限位作用，以防止该拉力架4产生侧向位移影响加压效果。如图2所示，所述平台I上还设有支架11，所述顶部水平框通过变形传感器12连接在所述支架11上。如图2所示，所述连杆5上设有垂直拉力传感器51。
[0027]如图2所示，所述连接机构还包括滑轮组，所述连接线6绕接在所述滑轮组上。具体的，如图2所示，该滑轮组包括下滑轮组7和固定在定滑轮8。其中该下滑轮组7设置在该平台I底部，且该平台I上设有一个突出于平台I上表面的支撑架12，且该定滑轮8设置在该支撑架13上。该连接线6 —端固定在该拉力框4的底部水平框上，另一端固定在该配重块4上；且该连接线6绕接在该下滑轮组7和定滑轮8上。这样可以进一步提高整体结构的稳定性。如图2所示，所述样品室2的侧壁上设有侧向压力传感器21，且所述样品室的底部设有水平压力传感器22。
[0028]如图2所示，所述样品室2底部设有孔隙水出口，所述孔隙水出口连接有用于测量孔隙水流量的孔隙水流量监测仪23。其中，该孔隙水出口连接该透水石102的排水装置104。
[0029]本发明实施例还提出了一种利用前述任意一种超高压固结试验装置进行固结试验的方法，包括:
制样步骤:在切样环刀内壁涂覆润滑剂，通过该切样环刀将土样制成圆柱形，然后对切样环刀及其中的圆柱形土样进行称重并进行物理性质试验；
抽真空步骤:将试样放置在饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走；然后边注入蒸馏水边继续抽气，以使试样的饱和度Sr ^ 90% ；
试样安装步骤:将透水石进行浸水饱和后，将试样从饱和器中挪入到样品室内，并在该试样的一端放置透水石，另一端放置透水石或不透水试块；然后加入密封塞并安装好变形传感器和垂直压力传感器；
试验步骤:对试验设备进行调试后，进行加荷试验。
[0030]其中，所述试验步骤具体包括:
对试验设备进行调试，并设置数据处理单元的读数间隔时间；进行一级加荷并获取荷载下的土样变形；当土样变形稳定后，进行下一级加荷或卸荷。
[0031]其中，所述方法还包括:通过所述数据处理单元对该试样所受到的应力和产生的形变的实时数据进行采集并记录。
[0032]具体的，所述方法可以具体包括:
第一，制样。制样过程与一般土工渗透试样制备过程基本一致，将土样制成直径Φ为61.8mm、高H为40mm的圆柱形试样，同时做含水量等相关物理性质试验。该注意的是:(I)为确保试验数据的准确形，切样环刀内壁需涂一层薄薄的凡士林或真空脂；(2)切样过程中，尽量使试样整体性保持完好；制好样后称量环刀+ 土样的重量；
第二，试样抽真空饱和。对于埋深H > 50m的土样，由于土样在取得、运送过程中厉行的时间长，损失了一些含水量，因此，必须对这部分水尽可能补充。将试样放置于饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走,可视土的性质抽真空的时间为4-8小时，然后边注入蒸馏水边抽气，浸泡时间大于24小时，试验前称重，设法使试样饱和度Sr ^ 90%，若达不到该饱和度的标准需重抽真空饱和；
第三，试样安装。(I)将两块透水石进行浸水饱和，然后将其中一块透水石置于样品室的底座上；(2)样品室部分与底座固定好，将样品从饱和器中取出，轻轻推入样品室，试样上加另一块透水石(也可根据工程要求做单面排水固结试验，将其中一块透水石换成不透水的试块)、再加入密封塞，安装好变形传感器；
第四，安装好垂直压力传感器；
第五:试验设置及试验过程。首先在采控装置上调零，然后在计算机试验软件中设置好数据采集的读数间隔，同时可加荷一级开始试验。随着时间的延续，以及荷载下土样变形逐渐稳定(按相应规范推理土样判稳变形< 0.005mm/小时)，可加下一级荷载(或卸荷)，直至完成试验；
第六，每加一级荷载即垂直应力、就会得到不同时刻内一系列的相应变形，逐渐加荷(或卸荷)，可以得到不同应力下的土样的变形，完成试验；
第七，可通过固结试验参数、物理性质参数计算相应的其他变形指标。
[0033]本发明的装置和方法的适用范围为:
(1)土体试样:适用于测试粉砂、细砂、中砂、粗砂、粉土、粉质粘土、粘土等土样。
[0034](2)试样尺寸:面积30cm2,直径Φ61.8mm,高度40_ ；
(3)试样饱和度Sr≥90%；
(4)试样垂直应力范围:0~20MPa，垂直应由垂直压力传感器传递，应力误差精度:(1%F.S。因为传感器的精度为1%FS，误差受到量程的控制，另可根据试验要求更换传感器的大小；
(5)变形范围(变形传感器):0~10mm，精度:≤1%F.S ；
(6)工作环境条件:温度15-25°C，相对湿度>40%，无振动影响，电源:交流电±220v。
[0035]固结试验系统是广泛应用工业民用建筑设计勘察领域为之提供参数的试验方法之一。主要目的是了解在荷载作用下土的变形特征。是通过测定土样在有侧限、轴向排水及受到稳定荷重作用下的变形，进而了解土的压力与变形、压力与时间、变形与时间的关系等，通过计算得到土的相应压缩指标，如压缩系数、压缩模量、先期固结压力、固结系数等等，用来分析判别土的压缩特征和天然土层的固结状态，计算土工建筑物及地基的沉降、估算开采地下资源引起的区域地面沉降等。
[0036]本发明实施例的超高压固结试验装置和方法，垂直应力大最大20MPa、要求试验材料变形恒定、侧向不透水、密封性好、垂向透水且可随时排出。
[0037](I)样品室。一般材料强度不够，样品室米用一个内径Φ为61.8mm,外径Φ为IOOmm的无缝钢筒制成的、同样密封塞也是用无缝钢块制成；
(2)在密封塞内及下透水石之下各打有一个出水孔，接专用排水管(根据固结试验原理，试验过程中土样会排出孔隙水)，以便使压缩过程中排出的水排走，并备有专门的密封塞,若试验条件需要可将其中一侧出水孔封住；
(3)在试样上安置垂直压力传感器及变形传感器。①垂直压力传感器放置在密封塞的上端，密封塞为钢柱制成的，不但能承受及传递相应的应力，传力过程损失很小变形传感器同样也安置在密封塞的上端，至于仪器本身、包括密封塞产生的仪器变形可以测出并进行校正；
(4)高压透水石。主要作用是将本样品试验过程中排出的水分及时透出排走，该发明需要给样品施加20MPa的应力，那么透水石也需要能承受20MPa的力，所用透水石为特别制作。
[0038]本申请的技术已经获得了如下资助:
国家科技支撑项目(N0.2012BAJ11B04),
国家自然科学基金项目(No =41272301)，
中国地质科学院项目(SK07006、SK201010)。[0039]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种超高压固结试验装置，其特征在于，包括用于放置实验土样的土样仓，所述土样仓的顶端和底端都设有透水石，或其中一端设有透水石且另一端设有不透水试块，且所述土样仓顶部设有密封塞；其中土样仓的底部固定在平台上，且顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；所述平台上设有用于放置土样仓的样品室，所述加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；其中所述样品室固定于平台上，且顶部设有开口 ；所述拉力架的第一端通过连接机构连接所述配重块，第二端套接在所述样品室上以通过所述配重块的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。
2.根据权利要求1所述的超高压固结试验装置，其特征在于，所述拉力架为一矩形框，包括两个竖直框、顶部水平框、底部水平框，所述底部水平框通过连接机构连接配重块，所述顶部水平框设有用于对所述样品室内的试验样本进行加压的凸起。
3.根据权利要求1所述的超高压固结试验装置，其特征在于，所述平台上设有两个开口以使所述拉力架的两个竖直框套接在所述开口内。
4.根据权利要求1所述的超高压固结试验装置，其特征在于，所述平台上还设有支架，所述变形传感器一端连接顶部水平框，另一端连接支架。
5.根据权利要求2所述的超高压固结试验装置，其特征在于，所述连接机构包括连杆、连接线、滑轮组，所述连杆一端连接所述拉力框，另一端通过连接线连接所述配重块；所述滑轮组包括下滑轮组和定滑轮；其中所述下滑轮组设置在该平台之下；该平台上设有一个突出于平台上表面的支撑架，该定滑轮设置在该支撑架上；所述连接线一端固定在该拉力框的底部水平框上，另一端固定在该配重块上；且所述连接线绕接在所述下滑轮组和定滑轮上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的超高压固结试验装置，其特征在于，还包括连接所述垂直压力传感器和变形传感器的数据处理单元。
7.一种利用如权利要求1-5任一项所述的超高压固结试验装置进行固结试验的方法，其特征在于，包括: 制样步骤:在切样环刀内壁涂覆润滑剂，通过该切样环刀将土样制成圆柱形，然后对切样环刀及其中的圆柱形土样进行称重并进行物理性质试验； 抽真空步骤:将试样放置在饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走；然后边注入蒸馏水边继续抽气，以使试样的饱和度Sr ^ 90% ； 试样安装步骤:将透水石进行浸水饱和后，将试样从饱和器中挪入到样品室内，并在该试样的一端放置透水石，另一端放置透水石或不透水试块；然后加入密封塞并安装好变形传感器和垂直压力传感器； 试验步骤:对试验设备进行调试后，进行加荷试验。
8.根据权利要求7所述的固结试验的方法，其特征在于，所述试验步骤具体包括: 对试验设备进行调试，并设置数据处理单元的读数间隔时间； 进行一级加荷并获取荷载下的土样变形； 当土样变形稳定后，进行下一级加荷或卸荷。
9.根据权利要求7所述的固结试验的方法，其特征在于，所述方法还包括:通过所述数据处理单元对该试样所受到的应力和产生的形变的实时数据进行采集并记录。
【文档编号】G01N33/24GK104020273SQ201310066445
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年3月1日 优先权日:2013年3月1日
【发明者】王秀艳, 孙琳, 王志良 申请人:中国地质科学院水文地质环境地质研究所