本发明属于土力学试验装置技术领域，具体涉及一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置及使用方法。
背景技术：
现有技术中进行土样渗透试验主要仪器为《土工试验方法标准》中所述的“常水头渗透试验”中的常水头渗透仪和“变水头渗透试验”中的变水头渗透仪。上述仪器仅能进行单纯的渗透试验，但无法定量并均匀施加固结压力，因此很难精确得到孔隙比，导致试验数据不准确。现有技术中进行固结试验的仪器为压缩试验仪，加压条件一般采秤砣式或杠杆式，此仪器仅进行单一土样的双面排水条件下的部分压缩特性，并且无法控制排水条件得不到准确的排水量，更没有直观连续的客观观察数据表征实验过程中的孔隙水压力变化，内部滤纸与透水石嵌合不够紧密。并且在工程应用中常需要同时应用土的渗透特性和固结特性，但现有的渗透实验装置仅可以测试渗透特性，而现有的固结装置仅能测试部分固结特性，故需要二次制作土样试验固结特性，增加了实验的繁琐性。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置及使用方法，解决了现有技术中存在的多次制作土样转换仪器的繁琐性，实验条件单一，排水体积不准确等问题。
本发明采用以下技术方案：
一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置，包括环形结构的护环，护环内设置有实验用土样，护环上部设置有活塞，活塞上部设置有位移计导杆，护环的外部一侧设置有位移计架，位移计架的水平段悬空设置在位移计导杆的上部，通过位移计导杆能够测量土样的变形量，护环的下部套装有下护环，护环的上部通过管道与储水杯连接，下护环通过管道分别与孔压装置和储水杯连接，用于观测固结试验的孔隙水压变化规律和出水量。
具体的，土样上部与活塞之间从下至上依次设置有上部滤纸和上部透水石，上部透水石与收集管的一端连接，收集管的另一端与储水杯连接，且储水杯上设置有刻度。
进一步的，活塞通过o型结构的橡胶圈与护环连接。
进一步的，活塞为帽型加压活塞，并在活塞的活塞壁上设置有黄油。
具体的，下护环内设置有下部滤纸，下部滤纸位于土样的下部，下部滤纸下部设置有下部透水石，下部透水石上设置有若干凹槽，用于实验中排水。
进一步的，下部透水石与连接导管的一端连接，连接导管的另一端经过三通阀分别与孔压装置和储水杯。
一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置的使用方法，首先通过环刀切取原状土样，保持土层受压方向与天然土层受压方向一致，去除杂质后将土样修成大于环刀的土柱，然后修去上下两端余土，再修平土样两端表面，制成土样；
然后将下部透水石和下部滤纸依次放入实验装置的底部，将下护环按压嵌合在下部透水石和下部滤纸中，放入步骤s1制作好的土样，而后加护环，在土样上部放入上部滤纸和上部透水石，将活塞的活塞壁上涂抹黄油，然后套装橡胶圈后安装在护环上，在活塞的顶部安装位移计导杆，将安装好的实验装置放在加压框架上，对准加压框架正中，装上百分量表，上部透水石通过收集管与储水杯连接，下部透水石通过连接导管连接三通阀后分别与孔压装置和储水杯；最后分别进行固结试验和渗透实验。
具体的，步骤s2中百分量表的可伸长距离不大于8mm。
具体的，步骤s3中固结试验具体为：
s3011、若进行单面排水的固结试验，则关闭三通阀，若进行双面排水则打开三通阀；
s3012、依据土样试验要求，分级加载并记录荷载pi，在加荷的同时开动秒表，记录表读数，加荷后按时间顺序记录表读数，选择10～15分钟为一级，而后将所对应的百分表的读数hi记录填表；
s3013、观察记录孔压装置的孔隙水压的变化数据；观察在渗流固结试验中孔隙水压的变化规律；
s3014、根据密度ρ，比重gs，试验前孔隙比e0，颗粒净高hs，试验前土样高度h0计算土样的压缩特性指标；
s3015、依据上述数据得出外荷载的情况下土样的渗透特性与同荷载条件下固结特性记两者比较关系。
具体的，步骤s3中渗透实验具体为：
试验时，土样截面为a，高度为h0的饱和土样，使用收集管连接水龙头，使水自上而下流经土样，并自下部经连接导管排出；
待上透水石到下透水石距离差△h和下出水口的渗出流量q稳定后，读出经过一定时间t下出水口的水量体积v进而得出渗透系数k。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置，环形结构的护环内设置有实验用土样，护环上部设置有活塞，活塞上部设置有位移计导杆，护环的外部一侧设置有位移计架，位移计架的水平段悬空设置在位移计导杆的上部，通过位移计导杆测量土样的变形量，护环的下部套装有下护环，护环的上部通过管道与储水杯连接，下护环通过管道分别与孔压装置和储水杯连接，用于观测固结试验的孔隙水压变化规律和出水量，装置的仪器密封性好，可以收集固结和渗透过程中排出的孔隙水且漏水量小，根据不同的实验条件，即可进行单面排水也可进行双面排水，也可测量孔隙水压的消散规律，可以同时进行固结试验，渗透实验，研究在外荷载的情况下土样的渗透特性。
进一步的，采用帽型加压活塞，改进密闭性，在活塞与整体的固结容器间添加o型橡胶圈，并在活塞壁涂抹黄油，增加密封性，保证水无法从此处渗出。
进一步的，下部的透水石与滤纸的嵌合性好，避免在没有滤纸或嵌合性差的条件下微小颗粒堵塞透水石。
进一步的，根据不同的实验条件，可通过下部的三通阀控制排水条件，实验操作简单。
本发明还公开了一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置的使用方法，首先选用合理的环刀，切取原状土样时刀口朝下，土层受压方向应与天然土层受压方向一致，并观察土样的层次、颜色、有无杂质等，如有杂质时取出并用余土填补空缺处，小心地边压边削，注意避免环刀偏心入土，将土样修成略大于环刀的土柱，直至试样突出环刀为止，然后修去上下两端余土，再修平试样两端表面，擦净环刀外壁，然后安装上述实验装置，然后分别进行固结实验和渗透实验，可以观测固结试验的孔隙水压变化规律和精确的出水量。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实验装置结构示意图。
其中：1.收集管；2.储水杯；3.连接导管；41.上部透水石；42.下部透水石；51.上部滤纸；52.下部滤纸；6.下护环；7.土样；8.活塞；9.位移计导杆；10.位移计架；11.护环；12.橡胶圈；13.三通阀。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置，包括试验用土样7，土样7设置在护环11的内部，护环11用于侧向护环保证试验的侧限条件，护环11上部设置有活塞8，活塞8通过o型结构的橡胶圈12与护环11连接，活塞8上部设置有位移计导杆9，位移计导杆9的顶部悬空设置有位移计架10，用于实验中在位移计架中添加百分表测量土样变形量，活塞8与土样7之间依次设置有上部透水石41和上部滤纸51，护环11的下部设置有下护环6，下护环6内设置有下部滤纸52，下部滤纸52位于土样7的下部，下部滤纸52下部设置有下部透水石42，下部透水石42上设置有若干凹槽，用于实验中排水，连接导管3的一端与下部透水石42连接，另一端连接三通阀13，在三通阀13的剩余两端分别连接孔压装置和储水杯2，从而可以观测固结试验的孔隙水压变化规律和精确的出水量。
活塞8为帽型加压活塞，实验过程中在活塞8的活塞壁涂抹黄油，增加密封性，保证水无法从此处渗出，保证后期排水测量的精确性。
上部透水石41与上部滤纸51用于使实验中的水顺利排出，为防止土样的细小颗粒堵塞透水石而加滤纸，在活塞8与上部透水石41之间增设收集管1，收集管1的一端与上部透水石41连接，另一端与带有刻度的储水杯2连接，以便将土样在受压过程中排除的水导出，可以即时测出排出的水量，在渗透试验的条件下此连接管为通水管。
为防止土样的细小颗粒堵塞透水石而加滤纸，而将下部的透水石4改为凹槽，并且试验装置的组配顺序为下部滤纸52、下部透水石42和下护环6，用于增加试验装置的嵌合性，避免因为滤纸与透水石的嵌合性差而使土样的细颗粒堵塞排水石，影响水的排出与透水石的使用。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种可多实验控制条件的渗透固结实验装置的使用方法具体如下：
s1、制备土样
选用合理的环刀，切取原状土样时刀口朝下，土层受压方向应与天然土层受压方向一致，并观察土样的层次、颜色、有无杂质等，如有杂质时取出并用余土填补空缺处，小心地边压边削，注意避免环刀偏心入土，将土样修成略大于环刀的土柱，直至土样突出环刀为止，然后修去上下两端余土，再修平土样两端表面，擦净环刀外壁；
s2、安装土样与仪器
s201、将带有浅凹槽的下部透水石42加下部滤纸52后放入装置的底部；
s202、将下护环6按压嵌合在下部透水石42和下部滤纸52中；
s203、在土样7处放入第一步制作好的土样，刀口朝下；
s204、而后加护环11，满足试件的侧限条件；
s205、在试件上部放入上部滤纸41和上部透水石51，加盖帽型活塞，以及位移计导杆9，并在活塞与整体的固结容器间添加o型橡胶圈12，实验过程中在活塞壁涂抹黄油；
s206、连接上下两部分的连接导管；
s207、将装好的固结容器放在加压框架上，对准加压框架正中，装上百分量表，并调节其可伸长距离不大于8mm，然后检查量表是否灵敏和垂直，使百分表长针正好对准“0”字，短针对准刻度的中间(注意要将百分表活动杆提到上部再调“0”)。
s3、进行试验
s301、固结试验
s3011、若进行单面排水的固结试验，则关闭三通阀，若进行双面排水则打开三通阀。
s3012、依据土样试验要求，分级加载并记录荷载pi，在加荷的同时开动秒表，记录表读数。根据sd128-84《土工试验规程》，加荷后按时间顺序记录表读数，在教学试验中受时间限制可选择10-15分钟一级即可，而后将所对应的百分表的读数hi记录填表
s3013、观察记录孔压装置的孔隙水压的变化数据，从而观察在渗流固结试验中孔隙水压的变化规律
s3014、计算土样的压缩特性指标：
实验前已经经过比重和密度实验等得知密度ρ，比重gs，试验前孔隙比e0，颗粒净高hs，试验前土样高度h0；
某一级荷载下土样变形：δhi＝hi-h0(百分表终读数减-某一级荷载下的百分表初读数)；
孔隙比减缩量：δei＝∑δhi/hs；
各级压力下的孔隙比：ei＝e0-δei；
压缩系数：ai＝[ei-e(i+1)]/[p(i+1)-pi]；
压缩模量：es＝(1+e1)/ai；
s302、渗透实验
试验时，土样截面为a，高度为h0的饱和土样，使用上部原有的连接收集水管端部连接水龙头，使水自上而下流经土样，并自下部出水口处排出；
待水头差△h(即上透水石到下透水石距离)和渗出流量q(下出水口的渗出流量)稳定后，读出经过一定时间t下出水口的水量体积v，则v＝q*t＝ν*a*t；
根据达西定律，v＝k*i，则：v＝k*(△h/h0)*a*t；从而得出渗透系数k＝q*l/a*△h＝q*h0/a*△h*。
外荷载的情况下土样的渗透特性与同荷载条件下固结特性记两者比较关系
试验时，土样截面为a，高度为h0的饱和土样，使用上部原有的连接收集水管端部连接水龙头，使水自上而下流经土样，并自下部出水口处排出。待水头差△h(即上透水石到下透水石距离)和渗出流量q(下出水口的渗出流量)稳定后，读出经过一定时间t内流经土样的水量v；依据土样试验要求，分级加载并记录荷载pi，在加荷的同时开动秒表，记录表读数。根据sd128-84《土工试验规程》，加荷后按时间顺序记录表读数，在教学试验中受时间限制可选择10-15分钟一级即可，而后将所对应的百分表的读数hi记录填表；而后依据上述的数据整理过程整理数据，从而得出外荷载的情况下土样的渗透特性与同荷载条件下固结特性记两者比较关系。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。