一种气压加载型一维固结渗透联合测试装置的制作方法

本发明涉及环境岩土工程技术领域，具体地，涉及一种气压加载型一维固结渗透联合测试装置。

背景技术：

我国城市化进程的加速发展带来了大规模基础设施建设及城市地质问题，而其中针对岩土体力学-渗流耦合特性的研究是城市规划、建设、运营和管理的重要基础性工作，也是我国新型城镇化战略部署的关键问题。土体流固耦合特性指的是，由于土体独特的松散多孔结构，在荷载作用下将首先产生超静孔隙水压力，随后孔隙水缓慢流出，孔隙水压力降低。同时，土体中的有效应力逐步增大，体积逐渐压缩。最终，超静孔隙水压力逐步消散直至完全消失，而变形则达到稳定。因此，获取土体在力学作用下的固结系数(cv)与渗流作用下的渗透系数(kv)间的关系，是深入了解土体流固耦合特性的关键问题。

然而，在传统的室内测试中，固结试验和渗透试验的开展是两块相对独立的内容。借助传统的高压固结仪和土壤渗透仪虽然可以了解土体的固结特性和渗流特性，却无法反映两者间的耦合特性。目前传统的土工试验仪器厂商，如南京土壤仪器厂、上虞市勘测土工仪器厂，均无适用于土体流固耦合特性教学及科研的相关设备。

因此，一种气压加载型一维固结渗透联合测试装置的研发将扫除相关学科在试验教学中的盲点，解决土力学理论的试验论证问题，提升相关专业在该领域内的试验和理论教学水平。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题而发明了一种气压加载型一维固结渗透联合测试装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

本发明提供了一种气压加载型一维固结渗透联合测试装置，包括主体装置和辅助装置，其特征在于，所述主体装置包括顶盖、侧限试样环型体、底座、不锈钢透水石、加载活塞；

所述顶盖和底座均由一个大同轴圆柱体与一个小同轴螺纹柱体构成，其中，小同轴螺纹柱体的高度为h1、直径为r1；将小同轴螺纹柱体与大同轴圆柱体的非接触面记为下底面，将大同轴圆柱体与小同轴螺纹柱体的非接触面记为上底面；所述顶盖的下底面与上底面开有垂直贯通的气压加载孔道和渗流入口管道，所述渗流入口管道通过软管一端与辅助装置中的三通球阀连接，另一端穿透加载活塞与试样相通；所述底座的下底面中心位置和底座的大同轴圆柱体外壁开有互相连通的渗流出口孔道；所述的侧限试样环型体为一空心圆柱体，高度为h，其内径与顶盖和底座的小同轴螺纹柱体直径相同，且内壁上下距端口高度为h1段均为螺纹，将顶盖和底座的小螺纹圆柱体从上下两个方向拧入侧限试样环型体内，形成封闭的试验腔，加载活塞安装在试验腔内，在加载活塞的下底面和底座的下底面上各镶嵌一片不锈钢透水石，所述的试样被夹持在二片不锈钢透水石之间；所述加载活塞的上底面安装有线性位移传感器，所述的试验腔内安装有多个孔压传感器和多个湿度传感器；

所述的辅助装置包括高压气瓶、不锈钢钢管、减压阀、二通球阀、液体压力-体积控制器、水箱和三通球阀。不锈钢钢管的一端与高压气瓶相连接，另一端通过减压阀和二通球阀与气压加载孔道连接；三通球阀的主通道与液体压力-体积控制器连接，另外两通道的一端与水箱相连，另一端与渗流入口孔道连接。

优选地，所述加载活塞的高度为h2、直径为r2，h2<h-2h1，r2＝r1-△r，其中，间隙△r为0.5-1mm。

优选地，所述的顶盖上安装有安全阀。

优选地，测试时，进入试验腔的线性位移传感器探头粘贴于加载活塞表面。

优选地，所述的多个孔压传感器和多个湿度传感器均匀布设试验腔内，孔压传感器的探头与试样外表面紧贴，湿度传感器的探头插进试样(12)3-5mm。

优选地，所述的顶盖和底座的大同轴圆柱体与侧限试样环型体接触面上镶嵌有密封圈。

优选地，减压阀、二通球阀、三通球阀、顶盖、侧限试样环型体和底座均采用316l低碳不锈钢制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)测验装置可同时施加力学及渗流边界，监测变形和流量，实现了固结-渗流试验一体化。可通过实时获取固结系数-渗透系数关系分析其流固耦合特性。

2)通过布设变形、孔压及湿度传感器，可以达到固结-渗流耦合作用下的过程监控和参数分析目的。

3)采用气压加载方式精简了试验装置，同时突破了传统固结仪采用砝码加载最大压力仅能达到1.6mpa的局限，也避免了砝码加载过程中存在的人为操作误差。

4)本测试装置结构简单，功能齐全，操作便捷。

附图说明

图1是本发明的总体示意图；

图2是测试装置的结构剖面图；

图3是测试装置的顶盖示意图；

图4是测试装置的侧限试验环示意图；

图5是测试装置的底座示意图；

1、高压气瓶；2、不锈钢钢管；3、减压阀；4、二通球阀；5、液体压力-体积控制器；6、水槽；7、三通球阀；8、顶盖；9、侧限试样环型体；10、底座；11、试验腔；12、试样；13、不锈钢透水石；14、下底面；15、加载活塞；16、上底面；17、气压加载孔道；18、渗流入口孔道；19、渗流出口孔道；20、线性位移传感器；21、安全阀；22、密封圈；23、孔压传感器；24、湿度传感器。

具体实施方式

以下结合附图1-图5对本发明的实施例进行详细的描述。

由图1-图5可见，本发明提供了一种气压加载型一维固结渗透联合测试装置，包括主体装置和辅助装置。所述主体装置包括顶盖8、侧限试样环型体9、底座10、不锈钢透水石13、加载活塞15；

所述顶盖8和底座10均由一个大同轴圆柱体与一个小同轴螺纹柱体构成，其中，小同轴螺纹柱体的高度为h1、直径为r1。将小同轴螺纹柱体与大同轴圆柱体的非接触面记为下底面14，将大同轴圆柱体与小同轴螺纹柱体的非接触面记为上底面16。

所述顶盖8的下底面14与上底面16开有垂直贯通的气压加载孔道17和渗流入口管道18，所述渗流入口管道18通过软管一端与辅助装置中的三通球阀7连接，另一端穿透加载活塞15与试样12相通。所述底座10的下底面14中心位置和底座10的大同轴圆柱体外壁开有互相连通的渗流出口孔道19。

所述的侧限试样环型体9为一空心圆柱体，高度为h，其内径与顶盖8和底座10的小同轴螺纹柱体直径相同，且内壁上下距端口高度为h1处均为螺纹，将顶盖8和底座10的小螺纹圆柱体从上下两个方向拧入侧限试样环型体9内，形成封闭的试验腔11。加载活塞15安装在试验腔11内，在加载活塞15的下底面和底座10的下底面14上各镶嵌一片不锈钢透水石13，所述的试样12被夹持在二片不锈钢透水石13之间。

所述的顶盖8和底座10的大同轴圆柱体与侧限试样环型体9接触面上镶嵌有密封圈22。所述加载活塞15的高度为h2、直径为r2，h2<h-2h1，r2＝r1-△r，其中，间隙△r为0.5-1mm。所述的顶盖8上安装有安全阀21。在本实施例中，安全阀21型号为g1/8-304不锈钢高温高压安全阀，1-14mpa可调。

具体的，在本实施例中，顶盖8和底座10的大同轴圆柱体直径分别为100mm和150mm，小同轴螺纹柱体直径均为50mm，高h1均为30mm。不锈钢透水石13的直径均为49±0.5mm，厚0.3mm，且孔隙大小为55μm，误差小于5.0μm。加载活塞15为圆柱状，直径r2为49.5mm，高度h2为2mm。侧限试样环型体9的内径r1为50mm，外径为100mm，高h为200mm。

所述加载活塞15的上底面安装有线性位移传感器20，测试时，进入试验腔11的线性位移传感器20探头粘贴于加载活塞表面15。在本实施例中，线性位移传感器20的型号为ld620-5线性位移传感器，位移量程为±5mm。

所述的试验腔11内安装有多个孔压传感器23和多个湿度传感器24。多个孔压传感器23和多个湿度传感器24均匀布设试验腔11内，孔压传感器23的探头与试样12外表面紧贴，湿度传感器24的探头插进试样12的长度为3-5mm。本实施例中，孔压传感器23，压力测量范围0.001-10mpa；湿度传感器24型号为zz-s-gth-c型土壤湿度传感器；

所述的辅助装置包括高压气瓶1、不锈钢钢管2、减压阀3、二通球阀4、液体压力-体积控制器5、水箱6和三通球阀7。不锈钢钢管2的一端与高压气瓶1相连接，另一端通过减压阀3和二通球阀4与气压加载孔道17连接；三通球阀7的主通道与液体压力-体积控制器5连接，另外两通道的一端与水箱6相连，另一端与渗流入口孔道18连接。在本实施例中，高压气瓶1可提供0-10mpa的注入气压，液体压力-体积控制器5可提供0-1mpa的注入液体压力。

在所述的减压阀3、二通球阀4、三通球阀7、顶盖8、侧限试样环型体9和底座10均采用316l低碳不锈钢制作。

在本实施例中，柱状加载活塞15侧面镶嵌有密封圈22与侧限试样环型体9紧密贴合；渗流入口管道18进入试验腔11的一端垂直贯穿加载活塞15，并与加载活塞15浇筑成一整体。将渗流入口管道18进入试验腔11的长度记为h3，试样12的高度记为h4，且h3+h4+2h1-h≥5mm，以避免在测试时，试样12压缩拉断渗流入口管道18。在本实施例中，试样12尺寸半径为50mm，高h4为100mm；记底座10的下底面14为试样基准点，高度为0mm，在高度分别为30mm，60mm，90mm的侧限试样环型体9中分别布设孔压传感器23和湿度传感器24。

本发明具体实施的操作包括：

压制试样12：将粉末状土样装填入侧限试样环型体9和底座10组成的模具中，通过静力压实法压制成直径50mm，高度100mm的圆柱状试样。

仪器安装：按照图1所示，在试样12上部放上不锈钢透水石13，随后将安装有密封圈22和渗流入口孔道18的加载活塞15紧贴在不锈钢透水石13上部，并且将线性位移传感器20的探头粘贴于加载活塞15上部；然后，将装好气压加载孔道17和安全阀21的顶盖8拧入侧限试样环型体9；最后将辅助装置与主体相连接，且保证试验之前高压气瓶1，减压阀3，二通球阀4和三通球阀7处于断开状态。

开始试验：打开高压气瓶1开关，通过减压阀3调节到试验设计的荷载p；同时调节三通球阀7，使液体压力-体积控制器5与水槽6之间的管道连通，并吸满水，然后调节三通球阀7使液体压力-体积控制器5与渗流入口孔道18保持连通。打开二通球阀4，气压沿气压加载孔道17施加到加载活塞15上，随后活塞向下移动压缩试样12，通过线性位移传感器20记录试样垂向变形直至变形稳定。同时调节液体压力-体积控制器5使液体经渗流入口管18，向试样12中注入液体，通过液体压力-体积控制器实时记录注入体积，同时对渗流出口管19中流出液体质量进行记录，从而得到该渗流梯度下的液体流量并计算渗透系数(kv)。利用孔压传感器23、湿度传感器24记录渗透压作用下试样12轴向的孔压和湿度分布。待渗透流量、湿度和孔压值稳定后，施加下一级荷载，待变形稳定后继续开展渗透试验。如此往复，最终获取各级荷载下的试样变形数据，计算得到试样的固结系数(cv)。汇总固结系数-渗透系数关系和孔压/湿度分布数据，最终获取土样的流固耦合特性。