一种饱和软黏土固结装置

1.本发明属于岩土工程试验技术领域，具体的说，是涉及土工模型试验与单元试验中饱和软土与超软土试样的制备装置，尤其涉及需要进行不同规模的大尺寸物理模型试验海底饱和软黏土试样的制备装置。


背景技术：

2.近年来，人们对于海洋资源的利用不断增加，比如兴建海上油气平台、海上风力发电等。绝大多数海洋工程都要依靠于坚实的基础，为了保证工程安全性、可靠性和经济性，需要充分了解与基础相互作用的海底土壤性质。
3.海底土壤常为饱和软黏土，对于海底软土与超软土，尤其是处于深海区的土样，具有低强度、高含水量、高灵敏度、强结构性、正常固结或轻度超固结的特点。然而，直接取海底软土进行室内试验必然会由于对土样产生扰动而使结果存在偏差，此外取土和运输费用也十分昂贵。
4.因此，有必要通过实验室制样方式获得具有海底饱和软黏土特性的土样。土工试验试验通过对土样进行试验和观测，得到土样的各种物理力学指标。为了使土工试验结果具有足够准确性和可靠性，必须保证测试对象即土样的精确性、均匀性和可重复性。


技术实现要素：

5.基于了解深海饱和软黏土特性的需要，满足工程和科研要求，本发明旨在解决如何制备大量低强度、高含水量、高灵敏度、强结构性、正常固结或轻度超固结的饱和软黏土的技术问题，本发明提供了一种饱和软黏土固结装置，能够制备不同固结程度的土样，且保证数量充足、物理力学特性前后一致。
6.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
7.本发明提供了一种饱和软黏土固结装置，包括加压框架，所述加压框架内部设置有模型箱，所述模型箱用于盛放黏土；所述模型箱由上到下依次由上部盒体、下部盒体和底座密封连接；所述上部盒体和所述下部盒体均为上下开口，所述下部盒体可替换为等尺寸支座；所述底座包括底板和连接于所述底板的多根钢材枕木，所述底板连接于所述下部盒体底面，多根所述钢材枕木间隔设置于所述底板底部，每根所述钢材枕木设置有两个凹槽，每个凹槽用于穿过承载横梁，所述承载横梁用于将所述模型箱架设于所述加压框架的底部横梁，并将所述承载横梁的两端与所述加压框架的底部横梁通过螺栓固定；
8.所述加压框架底部设置有升降调节机构，所述升降调节机构用于调节所述加压框架距离地面高度，使与所述加压框架的底部横梁固定后的承载横梁接触所述底板；
9.所述加压框架顶部固定安装有电动缸，所述电动缸底部连接有传压板，所述传压板底部设置为用于施加压力的平面；所述电动缸与伺服电机连接，所述伺服电机与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器与控制器连接；所述控制器用于通过所述伺服驱动器控制所述伺服电机运行，使所述伺服电机带动所述电动缸上下运动并通过所述传压板对所述模型箱
内的土体施加压力。
10.进一步地，所述加压框架为正方体框架结构，至少包括四根顶部横梁、四根底部横梁、四根立柱以及若干斜撑。
11.更进一步地，所述加压框架的底部横梁中的至少一根设置为能够拆卸的活动横梁，拆去所述活动横梁并推进所述加压框架，能够使所述模型箱进入加压框架内部。
12.进一步地，所述加压框架底部配置有滚轮，所述滚轮能够使所述加压框架在推动下行走。
13.进一步地，所述上部盒体和所述下部盒体均由四块侧壁钢板依次连接围成，每块所述侧壁钢板外部设置有加强筋。
14.进一步地，所述上部盒体与所述下部盒体、所述下部盒体与所述底座之间通过法兰盘连接固定，并在连接接缝处通过橡胶止水密封。
15.进一步地，所述传压板的底部平面尺寸略小于所述上部盒体和所述下部盒体的开口尺寸。
16.进一步地，所述电动缸配置有压力传感器，所述压力传感器用于将探测到的加压压力反馈到所述控制器内，所述控制器根据加压压力对所述电动缸精确控制。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明提供的饱和软黏土固结装置，将加载压力设计成加压框架的内力；加压时，加压框架一方面受到来自传压板向上的反力，另一方面受到加压框架底部的两根承载横梁向下的反力，形成压力闭环；如此外界仅承受装置的自重即可，因此对试验场地的基建要求低，理论上可以对土体施加无限压力而不对周围场地产生影响；
19.当饱和软黏土输送至模型箱后，设备可实现自动化控制，即根据预先设置好的加载压力、速率和时间等参数进行固结，此外，在联网条件下可实现设备的远程控制和试验数据的读取；
20.模型箱由上部盒体和下部盒体构成，可以根据试验所需用灵活调整制土量，从而减少工作量和时间，提高试验的效率；
21.加压装置内置的压力控制系统能准确控制传压板作用于土体的荷载大小，从而保证土样的固结精度。
附图说明
22.图1为本发明提供的饱和软黏土固结装置的结构示意图；
23.图2为本发明提供的饱和软黏土固结装置中加压框架的结构示意图；
24.图3为本发明提供的饱和软黏土固结装置中模型箱的结构示意图；
25.图4为实施例中的饱和黏土在30kn恒压下的时间-荷载-位移曲线；其中，(a)为时间-荷载曲线，(b)为时间-位移曲线。
26.上述图中：1-压力控制系统；2-加压框架；3-模型箱；4-控制器；5-传压板；6-升降调节机构；7-承载横梁；8-滚轮；9-伺服驱动器；10-伺服电机；11-电动缸；12-压力传感器；13-活动横梁；14-底部横梁；15-上部盒体；16-下部盒体；17-侧壁钢板；18-加强筋；19-底座；20-钢制枕木；21-法兰盘；22-底板。
具体实施方式
27.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
28.如图1所示，本实施例提供了一种饱和软黏土固结装置，包括压力控制系统1、加压框架2、模型箱3。
29.压力控制系统1由控制器4、伺服驱动器9、伺服电机10和电动缸11组成。控制器4固定在加压框架2上，控制器4用于编制和设定加压参数，并向伺服驱动器9发出控制指令，通过伺服驱动器9控制伺服电机10的运行并带动电动缸11上下运动。电动缸11底部连接有传压板5，传压板5底部设置为用于施加压力的平面，通过传压板5对模型箱3内土体施加压力。电动缸11的头部配置有压力传感器12，压力传感器12用于将探测到的加压压力反馈到控制器4内，实现控制器4精确的压力控制。
30.压力控制系统1可以通过控制器4实时调整参数控制土体固结，也可以根据预先设置好的加载参数进行固结。控制器4可以通过触摸屏22或外接键盘输入加压参数，也可以在联网条件下可实现远程控制和监控。在压载过程中，相关数据(包括时间、位移和荷载等)将以csv文件格式按预设读取间隔被记录在控制器4内，记录内容简单清晰，便于分析使用。
31.如图2所示，加压框架2为可移动的正方体框架结构，至少包括四根顶部横梁、四根底部横梁14、四根立柱以及若干斜撑；加压框架2内部能够容纳模型箱3。电动缸11通过法兰盘连接的方式固定于加压框架2的顶部正中位置。加压框架2的底部四角处分别配置有4个滚轮，可使加压框架2在人力推动下行走。加压框架2的底部还配置有升降调节机构6，升降调节机构6固定在底部横梁14底面，通过升降调节机构6可以调节加压框架2距离地面的高度。
32.加压框架2的底部横梁14中的至少一根设置为活动横梁13，活动横梁13能够拆卸，拆去活动横梁13后可推进加压框架2并使模型箱3位于加压框架2内部中心位置。
33.加压框架2底部有两根承载横梁7，将两根承载横梁7横穿过模型箱3的钢材枕木20后，分别架在加压框架2的两个底部横梁14上，通过螺栓将承载横梁7与底部横梁14进行固定，以将模型箱3与加压框架2连接。
34.如图3所示，模型箱3由上部盒体15、下部盒体16和底座19组成。上部盒体15和下部盒体16均为上下开口的箱体结构，用于盛放黏土。上部盒体15和下部盒体16均由四块侧壁钢板17依次连接围成，每块侧壁钢板17外部设置有加强筋18。根据试验用土量也可将下部盒体16替换为等尺寸支座。底座19由底板22和多根钢材枕木20组成；底板22连接于下部盒体16底部，用于封闭上部盒体15和下部盒体16；多根钢材枕木20间隔设置，每根钢材枕木20设置有两处凹槽，该凹槽尺寸略大于承载横梁7截面，从而能够使承载横梁7穿过，以便将模型箱3架设于加压框架2。上部盒体15与下部盒体16、下部盒体16与底座19之间通过法兰盘21连接固定，接缝处设有橡胶止水。
35.压力控制系统1中的传压板5尺寸应略小于模型箱3中上部盒体15和下部盒体16的开口尺寸，一方面保证传压板5能够顺利压入上部盒体15或下部盒体16内，另一方面保证土体均匀受压。
36.利用上述饱和软黏土固结装置制备土样，具体按照如下步骤进行：
37.首先在模型箱3的底板22上铺设砂石，再在砂石表面及模型箱3内壁铺设透水土工
织物，并注入一定量的水。将预抽真空的饱和软黏土注入模型箱3，整个过程出泥口需要在水面以下保证土体内没有空气。
38.拆去加压框架2的活动横梁13，推进加压框架2使模型箱3位于加压框架2的内部中心位置，重新装上活动横梁13。将承载横梁7穿过底座19的钢制枕木20，并使承载横梁7架在加压框架2的两个平行的底部横梁14上，并用螺栓将承载横梁7与底部横梁14固定。调节加压框架2的升降调节机构6，提升加压框架2的高度，使承载横梁7上表面接触到底板22。
39.向控制器4输入加压数参数并启动，控制器4向伺服驱动器9发出控制指令，伺服驱动器9控制伺服电机10运行并带动电动缸11向下运动。电动缸11通过传压板5对模型箱3内部土体施加压力直至土体达到预期固结程度。
40.由于采用了伺服控制，可以对整个加压过程进行监控，加压参数和设备运动状态能够实时反馈到控制器4，并在触摸屏上显示，当发生如过载、超行程、过速、过热和断线等故障时，控制器4会发出警报并停止运行，确保设备安全。
41.固结完成后，向控制器4发出指令，提升电动缸11使传压板5与模型箱3内部土体分离。调节升降调节机构6，使加压框架2的滚轮8着地，抽出承载横梁7，拆去活动横梁13将加压框架2推离模型箱3，装上活动横梁13，调节升降调节机构6使滚轮8离地使加压框架2保持稳定避免发生意外移动。
42.试验结束后，依次关闭控制器4、电动缸11电源，整理试验数据，可以得到典型的试验加载曲线如图4所示。
43.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。