一种气压加载型非饱和土一维固结装置及试验方法

本发明涉及一种气压加载型非饱和土一维固结装置及试验方法，属于岩土工程室内土工试验。

背景技术：

1、土石坝因其材料选择简便、结构简单、成本低、能适应地形地质等特点，是水电工程中应用最广泛的大坝。由于工程建设的需要，近些年来世界各地建造了越来越多的高土石坝，随着坝高的增加，大坝工程的主要材料堆石受到显著的应力。因此，高土石坝堆石场的颗粒破碎率明显增加，颗粒破碎的发生会直接改变堆石结构，改变土体的抗剪强度。室内固结试验是研究土体力学性质的重要途经之一，

2、目前较为常用的固结试验仪有杠杆式固结仪和气压式固结仪。杠杆式固结仪采用杠杆加荷的原理，用砝码通过杠杆加压，其优点在于加荷直观，稳定性良好，但是该固结仪自动化程度低，需要人工搬动砝码，劳动强度大；加砝码的过程中会产生冲击力，对试验结果有一定影响。传统气压式固结仪的加载上限较低，加载应力达不到颗粒的破坏强度，无法研究颗粒破碎对土体内部性质的影响，并且不能进行非饱和土的固结试验。

3、因此，亟需设计一种固结装置，无需人工操作，即可对试样施加较高的固结应力，从而进行高应力水平下颗粒材料的颗粒破碎试验，并且配备陶土板控制试样的饱和度，进行非饱和土的一维固结试验。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中指出的问题，本发明提供一种气压加载型非饱和土一维固结装置及试验方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种气压加载型非饱和土一维固结装置，包括用于放置土体样本的试样容器，在试样容器的底部安装加载装置，加载装置沿着中轴线方向由试样容器底部施加压力，施加的压力通过向加载装置内注入可以调节的气体形成，且加载装置施加的压力能够放大试样容器承受的压力；

4、在试样容器内靠近底部位置安装饱和度控制装置，能够控制试样容器内饱和度；

5、还包括测量装置，其通过加载装置相对试样容器开口设置，用于记录土体样本实时受到的外部载荷以及竖向变形；

6、作为本发明的进一步优选，所述试样容器包括试样筒，试样筒的开口端覆设试样筒盖，在试样筒靠近开口的位置设置上透水板，试样筒靠近底部的位置设置下透水板，在下透水板的底部设置饱和度控制装置；

7、试样筒的底面开设透水孔，bsp管穿设在试样筒底部与透水孔连通；

8、当加载装置向试样容器底部施加压力时，试样容器沿着中轴线方向向试样筒盖方向移动，上透水板沿着中轴线方向向试样筒盖反方向移动，对试样筒内的土体样本产生荷载；

9、作为本发明的进一步优选，所述加载装置包括反力架，反力架的底部安装底板，底板表面布设气缸，气缸内安装能够沿着中轴线方向进行上下移动的活塞，在活塞表面布设试样筒；

10、在反力架的顶部中心位置朝向试样筒开口方向安装上凸台，上凸台的底部通过测量装置的力传感器连接下凸台，下凸台的底端穿设试样筒盖能够与上透水板表面接触；

11、作为本发明的进一步优选，所述测量装置还包括位移传感器，位移传感器的一端与反力架固定，位移传感器的测量端抵在试样筒盖表面；

12、作为本发明的进一步优选，所述位移传感器采用数显高度计电子深度规百分表测量仪，带数据接口，可连接电脑；

13、作为本发明的进一步优选，所述饱和度控制装置为陶土板，在陶土板的外部套设钢圈；

14、作为本发明的进一步优选，在试样筒底部的内圆周壁上开设若干螺纹孔，陶土板的外圆周壁上同样开设若干螺纹孔，螺栓穿设试样筒底部的螺纹孔以及陶土板的螺纹孔，将陶土板固定在试样筒内；

15、基于所述气压加载型非饱和土一维固结装置的试验方法，具体包括以下步骤：

16、步骤s1：在试样筒筒底设置包裹钢圈的陶土板，在陶土板的表面放置下透水板，下透水板的表面铺设滤纸，随后将土体样本装入试样筒内，在土体样本的顶部再铺设一层滤纸，滤纸上盖设上透水板，最后在试样筒开口端覆设试样筒盖；

17、步骤s2：将底板置于反力架上，气缸布设在底板表面，在底板与气缸之间垫设橡皮圈，将步骤s1中的试样筒放置在气缸的活塞上，下凸台对准试样筒盖的中心；将bsp管安装在试样筒底部与透水孔连通；

18、步骤s3：打开气缸的充气阀门，向气缸内充气，活塞推动试样筒向下凸台方向移动，当下凸台接触到试样筒的上透水板时停止关闭充气阀门，停止充气；

19、步骤s4：调整位移传感器，将位移传感器测量端的探头贴设在试样筒盖上，同时将力传感器和位移传感器与电脑连通；

20、步骤s5：将力传感器和位移传感器清零，重新打开充气阀门，向气缸内充气，气缸内气压增加，活塞推动试样筒向下凸台方向移动，此时上透水板相对试样筒发生位移，对试样筒内的土体样本压缩，同时打开bsp管上的排水阀门，土体样本在压缩过程中液体通过bsp管排出，力传感器和位移传感器全程监控土体样本的固结应力和竖向变形，直至稳定。

21、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明提供的气压加载型非饱和土一维固结装置，采用自动化操作模式，通过逐渐增加气缸内部气压对土体样本稳步施加竖向荷载，避免了人为加砝码过程中产生的不稳定冲击力对试验结果的影响；

23、2、本发明提供的气压加载型非饱和土一维固结装置，气体注入横截面积较大的气缸中，可以放大试样筒所受的压力(压强)，从而可以对试样施加较高的固结应力，弥补了采用砝码加载的传统固结仪最大固结应力低于2mpa的不足；

24、3、本发明提供的气压加载型非饱和土一维固结装置，配备透水孔与陶土板，实现对试样饱和度的控制，可以进行非饱和土的一维固结试验；

25、4、本发明提供的气压加载型非饱和土一维固结装置，采用框架结构，体积小，重量轻，便于现场使用，且试验过程中全程电脑控制，操作简单，无需人工干预操作。

技术特征：

1.一种气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：包括用于放置土体样本的试样容器，在试样容器的底部安装加载装置， 加载装置沿着中轴线方向由试样容器底部施加压力，施加的压力通过向加载装置内注入可以调节的气体形成，且加载装置施加的压力能够放大试样容器承受的压力；

2.根据权利要求1所述的气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：所述试样容器包括试样筒（10），试样筒（10）的开口端覆设试样筒盖（12），在试样筒（10）靠近开口的位置设置上透水板（11），试样筒（10）靠近底部的位置设置下透水板（9），在下透水板（9）的底部设置饱和度控制装置；

3.根据权利要求2所述的气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：所述加载装置包括反力架（1），反力架（1）的底部安装底板（2），底板（2）表面布设气缸（3），气缸（3）内安装能够沿着中轴线方向进行上下移动的活塞（4），在活塞（4）表面布设试样筒（10）；

4.根据权利要求3所述的气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：所述测量装置还包括位移传感器（15），位移传感器（15）的一端与反力架（1）固定，位移传感器（15）的测量端抵在试样筒盖（12）表面。

5.根据权利要求4所述的气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：所述位移传感器（15）采用数显高度计电子深度规百分表测量仪，带数据接口，可连接电脑。

6.根据权利要求4所述的气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：所述饱和度控制装置为陶土板（8），在陶土板（8）的外部套设钢圈（6）。

7.根据权利要求6所述的气压加载型非饱和土一维固结装置，其特征在于：在试样筒（10）底部的内圆周壁上开设若干螺纹孔（18），陶土板（8）的外圆周壁上同样开设若干螺纹孔（18），螺栓穿设试样筒（10）底部的螺纹孔（18）以及陶土板（8）的螺纹孔（18），将陶土板（8）固定在试样筒（10）内。

8.基于权利要求7所述气压加载型非饱和土一维固结装置的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种气压加载型非饱和土一维固结装置及试验方法，包括用于放置土体样本的试样容器，在试样容器的底部安装加载装置，加载装置沿着中轴线方向由试样容器底部施加压力，施加的压力通过向加载装置内注入可以调节的气体形成，且加载装置施加的压力能够放大试样容器承受的压力；还包括测量装置，其通过加载装置相对试样容器开口设置，用于记录土体样本实时受到的外部载荷以及竖向变形；本发明实现试样在高应力下的一维固结，可以进行高应力水平下颗粒材料的颗粒破碎试验，在试样容器内靠近底部位置安装饱和度控制装置，能够控制试样容器内饱和度，实现对试样饱和度的控制，可以进行非饱和土的一维固结试验。

技术研发人员：石修松,徐进,卞夏,曾逸文
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14