CN102081021A - 离心模型试验装置的土体固结沉降仪 - Google Patents

Abstract

一种离心模型试验装置的土体固结沉降仪，在模型箱内的侧壁上设置有试样桶架，试样桶架上设置有试样桶，试样桶底部加工有透水孔a，试样桶的底部外表面设置加工有排水槽的排水板，试样桶内装有位于滤纸上被试验的试样土，试样土的上表面设置有承载板，承载板上设置有橡胶带，橡胶带上安装有与气管相联的充气嘴，橡胶带上表面设置安装有导向套的反力架，导向套内设置有与承载板联接的导向杆，模型箱的顶部设置模型箱横梁，模型箱横梁上设置通过导线与计算机相连的位移传感器。本发明具有适应范围广、测试数据准确、克服侧壁摩擦力、排出土体固结中水分顺利、能模拟土体附加荷载逐级变化等优点，可对土体的固结过程进行实验。

Description

离心模型试验装置的土体固结沉降仪

技术领域

本发明属于用机械应力测试饱和土体的固结特性技术领域，具体涉及到利用离心机进行土体固结试验的装置。

背景技术

土体是由土颗粒构成的骨架体和骨架间的孔隙所组成的，地基土的压缩变形、路堤的沉降变形及其稳定性，归根结底都是由于土骨架的压缩及孔隙比的变化而产生，均与时间有关，是一变形过程。饱和土体或部分饱和土体在荷载的作用下，土体应力状态发生改变，内部含水缓慢渗出，土体体积也逐渐压缩，外加压力相应的从孔隙水传递到土骨架上，直到变形达到稳定时为止，这一土体变形的全过程即为固结。

土的固结和压缩变形是土的最重要的工程性质之一。对它进行正确合理的取值直接影响到实际工程的设计和工程处治措施的确定。常规固结压缩试验仪不仅无法考虑自重作用对土样固结的影响，而且试验土量仅仅是一小部分，无法全面代表整个工程的沉降特性。

离心模拟试验技术是岩土力学和岩土工程领域中的一项新技术，它借助离心机产生的离心力，来模拟重力场，使模型的应力水平与原型相同，从而达到用模型表现原型的目的。采用离心模型试验机对工程中的地基进行固结沉降预测，不仅可以节约时间而且可以很好地模拟现场的实际工况。

土工离心模型试验是各类土工物理模型试验中相似性能最好的模型试验。但是，在利用离心机进行土体的固结试验时，土体固结过程中排出的水很难从离心机的模型箱中排除到土体之外，排不出的这些水会对土体的离心固结试验结果产生一定的影响。在利用离心机进行土体上覆加载的过程中，通常采用逐级提高离心加速度的方法来模拟土体的上覆附加荷载的逐渐增大。在这一过程中，虽然附加荷载逐渐增大了，但是所模拟的土体高度也随着离心加速度的变化而产生变化，对试验结果会产生不利影响。

鉴于离心模型试验的优越性和土体固结压缩试验对工程的重要性，当前迫切需要解决的一个技术问题是提供一种可以在离心机中进行土体固结理论研究的设备或装置。

发明内容

本发明装置所要解决的技术问题在于克服上述离心机进行土体固结试验的缺点，提供一种适应范围广、测试数据准确、克服侧壁摩擦力、排出土体固结中水分顺利、能模拟土体附加荷载逐级变化的离心模型试验装置的土体固结沉降仪。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在模型箱内的侧壁上设置有试样桶架，试样桶架上设置有试样桶，试样桶底部加工有透水孔a，试样桶的底部外表面设置加工有排水槽的排水板，试样桶内装有位于滤纸上被试验的试样土，试样土的上表面设置有承载板，承载板上设置有橡胶带，橡胶带上安装有与气管相联的充气嘴，橡胶带上表面设置安装有导向套的反力架，导向套内设置有与承载板联接的导向杆，模型箱的顶部设置模型箱横梁，模型箱横梁上设置通过导线与计算机相连的位移传感器。

本发明的试样桶的直径与高度比为3.5～4.0；试样桶底部加工的透水孔a的孔径为0.4～0.8mm，透水孔a均布排列在等分圆周的不同直径上。

本发明的所述的排水板上排水槽为不同直径上的圆环形槽b排水槽和等分圆周沿直径排列的直槽c排水槽，直槽c排水槽的两外端与排水板径向外端的排水孔相联通。

本发明的排水板上不同直径上的圆环形槽b排水槽有6～12圈，等分圆周沿直径排列的直槽c排水槽有3～6条，3～6条直槽c排水槽的两外端与排水板径向外端的排水孔相联通。

本发明的橡胶带为环形带。

本发明的导向套与反力架垂直。

的位移传感器为激光位移传感器

本发明的试样桶底部加工的透水孔a的孔径为0.4～0.8mm，透水孔a均布排列在不同半径的圆周上，一圈透水孔a与相邻一圈透水孔a交错排列。

本发明利用水的自重有效地排除从土体表面排出的水分，利用作用在水上的离心力排除土体底部的水分，水分被排到离心机的模型箱中，对正在进行试验的土体不产生影响；本发明采用橡胶带加载，在不改变离心加速度的条件下对土体的上覆加载的大小进行调整，在离心试验的初期，离心加速度增大达到设计加速度的过程中对土体基本不产生不利的影响。本发明与现有的土工离心模型试验仪器相比，具有适应范围广、测试数据准确、克服侧壁摩擦力、排出土体固结中水分顺利、能模拟土体附加荷载逐级变化等优点，可对土体的固结过程进行实验。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中试样桶架18的结构示意图。

图3是图1中试样桶10的结构图。

图4是图3的俯视图。

图5是图1中排水板13的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

在图1～5中，本实施例的离心模型试验装置的土体固结沉降仪由模型箱1、模型箱横梁2、导向套3、导向杆4、激光位移传感器5、气管6、反力架7、计算机8、螺柱9、试样桶10、充气嘴11、滤纸12、排水板13、承载板15、橡胶带16、调节螺杆17、试样桶架18联接构成。

在模型箱1内的侧壁上用调节螺杆17固定联接有试样桶架18，通过调节调节螺杆17，将试样桶架18调节到模型箱1的中心位置，试样桶架18的中心位置加工有圆形孔，试样桶架18的中心位置的圆形孔内放置有试样桶10，试样桶10的直径与高度比为3.8，可以有效地减小土体固结离心试验过程中的侧壁摩擦力。试样桶10的底部加工有透水孔a，透水孔a的孔径为0.5mm，透水孔a均布排列在等分圆周的不同直径上，透水孔a也可均布排列在不同半径的圆周上，一圈透水孔a与相邻一圈透水孔a交错排列。试样桶10的底部外表面用胶粘接有排水板13，排水板13的上表面加工有两种排水槽，一种排水槽为不同直径上的圆环形槽b排水槽，另一种排水槽为等分圆周沿直径排列的直槽c排水槽，本实施例的排水板13上均布加工有9圈圆环形槽b排水槽和4条直槽c排水槽，4条直槽c排水槽的两外端排水板13的径向加工有排水孔，排水孔与直槽c排水槽相联通。试样桶10内的底部放置有滤纸12，试样桶10内滤纸12上装有被试验的试样土14，固结过程试样土14中消散出来的水分从试样桶10的底部排出。试样土14的上表面放置有承载板15，承载板15上放置有橡胶带16，本实施例橡胶带16为环形带，橡胶带16上安装有充气嘴11，充气嘴11上安装有气管6，气管6与气源接通后向橡胶带16内充气。橡胶带16的上表面放置有反力架7，用4根调节螺柱9将反力架7固定在试样桶架18上端，通过调节调节螺柱9，可调节反力架7与橡胶带16之间的距离，反力架7用于橡胶带16内充气后，限制橡胶带16向上移动。反力架7的中心位置通过螺纹联接有导向套3，导向套3与反力架7垂直，导向套3内套装有导向杆4，导向杆4的下端穿过反力架7与承载板15的中心位置通过螺纹与承载板15联接。模型箱1的顶部安装有模型箱横梁2，模型箱横梁2上用螺纹紧固联接件固定联接有激光位移传感器5，激光位移传感器5为市场上销售的商品，由英国生产，激光位移传感器5用于接收试样桶10内的试样土14在压力作用下产生变形向下位移，激光位移传感器5通过导线与计算机8相连，激光位移传感器5将接收到试样土14的位移信号转换成电信号输出到计算机8，计算机8按照事先设定的程序进行数据处理，计算出试样土14的固结量。

实施例2

在本实施例中，试样桶10的直径与高度比为3.99；试样桶10底部加工的透水孔a的孔径为0.4mm，透水孔a均布排列在等分圆周的不同直径上。排水板13上均布加工有12圈不同直径上的圆环形槽b排水槽和沿直径方向排列的3条直槽c排水槽，3条直槽c排水槽的两外端排水板13的径向加工有与直槽c排水槽相联通的排水孔。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，试样桶10的直径与高度比为4.0；试样桶10底部加工的透水孔a的孔径为0.8mm，透水孔a均布排列在等分圆周的不同直径上。排水板13上均布加工有6圈不同直径上的圆环形槽b排水槽和沿直径方向排列的6条直槽c排水槽，6条直槽c排水槽的两外端排水板13的径向加工有与直槽c排水槽相联通的排水孔。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，试样桶10底部加工的透水孔a的孔径与相应的实施例相同，透水孔a均布排列在不同半径的圆周上，一圈透水孔a与相邻一圈透水孔a交错排列。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

本发明可进行下述实验：

1、不加荷载的单面排水固结装置

离心模型试验模拟土体的自重固结过程，装置不加反力架7、承载板15、环形橡胶带16加载装置。给试筒底部放置不透水的有机玻璃底板，并对底板四周进行密封，使水无法从底部流出。

把配好的试样土14按照设定的密度，通过体积换算，得到所需试样土14的质量，将称好的试样土14均匀抹入试样桶10中。激光位移传感器5的测试光束直接照在试样土14的上表面，以测试样土14随时间变化的变形量。

按照设定的离心加速度开始试验，试样土14在离心力场中进行自重固结单面排水沉降。在试验过程中，试样土14内部固结消散出来的多余水分会从试筒顶部排出到原离心机的模型箱1中。对试样土14没有影响。

2、不加荷载的双面排水固结装置

本实施例中，离心模型试验模拟土体的自重固结过程，装置不加反力架7、承载板15、环形气球等加载装置。给试筒底部放置滤纸12，以使其只能排出水，而试样土14不会随之流走。

把配好的试样土14按照设定的密度，通过体积换算，得到所需试样土14的质量，将称好的试样土14均匀抹入试筒中。激光位移传感器5的测试光束直接照在试样土14的上表面，以测试样土14随时间变化的变形量。

按照设定的离心加速度开始试验，土体在离心力场中进行自重固结双面排水沉降。在试验过程中，试样土14内部固结消散出来的多余水分会从试筒的顶部和底部排出到原离心机的模型箱1中。对试样土14没有影响。

3、加荷载的单面排水固结装置

本实施例中，离心模型试验模拟土体在覆载作用下的固结过程，所有图示装置都用上。

把配好的试样土14按照设定的密度，通过体积换算，得到所需试样土14的质量，将称好的试样土14均匀抹入试筒中。激光位移传感器5的测试光束直接照在导向杆4的上表面，以测试试样土14随时间变化的变形量。

按照设定的离心加速度开始试验，当离心加速度达到设定值后，给环形气囊内充气，在反力架7的支撑下，通过气压对承载板15施压，进而对试样土14施加事先计算好的压力，试样土14在离心力场中进行覆载作用下的固结排水沉降试验。在试验过程中，试样土14内部固结消散出来的多余水分会从试筒底部透过滤纸12和底板上的排水小孔排出到原离心机的模型箱1中。对试验试样土14没有影响。

Claims (8)

1.一种离心模型试验装置的土体固结沉降仪，其特征在于：在模型箱(1)内的侧壁上设置有试样桶架(18)，试样桶架(18)上设置有试样桶(10)，试样桶(10)底部加工有透水孔(a)，试样桶(10)的底部外表面设置加工有排水槽的排水板(13)，试样桶(10)内装有位于滤纸(12)上被试验的试样土(14)，试样土(14)的上表面设置有承载板(15)，承载板(15)上设置有橡胶带(16)，橡胶带(16)上安装有与气管(6)相联的充气嘴(11)，橡胶带(16)上表面设置安装有导向套(3)的反力架(7)，导向套(3)内设置有与承载板(15)联接的导向杆(4)，模型箱(1)的顶部设置模型箱横梁(2)，模型箱横梁(2)上设置通过导线与计算机(8)相连的位移传感器。

2.按照权利要求1所述的离心模型试验装置的土体固结沉降仪，其特征在于：所述的试样桶(10)的直径与高度比为3.5～4.0；试样桶(10)底部加工的透水孔(a)的孔径为0.4～0.8mm，透水孔(a)均布排列在等分圆周的不同直径上。

3.按照权利要求1所述的土体固结离心模型试验装置，其特征在于：所述的排水板(13)上排水槽为不同直径上的圆环形槽(b)排水槽和等分圆周沿直径排列的直槽(c)排水槽，直槽(c)排水槽的两外端与排水板(13)径向外端的排水孔相联通。

4.按照权利要求3所述的离心模型试验装置的土体固结沉降仪，其特征在于：所述的排水板(13)上不同直径上的圆环形槽(b)排水槽有6～12圈，等分圆周沿直径排列的直槽(c)排水槽有3～6条，3～6条直槽(c)排水槽的两外端与排水板(13)径向外端的排水孔相联通。

5.按照权利要求1所述的离心模型试验装置的土体固结沉降仪，其特征在于：所述的橡胶带(16)为环形带。

6.按照权利要求1所述的离心模型试验装置的土体固结沉降仪，其特征在于：所述的导向套(3)与反力架(7)垂直。

7.按照权利要求1所述的离心模型试验装置的土体固结沉降仪置，其特征在于：所述的位移传感器为激光位移传感器(5)

8.按照权利要求1所述的离心模型试验装置的土体固结沉降仪，其特征在于：所述的试样桶(10)底部加工的透水孔(a)的孔径为0.4～0.8mm，透水孔(a)均布排列在不同半径的圆周上，一圈透水孔(a)与相邻一圈透水孔(a)交错排列。

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