CN102621190A - 土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置及其取土器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以监测土体固结变形过程中孔隙水运移规律以及土颗粒沉降规律的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置。它包括土体压缩固结装置和电阻率监测装置两部分，土体压缩固结装置包括水槽、上护环、下护环、带螺纹孔的环刀、透水石、加压上盖、位移计导杆、位移计架；电阻率监测装置包括集中式电缆、智能电极转换模块、电阻率采集控制模块、视电阻率实时成像模块和供电模块；土体压缩固结装置在压缩土体时，电阻率监测装置利用电阻率法监测土体固结变形过程中孔隙水的运移规律，监测土体固结变形过程中电阻率在时间和空间两个尺度上的变化，监测孔隙水的运移路径、变化形态以及土颗粒的沉降规律。

Description

土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置及其取土器

技术领域

本发明涉及岩土工程试验研究和工程应用领域的一种新型土工试验设备，尤其是一种土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置及其取土器，它利用电阻率法对土体固结变形过程中孔隙水的运移规律进行监测。

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。饱和土体在荷载的作用下，孔隙水缓慢渗出，土体有效应力状态发生改变，土体体积也逐渐压缩，外加荷载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。在这一过程中，土体中孔隙水的运移规律决定了土体的固结特性。

在地面沉降、地基压缩固结、核废料填埋、固体垃圾处置、水利工程防渗、地下水污染防治等岩土、环境工程问题中，孔隙水的运移都起到了关键的作用，因此，孔隙水的运移规律与过程监测日益受到关注。对此问题，国内外研究者开展大量的室内土体固结沉降与孔隙水运移监测的研究工作，取得了一些进展。但由于渗透介质的复杂性、室内试验装置观测空间的局限性，同时缺少有效的实验室内监测方法，导致实验室内土体固结沉降和孔隙水运移过程的监测效果并不理想，存在着许多亟待解决的问题。因此，发展一套土体固结变形过程的电阻率监测装置和监测方法具有十分重要的意义。

此外，使用普通取土器获取原状土试样的过程中，内摩擦过大是引起土样扰动的最主要因素之一，会影响土试样的原始状态，涂润滑剂是克服这一不利因素的有效措施，但涂润滑剂会增加掉样的可能性。用普通取土器获取的土试样密封性较差，对土试样的天然含水率、天然密度等有较大影响。对土体压缩固结试验而言，土试样的原始性状保持越完整，试验得出的孔隙水的运移规律可靠度就越高。

土体的组成比较复杂，土体中固、液、气三相之间存在着极为复杂的相互作用，三相比例的不同对土体的物理性质、状态指标影响较大，目前室内土体试验的固结沉降与孔隙水运移监测方面主要存在以下三方面困难：①在受载作用下，土体试验的固结沉降与孔隙水运移规律较为复杂，简单的监测方法无法对土体沉降和孔隙水运移的情况进行动态成像监测，无法直观的反映较复杂的固结与孔隙水运移过程；②目前，常用的土体固结仪是一个封闭装置，难以提供充足的观测空间，为实时监测的实施带来了较大困难；③已有的土样获取方法对试样的扰动较大，监测结果难以反映真实情况。

在地球物理勘探领域，电阻率法是以介质间的导电性差异为基础，通过观测与研究人工电场的分布规律实现勘探目的的一种地球物理勘探方法。直流电阻率法对水体反应敏感、可对土体固结沉降和孔隙水的活动情况进行实时成像，为监测土体的固结沉降与孔隙水运移过程与规律提供了一种可行的方法和手段，以客观地反映土体变形与孔隙水运移规律。目前，未见有实验室内土体固结变形电阻率监测装置的报道或文献。

鉴于电阻率监测试验的优越性和土体固结变形过程孔隙水的运移规律对工程的重要性，当前迫切需要解决的一个技术问题是提供一种可以对土体固结过程中孔隙水的运移规律进行电阻率监测的设备或装置，以及一种可以更好地获取原状土试样的取土器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服以上困难和不足，提供一种可以监测土体固结变形过程中孔隙水运移规律以及土颗粒沉降规律的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，能够在常规土体固结试验的基础上监测土体固结变形过程中电阻率在时间和空间两个尺度上的变化规律，监测孔隙水的运移路径、变化形态以及土颗粒的沉降规律，为观测土体固结变形规律提供一种科学合理直观的试验装置。另外，为解决本发明设计超长环刀(30cm)取土难题，改善原状土试样获取过程中内摩擦过大、掉样和密封性差等问题，减小对土试样原始状态的扰动，提高试验的成功率和试验结果的可靠度，本发明还设计了一种改进的取土器。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，它包括土体压缩固结装置和电阻率监测装置两部分，土体压缩固结装置包括水槽、上护环、下护环、带螺纹孔的环刀、透水石、加压上盖、位移计导杆、位移计架，其中，带螺纹孔的环刀的上端安装上护环，下端安装下护环，下护环置于水槽内，上护环上设有加压上盖，加压上盖与带螺纹孔的环刀之间是透水石，在带螺纹孔的环刀的侧壁上设有至少一列垂直的预制螺纹孔，在各预制螺纹孔内封装相应的移动式微电极，所述移动式微电极通过导线与集中式电缆连接；位移计架设置在水槽侧面，其上设有位移计导杆，可在位移计导杆上安置位移传感器，与加压上盖相连，测量试验过程中土体试样的竖向变形位移；电阻率监测装置包括集中式电缆、智能电极转换模块、电阻率采集控制模块、视电阻率实时成像模块和供电模块，智能电极转换模块与电阻率采集控制模块连接，电阻率采集控制模块则分别与供电模块和视电阻率实时成像模块连接；土体压缩固结装置在压缩土体时，电阻率监测装置利用电阻率法监测土体固结变形过程中孔隙水的运移规律，监测土体固结变形过程中电阻率在时间和空间两个尺度上的变化，监测孔隙水的运移路径、变化形态以及土颗粒的沉降规律。

所述土体压缩固结装置的水槽、上护环、下护环、带螺纹孔的环刀、加压上盖采用全透明玻璃钢材料制作，既可以满足试验装置刚度的要求，又能保证整个装置的绝缘性，确保供电电流只在试验土体内部产生稳定的电场。带螺纹孔的环刀沿圆周方向对称设有四列预制螺纹孔。

土体压缩固结装置的组装参照相关规范，首先在固结容器内放置下护环、透水石和薄型滤纸，将带有试验土样的带螺纹孔的环刀装入下护环内，试验土样上依次放置薄型滤纸、透水石、上护环和加压上盖，透水石的直径略小于带螺纹孔的环刀内径0.2～0.5mm。

所述移动式微电极分为移动式微电极头和固定端两部分，移动式微电极头使用金属铜制作，与导线焊接；固定端采用全透明玻璃钢做成带螺纹的销钉形状，中轴线位置留有细小的通道，导线从中穿过；微电极头的移动与土体固结变形产生的位移同步。试验准备时，先将移动式微电极头通过环刀侧壁螺纹孔插入试验土体中，试验过程中移动式微电极头将随着土体的固结变形而移动，然后将固定端顺时针拧入螺纹孔中实现封孔，以满足试验土体对侧限的要求。

所述智能电极转换模块为移动式微电极作为供电电极A、B和测量电极M、N的跳转变换；电阻率采集控制模块控制电阻率的采集方式，如可选择单排测线电阻率剖面法数据采集、双排对称测线电阻率CT法层析扫描数据采集、四排测线电阻率全空间数据采集等。视电阻率实时成像模块则是将采集到的电阻率数据依据电阻率值的大小差异赋予不同的颜色，以图像的形式实时显示，并且自动保存；供电模块为整个电阻率测量装置供电。

所述电阻率监测装置进行电阻率数据的自动采集和视电阻率实时成像，完成多种数据采集方式的联合观测，对试验土体的全方位实时动态监测；通过视电阻率实时成像模块对低阻区域的移动变化路径进行跟踪定位识别，使土体固结变形过程中孔隙水的运移路径、变化形态观测更加直观。

一种室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置用取土器，它包括取土器头部、对开式取土筒和管靴，带螺纹孔的环刀置于对开式取土筒的暗槽内，在对开式取土筒内设有微型传动装置，微型传动装置与切土用不锈钢片连接，不锈钢片与土工膜一端连接，土工膜另一端连接在对开式取土筒内壁。

所述微型传动装置包括安装在对开式取土筒上部的转轮，转轮与对开式取土筒内外壁之间的不锈钢丝一端连接，不锈钢丝的另一端分为两路，分别穿过固联在对开式取土筒下部内壁的转轴两端的定滑轮以及相应的轨道后与不锈钢片连接，不锈钢片与转轴位置相对。

所述对开式取土筒外壁处设有球铰。

本发明的有益效果是：

1＞本发明提出的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置首次利用电阻率法监测土体固结变形过程中孔隙水的运移规律，能够监测土体固结变形过程中电阻率在时间和空间两个尺度上的变化，监测孔隙水的运移路径、变化形态以及土颗粒的沉降规律，为观测土体固结变形规律提供了一种科学合理直观的试验装置。

2＞本发明提出的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置中的土体压缩固结装置采用全透明玻璃钢材料制作，材料的选择考虑了土体固结试验对装置刚度的要求以及电阻率监测试验对装置绝缘性的要求；设计结构尺寸与传统土体固结仪尺寸相似比为1.6∶1，全透明和大尺寸的装置形式让试验者的观测更加直观和方便。其中，环刀主体结构设计成带四排预制螺纹孔的形式，方便电极的安装和封孔。

3＞本发明提出的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置中的电阻率监测装置可以实现电阻率数据的自动采集和视电阻率实时成像，可以完成多种数据采集方式的联合观测，采集速度快，准确率高，数据量大，可以实现对试验土体的全方位实时动态监测，特别是通过视电阻率实时成像模块能够对低阻区域的移动变化路径进行跟踪定位识别，使土体固结变形过程中孔隙水的运移路径、变化形态观测更加直观。

4＞本发明提出的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置中的移动式微电极是一种新型电极，微电极头的移动与土体固结变形产生的位移同步，既避免了固定式电极不能跟随土体变形移动而造成对试验土体的破坏，又确保了监测位置的准确性，大大降低了测量误差。

5＞本发明还提出了一种改进的取土器，在取土器的取土筒内设计了一种微型传动装置，它既可以在提取原状土样时将土样与底部土层的连接切断，又可以将土样底部密封，不仅完全避免了掉样的可能性，还可最大程度的保证土样的天然含水率、天然密度等，大大减小了对原状土样的扰动，提高了试验的成功率和试验结果的可靠度，解决了超长环刀取土的难题。

附图说明

图1是本发明整体装置三维效果图。

图2是本发明装置土体压缩固结装置部分剖面结构示意图。

图3是本发明装置预制螺纹孔环刀设计三视图。

图4是本发明装置新型移动式微电极细部图。

图5是本发明装置电阻率监测装置部分模块框图。

图6是本发明装置改进取土器剖面结构示意图。

图6a是图6的横断面视图。

图中：1、水槽，2、下护环，3、带螺纹孔的环刀，4、透水石，5、位移计架，6、加压上盖，7、上护环，8、试验土样，9、移动式微电极，10、导线，11、导电用金属夹，12、集中式电缆，13、智能电极转换模块，14、电阻率采集控制模块，15、供电模块，16、视电阻率实时成像模块，17、预制螺纹孔，18、移动式微电极头，19、固定端，20、取土器头部，21、对开式取土筒，22、管靴，23、转轮，24、不锈钢丝，25、转轴，26、不锈钢片，27、土工膜，28、球铰，29、轨道，30、定滑轮。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行详细的描述。

如图1～图2所示，整个土体压缩固结装置采用全透明玻璃钢材料制作，除带螺纹孔的环刀3单独设计外，其他结构尺寸按照与传统土体固结仪尺寸相似比为1.6∶1制作。在土体压缩固结装置内自下而上依次放置下护环2、透水石4、薄型滤纸，将带有试验土样的带螺纹孔的环刀3装入下护环2内。带螺纹孔的环刀3内径80mm、外径100mm、高300mm，沿侧壁圆周纵向预制四列对称预制螺纹孔17，每列预制螺纹孔17数目为11个，如图3所示，预制螺纹孔17编号自上而下依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#。每个螺纹孔直径6mm，均贯通带螺纹孔的环刀3侧壁，预制螺纹孔17之间中心距为20mm，其中上部的1#预制螺纹孔17中心距离带螺纹孔的环刀3顶端80mm，下部的11#预制螺纹孔17中心距离带螺纹孔的环刀3底端20mm。在带螺纹孔的环刀3内壁涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯，取试验土样8装入下护环2内。移动式微电极9的制作如图4所示，包括移动式微电极头18和固定端19两部分，移动式微电极头18用金属铜制作成底面直径3mm，高度5mm圆锥形状，底面中心焊接导线；固定端采用全透明玻璃钢做成带螺纹的销钉形状，与带螺纹孔的环刀3侧壁预制螺纹孔17配套，将固定端拧入螺纹孔可实现封孔堵水的要求，固定端中轴留有一微小通道，可容导线穿过。带有试验土样的带螺纹孔的环刀3装入下护环2内后，首先在每个预制螺纹孔17内装入一定量的铜粉导电胶或浸泡过饱和食盐水的过饱和粘土制作的耦合剂，然后插入一端连接有导线10的移动式微电极头18，再将固定端19拧入预制螺纹孔17封孔。导线10的另一端通过导电用金属夹11连接到集中式电缆12上，将集中式电缆12连接到电阻率监测装置的智能电极转换模块13上。电阻率监测装置的模块框图如图5所示，四列移动式微电极18连接到四条集中式电缆12上，智能电极转换模块13可同时接入四条集中式电缆12。智能电极转换模块13与电阻率采集控制模块14相连，电阻率采集控制模块14分别与视电阻率实时成像模块16和供电模块15连接。位移计架设置在水槽侧面，其上设有位移计导杆，可在位移计导杆上安置位移传感器，与加压上盖相连，测量试验过程中土体试样的竖向变形位移。

整个室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置连接好后，依次启动供电模块15、智能电极转换模块13、电阻率采集控制模块14、视电阻率实时成像模块16，确保各模块之间通讯正常后，进行首次接地电阻检测。确保每个移动式微电极18与试验土样都接触良好；如果某个移动式微电极18显示接地电阻过大，查找原因，包括测试该移动式微电极18自身的导电性(若自身导电性存在问题，则需更换新的微电极)、该移动式微电极18与试验土样之间的耦合性(确保耦合剂发挥作用)等等。直至接地电阻检测都没有问题时，在试验土样8上依次放上薄型滤纸、透水石4、上护环7和加压上盖6，透水石4的直径要小于环刀3内径0.2～0.5mm。

整套室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置安装好之后，开始试验。首先再次检测每个移动式微电极18处的接地电阻，若没有问题，根据GB/T50123-1999土工试验方法标准中标准固结试验的要求展开试验。试验过程中，电阻率监测装置将在试验土体8中产生均匀稳定的电场，通过智能电极转换模块13实现四列共44个移动式微电极18作为供电电极A、B和测量电极M、N的跳转变换；通过电阻率采集控制模块14控制电阻率的采集方式，如可选择单排测线电阻率剖面法数据采集、双排对称测线电阻率CT法层析扫描数据采集、四列测线电阻率全空间数据采集等；通过视电阻率实时成像模块16实时显示各个剖面空间的电阻率图像。图像中用不同的颜色标识低中高阻区域，低阻区代表孔隙水、中阻区代表土样颗粒、高阻区代表气泡；通过对低阻区域的移动变化路径进行跟踪定位识别，进而推断土体中孔隙水的运移规律以及土颗粒的沉降规律，实时监测试验土体8固结过程中电阻率在空间和时间两个尺度上的变化规律。

改进的取土器剖面结构示意图如图6所示，主体包括取土器头部20、对开式取土筒21和管靴22三部分。取土器头部20和对开式取土筒21、对开式取土筒21和管靴22之间都通过螺纹连接。取土筒21内有暗槽，可恰好放入本发明设计的环刀。取土筒21内还设计有一微型传动装置，包括位于取土筒侧壁上方的转轮23、不锈钢丝24、焊接到取土筒内壁上的转轴25、不锈钢片26、土工膜27。转轴25两端各装有一个定滑轮30，不锈钢丝24藏于取土筒内外壁之间，一端缠绕在转轮23上，另一端通过定滑轮连接到不锈钢片26上，两根不锈钢丝经过两个定滑轮向上连接到转轮23时由两根汇聚为一根。土工膜27一端连接到不锈钢片26上，一端用铆钉固定在取土筒内壁上。使用前，不锈钢丝与不锈钢片的连接是断开的，分别收在取土筒的两个半筒内。含不锈钢片的半筒在不锈钢片的位置外壁处安装有一球铰28。取土器在使用时，首先将装有球铰的那一半取土筒在球铰处向外打开，将两根不锈钢丝分别穿过轨道29连接到不锈钢片的两端上，在取土筒的暗槽内装入设计的环刀，合上取土筒，取土筒上下两头分别跟取土器头部20和管靴22连接固定。依据规范，通过钻孔或静压贯入的方式将取土器贯入待取土层中。提取土样之前，顺时针旋转转轮23，转轮开始缠绕不锈钢丝24，带动不锈钢丝往上走，不锈钢丝通过定滑轮带动不锈钢片26沿轨道由一侧向另一侧滑动，逐渐切断待取土样与底部土层之间的连接，同时带动后方的土工膜27逐步将待取土样的底部密封。待不锈钢片完全滑动到转轴25位置时，转轮停止转动，待取土样与底部土层的连接完全切断，同时待取土样底部的密封工作完成。提取土样之后，取下取土器头部20和管靴22，将带球铰的那一半取土筒在球铰处向外打开，取出环刀和土样整体，利用切土刀按照土工试验标准沿环刀上下侧把土样切断，并整平环刀两端土样，完成土试样的制备工作。

Claims (8)

1.一种室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，其特征在于：它包括土体压缩固结装置和电阻率监测装置两部分，土体压缩固结装置包括水槽、上护环、下护环、带螺纹孔的环刀、透水石、加压上盖、位移计导杆、位移计架，其中，带螺纹孔的环刀的上端安装上护环，下端安装下护环，下护环置于水槽内，上护环上设有加压上盖，加压上盖与带螺纹孔的环刀之间是透水石，在带螺纹孔的环刀的侧壁上设有至少一列垂直的预制螺纹孔，在各预制螺纹孔内封装相应的移动式微电极，所述移动式微电极通过导线与集中式电缆连接；位移计架设置在水槽侧面，其上设有位移计导杆，可在位移计导杆上安置位移传感器，与加压上盖相连，测量试验过程中土体试样的竖向变形位移；电阻率监测装置包括集中式电缆、智能电极转换模块、电阻率采集控制模块、视电阻率实时成像模块和供电模块，智能电极转换模块与电阻率采集控制模块连接，电阻率采集控制模块则分别与供电模块和视电阻率实时成像模块连接；土体压缩固结装置在压缩土体时，电阻率监测装置利用电阻率法监测土体固结变形过程中孔隙水的运移规律，监测土体固结变形过程中电阻率在时间和空间两个尺度上的变化，监测孔隙水的运移路径、变化形态以及土颗粒的沉降规律。

2.根据权利要求1所述的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，其特征在于：所述土体压缩固结装置的水槽、上护环、下护环、带螺纹孔的环刀、加压上盖采用全透明玻璃钢材料制作，带螺纹孔的环刀沿圆周方向对称设有四列预制螺纹孔。

3.根据权利要求1或2所述的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，其特征在于：所述移动式微电极分为移动式微电极头和固定端两部分，移动式微电极头使用金属铜制作，与导线焊接；固定端采用全透明玻璃钢做成带螺纹的销钉形状，中轴线位置留有细小的通道，导线从中穿过；微电极头的移动与土体固结变形产生的位移同步。

4.根据权利要求1所述的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，其特征在于：所述智能电极转换模块为移动式微电极作为供电电极A、B和测量电极M、N的跳转变换；电阻率采集控制模块控制电阻率的采集方式；视电阻率实时成像模块则是将采集到的电阻率数据依据电阻率值的大小差异赋予不同的颜色，以图像的形式实时显示，并且自动保存；供电模块为整个电阻率测量装置供电。

5.根据权利要求1所述的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置，其特征在于：所述电阻率监测装置进行电阻率数据的自动采集和视电阻率实时成像，完成多种数据采集方式的联合观测，对试验土体的全方位实时动态监测；通过视电阻率实时成像模块对低阻区域的移动变化路径进行跟踪定位识别，使土体固结变形过程中孔隙水的运移路径、变化形态观测更加直观。

6.一种权利要求1所述的室内土体试样压缩固结与电阻率实时成像监测装置用取土器，其特征是，它包括取土器头部、对开式取土筒和管靴，带螺纹孔的环刀置于对开式取土筒的暗槽内，在对开式取土筒内设有微型传动装置，微型传动装置与切土用不锈钢片连接，不锈钢片与土工膜一端连接，土工膜另一端连接在对开式取土筒内壁。

7.如权利要求6所述的取土器，其特征是，所述微型传动装置包括安装在对开式取土筒上部的转轮，转轮与对开式取土筒内外壁之间的不锈钢丝一端连接，不锈钢丝的另一端分为两路，分别穿过固联在对开式取土筒下部内壁的转轴两端的定滑轮以及相应的轨道后与不锈钢片连接，不锈钢片与转轴位置相对。

8.如权利要求6所述的取土器，其特征是，所述对开式取土筒外壁处设有球铰。

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