CN104020047A - 一种固结渗透联合试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固结渗透联合试验装置和方法，包括用于放置实验土样的土样仓，土样仓的顶端和底端都设有透水石，或一端设有透水石且另一端设有不透水试块；透水石上设有与该透水石导通的孔隙水导管，且孔隙水导管上设有孔隙水流量监测仪；土样仓顶部设有密封塞；土样仓的底部固定在平台上，且该土样仓顶部设有加压装置；土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；平台上设有用于放置土样仓的样品室，加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；样品室固定于平台上，且顶部设有开口；拉力架的第一端通过连接机构连接配重块，第二端套接在样品室上以对样品室内的试验样本进行加压。

Description

一种固结渗透联合试验装置和方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，特别是涉及一种固结渗透联合试验装置和方法。

背景技术

固结渗透联合试验适合同时为一般建筑工程到大荷载工程、深埋工程、地面沉降工程提供土体压缩及渗透方面试验参数。

土体受到的有效应力为总应力减去孔隙水应力，即有效应力σ′=总应力σ-孔隙水应力u。饱和土体在有效应力作用下，饱和土体中的孔隙水会发生运移渗透，孔隙水应力逐渐消散并将有效应力逐渐传递给土颗粒，该原理便是著名的太沙基有效应力原理。该原理过程说明饱和土体孔隙水的渗流与土体的变形固结是同时产生的。因此需要对土样进行固结渗透联合试验以测试土样的有效应力。

固结试验及渗透试验是为工程建设、施工及相关工程提供设计参数的重要试验手段。以往的固结试验和渗透试验是由固结试验仪和渗透试验试验仪分别来完成的。而根据有效应力原理，饱和土体孔隙水的渗流与土体的变形固结是同时产生的，而实际上工民建、基坑降水、地面沉降对土体产生的是固结渗透耦合作用。以往在饱和土体的固结试验过程中，虽然土样也有孔隙水排出，但可能由于土样排出的水与大气直接接触产生水量蒸发等多方面的原因而没有进行排水的量测试，所以固结试验只提供土样固结变形参数，不涉及渗透参数；而传统的渗透试验是由渗透仪来完成，常规渗透仪分为定水头渗透仪（适用于做砂样）及变水头渗透仪（适用于做土样）两种，水头一般为2.0m，是一定时间内、一定温度下透过土样的水头损失来计算出渗透参数，不涉及压缩参数，得到的渗透系数对于与之相匹配工程（水坝建设、防洪等工程）有一定的指导意义。但为对土体产生压缩工程提供的渗透系数会产生很大偏差（提供的渗透系数一般可能会偏大，由于渗透系数的大小与孔隙比的大小呈正相关，土体在压缩过程中孔隙比会逐渐变小），有的甚至相差2个数量级，但目前土工试验室仍然用传统的渗透试验方法提供的渗透参数，这给相应的实际工程设计、预算等带来很大不确定性，可能会产生很大经济损失。该发明同时测试土样的固结、渗透指标，切合实际工程条件，可为工民建的设计、地面沉降研究提供变形及渗透两个方面的参数，得到数据更有针对性。固结试验垂直最大应力可达20MPa，即可为一般工民建工程提供试验参数，也可为高层、超高层、重大荷载建筑设计、深部（埋深约在1500m内）地面沉降机理研究预测提供相应参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、加压稳定性好、能够提供20Mpa压力的固结渗透联合试验装置和方法。

为解决上述技术问题，本实用新的实施例提供一种固结渗透联合试验装置，包括用于放置实验土样的土样仓，所述土样仓的顶端和底端都设有透水石，或其中一端设有透水石且另一端设有不透水试块；所述透水石上设有与该透水石导通的孔隙水导管，且所述孔隙水导管上设有孔隙水流量监测仪；所述土样仓顶部设有密封塞；其中土样仓的底部固定在平台上，且该土样仓顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；所述平台上设有用于放置土样仓的样品室，所述加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；其中所述样品室固定于平台上，且顶部设有开口；所述拉力架的第一端通过连接机构连接所述配重块，第二端套接在所述样品室上以通过所述配重块的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。

作为上述技术方案的优选，所述孔隙水导管为透明管，且所述孔隙水流量监测仪为所述透明管上的刻度。

作为上述技术方案的优选，所述拉力架为一矩形框，包括两个竖直框、顶部水平框、底部水平框，所述底部水平框通过连接机构连接配重块，所述顶部水平框设有用于对所述样品室内的试验样本进行加压的凸起。

作为上述技术方案的优选，所述平台上设有两个开口以使所述拉力架的两个竖直框套接在所述开口内。

作为上述技术方案的优选，所述平台上还设有支架，所述变形传感器一端连接顶部水平框，另一端连接支架。

作为上述技术方案的优选，所述连接机构包括连杆、连接线、滑轮组，所述连杆一端连接所述拉力框，另一端通过连接线连接所述配重块；所述滑轮组包括下滑轮组和定滑轮；其中所述下滑轮组设置在该平台之下；该平台上设有一个突出于平台上表面的支撑架，该定滑轮设置在该支撑架上；所述连接线一端固定在该拉力框的底部水平框上，另一端固定在该配重块上；且所述连接线绕接在所述下滑轮组和定滑轮上。

作为上述技术方案的优选，还包括连接所述垂直应力传感器和变形传感器的数据处理单元。

为了达到上述目的，本发明实施例还提出了一种利用前述任意一种固结渗透联合试验装置进行固结渗透联合试验的方法，包括：

制样步骤：在切样环刀内壁涂覆润滑剂，通过该切样环刀将土样制成圆柱形，然后对切样环刀及其中的圆柱形土样进行称重并进行物理性质试验；

抽真空步骤：将试样放置在饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走；然后边注入蒸馏水边继续抽气，以使试样的饱和度Sr≥90%；

试样安装步骤：将透水石进行浸水饱和后，将试样从饱和器中挪入到样品室内，并在该试样的一端放置透水石，另一端放置透水石或不透水试块；然后加入密封塞并安装好变形传感器和垂直压力传感器；

试验步骤：对试验设备进行调试后，进行加荷试验。

作为上述技术方案的优选，所述试验步骤具体包括：

对试验设备进行调试，并设置数据处理单元的读数间隔时间；进行一级加荷并获取荷载下的土样变形和孔隙水排出量；

当土样变形稳定后，进行下一级加荷或卸荷。

作为上述技术方案的优选，所述方法还包括：通过所述数据处理单元对该试样所受到的应力、产生的形变、实时孔隙水排出量的实时数据进行采集并记录。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，能够通过配重块任意调整垂直应力，以完成垂直应力0～20MPa土工压缩试验。该装置的核心是记录变化应力下不同时刻样品的变形量，从而计算出土样其它的相应变形指标。本发明的固结渗透联合试验装置包括加压装置、垂直应力传感器、变形传感、装置数据处理单元，集土工试验的固结试验仪、压缩过程中渗透试验仪为一体的试验装置。主要依据于饱和土体在有效应力作用下固结与孔隙水的渗透是同时产生的原理制成的。通过对土样逐级施加压力，测定有侧限条件下不同时刻土样的垂直变形量及与之对应的孔隙水释出量。该试验能同时完成测试固结参数和测试土样渗透参数，从而不但可以计算上述二的压缩指标，也可计算压缩过程中土体渗透参数，即固结过程不失渗透排水过程。本发明适用范围广（垂直应力0～20MPa）、试验过程密封性好，数据可靠，克服了仅利用目前常规渗透试验方法提供渗透参数偏大的缺陷以及固结试验仅提供固结单方面指标，适合测试土体压缩过程中固结参数与渗透参数测试。 

附图说明

图1为本发明实施例的土样仓的结构示意图；

图2为本发明实施例的加压装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例提出了一种固结渗透联合试验装置，其结构如图1、图2所示的，包括用于放置实验土样的土样仓101，所述土样仓101的顶端和底端都设有透水石102，或是其中一端设有透水石另一端设有不透水试块，且所述土样仓101顶部设有密封塞105。如图1所示的，是两端都设置透水石102的结构。如图1所示的，所述透水石102上设有与该透水石102导通的孔隙水导管104，且所述孔隙水导管上设有孔隙水流量监测仪。具体的，该孔隙水流量监测仪23可以设置在如图2所示的平台上，并连接该孔隙水导管104。其中，所述孔隙水导管104为透明管，且所述孔隙水流量监测仪为所述透明管上的刻度。在使用时，可以先记下孔隙水导管104内的初始读数，然后用试验中孔隙水导管104内的孔隙水排出量减去该初始读数，即为实时的实际孔隙水排出量。如图1所示的，该孔隙水导管104可以穿过该密封塞105和底部基座。

如图1、图2所示的，其中土样仓101的底部固定在平台1上，且顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器103和变形传感器12以测试应力和土样的变形。

如图2所示的，所述平台1上设有用于放置土样仓的样品室2，所述加压装置包括用于提供压力的配重块3、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架4。其中所述样品室2固定于平台上，且顶部设有开口。所述拉力架4的第一端通过连接机构连接所述配重块3，第二端套接在所述样品室2上以通过所述配重块4的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。这样在使用时，通过调整配重块的重量可以获得所需的测试压力，具有量程大、结构简单、稳定性好、精度高的优点。

如图1所示的，垂直应力传感器103和变形传感器12连接数据处理单元106，并通过所述数据处理单元106对该试样所受到的应力和产生的形变的实时数据进行采集并记录。

具体的，如图2所示，该拉力架4为一矩形框，包括两个竖直框、顶部水平框、底部水平框。该底部水平框通过连接机构连接配重块，所述顶部水平框设有用于对所述样品室内的试验样本进行加压的凸起41。这样可以通过该凸起41来对测试样本进行加压，以提高加压的稳定性和持续性。

具体的，该连接机构可以如图2所示的，包括连杆5和连接线6，所述连杆5一端连接所述拉力框4，另一端通过连接线6连接所述配重块3。

为了进一步提高稳定性，如图2所示的，所述平台1上设有两个开口以使所述拉力架4的两个竖直框套接在所述开口内。这样该开口可以起到限位作用，以防止该拉力架4产生侧向位移影响加压效果。如图2所示，所述平台1上还设有支架11，所述顶部水平框通过变形传感器12连接在所述支架11上。如图2所示，所述连杆5上设有垂直拉力传感器51。

如图2所示，所述连接机构还包括滑轮组，所述连接线6绕接在所述滑轮组上。具体的，如图2所示，该滑轮组包括下滑轮组7和固定在定滑轮8。其中该下滑轮组7设置在该平台1底部，且该平台1上设有一个突出于平台1上表面的支撑架12，且该定滑轮8设置在该支撑架13上。该连接线6一端固定在该拉力框4的底部水平框上，另一端固定在该配重块4上；且该连接线6绕接在该下滑轮组7和定滑轮8上。这样可以进一步提高整体结构的稳定性。如图2所示，所述样品室2的侧壁上设有侧向压力传感器21，且所述样品室的底部设有水平压力传感器22。

如图2所示，所述样品室2底部设有孔隙水出口，所述孔隙水流量监测仪23穿过该孔隙水出口连接土样仓101的孔隙水导管104。

为了达到上述目的，本发明实施例还提出了一种利用前述任意一种固结渗透联合试验装置进行固结渗透联合试验的方法，包括：

制样步骤：在切样环刀内壁涂覆润滑剂，通过该切样环刀将土样制成圆柱形，然后对切样环刀及其中的圆柱形土样进行称重并进行物理性质试验；

抽真空步骤：将试样放置在饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走；然后边注入蒸馏水边继续抽气，以使试样的饱和度Sr≥90%；

试样安装步骤：将透水石进行浸水饱和后，将试样从饱和器中挪入到样品室内，并在该试样的一端放置透水石，另一端放置透水石或不透水试块；然后加入密封塞并安装好变形传感器和垂直压力传感器；

试验步骤：对试验设备进行调试后，进行加荷试验。

其中，所述试验步骤具体包括：

对试验设备进行调试，并设置数据处理单元的读数间隔时间；进行一级加荷并获取荷载下的土样变形和孔隙水排出量；

当土样变形稳定后，进行下一级加荷或卸荷。

其中，所述方法还包括：通过所述数据处理单元对该试样所受到的应力、产生的形变、实时孔隙水排出量的实时数据进行采集并记录。

具体的，所述方法可以具体包括：

第一，试样制作。制样过程与一般土工渗透试样制备过程基本一致，将土样制成直径ф为61.8mm、高H为40mm的圆柱形试样，同时做含水量等相关物理性质试验。该注意的是：(1)为确保试验数据的准确形，切样环刀内壁需涂一层薄薄的凡士林或真空脂；（2）切样过程中，尽量使试样整体性保持完好；制好样后称量环刀+土样的重量；

第二，试样抽真空饱和。获得试验必须全部抽真空饱和。将试样放置于饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走，可视土的性质抽真空的时间为4-8小时，然后边注入蒸馏水边抽气，浸泡时间大于24小时，试验前称重，设法使试样饱和度Sr≥90%，若达不到该饱和度的标准需重抽真空饱和；

第三，试样安装。（1）将两块透水石进行浸水饱和，然后将其中一块透水石置于样品室的底座上；（2）样品室部分与底座固定好，将样品从饱和器中取出，轻轻推入样品室，试样上加另一块透水石（也可根据工程要求做单面排水固结试验，将其中一块透水石换成不透水的试块）、再加入密封塞，安装好变形传感器；

第四，安装好垂直应力传感器103；

第五，安装好的孔隙水导管，并记下初始读数，试验过程中的孔隙水排出量为总量减去初始读数，并实时测量；

第六：试验设置及试验过程。①首先在采集系统进行调零；②在计算机试验软件中设置好采集试验读数间隔；③可加荷一级开始试验。随着时间的延续，以及荷载下土样变形逐渐稳定（按相应规范推理土样判稳变形≤0.005mm/小时），可加下一级荷载（或卸荷），直至完成试验；

第七，每加一级荷载即垂直应力就会得到不同时刻内一系列的相应变形、相应孔隙水排出量；逐渐增加负荷或卸荷可以得到不同应力下土样的一系列变形及孔隙水排出量，完成试验；

第八，可通过固结试验参数、物理性质参数及渗透参数计算相应的其他变形及渗透指标。

本发明的装置和方法的适用范围为：

(1)土体试样：适用于测试粉砂、细砂、中砂、粗砂、粉土、粉质粘土、粘土等土样。

(2)试样尺寸：面积30cm2,直径Ф61.8mm，高度40mm；

(3)试样饱和度Sr≥90%；

(4)试样垂直应力范围：0～20MPa，垂直应由垂直应力传感器传递，应力精度：≤1%F.S，另由于误差受到量程的控制，另可根据试验要求更换传感器的大小；

(5)变形范围：0～10mm，精度：≤1%F.S；

(6)孔隙水量装置：读数精确到0.1ml；

(7)工作环境条件：温度15-25度，相对湿度≥40%，无振动影响，电源：交流电±220v。

该发明主要依据饱和土体在有效应力作用下，其孔隙水的渗流与土体的变形固结是同时产生的原理。该发明主要工艺是在上述“二、固结试验系统”的基础上，在试样上下透水石的外侧各置于一个与透水石相通的导水管孔，并接上一个特种的量管，对压缩过程中排出的水量实时量测，这样每个应力下的任意时间段，都对应有土样变形及相应的孔隙水渗出量，从而可计算出不同时刻土样的变形参数、渗透参数。

固结渗透联合试验装置制作工艺：

该试验系统的特征：垂直应力大最大20MPa、要求材料变形恒定、密封性好、排出水量不被损失。

(1)样品室。一般材料强度不够，样品室采用一个内径ф为61.8mm，外径ф为100mm的无缝钢筒制成的、同样密封塞也是用无缝钢块制成；

(2) 在密封塞内及下透水石之下各打有一个出水孔，接专用排水管（根据固结试验原理，试验过程中土样会排出孔隙水），以便使压缩过程中排出的水排走，并备有专门的密封塞，若试验条件需要可将其中一侧出水孔封住；

(3)在试样上安置应力传感器及变形传感器。①应力传感器放置在密封塞的上端，密封塞为钢柱制成的，不但能承受及传递相应的应力，传力过程损失很小；②变形传感器同样也安置在密封塞的上端，至于仪器本身、包括密封塞产生的仪器变形可以测出并进行校正；

(4)高压透水石。主要作用是将本样品试验过程中排出的水分及时透出排走，该发明需要给样品施加20MPa的应力，那么透水石也需要能承受20MPa的力，所用透水石为特别制作。

本申请的技术已经获得了如下资助：

国家自然科学基金项目(No：41272301)，

石家庄市科技局项目( No.:04121383A)，

中国地质科学院项目（SK07006 、SK201010）。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固结渗透联合试验装置，其特征在于，包括用于放置实验土样的土样仓，所述土样仓的顶端和底端都设有透水石，或其中一端设有透水石且另一端设有不透水试块；所述透水石上设有与该透水石导通的孔隙水导管，且所述孔隙水导管上设有孔隙水流量监测仪；所述土样仓顶部设有密封塞；其中土样仓的底部固定在平台上，且该土样仓顶部设有加压装置；所述土样仓设有垂直应力传感器和变形传感器；所述平台上设有用于放置土样仓的样品室，所述加压装置包括用于提供压力的配重块、用于为所述样品室内的土样仓进行加压的沿竖直方向设置的拉力架；其中所述样品室固定于平台上，且顶部设有开口；所述拉力架的第一端通过连接机构连接所述配重块，第二端套接在所述样品室上以通过所述配重块的重力对所述样品室内的试验样本进行加压。

2.根据权利要求1所述的固结渗透联合试验装置，其特征在于，所述孔隙水导管为透明管，且所述孔隙水流量监测仪为所述透明管上的刻度。

3.根据权利要求1所述的固结渗透联合试验装置，其特征在于，所述拉力架为一矩形框，包括两个竖直框、顶部水平框、底部水平框，所述底部水平框通过连接机构连接配重块，所述顶部水平框设有用于对所述样品室内的试验样本进行加压的凸起。

4.根据权利要求1所述的固结渗透联合试验装置，其特征在于，所述平台上设有两个开口以使所述拉力架的两个竖直框套接在所述开口内。

5.根据权利要求1所述的固结渗透联合试验装置，其特征在于，所述平台上还设有支架，所述变形传感器一端连接顶部水平框，另一端连接支架。

6.根据权利要求3所述的固结渗透联合试验装置，其特征在于，所述连接机构包括连杆、连接线、滑轮组，所述连杆一端连接所述拉力框，另一端通过连接线连接所述配重块；所述滑轮组包括下滑轮组和定滑轮；其中所述下滑轮组设置在该平台之下；该平台上设有一个突出于平台上表面的支撑架，该定滑轮设置在该支撑架上；所述连接线一端固定在该拉力框的底部水平框上，另一端固定在该配重块上；且所述连接线绕接在所述下滑轮组和定滑轮上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的固结渗透联合试验装置，其特征在于，还包括连接所述垂直应力传感器和变形传感器的数据处理单元。

8.一种利用如权利要求1-6任一项所述的固结渗透联合试验装置进行固结渗透联合试验的方法，其特征在于，包括：

制样步骤：在切样环刀内壁涂覆润滑剂，通过该切样环刀将土样制成圆柱形，然后对切样环刀及其中的圆柱形土样进行称重并进行物理性质试验；

抽真空步骤：将试样放置在饱和器中，用真空泵将试样中的空气抽走；然后边注入蒸馏水边继续抽气，以使试样的饱和度Sr≥90%；

试样安装步骤：将透水石进行浸水饱和后，将试样从饱和器中挪入到样品室内，并在该试样的一端放置透水石，另一端放置透水石或不透水试块；然后加入密封塞并安装好变形传感器和垂直压力传感器；

试验步骤：对试验设备进行调试后，进行加荷试验。

9.根据权利要求8所述的固结渗透联合试验的方法，其特征在于，所述试验步骤具体包括：

对试验设备进行调试，并设置数据处理单元的读数间隔时间；进行一级加荷并获取荷载下的土样变形和孔隙水排出量；

当土样变形稳定后，进行下一级加荷或卸荷。

10.根据权利要求8所述的固结渗透联合试验的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过所述数据处理单元对该试样所受到的应力、产生的形变、实时孔隙水排出量的实时数据进行采集并记录。