CN104020092A - 一种固结孔隙水压力联合试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固结孔隙水压力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；土样仓的侧壁设有用于监测孔隙水压力参数的孔隙水压力传感器，且在所述土样仓设有透水石的一端放置用于监测释水压力的释水压力传感器；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。本发明适合工业民用建筑及相关工程的设计或预测研究领域，为一般建筑工程到大荷载工程地面沉降工程等的设计、预测等工程有重要意义。

Description

一种固结孔隙水压力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孔隙水压力联合试验装置和方法。 

背景技术

固结孔隙水压力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，饱和土体孔隙水要发生运移渗透、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。因此如何获取公式中所谓孔隙水应力u对于固结孔隙水压力联合试验至关重要。 

在对土体施加总应力的过程中，总的应力是怎样转化成土体的有效应力的、排水压力又是怎样变化的，土体颗粒间的有效应力是难以测量。目前还没有一台相应的仪器设备。 

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压力的固结孔隙水压力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孔隙水压力联合试验装置，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；所述土样仓的侧壁设有用于监测孔隙水压力参数的孔隙水压力传感器，且在所述土样仓设有透水石的一端放置用于监测释水压力的释水压力传感器；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孔隙水压力联合试验装置进行固结孔隙水压力联合试验的方法，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、孔隙水排出量、释水压力；

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。本发明的固结孔隙水压力联合试验装置包括加压装置、垂直应力传感器、变形传感器、装置数据处理单元，通过对饱和土样加载、测试土样产生变形，同时测试土样在压缩过程中的孔隙水应力，该系统适用于应力0～20MPa范围内土体的压缩固结变形参数测试，同时适用于土体压缩过程中孔隙水压力、释水压力参数的测试、研究土的变形机理。本发明适合工业民用建筑及相关工程的设计或预测研究领域。固结孔压联合试验系统，可提供土体压缩及压缩过程中孔隙水压力参数，对为一般建筑工程到大荷载工程、深埋工程、地面沉降工程等的设计、预测工程有特别重要意义。本发明可以用于对土样固结过程中孔隙水压力的测试、土样固结过程中排水压力的测试、可以选择合适量程传感装置、土体本身的排水条件。

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孔隙水压力联合试验装置，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所示的，所述土样仓101的侧壁设有用于监测孔隙水压力参数的孔隙水压力传感器107，且在所述土样仓设有透水石的一端放置用于监测释水压力的释水压力传感器108。 

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孔隙水压力联合试验装置进行固结孔隙水压力联合试验的方法，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、孔隙水排出量、释水压力；

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。所不同的是：（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；

第二，样品抽真空饱和。由于深部土在取样、送样过程中厉行的时间长，损失一些含水量，因此，必须对这部分水尽可能补充，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，使试样的饱和度Sr≥90%；

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，慢慢推入样品室，试样上加另一块透水石（也可根据工程要求将其中一块透水石换成不透水的试块）、再加入密封塞；

第四，安装好相应规格传感器及相关装置。安装固定好排水管及变形传感器，根据实验要求选择相应应力传感器、孔隙水压力传感器；

第五，数据采集及试验。①采控制器调零；②在试验软件中设置好试验读数间隔，同时可加荷一级开始试验。其中，垂直应力传感器、孔隙水应力传感器可装样前事先固定好，不用重新调节。随着时间的延续，以及某级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；

第六，试验数据整理计算。每一级荷载即垂直应力下、都会有不同时刻内一系列的相应变形、孔隙水压力等参数，往复试验，从而，可以得到不同应力下的土样的变形、孔隙水压力、释水压力等参数，根据需要进行整理得到最终实验结果。

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)试样垂直应力量程： 20MPa，垂直应由垂直应力传感器传递，传感器精度：≤1%F.S。因为传感器的精度为1%FS，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（变形传感器）：0～10mm，精度：≤1%F.S；

(6)孔隙水压力传感器有两个：①侧向孔隙水压力传感器：量程20MPa，精度1%FS；②透水石底部传感器:量程1MPa，精度1%FS；因为传感器的精度为1%FS，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；

(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。

该发明主要工艺主体为固结试验装置，在土样仓中间及其中一侧透水石的外部各放置一个水压传感器。这样可在测试土样的变形参数的同时，在压力室中间放置的孔隙水压力传感器可以测试土样压缩过程中孔隙水的压力变化参数；在透水石的外部放置释水压力传感器可以测试渗水压力参数。 

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、No.40472139)，

地质调查项目（No.：1212010535501），

石家庄市科技局项目( No.:04121383A)。

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)

1.一种固结孔隙水压力联合试验装置，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；所述土样仓的侧壁设有用于监测孔隙水压力参数的孔隙水压力传感器，且在所述土样仓设有透水石的一端放置用于监测释水压力的释水压力传感器；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所述的固结孔隙水压力联合试验装置，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所述的固结孔隙水压力联合试验装置，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所述的固结孔隙水压力联合试验装置，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所述的固结孔隙水压力联合试验装置，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所述的固结孔隙水压力联合试验装置，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任一项所述的固结孔隙水压力联合试验装置，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任一项所述的固结孔隙水压力联合试验装置进行固结孔隙水压力联合试验的方法，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所述的固结孔隙水压力联合试验的方法，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、孔隙水排出量、释水压力；

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所述的固结孔隙水压力联合试验的方法，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。