CN104458430A - 一种多功能非饱和土固结仪及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种多功能非饱和土固结仪及测试方法，属于土工测试仪器领域。在固结仪试验平台的加载杆上运用止推轴承、直线轴承和调心件和轴向压力传感器的内置方式，消除加载时摩擦力的影响，运用旋转刚性连接组件的设计减少了对试样的不必要的预压力，调心组件的设计解决了由于加工和安装引起的加载杆和试样偏心的问题。同时对结构的优化设计使其能够适应多种加载平台，保证其可以在现有饱和土固结仪上进行试验，也可以在三轴压缩试验仪上进行试验。
Description
技术领域
本发明一种多功能非饱和土固结仪属于土工测试仪器领域，涉及非饱和土的固结试验，特别是涉及非饱和土控制吸力的侧向力测试。
背景技术
岩土行业在进行基础建设规划和施工之前，需要对建筑地基涉及的岩土的力学性质进行试验，试验通常在室内试验室进行，其中对土的力学性能的试验，就叫土工试验，土工试验使用主要工具就是土工测试仪器。非饱和土测试仪器是指对非饱和土进行相关力学性能试验的仪器。
目前非饱和土测试仪器的发展还不够完善，但是研究非饱和土的力学性质却十分重要。这是由于地表上的土大部分是非饱和土，我们日常所遇到的岩土工程问题许多也都是非饱和土力学问题。目前大多数的非饱和土土力学问题都是按照或者借用饱和土力学理论解决的，因此急需建立完善的非饱和土土力学理论体系。
自上世纪70年代以来，非饱和土土力学一直是土力学和岩土工程研究的热点和前沿领域，建立非饱和土的理论体系和非饱和土的应力应变本构模型是现代土力学的艰巨任务。土的力学试验在土力学理论体系的建立和发展过程中，以及岩土工程建设中起着重要的作用。鉴于非饱和土的复杂性，建立非饱和土土力学的理论体系更是必须以非饱和土的力学试验为基础。回顾非饱和土土力学的发展，可以说，缺乏准确有效的非饱和土测试仪器是限制非饱和土力学发展的重要因素。
现有的非饱和土固结仪大多只能单一的完成控制吸力的固结实验，不能进行控制吸力的K0固结试验，无法实现非饱和土的侧向压力σ3的测量以及静止侧压力系数的试验验证。
发明内容
为了实现控制吸力的非饱和土固结试验和K0固结试验、土-水特性曲线的测定、饱和土的固结试验和K0固结试验，提高测量的精确度，本发明提供了如下技术方案：
一种多功能非饱和土固结仪，主要由固结仪加载平台，砝码托盘，砝码，杠杆，平衡锤，加载连接块，连接杆，气压室和固结仪加载构件组成。
加载平台为矩形桌体结构，并坐落于另一个较大的下层桌体台面上，下层桌体台面固定杠杆支座，杠杆固定在杠杆支座上；杠杆一端固定平衡锤，另一端铰接砝码托盘，加载连接块为轴对称构件，加载连接块的中心通过轴承固定于杠杆上砝码一侧，距离杠杆支座的距离是杠杆支座与砝码铰接端总长度1:24的位置；加载连接块垂直于杠杆，两端伸出加载平台的侧面，加载连接块限定在加载平台侧面的滑槽中上下垂直运动；加载连接块可轴向自由旋转；两个连接杆的下端分别固定于加载连接块两侧的端点上，上端与加载横梁的两端固定连接，形成可绕加载连接块轴旋转的框架体；固定平衡锤的位置，使杠杆保持水平平衡状态。
气压室的中心位于加载连接块的支点位置，固定于加载平台的上表面；气压室主要由气压室底座、有机玻璃侧壁和气压室上盖组成；在有机玻璃侧壁与气压室上盖和下盖的接触位置安装有气密封橡胶条；为了保证气压室的密封性，使用四根蝶形螺杆压紧气压室底座与有机玻璃侧壁以及气压室上盖与有机玻璃侧壁之间的气密封橡胶条，气压室上盖留有气压输入口和固结仪加载杆的通道；加载杆与气压室上盖的连接处用星型橡胶圈密封。
非饱和土压力室位于气压室中；圆柱形不锈钢陶土板底座开有两个通透的孔洞，气压室底座与陶土板底座的相对应位置也开有通透的孔洞；将陶土板底座孔洞与气压室底座上的孔洞相互对齐，将陶土板底座固定在气压室底座上，两个连接管分别接通两处通透的孔洞，从其中管线进水，另个一管线排水；在陶土板底座的下表面围绕每个孔洞开有安装密封圈的凹槽，陶土板底座与气压室底座连接的最外侧一圈也开有安装密封圈的凹槽；陶土板底座的上端是囊括陶土板底座上两个通透孔洞的圆形凹陷，陶土板烧结在陶土板底座的圆形凹陷中；陶土板上端与陶土板底座的上边沿持平。
带侧压腔环刀沿着内侧壁中间有一圈凹槽，带侧压腔环刀两侧的凹槽位置开有通向外部的孔洞，并通过管接头与气压室外的侧压力发生装置和侧压力传感器连接；带侧压腔环刀内壁固定不透水的弹性试样膜；带侧压腔环刀的边沿持平的上表面是多孔板，在多孔板下面的带侧压腔环刀内填满非饱和土。
带侧压腔环刀固定于陶土板底座的上表面；在带侧压腔环刀下表面与陶土板和陶土板底座的连接处皆用密封圈密封；试样加载板置于多孔板的上面，试样加载板的中心处为与加载帽底端相互匹配的凹陷。
固结仪加载构件主要由垂直的调节螺栓、加载杆和加载帽组成；调节螺栓由紧定螺母垂直固定于固结仪加载横梁的中心点，安装有止推轴承的连接件连接调节螺栓的下端和和加载杆的上端；加载杆穿过气压室上盖，在气压室中与轴向压力传感器固定连接；加载帽下端为与试样加载板的中心处凹陷相匹配的凸起；上端的圆形帽檐嵌套于调心件下端的滑槽中，加载帽可在调心件的滑槽中水平位移；调心件的上端与传感器支座的下端固定连接；轴向压力传感器的下端与传感器支座固定连接。
底座上的冲水孔洞和排水孔洞分别开在圆柱形不锈钢陶土板底座的中心和边缘，陶土板底座上端的圆形凹陷底面为开有从中心孔洞圆点逐渐走向外圈的螺旋形凹槽，螺旋形凹槽的终点位于陶土板底座边缘的孔洞处。
在气压室上盖上表面安装了轴承座、轴承盖以及直线轴承，实现对加载杆垂直运动方向的约束。
带侧压腔环刀通过圆环形试样上盖和陶土板侧围盖与陶土板底座固定连接；将顶端带有外沿的空腔圆柱形陶土板侧围盖套在陶土板底座外侧，圆环形试样上盖从周边压住带侧压腔环刀的上表面；用紧固件固定连接试样上盖、带侧压腔环刀和陶土板侧围盖顶端的外沿；在带侧压腔环刀上下端的所有连接处开有凹槽，并安装密封圈。
多功能非饱和土固结仪测试方法如下：
步骤一，试件安装：将气压室底座放置在加载平台上，然后将密封圈和饱和的陶土板底座安装在气压室底座上；将弹性试样膜固定于带侧压腔环刀的内侧面；通过管接头连接的管路将带侧压腔环刀的侧压腔内充满无气水；将陶土板侧围盖、带侧压腔环刀以及试样上盖安装到陶土板底座上，并将饱和好的试样推入带侧压腔环刀内；使用螺栓压紧陶土板侧围盖、带侧压腔环刀以及试样上盖三者之间的O型橡胶圈实现侧压腔的密闭；将多孔板以及试样加载板放置于试样上方；安装有机玻璃侧壁以及气压室上盖，并通过螺栓压紧O型橡胶实现气压室的密闭；将连接件与调节螺栓的螺纹旋合，然后旋转调节螺栓使加载帽与试样加载板预接触；
步骤二，两个管线分别连接气压室底座上的冲水孔洞和排水孔洞，用从其中一个管线冲水另一个管线排水的方式，对试样和陶土板进行充水排气；
步骤三，旋紧紧定螺母；使用自制的电控气压控制柜通过气压室上盖上预留的通道向气压室内施加设定的气压力，使气体通过多孔板均匀的作用于试样的上表面，使试样进气排水以达到预定的饱和度；此过程中的气压力大小由计算机软件实时调节并监控记录；
步骤四，待试样达到预定饱和度后，向砝码托盘上逐级加砝码对试样施加轴向压力，并通过计算机记录轴向压力传感器与侧压力传感器的读数，得到其K0值，完成非饱和土K0固结试验。
本发明的显著效果是：功能丰富、测量精度高、结构紧凑，轴向压力传感器的内置消除摩擦力的影响，旋转刚性连接组件的设计减少了对试样的不必要的预压力，调心组件的设计解决了由于加工和安装引起的加载杆和试样偏心的问题，同时对结构的优化设计使其能够适应多种加载平台，保证其可以在现有饱和土固结仪上进行试验，也可以在三轴压缩试验仪上进行试验。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明剖视图。
图中：1-气压室底座，2-陶土板底座，3-O型橡胶圈，4-陶土板侧围盖，5-带侧压腔环刀，6-试样，7-多孔板，8-试样加载板，9-有机玻璃侧壁，10-气压室上盖，11-蝶形螺杆，12-轴承座，13-轴承盖，14-直线轴承，15-调节螺栓，16-紧定螺母，17-M10盖螺母，18-加载横梁，19-连接件，20-紧定件，21-止推轴承，22-加载杆，23-星型橡胶圈，24-轴向压力传感器，25-传感器支座，26-调心件，27-试样上盖，28-加压帽，29-O型橡胶圈，30-O型橡胶圈，31-管接头，32-连接杆，33-平衡锤，34-加载连接块，35-加载平台，36-杠杆，37-砝码托盘，38-砝码，39-陶土板。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
多功能非饱和土固结仪，主要由固结仪加载平台35，砝码托盘37，砝码38，杠杆36，平衡锤33，加载连接块34，连接杆32，气压室和固结仪加载构件组成；
加载平台35为矩形桌体结构，并坐落于另一个较大的下层桌体台面上，下层桌体台面固定杠杆支座，杠杆36固定在杠杆支座上；杠杆36一端固定平衡锤33，另一端铰接砝码托盘37，加载连接块34为轴对称构件，加载连接块34的中心通过轴承固定于杠杆36上砝码一侧，距离杠杆支座的距离是杠杆支座与砝码铰接端总长度1:24的位置；加载连接块34垂直于杠杆36，两端伸出加载平台35的侧面，加载连接块34限定在加载平台35侧面的滑槽中上下垂直运动；加载连接块34可轴向自由旋转；两个连接杆32的下端分别固定于加载连接块34两侧的端点上，上端与加载横梁18的两端固定连接，形成可绕加载连接块34轴旋转的框架体；固定平衡锤33的位置，使杠杆36保持水平平衡状态。
气压室的中心位于加载连接块34的支点位置，固定于加载平台35的上表面；气压室主要由气压室底座1、有机玻璃侧壁9和气压室上盖10组成；在有机玻璃侧壁9与气压室上盖和下盖的接触位置安装有气密封橡胶条；为了保证气压室的密封性，使用四根蝶形螺杆11压紧气压室底座1与有机玻璃侧壁9以及气压室上盖10与有机玻璃侧壁9之间的气密封橡胶条，气压室上盖留有气压输入口和固结仪加载杆22的通道；加载杆22与气压室上盖的连接处用星型橡胶圈密封。
非饱和土压力室位于气压室中；圆柱形不锈钢陶土板底座2的中心和边缘分别开有通透的孔洞，气压室底座1与陶土板底座2的相对应位置也开有通透的孔洞；将陶土板底座2的孔洞与气压室底座1上的孔洞相互对齐，将陶土板底座2固定在气压室底座1上，两个连接管分别接通两处通透的孔洞，从其中管线进水，另个一管线排水；在陶土板底座2的下表面围绕每个孔洞开有安装密封圈的凹槽，陶土板底座2与气压室底座1连接的最外侧一圈也开有安装密封圈的凹槽；陶土板底座2的上端是囊括陶土板底座上两个通透孔洞的圆形凹陷，圆形凹陷的底面为开有从中心孔洞圆点逐渐走向外圈的螺旋形凹槽，螺旋形凹槽的终点位于陶土板底座2边缘的孔洞处；陶土板39烧结在陶土板底座2的圆形凹陷中；陶土板39上端与陶土板底座2的上边沿持平。
带侧压腔环刀5沿着内侧壁中间有一圈凹槽，带侧压腔环刀5两侧的凹槽位置开有通向外部的孔洞，并通过管接头31与气压室外的侧压力发生装置和侧压力传感器连接；带侧压腔环刀5内壁固定不透水的弹性试样膜；带侧压腔环刀5的边沿持平的上表面是多孔板7，在多孔板7下面的带侧压腔环刀5内填满非饱和土。
带侧压腔环刀5固定于陶土板底座2的上表面；在带侧压腔环刀5下表面与陶土板39和陶土板底座2的连接处皆用密封圈密封；试样加载板8置于多孔板7的上面，试样加载板8的中心处为与加载帽28底端相互匹配的凹陷。
固结仪加载构件主要由垂直的调节螺栓15、加载杆22和加载帽28组成；调节螺栓15由紧定螺母16垂直固定于固结仪加载横梁18的中心点，安装有止推轴承21的连接件19连接调节螺栓15的下端和和加载杆22的上端；加载杆22穿过气压室上盖10，在气压室中与轴向压力传感器24固定连接；为保证整个加载组件的垂直度，在气压室上盖10上表面安装了轴承座12、轴承盖13以及直线轴承14，实现对加载杆22垂直运动方向的约束；加载帽28下端为与试样加载板8的中心处凹陷相匹配的凸起；上端的圆形帽檐嵌套于调心件下端的滑槽中，加载帽28可在调心件26的滑槽中水平位移；调心件26的上端与传感器支座25的下端固定连接；轴向压力传感器24的下端与传感器支座25固定连接。
带侧压腔环刀5通过圆环形试样上盖27和陶土板侧围盖4与陶土板底座2固定连接；将顶端带有外沿的空腔圆柱形陶土板侧围盖4套在陶土板底座2外侧，圆环形试样上盖27从周边压住带侧压腔环刀5的上表面；用紧固件固定连接试样上盖27、带侧压腔环刀5和陶土板侧围盖4顶端的外沿；在带侧压腔环刀5上下端的所有连接处开有凹槽，并安装密封圈。
多功能非饱和土固结仪测试方法如下
步骤一，试件安装：将气压室底座1放置在加载平台35上，然后将密封圈和饱和的陶土板底座2安装在气压室底座1上；将弹性试样膜固定于带侧压腔环刀5的内侧面；通过管接头31连接的管路将带侧压腔环刀5的侧压腔内充满无气水；将陶土板侧围盖4、带侧压腔环刀5以及试样上盖27安装到陶土板底座2上，并将饱和好的试样6推入带侧压腔环刀5内；使用螺栓压紧陶土板侧围盖4、带侧压腔环刀5以及试样上盖27三者之间的O型橡胶圈29实现侧压腔的密闭；将多孔板7以及试样加载板8放置于试样6上方；安装有机玻璃侧壁9以及气压室上盖10，并通过螺栓压紧O型橡胶3实现气压室的密闭；将连接件19与调节螺栓15的螺纹旋合，然后旋转调节螺栓15使加载帽28与试样加载板8预接触。
步骤二，两个管线分别连接气压室底座上的冲水孔洞和排水孔洞，用从其中一个管线冲水另一个管线排水的方式，对试样6和陶土板2进行充水排气。
步骤三，旋紧紧定螺母16；使用自制的电控气压控制柜通过气压室上盖10上预留的通道向气压室内施加设定的气压力，使气体通过多孔板7均匀的作用于试样6的上表面，使试样6进气排水以达到预定的饱和度；此过程中的气压力大小由计算机软件实时调节并监控记录。
步骤四，待试样6达到预定饱和度后，向砝码托盘37上逐级加砝码38对试样6施加轴向压力，并通过计算机记录轴向压力传感器24与侧压力传感器的读数，得到其K0值，完成非饱和土K0固结试验。
Claims (5)
1.一种多功能非饱和土固结仪，主要由固结仪加载平台(35)，砝码托盘(37)，砝码(38)，杠杆(36)，平衡锤(33)，加载连接块(34)，连接杆(32)，气压室和固结仪加载构件组成；
加载平台(35)为矩形桌体结构，并坐落于另一个较大的下层桌体台面上，下层桌体台面固定杠杆支座，杠杆(36)固定在杠杆支座上；杠杆(36)一端固定平衡锤(33)，另一端铰接砝码托盘(37)，加载连接块(34)为轴对称构件，加载连接块(34)的中心通过轴承固定于杠杆(36)上砝码一侧，距离杠杆支座的距离是杠杆支座与砝码铰接端总长度1:24的位置；加载连接块(34)垂直于杠杆(36)，两端伸出加载平台(35)的侧面，加载连接块(34)限定在加载平台(35)侧面的滑槽中上下垂直运动；加载连接块(34)可轴向自由旋转；两个连接杆(32)的下端分别固定于加载连接块(34)两侧的端点上，上端与加载横梁(18)的两端固定连接，形成可绕加载连接块(34)轴旋转的框架体；固定平衡锤(33)的位置，使杠杆(36)保持水平平衡状态；
气压室的中心位于加载连接块(34)的支点位置，固定于加载平台(35)的上表面；气压室主要由气压室底座(1)、有机玻璃侧壁(9)和气压室上盖(10)组成；在有机玻璃侧壁(9)与气压室上盖和下盖的接触位置安装有气密封橡胶条；为了保证气压室的密封性，使用四根蝶形螺杆(11)压紧气压室底座(1)与有机玻璃侧壁(9)以及气压室上盖(10)与有机玻璃侧壁(9)之间的气密封橡胶条，气压室上盖留有气压输入口和固结仪加载杆(22)的通道；加载杆(22)与气压室上盖的连接处用星型橡胶圈密封；其特征在于：
非饱和土压力室位于气压室中；圆柱形不锈钢陶土板底座(2)开有两个通透的孔洞，气压室底座(1)与陶土板底座(2)的相对应位置也开有通透的孔洞；将陶土板底座(2)孔洞与气压室底座(1)上的孔洞相互对齐，将陶土板底座(2)固定在气压室底座(1)上，两个连接管分别接通两处通透的孔洞，从其中管线进水，另个一管线排水；在陶土板底座(2)的下表面围绕每个孔洞开有安装密封圈的凹槽，陶土板底座(2)与气压室底座(1)连接的最外侧一圈也开有安装密封圈的凹槽；陶土板底座(2)的上端是囊括陶土板底座上两个通透孔洞的圆形凹陷，陶土板(39)烧结在陶土板底座(2)的圆形凹陷中；陶土板(39)上端与陶土板底座(2)的上边沿持平；
带侧压腔环刀(5)沿着内侧壁中间有一圈凹槽，带侧压腔环刀(5)两侧的凹槽位置开有通向外部的孔洞，并通过管接头(31)与气压室外的侧压力发生装置和侧压力传感器连接；带侧压腔环刀(5)内壁固定不透水的弹性试样膜；带侧压腔环刀(5)的边沿持平的上表面是多孔板(7)，在多孔板(7)下面的带侧压腔环刀(5)内填满非饱和土；
带侧压腔环刀(5)固定于陶土板底座(2)的上表面；在带侧压腔环刀(5)下表面与陶土板(39)和陶土板底座(2)的连接处皆用密封圈密封；试样加载板(8)置于多孔板(7)的上面，试样加载板(8)的中心处为与加载帽(28)底端相互匹配的凹陷；
固结仪加载构件主要由垂直的调节螺栓(15)、加载杆(22)和加载帽(28)组成；调节螺栓(15)由紧定螺母(16)垂直固定于固结仪加载横梁(18)的中心点，安装有止推轴承(21)的连接件(19)连接调节螺栓(15)的下端和和加载杆(22)的上端；加载杆(22)穿过气压室上盖(10)，在气压室中与轴向压力传感器(24)固定连接；加载帽(28)下端为与试样加载板(8)的中心处凹陷相匹配的凸起；上端的圆形帽檐嵌套于调心件下端的滑槽中，加载帽(28)可在调心件(26)的滑槽中水平位移；调心件(26)的上端与传感器支座(25)的下端固定连接；轴向压力传感器(24)的下端与传感器支座(25)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种多功能非饱和土固结仪，其特征在于底座上的冲水孔洞和排水孔洞分别开在圆柱形不锈钢陶土板底座(2)的中心和边缘，陶土板底座(2)上端的圆形凹陷底面为开有从中心孔洞圆点逐渐走向外圈的螺旋形凹槽，螺旋形凹槽的终点位于陶土板底座(2)边缘的孔洞处。
3.根据权利要求1所述的一种多功能非饱和土固结仪，其特征在于在气压室上盖(10)上表面安装了轴承座(12)、轴承盖(13)以及直线轴承(14)，实现对加载杆(22)垂直运动方向的约束。
4.根据权利要求1所述的一种多功能非饱和土固结仪，其特征在于，带侧压腔环刀(5)通过圆环形试样上盖(27)和陶土板侧围盖(4)与陶土板底座(2)固定连接；将顶端带有外沿的空腔圆柱形陶土板侧围盖(4)套在陶土板底座(2)外侧，圆环形试样上盖(27)从周边压住带侧压腔环刀(5)的上表面；用紧固件固定连接试样上盖(27)、带侧压腔环刀(5)和陶土板侧围盖(4)顶端的外沿；在带侧压腔环刀(5)上下端的所有连接处开有凹槽，并安装密封圈。
5.一种多功能非饱和土固结仪测试方法，其特征在于由如下过程完成：
步骤一，试件安装：将气压室底座(1)放置在加载平台(35)上，然后将密封圈和饱和的陶土板底座(2)安装在气压室底座(1)上；将弹性试样膜固定于带侧压腔环刀(5)的内侧面；通过管接头(31)连接的管路将带侧压腔环刀(5)的侧压腔内充满无气水；将陶土板侧围盖(4)、带侧压腔环刀(5)以及试样上盖(27)安装到陶土板底座(2)上，并将饱和好的试样(6)推入带侧压腔环刀(5)内；使用螺栓压紧陶土板侧围盖(4)、带侧压腔环刀(5)以及试样上盖(27)三者之间的O型橡胶圈(29)实现侧压腔的密闭；将多孔板(7)以及试样加载板(8)放置于试样(6)上方；安装有机玻璃侧壁(9)以及气压室上盖(10)，并通过螺栓压紧O型橡胶(3)实现气压室的密闭；将连接件(19)与调节螺栓(15)的螺纹旋合，然后旋转调节螺栓(15)使加载帽(28)与试样加载板(8)预接触；
步骤二，两个管线分别连接气压室底座上的冲水孔洞和排水孔洞，用从其中一个管线冲水另一个管线排水的方式，对试样(6)和陶土板(2)进行充水排气；
步骤三，旋紧紧定螺母(16)；使用自制的电控气压控制柜通过气压室上盖(10)上预留的通道向气压室内施加设定的气压力，使气体通过多孔板(7)均匀的作用于试样(6)的上表面，使试样(6)进气排水以达到预定的饱和度；此过程中的气压力大小由计算机软件实时调节并监控记录；
步骤四，待试样(6)达到预定饱和度后，向砝码托盘(37)上逐级加砝码(38)对试样(6)施加轴向压力，并通过计算机记录轴向压力传感器(24)与带侧压腔环刀(5)的侧压力传感器的读数，得到其K0值，完成非饱和土K0固结试验。
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