CN104865126B - 一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，可实现最大固结压力达10MPa的逐级加载，能精确、全程、实时测量泥浆样底部土压力和中间部位的温度以及整个泥浆样的体变。通过测量泥浆样底部和侧面的土压力，能够在试验过程中将泥浆样所受摩擦力、侧边约束力和冻胀力因素考虑在内；固结仪主体与位移传感器系统连为一体，易于保证整个试验泥浆样体变的全程监测；固结仪主体与反压饱和控制器连通，施加反压，使泥浆样完全饱和；高压固结变形稳定后拧紧三个通长拉杆螺栓，然后将固结仪进行低温冻结。与现有技术相比，本发明能够解决常规高压固结仪固结完成后直接卸载导致泥浆样内部结构的改变，为总结准确的黏土高压固结规律奠定了基础。

Description

一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪

技术领域

本发明涉及一种用于高压固结后锁定其内部结构再进行低温冻结的仪器，特别是一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，尤其适用于黏土。

背景技术

黏土是在我国广泛分布的常用天然材料，要想深入揭示黏土的宏观力学性质，研究其内部结构几成必须。掌握高压作用下黏土的固结规律以及其内部结构，是准确判断深部黏土地层应力状态的必要前提，高压固结仪是实现这一目的实验装置。现有关于泥浆样尤其是黏土内部微观结构的测试研究，均假设卸载对泥浆样内部结构无影响。然而常见高压固结仪通常不能满足高压锁定要求，因此无法获得高压固结后黏土试样真实内部结构。通过此发明可以实现对黏土的高压固结后变形锁定再通低温冻结。同时实验全程观察底部土压力传感、中部温度传感器、上部位移传感器的数值变化，进行深部黏土性质的研究，推进深部土力学和工程应用的发展。

发明内容

本发明的目的是克服目前技术中存在的问题，提供一种结构简单、测量参数种类多、测量精度高的黏土变形约束低温冻结高压固结仪，以研究黏土高压固结后的真实内部结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，包括传力杆、加压帽、压力筒、底座、铜制透水石、位移传感器、底部土压传感器、侧面土压传感器、温度传感器、通长拉杆螺栓和支架；所述压力筒嵌装在底座上，加压帽设置在压力筒上部，所述压力筒内能够装入泥浆样，泥浆样的顶部和底部分别设有铜制透水石，透水石和泥浆样的接触面设有滤纸，加压帽底端伸入到压力筒中压实泥浆样；所述传力杆安装在加压帽顶面中心；所述压力筒的侧壁设有侧面土压传感器和温度传感器；所述底座的顶部中心嵌装有底部土压传感器，且底座上设有传感器穿线口；所述底座和加压帽内均设有酒精冷浴循环通道，酒精冷浴循环通道连接有酒精进口和酒精出口；所述加压帽和底座分别设有连通加压筒的排水口；所述加压帽配设有用于采集泥浆样压缩量的位移传感器；所述底座和加压帽由通长拉杆螺栓连接紧固，控制约束泥浆样固结时的竖向变形量。

所述加压帽由加压帽上构件和加压帽下构件组成，压帽上构件和加压帽下构件之间设有防水垫层Ⅰ；所述加压帽上构件和加压帽下构件均由位于中心的主体部分和周围的连接板组成；加压帽下构件的主体内设置酒精冷浴循环通道Ⅰ，酒精冷浴循环通道Ⅰ的酒精进口Ⅰ和酒精出口Ⅰ对称设置在压帽上构件的主体顶面；所述加压帽上构件和加压帽下构件的连接板上周向均布多个螺栓孔，所述防水垫层Ⅰ上对应酒精进口Ⅰ、酒精出口Ⅰ以及螺栓孔设通孔；所述加压帽上构件的中心设有用于安装传力杆的传力杆安装槽。

所述加压帽下构件的主体外径不大于加压筒筒体的内径。

所述的底座由底座上构件和底座下构件组成，底座上构件和底座下构件之间设置防水垫层Ⅱ；所述底座上构件内部设有酒精冷浴循环通道Ⅱ，酒精冷浴循环通道Ⅱ的酒精进口Ⅱ和酒精出口Ⅱ对称设于底座上构件的侧面；所述底座上构件的顶面中心设有用于安装底部土压传感器的传感器嵌装槽，传感器嵌装槽的一侧设有竖向穿线口，穿线口顶口位于加压筒内，底口位于底座下构件的一侧；所述底座上构件和底座下构件的边缘对应加压帽上的螺栓孔设有螺栓孔。

所述底座的上构件顶面和加压筒筒体的底端口对应设有能够相互嵌装卡槽。

所述加压帽下构件上设置加压帽排水口，底座上构件上设置底座排水口，所述排水口为L形；所述加压帽排水口的一端位于压力筒筒体中，另一端位于加压帽下构件侧面；所述底座排水口的一端位于压力筒筒体中，另一端位于底座上构件的侧面。

所述通长拉杆螺栓的螺栓本体依次穿过底座下构件、防水垫层Ⅱ、底座上构件、加压帽下构件、防水垫层Ⅰ和加压帽上构件上的螺栓孔，其底端连接底座固定螺母，顶端连接加压帽固定螺母。

所述压力筒的筒体侧壁开有直径5mm的螺纹孔Ⅰ，螺纹孔Ⅰ中螺纹连接螺栓Ⅰ，螺栓Ⅰ中心轴向钻孔，温度传感器安装在钻孔中，并用实验土密实，螺栓Ⅰ和筒体外壁之间设有密封圈。

所述压力筒的筒体侧壁开有直径6mm的螺纹孔Ⅱ，螺纹孔Ⅱ中连接螺栓Ⅱ，所述螺栓Ⅱ中心轴向开有深10mm的孔，侧面土压传感器安装在孔中并由密封胶固定，螺栓Ⅱ与筒体外壁之间设有密封圈。

所述底部的铜制透水石的中心对应底部土压传感器设有传感器通孔，对应穿线口的顶口设有盲孔。

所述加压帽上构件的一侧设有延伸板，位移传感器与延伸板相接触。

所述底座的一侧设有用于支承位移传感器的支架。

所述通长拉杆螺栓设置3～12个。

所述的酒精冷浴循环通道通过端头与控温制冷设备连接，控温制冷设备的选择应尽量选择震动频率小的设备，以避免冻结时对其结构的影响。

所述的温度传感器和土压传感器在实验前必须进行标定，温度传感器采用DataTaker800采集数据，土压力传感器采用全桥接线方式。

本发明中排水系统和冻结系统均设置两套，提高了泥浆样的固结和冻结速度。

本发明的有益效果是：一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，借助常规的单杠杆固结仪的加载装置对加压帽加载，可实现最大固结压力达10MPa的逐级加载，能精确、全程、实时测量泥浆样底部土压力和中间部位的温度以及整个泥浆样的体变。通过测量泥浆样底部的土压力，可推算出泥浆样在试验过程中的摩擦力和静止土压力系数K₀，从而能够在试验过程中将泥浆样所受摩擦力这一因素考虑在内；通过测量泥浆样侧面的土压力，从而能够在试验过程中将泥浆样的侧边约束力和冻胀力这些因素考虑在内。本高压固结仪主体与位移传感器系统连为一体，易于保证整个试验泥浆样体变的全程监测；将高压固结仪主体与反压饱和控制器连通，施加反压，使泥浆样完全饱和；高压固结变形稳定后拧紧三个通长拉杆螺栓，避免了直接卸载后泥浆样的弹性回弹，然后将固结仪接通冷浴进行低温冻结。通过对高压固结后锁定再冻结的泥浆样和直接高压固结后取样的泥浆样以及取样后再冻结的泥浆样进行电镜扫描观察其微观结构的差异，与现有技术相比，本发明能够解决目前常规高压固结仪固结完成后直接卸载导致泥浆样内部结构的改变，从而为总结准确的黏土高压固结规律奠定了基础。

附图说明

图1是一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪的结构示意图。

图中，1.传力杆，2.加压帽，2-1.加压帽上构件， 2-2.加压帽下构件 ，2-3.防水垫层Ⅰ，2-4.酒精冷浴循环通道Ⅰ，2-5.酒精进口Ⅰ，2-6.酒精出口Ⅰ，2-7. 加压帽排水口，2-8.延伸板，2-9.传力杆安装槽；3.压力筒，3-1.筒体，3-2. 螺纹孔Ⅰ，3-3.螺栓Ⅰ，3-4. 螺纹孔Ⅱ，3-5. 螺栓Ⅱ，4.底座，4-1.底座上构件，4-2.底座下构件，4-3.防水垫层Ⅱ，4-4.酒精冷浴循环通道Ⅱ，4-5.酒精进口Ⅱ，4-6.酒精出口Ⅱ，4-7. 底座排水口，4-8.传感器嵌装槽，4-9. 穿线口，5.铜制透水石，5-1.传感器通孔，5-2.盲孔，6.位移传感器，7.底部土压传感器，8.侧面土压传感器，9.温度传感器，10.通长拉杆螺栓，10-1.螺栓本体，10-2.加压帽固定螺栓，10-3.底座固定螺栓，11.支架，12.泥浆样。

具体实施方式

在附图中，一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，包括传力杆1、加压帽2、压力筒3、底座4、铜制透水石5、位移传感器6、底部土压传感器7、侧面土压传感器8、温度传感器9、通长拉杆螺栓10、支架11；所述压力筒3嵌装在底座4上，加压帽2设置在压力筒3上部，所述压力筒3内能够装入泥浆样12，泥浆样12的顶部和底部分别设有铜制透水石5，透水石和泥浆样12的接触面设有滤纸，加压帽2底端伸入到压力筒3中压实泥浆样12；所述传力杆1安装在加压帽2顶面中心；所述压力筒3的侧壁设有侧面土压传感器8和温度传感器9；所述底座4的顶部中心嵌装有底部土压传感器7，且底座4上设有传感器穿线口4-9；所述底座4和加压帽2内均设有酒精冷浴循环通道，酒精冷浴循环通道连接有酒精进口和酒精出口；所述加压帽2和底座4分别设有连通加压筒3的排水口；所述加压帽2配设有用于采集泥浆样12压缩量的位移传感器6；所述底座4和加压帽2由通长拉杆螺栓10连接紧固，控制约束泥浆样12固结时的竖向变形量。

所述加压帽2由加压帽上构件2-1和加压帽下构件2-2组成，压帽上构件2-1和加压帽下构件2-2之间设有防水垫层Ⅰ2-3；所述加压帽上构件2-1和加压帽下构件2-2均由位于中心的主体部分和周围的连接板组成；加压帽下构件2-2的主体内设置酒精冷浴循环通道Ⅰ2-4，酒精冷浴循环通道Ⅰ2-4的酒精进口Ⅰ2-5和酒精出口Ⅰ2-5对称设置在压帽上构件2-1的主体顶面；所述加压帽上构件2-1和加压帽下构件2-2的连接板上周向均布多个螺栓孔，所述防水垫层Ⅰ2-3上对应酒精进口Ⅰ2-5、酒精出口Ⅰ2-6以及螺栓孔设通孔；所述加压帽上构件2-1的中心设有用于安装传力杆1的传力杆安装槽2-9。

所述加压帽下构件2-2的主体外径不大于加压筒3筒体3-1的内径。

所述的底座4由底座上构件4-1和底座下构件4-2组成，底座上构件4-1和底座下构件4-2之间设置防水垫层Ⅱ4-3；所述底座上构件4-1内部设有酒精冷浴循环通道Ⅱ4-4，酒精冷浴循环通道Ⅱ4-4的酒精进口Ⅱ4-5和酒精出口Ⅱ4-6对称设于底座上构件4-1的侧面；所述底座上构件4-1的顶面中心设有用于安装底部土压传感器7的传感器嵌装槽4-8，传感器嵌装槽4-8的一侧设有竖向穿线口4-9，穿线口4-9顶口位于加压筒3内，底口位于底座下构件4-2的一侧；所述底座上构件4-1和底座下构件4-2的边缘对应加压帽2上的螺栓孔设有螺栓孔。

所述底座的上构件4-1顶面和加压筒3筒体3-1的底端口对应设有能够相互嵌装卡槽。

所述加压帽下构件2-2上设置加压帽排水口2-7，底座上构件4-1上设置底座排水口4-7，所述排水口为L形；所述加压帽排水口2-7的一端位于压力筒3筒体3-1中，另一端位于加压帽下构件2-2侧面；所述底座排水口4-7的一端位于压力筒3筒体3-1中，另一端位于底座上构件4-1的侧面。

所述通长拉杆螺栓10的螺栓本体10-1依次穿过底座下构件4-2、防水垫层Ⅱ4-3、底座上构件4-1、加压帽下构件2-2、防水垫层Ⅰ2-3和加压帽上构件2-1上的螺栓孔，其底端连接底座固定螺母10-3，顶端连接加压帽固定螺母10-2。

所述压力筒3的筒体3-1侧壁开有直径5mm的螺纹孔Ⅰ3-2，螺纹孔Ⅰ3-2中螺纹连接螺栓Ⅰ3-3，螺栓Ⅰ3-3中心轴向钻孔，温度传感器9安装在钻孔中，并用实验土密实，螺栓Ⅰ和筒体3-1外壁之间设有密封圈。

所述压力筒3的筒体3-1侧壁开有直径6mm的螺纹孔Ⅱ3-4，螺纹孔Ⅱ3-4中连接螺栓Ⅱ3-5，所述螺栓Ⅱ3-5中心轴向开有深10mm的孔，侧面土压传感器8安装在孔中并由密封胶固定，螺栓Ⅱ3-5与筒体3-1外壁之间设有密封圈。

所述底部的铜制透水石5的中心对应底部土压传感器7设有传感器通孔5-1，对应穿线口4-9的顶口设有盲孔5-2。

所述加压帽上构件2-1的一侧设有延伸板2-8，位移传感器6与延伸板2-8相接触。

所述底座4的一侧设有用于支承位移传感器6的支架11。

所述通长拉杆螺栓10设置3～12个。

所述的酒精冷浴循环通道通过端头与控温制冷设备连接，控温制冷设备的选择应尽量选择震动频率小的设备，以避免冻结时对其结构的影响。

所述的温度传感器9和土压传感器在实验前必须进行标定，温度传感器9采用DataTaker800采集数据，土压力传感器采用全桥接线方式。

本发明中排水系统和冻结系统均设置两个，提高了泥浆样的固结和冻结速度。

本发明的具体实用方法为：

将底部土压力传感器7放置在底座上构件4-1的传感器嵌装槽4-8中，将传感器的线路通过穿线口4-9穿过底座上构件4-1，再经过底座下构件4-2的一侧穿出，这样可以避免实验加压时线路被截断；将整个底座4安装好，再在底座4上垫上铜制透水石5和滤纸，安装时，铜制透水石5上的传感器通孔5-1和穿线口盲孔5-2分别对应底部土压传感器7和穿线口4-9设置；将通长拉杆螺栓10的杆体穿过底座4上的螺栓孔并在底部用底座固定螺母10-3固定；将压力筒3与底座4用卡槽固定，再将侧面土压传感器8和温度传感器9安装好，然后向压力筒3的筒体3-1内装入配制好的泥浆样12，泥浆样12上铺设滤纸和铜制透水石5，再将加压帽2的下部套入加压筒3内，其底部密实压在铜制透水石5上；加压帽2同底座一样，也是由上构件、下构件、防水垫层和酒精冷浴循环通道组成，防水垫层的设置可以防止酒精冷浴循环通道中的酒精溢出。用通长拉杆螺栓10的杆体穿过加压帽2的螺栓孔，顶部用加压帽固定螺母10-2紧固；调整位移传感器6，使其与加压帽2一侧的延伸板2-8自然接触；连接好三个传感器的线路后，通过单杠杆固结仪对传力杆1施加不同级别的压力，实现对泥浆样12的高压固结，在此过程中泥浆中的水通过上、下排水口排出，土压传感器、温度传感器和位移传感器实时获取泥浆样的径向、轴向压力信息、温度信息以及固结形变信息；当高压固结变形稳定后，先拧底座固定螺母10-3进行粗调，再加压帽固定螺母10-2进行精调，使螺帽均匀拧紧，对固结后的土样进行锁定，在拧螺帽的时候位移传感器6数值不发生变化；最后对底座4和加压帽2通酒精进行低温冻结。

Claims (10)

1.一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，包括传力杆、加压帽、压力筒、底座、铜制透水石、位移传感器、底部土压传感器、侧面土压传感器、温度传感器和通长拉杆螺栓；所述压力筒嵌装在底座上，加压帽设置在压力筒上部，所述压力筒内能够装入泥浆样，泥浆样的顶部和底部分别设有铜制透水石，透水石和泥浆样的接触面设有滤纸，加压帽底端伸入到压力筒中压实泥浆样；所述传力杆安装在加压帽顶面中心；所述压力筒的侧壁设有侧面土压传感器和温度传感器；所述底座的顶部中心嵌装有底部土压传感器，且底座上设有传感器穿线口；所述底座和加压帽内均设有酒精冷浴循环通道，酒精冷浴循环通道连接有酒精进口和酒精出口；所述加压帽和底座分别设有连通压力 筒的排水口；所述加压帽配设有用于采集泥浆样压缩量的位移传感器；所述底座和加压帽由通长拉杆螺栓连接紧固，控制约束泥浆样固结时的竖向变形量。

2.根据权利要求1所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述加压帽由加压帽上构件和加压帽下构件组成，加压帽上构件和加压帽下构件之间设有防水垫层Ⅰ；所述加压帽上构件和加压帽下构件均由位于中心的主体部分和周围的连接板组成；加压帽下构件的主体内设置酒精冷浴循环通道Ⅰ，酒精冷浴循环通道Ⅰ的酒精进口Ⅰ和酒精出口Ⅰ对称设置在加压帽上构件的主体顶面；所述加压帽上构件和加压帽下构件的连接板上周向均布多个螺栓孔，所述防水垫层Ⅰ上对应酒精进口Ⅰ、酒精出口Ⅰ以及螺栓孔处设有通孔；所述加压帽上构件的中心设有用于安装传力杆的传力杆安装槽；所述加压帽下构件的主体外径不大于压力 筒筒体的内径。

3.根据权利要求2所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述的底座由底座上构件和底座下构件组成，底座上构件和底座下构件之间设置防水垫层Ⅱ；所述底座上构件内部设有酒精冷浴循环通道Ⅱ，酒精冷浴循环通道Ⅱ的酒精进口Ⅱ和酒精出口Ⅱ对称设于底座上构件的侧面；所述底座上构件的顶面中心设有用于安装底部土压传感器的传感器嵌装槽，传感器嵌装槽的一侧设有竖向穿线口，穿线口顶口位于压力 筒内，底口位于底座下构件的一侧；所述底座上构件和底座下构件的边缘对应加压帽上的螺栓孔设有螺栓孔；所述底座的上构件顶面和压力 筒筒体的底端口对应设有能够相互嵌装卡槽。

4.根据权利要求3所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述加压帽下构件上设置加压帽排水口，底座上构件上设置底座排水口，所述排水口为L形；所述加压帽排水口的一端位于压力筒筒体中，另一端位于加压帽下构件侧面；所述底座排水口的一端位于压力筒筒体中，另一端位于底座上构件的侧面。

5.根据权利要求3所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述通长拉杆螺栓的螺栓本体依次穿过底座下构件、防水垫层Ⅱ、底座上构件、加压帽下构件、防水垫层Ⅰ和加压帽上构件上的螺栓孔，其底端连接底座固定螺母，顶端连接加压帽固定螺母。

6.根据权利要求1所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述压力筒的筒体侧壁开有直径5mm的螺纹孔Ⅰ，螺纹孔Ⅰ中螺纹连接螺栓Ⅰ，螺栓Ⅰ中心轴向钻孔，温度传感器安装在钻孔中，并用实验土密实，螺栓Ⅰ和筒体外壁之间设有密封圈；所述压力筒的筒体侧壁还开有直径6mm的螺纹孔Ⅱ，螺纹孔Ⅱ中连接螺栓Ⅱ，所述螺栓Ⅱ中心轴向开有深10mm的孔，侧面土压传感器安装在孔中并由密封胶固定，螺栓Ⅱ与筒体外壁之间设有密封圈。

7.根据权利要求1所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述底部的铜制透水石的中心对应底部土压传感器设有传感器通孔，对应穿线口的顶口设有盲孔。

8.根据权利要求2所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述加压帽上构件的一侧设有延伸板，位移传感器与延伸板相接触；所述底座的一侧设有用于支承位移传感器的支架。

9.根据权利要求1所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述通长拉杆螺栓设置3～12个。

10.根据权利要求1所述的一种可锁定高压黏土内部结构的固结仪，其特征是，所述的酒精冷浴循环通道通过端头与控温制冷设备连接，控温制冷设备选择震动频率小的设备；所述的温度传感器和土压传感器在实验前必须进行标定，温度传感器采用DataTaker800采集数据，土压力传感器采用全桥接线方式。