CN106771088B - 一种使用砝码和气压联合加载的土固结检测仪和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用砝码和气压联合加载的土固结检测仪和检测方法，适用于土的性质检测技术领域，特别适用于重塑土固结过程测试和含水量较大的天然土的固结过程测试。包括反力架、砝码加载装置、砝码和气压加载转换装置、传感测量装置、固结容器和气源压力控制器，在砝码加载并形成一定的沉降量后，通过调节螺母和转换附件形成上部反力，启动气压加载装置推动固结容器上行逐步替换砝码荷载，然后采用气压施加到预定固结压力，并通过传感测量装置的上两组传感器自动切换观测砝码和气压加载过程土样的变形量、记录和控制土固结的质量。其精度较高，操作方便，可以在高荷载条件下固结出性质均匀、强度大的不同固结程度土。

Description

一种使用砝码和气压联合加载的土固结检测仪和检测方法

技术领域

本发明涉及一种使用砝码和气压联合加载的土固结检测仪和检测方法，尤其适用于土的性质检测技术领域，特别适用于由泥浆固结重塑土的超固结过程控制和含水量较大天然土的排水、压实程度的检测。

背景技术

借助相同颗粒级配和相同固结程度的重塑土测试分析原状土性质的方法是土性质测试分析的途径之一。关于重塑土的固结途径有有击实法、泥浆固结法等。击实法是土工实验室最常见的重塑土样制备方法，通过击实仪可以快速完成制样，但是存在固结压力较小、加载不均匀的缺点，其检测规律往往较为离散。现有采用泥浆固结法制备重塑土样的方法是：先利用静载加压排除泥浆中的部分水分，再利用固结仪或三轴仪加载对土进行充分固结得到饱和试样，这种方法模拟了土的天然固结过程，在一定程度上弥补了压实法存在的缺点和不足。但是直到目前为止，对于含水量较大的土由于固结排水量大、时间长，固结过程的测试一直比较困难，土的固结加载控制和检测方法尚未形成统一的标准，深入细致的研究成果极少见。因此，开发并形成高荷载条件下由泥浆制备重塑土的固结检测仪和检测方法，是今后开展深层重塑土性质研究亟需解决的问题，也是含水量较大天然土固结过程检测的迫切需求。

发明内容

技术问题：本发明是针对现有技术的不足之处，提供一种精度较高，操作方便，使用砝码和气压联合加载可以实现高荷载条件下制备性质均匀、固结程度高、强度大的重塑土的固结检测仪和检测方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的使用砝码和气压联合加载的土固结检测仪，包括反力架和计算机，反力架上设有横梁，反力架中轴线由下到上顺序设有气压加载装置、固结容器、加载转换装置和砝码加载装置，气压加载装置设在反力架下方，加载转换装置设在反力架上方与横梁配合，固结容器设置在气压加载装置和加载转换装置之间，加载转换装置上设有砝码加载装置，其中加载转换装置和砝码加载装置通过传力杆分别设置在传力杆的下方和上方，传力杆侧面上设有螺纹，传力杆通过砝码线性轴承设置在反力架的横梁中，反力架上还设有传感测量装置，传感测量装置与计算机相连接；

所述砝码加载装置包括砝码沉降表盘、调节螺丝和支撑杆，砝码沉降表盘设置在传力杆顶部，砝码沉降表盘上设有可调节的砝码，砝码沉降表盘上设有用以支撑和固定砝码的支撑杆，砝码沉降表盘与砝码线性轴承之间的传力杆上设有调节螺丝；

所述加载转换装置包括设置在横梁上的砝码线性轴承，砝码线性轴承内设有控制约束方式和测试基点转换的传力杆，加载转换装置相对横梁分为上下两部分，上部分由调节螺丝与传力杆外螺纹互相锁固构成，下部分由调节螺母、转换附件和传力杆形成的锁固机构构成，其中传力杆底部连接有压力帽，压力帽下方设有上透水石，压力帽与砝码线性轴承之间的传力杆由下到上顺序设有调节螺母和转换附件，调节螺母通过内螺纹与传力杆外螺纹相互锁固，其中转换附件为三瓣结构、高度可变换；

所述固结容器装置包括压力帽、上透水石、试样筒、固定杆、集水仓、O型密封圈、下透水石、基底、排气孔和压盖，所述压力帽上设有排水用小孔，上透水石设置在压力帽下方，试样筒设置在基底与压盖之间，试样筒为内外双层结构，内外双层之间的连通容腔为集水仓，集水仓底部密闭，集水仓内设有两端分别连接基底和压盖的多根固定杆，压盖中间开有与压力帽相匹配的开口，基底上设有下透水石，基底上开有排气孔，O型密封圈设置在下透水石上方，下透水石与基底上的排气孔相连，排气孔通过快捷接头和软管连接三通阀、孔隙水压力传感器和排水软管；

所述气压加载装置包括基座、气压线性轴承、滚动隔膜、进气口、底座、活塞和活塞杆，所述底座设在反力架底部，底座内部为气压缸，由气源压力控制系统提供稳定固结压力,高压气压经进气口控制活塞的垂向固结荷载，活塞设置在底座的气压缸内，活塞与底座气压缸侧壁间隙通过滚动隔膜密封并减小滑动阻力，活塞中部向上的传力机构为活塞杆，通过线性轴承进行导向，基座设置在活塞杆上端，基座上设有气压沉降表盘；

所述传感测量装置包括设置在反力架上的砝码沉降量传感器、气压沉降量传感器和设置在气源压力控制系统中的压力传感器，所述砝码沉降量传感器和气压沉降量传感器均为一种百分表式自复位线性位移计,所述砝码沉降量传感器通过砝码沉降表杆和固定螺母设置在砝码加载装置一侧，砝码沉降量传感器与砝码沉降表盘相匹配，气压沉降量传感器设置在反力架立柱的拉杆上，并与气压加载装置中基座上的气压沉降表盘相匹配，固结压力传感器与进气口相连，基底上开有排气孔上通过三通阀设有试样孔隙水压力传感器，所有传感器直接连通数据采集器和计算机，监测试样变形和输入的气压。

砝码沉降量传感器以砝码沉降表杆为基准点，观测与砝码沉降表盘相连的压力帽的沉降变形量，气压沉降量传感器以拉杆为基准点观测与气压沉降表盘相连的固结容器上升的变形量，其共同的观测基准为横梁，合计观测行程100mm。

所述试样筒内净高度为180mm，试样筒的外层为有机玻璃构成，内层由不锈钢构成，固结过程中由试样筒上口排水可收集、可视。

所述固结容器装置的排气孔通过连接三通阀可控制单面和双面固结排水条件，单面固结排水时连接孔隙水压力传感器可观测固结孔隙水压，双面排水时将排出的水通过排水软管引入集水仓。

所述转换附件为一个套在传力杆外部的环形三瓣组合刚性柱状体，高度可以变换，用于固定调节螺母和横梁的相对位置并将横梁提供的反力传递给压力帽。

所述气源压力控制系统包括空气压缩机，压力蓄能器,气压增压器，手动压力调节阀,过滤器，压力传感器，其中空气压缩机通过管路顺序与压力蓄能器,气压增压器连接，过滤器设置在空气压缩机出口，手动压力调节阀设置在气压增压器上，气压增压器输出压力经管路传递到进气口，压力传感器与气压增压器和进气口间的压力管路连接；空压机给压力蓄能器提供气体压力为0.7MPa，气压增压器增压后最大垂直荷载15MPa，手动压力调节阀可调节输出压力0-15MPa无级变化，控制达到预定的固结荷载并将固结压力值传递给采集器或计算机，压力蓄能器保持系统压力24小时稳定,减少空气压缩机频繁启动次数和延缓断电失压。

一种使用砝码和气压联合加载的固结过程和检测方法，其步骤如下：

a.将被测土样制备成含水量接近液限的稀泥浆并养护48小时以上；选择并确定固结的排水方式为单面排水固结或双面排水；在试样筒的内壁均匀涂抹一层凡士林，依次将下透水石、洁净而湿润的滤纸装在固结容器的基底上，再将试样筒和固定杆安装在基底上，用快速管接头将固结容器底部的排气孔和三通阀相连接，对下透水石进行饱和，最后将混合均匀的泥浆缓慢倒入试样筒内，轻轻振捣、搅拌排出气泡,在试样筒上安装压盖并固定，通过压盖上的开口在试样上部覆盖湿润的滤纸，对正放好上透水石，完成试样安装；

b.在完成试样安装后，提起传力杆并调节螺丝控制加压帽高度超过固结容器的最大高度，在加压帽外壁均匀涂抹一层凡士林；将固结容器放到基座上并对中；调节固定传力杆的调节螺丝，使传力杆在重力作用下缓缓降落，在加压帽刚好接触到试样筒内的土样时停止调节螺丝旋转，调整砝码沉降表盘和气压沉降表盘，分别与砝码沉降量传感器和气压沉降量传感器接触、对正，调整砝码沉降量传感器的位置，使测量杆顶在砝码沉降表盘上并缩回到读数70mm后固定砝码沉降量传感器，气压沉降量传感器预压1-2mm，如选择单面排水固结应同时连接好孔隙水压力传感器，如选择双面排水固结则将排水软管插入到集水仓内；

c.将气源压力控制系统的压力传感器与计算机相连，通过手动压力调节阀调节进气口输入压力为零，开启空气压缩机为压力蓄能器蓄能到压力达0.7MPa备用；

d.检测数据自动采集，固结荷载人工控制施加，全过程由采集软件跟踪记录，每施加一级荷载前在采集软件输入当前荷载数值，加载后即自动采集试样的固结变形和排水参数；

e.在固结压力小于或略大于100kPa条件下使用砝码沉降表盘加载砝码，按照每级荷载20kPa逐级施加固结荷载，其中传力杆、砝码沉降表盘、调节螺丝、调节螺母、压力帽的荷重作为第一级荷载，此后每级砝码荷重与第一级一致；在确认采集系统工作正常后，旋转调节螺丝到传力杆的最高位置，传力杆在重力作用下继续降落并全部将荷载施加到试样筒中试样上，利用计算机读取砝码沉降量传感器监测的沉降变化曲线和试样排水情况；如选择进行单面排水固结时，当检测到孔隙水压力在连续多个等间距时间点下降的级差小于前次测量值的5％后，通过设置下一级荷载量值，人工施加下一级荷重砝码，继续进行固结，直到完成一级荷载超过100kPa的固结测试后，转入气压加载固结阶段；如选择进行双面排水固结，当检测到固结沉降量在连续多个等间距时间点下降的级差小于前次测量值的5％后，通过设置下一级荷载量值，人工增加下一级荷重砝码，继续进行固结，直到完成一级荷载超过100kPa的固结阶段后，进入气压加载固结阶段；进入下一级别荷载固结或终止固结过程也可通过预定的固结时间控制；

f.在砝码加载固结最后一级荷载固结结束后，将转换附件三瓣打开套在传力杆的调节螺母和横梁之间，旋转调节螺母，使转换附件与横梁之间保持1-2mm的距离，然后调节手动压力调节阀进行自重平衡校正，逐步施加垂向气压荷载使之达到与前6级荷载、固结容器试样、排水等重，并使固结容器向上缓慢移动1-2mm，此时砝码沉降量传感器和气压沉降量传感器监测到的变形量相同，该垂向气压荷载为砝码和气压联合加载转换荷载，此时砝码加载第6级荷载为气压固结荷载的初始值，同时以砝码加载第6级荷载固结变形和孔隙水压力的终值为固结变形和孔隙水压力监测的初始值，完成从砝码加载到气压加载固结过程的转换；

g.按照预计的最终固结压力将固结荷载平均或不平均的分为5-8级，或按固结历史分级，其中气压加载固结的第1级荷载控制在砝码加载固结第6级荷载的2-3倍；当检验砝码加载到气压加载固结过程的转换可靠无误和监测系统运转正常后，调节手动压力调节阀使转换附件上升并与横梁接触牢靠，向下旋紧调节螺丝使传力杆与横梁固定为一体，然后逐渐施加到气压加载固结的第1级荷载，观测气压沉降量传感器监测的固结沉降量和孔隙水压力的变化情况，如选择单面排水固结，当孔隙水压力在设计的时间段内不发生显著变化后，通过设置下一级荷载量值，人工调节手动压力调节阀施加下一级荷重气压，继续进行观测，直到完成最终固结压力荷载的固结过程；如选择双面排水固结，当固结沉降量在设计的时间段内不发生显著变化后，通过设置下一级荷载量值，人工调节手动压力调节阀施加下一级荷重气压，继续进行观测，直到完成最终固结压力荷载的固结过程；进入下一级别荷载固结或终止固结过程也可通过预定的固结时间控制；

h.上述步骤结束后，关闭空气压缩机，保存好观测数据，调节手动压力调节阀释放加载气压，活塞杆带动基座及其上部的固结容器下降至初始位置，卸下砝码沉降量传感器、气压沉降量传感器和孔隙水压力传感器，移除砝码，然后拆下试样筒并从桶内推出土样，得到饱和重塑土样，最后整理砝码沉降量、气压沉降量以及孔隙压力与时间均根的关系曲线。

监测过程中，如果控制排气孔排水进入集水仓，则为双面排水固结，反之排气孔连接孔隙水压力传感器，则为单面排水固结；单面排水固结全程监测排气孔孔隙水压力变化。

砝码加载到气压加载固结过程的转换是在砝码加载到最后一级荷载后，通过转换装置与施加荷载过程的配合，转换过程未改变试样的轴向荷载，转换结束后的气压加载固结过程以砝码加载固结的最终荷载和固结容器荷重为初始荷载，固结过程完整、连续。

砝码和气压联合加载固结重塑土的观测转换过程中统一以横梁为监测基准点，其中砝码沉降量传感器在实验过程中为回弹测量，预设70mm变形量，气压沉降量传感器在实验过程中为压缩测量，转换过程两传感器相互校核，变形测量过程连续，变形测量结果是累加的，量程互补。

有益效果

一、在固结压力小于100kPa条件下使用砝码加载，有效地消除了低荷载条件下使用气压加载机械系统的摩擦力影响，降低了低荷载条件下的测试误差；在大于100kPa以后使用气压控制加载，有效地减少了高荷载条件下砝码使用的数量，节省劳动力；实现了两种加载放方式的可靠转换，转换过程检测不停而数据连续，精度可控；

二、在泥浆固结为重塑土样的排水过程中，通过砝码和气压的联合控制加载，不仅能够制备出性质更均匀的重塑土样，与其他方法的相比还可施加较大固结压力，制备出的土样强度更大；

三、固结容器可拆卸，有顶、底同时排水和顶部排水两种排水方式可供选择；

四、固结过程全程检测，固结质量可控，总体精度较高、方便使用，具有较好实用价值。

附图说明

附图1为本发明固结检测仪的结构示意图。

附图2为本发明固结容器示意图

附图3为本发明气源压力控制系统示意图

附图4为排水固结模式控制装置示意图

附图5为本发明的固结过程和检测流程图

图中：1-砝码沉降量传感器，2-砝码沉降表盘，3-砝码沉降表杆，4-砝码线性轴承，5-固定螺母，6-拉杆，7-基座，8-气压线性轴承，9-滚动隔膜，10-进气口，11-底座，12-活塞，13-活塞杆,14-气压沉降表盘，15-气压沉降量传感器，16-压力帽，17-调节螺母，18-转换附件，19-横梁，20-调节螺丝，21-传力杆，22-砝码，23-支撑杆，24-上透水石，25-试样筒，26-固定杆，27-集水仓，28-O型密封圈，29-下透水石，30-基底，31-排气孔，32-压盖，33-空气压缩机，34-压力蓄能器,35-气压增压器，36-手动压力调节阀，37-过滤器，38-气压传感器，39-三通阀，40-孔隙水压力传感器,41-排水软管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步说明:

如图1所示，本发明的使用砝码和气压联合加载的土固结检测仪，包括反力架和计算机，反力架上设有横梁19，反力架中轴线由下到上顺序设有气压加载装置、固结容器、加载转换装置和砝码加载装置，气压加载装置设在反力架下方，加载转换装置设在反力架上方与横梁19配合，固结容器设置在气压加载装置和加载转换装置之间，加载转换装置上设有砝码加载装置，其中加载转换装置和砝码加载装置通过传力杆21分别设置在传力杆21的下方和上方，传力杆21侧面上设有螺纹，传力杆21通过砝码线性轴承4设置在反力架的横梁19中，反力架上还设有传感测量装置，传感测量装置与计算机相连接；

所述砝码加载装置包括砝码沉降表盘2、调节螺丝20和支撑杆23，砝码沉降表盘2设置在传力杆21顶部，砝码沉降表盘2上设有可调节的砝码22，砝码沉降表盘2上设有用以支撑和固定砝码22的支撑杆23，砝码沉降表盘2与砝码线性轴承4之间的传力杆21上设有调节螺丝20,砝码沉降量传感器1以砝码沉降表杆3为基准点，观测与砝码沉降表盘2相连的压力帽16的沉降变形量，气压沉降量传感器15以拉杆6为基准点观测与气压沉降表盘14相连的固结容器上升的变形量，其共同的观测基准为横梁19，合计观测行程100mm；

所述加载转换装置包括设置在横梁19上的砝码线性轴承4，砝码线性轴承4内设有控制约束方式和测试基点转换的传力杆21，加载转换装置相对横梁19分为上下两部分，上部分由调节螺丝20与传力杆21外螺纹互相锁固构成，下部分由调节螺母17、转换附件18和传力杆21形成的锁固机构构成，其中传力杆21底部连接有压力帽16，压力帽16下方设有上透水石24，压力帽16与砝码线性轴承4之间的传力杆21由下到上顺序设有调节螺母17和转换附件18，调节螺母17通过内螺纹与传力杆21外螺纹相互锁固，其中转换附件18为三瓣结构、高度可变换，转换附件18为一个套在传力杆21外部的环形三瓣组合刚性柱状体，高度可以变换，用于固定调节螺母17和横梁19的相对位置并将横梁19提供的反力传递给压力帽16；

如图2所示，所述固结容器装置包括压力帽16、上透水石24、试样筒25、固定杆26、集水仓27、O型密封圈28、下透水石29、基底30、排气孔31和压盖32，所述压力帽16上设有排水用小孔，所述试样筒25内净高度为180mm，试样筒25的外层为有机玻璃构成，内层由不锈钢构成，固结过程中由试样筒25上口排水可收集、可视，上透水石24设置在压力帽16下方，试样筒25设置在基底30与压盖32之间，试样筒25为内外双层结构，内外双层之间的连通容腔为集水仓27，集水仓27底部密闭，集水仓27内设有两端分别连接基底30和压盖32的多根固定杆26，压盖32中间开有与压力帽16相匹配的开口，基底30上设有下透水石29，基底30上开有排气孔31，O型密封圈28设置在下透水石29上方，下透水石29与基底30上的排气孔31相连，如图4所示，排气孔31通过快捷接头和软管连接三通阀39、孔隙水压力传感器40和排水软管41，固结容器装置的排气孔31通过连接三通阀39可控制单面和双面固结排水条件，单面固结排水时连接孔隙水压力传感器40可观测固结孔隙水压，双面排水时将排出的水通过排水软管41引入集水仓27；

如图3所示，所述传感测量装置包括设置在反力架上的砝码沉降量传感器1、气压沉降量传感器15和设置在气源压力控制系统中的压力传感器38，所述砝码沉降量传感器1和气压沉降量传感器15均为一种百分表式自复位线性位移计,所述砝码沉降量传感器1通过砝码沉降表杆3和固定螺母5设置在砝码加载装置一侧，砝码沉降量传感器1与砝码沉降表盘2相匹配，气压沉降量传感器15设置在反力架立柱的拉杆6上，并与气压加载装置中基座7上的气压沉降表盘14相匹配，固结压力传感器38与进气口10相连，基底30上开有排气孔31上通过三通阀39设有试样孔隙水压力传感器40，所有传感器直接连通数据采集器和计算机，监测试样变形和输入的气压；

固结开始时，空压机33给压力蓄能器34提供压力为0.7MPa气体气压，调节手动压力调节阀36，控制气压增压器35输出压力达到预定的固结荷载，使压力蓄能器34保持系统压力在24小时断电情况下稳定,调节手动压力调节阀36，气压增压器35通过进气口10给气压加载装置提供气压，设置在气压增压器35输出管路上的压力传感器38在需要采集数据的情况下将固结压力值传递给计算机，压力蓄能器34在36小时断电情况下保持系统压力稳定,同时避免供气系统频繁启动以减少噪音和节省电力；

所述气压加载装置包括基座7、气压线性轴承8、滚动隔膜9、进气口10、底座11、活塞12和活塞杆13，所述底座12设在反力架底部，底座12内部为气压缸，由气源压力控制系统提供稳定固结压力,高压气压经进气口10控制活塞12的垂向固结荷载，活塞12设置在底座11的气压缸内，活塞12与底座11气压缸侧壁间隙通过滚动隔膜9密封并减小滑动阻力，活塞12中部向上的传力机构为活塞杆13，通过线性轴承8进行导向，基座7设置在活塞杆13上端，基座7上设有气压沉降表盘14；

所述气源压力控制系统包括空气压缩机33，压力蓄能器34,气压增压器35，手动压力调节阀36,过滤器37，压力传感器38，其中空气压缩机33通过管路顺序与压力蓄能器34,气压增压器35连接，过滤器37设置在空气压缩机33出口，手动压力调节阀36设置在气压增压器35上，气压增压器35输出压力经管路传递到进气口10，压力传感器38与气压增压器35和进气口10间的压力管路连接；空压机33给压力蓄能器34提供气体压力为0.7MPa，气压增压器35增压后最大垂直荷载15MPa，手动压力调节阀36可调节输出压力0-15MPa无级变化，控制达到预定的固结荷载并将固结压力值传递给采集器或计算机，压力蓄能器34保持系统压力24小时稳定,减少空气压缩机33频繁启动次数和延缓断电失压。

如图5所示，一种使用砝码和气压联合加载的土固结过程和检测方法，其步骤如下：

a.将被测土样制备成含水量接近液限的稀泥浆并养护48小时以上；选择并确定固结的排水方式为单面排水固结或双面排水；在试样筒25的内壁均匀涂抹一层凡士林，依次将下透水石29、洁净而湿润的滤纸装在固结容器的基底30上，再将试样筒25和固定杆26安装在基底30上，用快速管接头将固结容器底部的排气孔31和三通阀39相连接，对下透水石29进行饱和，最后将混合均匀的泥浆缓慢倒入试样筒25内，轻轻振捣、搅拌排出气泡,在试样筒25上安装压盖32并固定，通过压盖32上的开口在试样上部覆盖湿润的滤纸，对正放好上透水石24，完成试样安装，如果控制排气孔31排水进入集水仓27，则为双面排水固结，反之排气孔31连接孔隙水压力传感器40，则为单面排水固结；单面排水固结全程监测排气孔31孔隙水压力变化。；

b.在完成试样安装后，提起传力杆21并调节螺丝20控制加压帽16高度超过固结容器的最大高度，在加压帽16外壁均匀涂抹一层凡士林；将固结容器放到基座7上并对中；调节固定传力杆21的调节螺丝20，使传力杆21在重力作用下缓缓降落，在加压帽16刚好接触到试样筒25内的土样时停止调节螺丝20旋转，调整砝码沉降表盘2和气压沉降表盘14，分别与砝码沉降量传感器1和气压沉降量传感器15接触、对正，调整砝码沉降量传感器1的位置，使测量杆顶在砝码沉降表盘2上并缩回到读数70mm后固定砝码沉降量传感器1，气压沉降量传感器15预压1-2mm，如选择单面排水固结应同时连接好孔隙水压力传感器40，如选择双面排水固结则将排水软管41插入到集水仓27内；

c.将气源压力控制系统的压力传感器38与计算机相连，通过手动压力调节阀36调节进气口10输入压力为零，开启空气压缩机33为压力蓄能器34蓄能到压力达0.7MPa备用；

d.检测数据自动采集，固结荷载人工控制施加，全过程由采集软件跟踪记录，每施加一级荷载前在采集软件输入当前荷载数值，加载后即自动采集试样的固结变形和排水参数；

e.在固结压力小于或略大于100kPa条件下使用砝码沉降表盘2加载砝码，按照每级荷载20kPa逐级施加固结荷载，其中传力杆21、砝码沉降表盘2、调节螺丝20、调节螺母17、压力帽16的荷重作为第一级荷载，此后每级砝码荷重与第一级一致；在确认采集系统工作正常后，旋转调节螺丝20到传力杆21的最高位置，传力杆21在重力作用下继续降落并全部将荷载施加到试样筒25中试样上，利用计算机读取砝码沉降量传感器1监测的沉降变化曲线和试样排水情况；如选择进行单面排水固结时，当检测到孔隙水压力在连续多个等间距时间点下降的级差小于前次测量值的5％后，通过设置下一级荷载量值，人工施加下一级荷重砝码，继续进行固结，直到完成一级荷载超过100kPa的固结阶段后，转入气压加载固结阶段；如选择进行双面排水固结，当检测到固结沉降量在连续多个等间距时间点下降的级差小于前次测量值的5％后，通过设置下一级荷载量值，人工增加下一级荷重砝码，继续进行固结，直到完成一级荷载超过100kPa的固结阶段后，进入气压加载固结阶段；进入下一级别荷载固结或终止固结过程也可通过预定的固结时间控制；

f.在砝码加载固结最后一级荷载固结结束后，将转换附件18三瓣打开套在传力杆21的调节螺母17和横梁19之间，旋转调节螺母17，使转换附件18与横梁19之间保持1-2mm的距离，然后调节手动压力调节阀36进行自重平衡校正，逐步施加垂向气压荷载使之达到与前6级荷载、固结容器试样、排水等重，并使固结容器向上缓慢移动1-2mm，此时砝码沉降量传感器1和气压沉降量传感器15监测到的变形量相同，该垂向气压荷载为砝码和气压联合加载转换荷载，此时砝码加载第6级荷载为气压固结荷载的初始值，同时以砝码加载第6级荷载固结变形和孔隙水压力的终值为固结变形和孔隙水压力监测的初始值，完成从砝码加载到气压加载固结过程的转换；

g.按照预计的最终固结压力将固结荷载平均或不平均的分为5-8级，或按固结历史分级，其中气压加载固结的第1级荷载控制在砝码加载固结第6级荷载的2-3倍；当检验砝码加载到气压加载固结过程的转换可靠无误和监测系统运转正常后，调节手动压力调节阀36使转换附件18上升并与横梁19接触牢靠，向下旋紧调节螺丝20使传力杆21与横梁19固定为一体，然后逐渐施加到气压加载固结的第1级荷载，观测气压沉降量传感器监测的固结沉降量和孔隙水压力的变化情况，如选择单面排水固结，当孔隙水压力在设计的时间段内不发生显著变化后，通过设置下一级荷载量值，人工调节手动压力调节阀36施加下一级荷重气压，继续进行观测，直到完成最终固结压力荷载的固结过程；如选择双面排水固结，当固结沉降量在设计的时间段内不发生显著变化后，通过设置下一级荷载量值，人工调节手动压力调节阀36施加下一级荷重气压，继续进行观测，直到完成最终固结压力荷载的固结过程；进入下一级别荷载固结或终止固结过程也可通过预定的固结时间控制；

h.上述步骤结束后，关闭空气压缩机33，保存好观测数据，调节手动压力调节阀36释放加载气压，活塞杆13带动基座7及其上部的固结容器下降至初始位置，卸下砝码沉降量传感器1、气压沉降量传感器15和孔隙水压力传感器40，移除砝码22，然后拆下试样筒25并从桶内推出土样，得到饱和重塑土样，最后整理砝码沉降量、气压沉降量以及孔隙压力与时间均根的关系曲线。

砝码加载到气压加载固结过程的转换是在砝码加载到最后一级荷载后，通过转换装置与施加荷载过程的配合，转换过程未改变试样的轴向荷载，转换结束后的气压加载固结过程以砝码加载固结的最终荷载和固结容器荷重为初始荷载，固结过程完整、连续。

砝码和气压联合加载固结重塑土的观测转换过程中统一以横梁19为监测基准点，其中砝码沉降量传感器1在实验过程中为回弹测量，预设70mm变形量，气压沉降量传感器15在实验过程中为压缩测量，转换过程两传感器相互校核，变形测量过程连续，变形测量结果是累加的，量程互补。

实施例一：

土样取自河南许昌，将原状土样切碎，混合均匀，放进烘箱中烘干，测量其含水率。将烘干后的土样碾碎，按需要的颗粒级配用筛子过滤，获得足够量的土样备用。

将被测土样制备成含水量接近液限的稀泥浆并放置48小时以上，在试样筒25的内壁均匀涂抹一层凡士林，依次将下透水石29、洁净而湿润的滤纸装在固结容器的基底30上，再将试样筒25和固定杆26安装在基底30上，最后将混合均匀的泥浆缓慢倒入试样筒25内，轻轻振捣、搅拌排出气泡,利用螺丝在试样筒25上安装压盖32。

将固结容器放到基座7上，用利用快速管接头将固结容器底部的排气孔31和三通阀相连接；通过压盖32上的开口在试样上部覆盖湿润的滤纸，把上透水石24放入加压帽16下，在加压帽16外壁均匀涂抹一层凡士林，松开固定传力杆21的调节螺丝20，传力杆21在重力作用下缓缓降落，在加压帽16刚好接触到试样筒25内的土样时停止降落，拧紧传力杆21上的调节螺丝20固定传力杆21，旋转砝码沉降表盘2和气压沉降表盘14，分别与砝码沉降量传感器1和气压沉降量传感器15接触，调整砝码沉降量传感器1的位置，使其预压50mm固定。

将气压控制器与计算机相连；在固结荷载小于100kPa时，可分为若干级别施加砝码荷载并输入计算机内的采集软件，砝码加载超过100kPa后转为气压加载；第一级荷载由砝码加载装置的自重形成，加载的方法是：打开固定传力杆21的调节螺丝20，使加压帽16缓慢压入试样筒25，通过计算机记录荷载和砝码沉降量传感器1监测的试样变形量；当加压帽16在试样筒25内沉降稳定或达到设定的固结时间时，手动增加下一级砝码22使其穿过支撑杆23放置在沉降表盘2上，等待固结容器内的泥浆固结并进行沉降观测；当固结压力大于110kPa后，先进行自重平衡，把转换附件18放在调节螺母17和横梁19之间，旋转调节螺母17，使转换附件18与横梁19之间保持1-2mm的距离，然后通过气源压力控制器对固结容器中试样进行自重平衡校正，施加与固结容器、试样、砝码22、配件等自重的气体压力，使活塞杆13推动基座7及其上部的固结容器略有上升，使活塞杆13推动基座7及其上部的固结容器上升直至转换附件18与横梁19接触，再通过气压施加固结压力；气压固结压力仍分级施加并在预定固结时间内保持不变，同时采用气压沉降量传感器15监测固结容器内试样变形随时间增长情况，固结压力达到预先设定值并保持到设定的固结时长后，自动施加下级荷载；

在压缩量达到峰值后，通过控制气源压力控制器压力输出逐级施加固结荷载，在达到预定荷载后，通过气压沉降量传感器15观测固结容器中试样压缩变形随时间的变化，直至预定的固结时间。

监测过程中，如果控制排气孔31排水进入集水仓27，则为双面排水固结，反之排气孔31连接孔隙水压力传感器，则为单面排水固结；单面排水固结全程监测孔隙水压力变化。

当固结结束后，调节气源压力控制器释放加载气压，活塞杆13带动基座7及其上部的固结容器下降至初始位置，拆下试样筒25并从桶内推出土样，得到饱和重塑土样，同时整理砝码沉降量、气压沉降量以及孔隙压力与时间均根的关系曲线。

Claims (10)

1.一种使用砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置，包括反力架和计算机，反力架上设有横梁（19），其特征在于：反力架中轴线由下到上顺序设有气压加载装置、固结容器、加载转换装置和砝码加载装置，气压加载装置设在反力架下方，加载转换装置设在反力架上方与横梁（19）配合，固结容器设置在气压加载装置和加载转换装置之间，加载转换装置上设有砝码加载装置，其中加载转换装置和砝码加载装置通过传力杆（21）分别设置在传力杆（21）的下方和上方，传力杆（21）侧面上设有螺纹，传力杆（21）通过砝码线性轴承（4）设置在反力架的横梁（19）中，反力架上还设有传感测量装置，传感测量装置与计算机相连接；

所述砝码加载装置包括砝码沉降表盘（2）、调节螺丝（20）和支撑杆（23），砝码沉降表盘（2）设置在传力杆（21）顶部，砝码沉降表盘（2）上设有可调节的砝码（22），砝码沉降表盘（2）上设有用以支撑和固定砝码（22）的支撑杆（23），砝码沉降表盘（2）与砝码线性轴承（4）之间的传力杆（21）上设有调节螺丝（20）；

所述加载转换装置包括设置在横梁（19）上的砝码线性轴承（4），砝码线性轴承（4）内设有控制约束方式和测试基点转换的传力杆（21），加载转换装置相对横梁（19）分为上下两部分，上部分由所述调节螺丝（20）与传力杆（21）外螺纹互相锁固构成，下部分由调节螺母（17）、转换附件（18）和传力杆（21）形成的锁固机构构成，其中传力杆（21）底部连接有压力帽（16），压力帽（16）下方设有上透水石（24），压力帽（16）与砝码线性轴承（4）之间的传力杆（21）由下到上顺序设有调节螺母（17）和转换附件（18），调节螺母（17）通过内螺纹与传力杆（21）外螺纹相互锁固，其中转换附件（18）为三瓣结构、高度可变换；

所述固结容器装置包括压力帽（16）、上透水石（24）、试样筒（25）、固定杆（26）、集水仓（27）、O型密封圈（28）、下透水石（29）、基底（30）、排气孔（31）和压盖（32），所述压力帽（16）上设有排水用小孔，上透水石（24）设置在压力帽（16）下方，试样筒（25）设置在基底（30）与压盖（32）之间，试样筒（25）为内外双层结构，内外双层之间的连通容腔为集水仓（27），集水仓（27）底部密闭，集水仓（27）内设有两端分别连接基底（30）和压盖（32）的多根固定杆（26），压盖（32）中间开有与压力帽（16）相匹配的开口，基底（30）上设有下透水石（29），基底（30）上开有排气孔（31），O型密封圈（28）设置在下透水石（29）上方，下透水石（29）与基底（30）上的排气孔（31）相连，排气孔（31）通过快捷接头和软管分别与三通阀（39）、孔隙水压力传感器(40)和排水软管（41）连接；

所述气压加载装置包括基座（7）、气压线性轴承（8）、滚动隔膜（9）、进气口（10）、底座（11）、活塞（12）和活塞杆（13），所述底座（11）设在反力架底部，底座（11）内部为气压缸，由气源压力控制系统提供稳定试验压力, 高压气压经进气口（10）控制活塞（12）的垂向固结荷载，活塞（12）设置在底座（11）的气压缸内，活塞（12）与底座（11）气压缸侧壁间隙通过滚动隔膜（9）密封并减小滑动阻力，活塞（12）中部向上的传力机构为活塞杆（13），通过气压线性轴承（8）进行导向，基座（7）设置在活塞杆（13）上端，基座（7）上设有气压沉降表盘（14）；

所述传感测量装置包括设置在反力架上的砝码沉降量传感器（1）、气压沉降量传感器（15）和设置在气源压力控制系统中的压力传感器（38），所述砝码沉降量传感器（1）和气压沉降量传感器（15）均为一种百分表式自复位线性位移计,所述砝码沉降量传感器（1）通过砝码沉降表杆（3）和固定螺母（5）设置在砝码加载装置一侧，砝码沉降量传感器（1）与砝码沉降表盘（2）相匹配，气压沉降量传感器（15）设置在反力架立柱的拉杆（6）上，并与气压加载装置中基座（7）上的气压沉降表盘（14）相匹配，压力传感器（38）与进气口（10）相连，基底（30）上开有排气孔（31），排气孔（31）上通过三通阀（39）设有试样孔隙水压力传感器(40)，所有传感器直接连通数据采集器和计算机，监测试样变形和输入的气压。

2.根据权利要求1所述的使用砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置，其特征在于：砝码沉降量传感器（1）以砝码沉降表杆（3）为基准点，观测与砝码沉降表盘（2）相连的压力帽（16）的沉降变形量，气压沉降量传感器（15）以拉杆（6）为基准点，观测与气压沉降表盘（14）相连的固结容器上升的变形量，其共同的观测基准为横梁（19），合计观测行程100mm。

3.根据权利要求1所述的使用砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置，其特征在于：所述试样筒（25）内净高度为180mm，试样筒（25）的外层为有机玻璃构成，内层由不锈钢构成，固结过程中由试样筒（25）上口排水可收集、可视。

4.根据权利要求1所述的使用砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置，其特征在于：所述固结容器装置的排气孔（31）通过连接三通阀（39）可控制单面和双面固结排水条件，单面固结排水时连接孔隙水压力传感器（40）可观测固结孔隙水压，双面排水时将排出的水通过排水软管（41）引入集水仓（27）。

5.根据权利要求1所述的使用砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置，其特征在于：所述转换附件（18）为一个套在传力杆（21）外部的环形三瓣组合刚性柱状体，高度可以变换，用于固定调节螺母（17）和横梁（19）的相对位置并将横梁（19）提供的反力传递给压力帽（16）。

6.根据权利要求1所述的使用砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置，其特征在于：所述气源压力控制系统包括空气压缩机(33)，压力蓄能器（34）,气压增压器（35），手动压力调节阀（36）,过滤器(37)，压力传感器（38），其中空气压缩机(33)通过管路顺序与压力蓄能器（34）,气压增压器（35）连接，过滤器(37)设置在空气压缩机(33)出口，手动压力调节阀（36）设置在气压增压器（35）上，气压增压器（35）输出压力经管路传递到进气口（10），压力传感器（38）与气压增压器（35）和进气口（10）间的压力管路连接；空气压缩机(33)给压力蓄能器（34）提供气体压力为0.7MPa，气压增压器（35）增压后最大垂直荷载15MPa，手动压力调节阀（36）可调节输出压力0-15MPa无级变化，控制达到预定的固结荷载并将固结压力值传递给采集器或计算机，压力蓄能器（34）保持系统压力24小时稳定,减少空气压缩机(33)频繁启动次数和延缓断电失压。

7.一种使用权利要求6所述的砝码和气压联合加载制备超固结重塑土装置的砝码和气压联合加载制备超固结重塑土试验方法，其特征在于步骤如下：

a. 将被测土样制备成含水量接近液限的稀泥浆并养护48小时以上；选择并确定固结试验的排水方式为单面排水固结或双面排水固结；在试样筒（25）的内壁均匀涂抹一层凡士林，依次将下透水石（29）、洁净而湿润的滤纸装在固结容器的基底（30）上，再将试样筒（25）和固定杆（26）安装在基底（30）上，用快速管接头将固结容器底部的排气孔（31）和三通阀（39）相连接，对下透水石（29）进行饱和，最后将混合均匀的泥浆缓慢倒入试样筒（25）内，轻轻振捣、搅拌排出气泡，在试样筒（25）上安装压盖（32）并固定，通过压盖（32）上的开口在试样上部覆盖湿润的滤纸，对正放好上透水石（24），完成试样安装；

b.在完成试样安装后，提起传力杆（21）并调节螺丝（20）控制压力帽（16）高度超过固结容器的最大高度，在压力帽（16）外壁均匀涂抹一层凡士林；将固结容器放到基座（7）上并对中；调节固定传力杆（21）的调节螺丝（20），使传力杆（21）在重力作用下缓缓降落，在压力帽（16）刚好接触到试样筒（25）内的土样时停止调节螺丝（20）旋转，调整砝码沉降表盘（2）和气压沉降表盘（14），分别与砝码沉降量传感器（1）和气压沉降量传感器（15）接触、对正，调整砝码沉降量传感器（1）的位置，使测量杆顶在砝码沉降表盘(2)上并缩回到读数70mm后固定砝码沉降量传感器（1），气压沉降量传感器（15）预压1-2mm，如选择单面排水固结试验同时连接好孔隙水压力传感器（40），如选择双面排水固结试验将排水软管（41）插入到集水仓（27）内；

c. 将气源压力控制系统的压力传感器（38）与计算机相连，通过手动压力调节阀（36）调节进气口（10）输入压力为零，开启空气压缩机（33）为压力蓄能器（34）蓄能到压力达0.7MPa备用；

d.试验数据自动采集，试验荷载人工控制施加，全过程由采集软件跟踪记录，每施加一级荷载前在采集软件输入当前荷载数值，加载后即自动采集试样的固结变形和排水参数；

e. 在固结压力小于或略大于100kPa条件下使用砝码沉降表盘（2）加载砝码，按照每级荷载20kPa逐级施加固结荷载，其中传力杆（21）、砝码沉降表盘（2）、调节螺丝（20）、调节螺母（17）、压力帽（16）的荷重作为第一级荷载，此后每级砝码荷重与第一级一致；在确认采集系统工作正常后，旋转调节螺丝（20）到传力杆（21）的最高位置，传力杆（21）在重力作用下继续降落并全部将荷载施加到试样筒（25）中试样上，利用计算机读取砝码沉降量传感器（1）监测的沉降变化曲线和试样排水情况；如选择进行单面排水固结试验时，当检测到孔隙水压力在连续多个等间距时间点下降的级差小于前次测量值的5%后，通过设置下一级荷载量值，人工施加下一级荷重砝码，继续进行试验，直到完成一级荷载超过100kPa的固结试验后，转入气压加载固结阶段；如选择进行双面排水固结试验，当检测到固结沉降量在连续多个等间距时间点下降的级差小于前次测量值的5%后，通过设置下一级荷载量值，人工增加下一级荷重砝码，继续进行试验，直到完成一级荷载超过100kPa的固结试验后，进入气压加载固结阶段试验；进入下一级别荷载固结试验或终止固结试验也可通过预定的固结时间控制；

f.在砝码加载固结最后一级荷载固结结束后，将转换附件（18）三瓣打开套在传力杆（21）的调节螺母（17）和横梁（19）之间，旋转调节螺母（17），使转换附件（18）与横梁（19）之间保持1-2mm的距离，然后调节手动压力调节阀（36）进行自重平衡校正，逐步施加垂向气压荷载使垂向气压荷载达到与前6级总荷载、固结容器和试样重量、砝码加载固结排水重量等重，并使固结容器向上缓慢移动1-2mm，此时砝码沉降量传感器（1）和气压沉降量传感器（15）监测到的变形量相同，该垂向气压荷载为砝码和气压联合加载转换荷载，此时砝码加载第6级荷载为气压固结荷载的初始值，同时以砝码加载第6级荷载固结变形和孔隙水压力的终值为固结变形和孔隙水压力监测的初始值，完成从砝码加载到气压加载固结过程的转换；

g. 按照预计的最终固结压力将固结荷载平均或不平均的分为5-8级，或按固结历史分级，其中气压加载固结的第1级荷载控制在砝码加载固结第6级荷载的2-3倍；当检验砝码加载到气压加载固结过程的转换可靠无误和监测系统运转正常后，调节手动压力调节阀（36）使转换附件（18）上升并与横梁（19）接触牢靠，向下旋紧调节螺丝（20）使传力杆（21）与横梁（19）固定为一体，然后逐渐施加到气压加载固结的第1级荷载，观测气压沉降量传感器监测的固结沉降量和孔隙水压力的变化情况，如选择单面排水固结试验，当孔隙水压力在设计的时间段内不发生显著变化后，通过设置下一级荷载量值，人工调节手动压力调节阀（36）施加下一级荷重气压，继续进行观测，直到完成最终固结压力荷载固结试验；如选择双面排水固结试验，当固结沉降量在设计的时间段内不发生显著变化后，通过设置下一级荷载量值，人工调节手动压力调节阀（36）施加下一级荷重气压，继续进行观测，直到完成最终固结压力荷载固结试验；进入下一级别荷载固结试验或终止固结试验也可通过预定的固结时间控制；

h. 上述步骤结束后，关闭空气压缩机（33），保存好观测数据，调节手动压力调节阀（36）释放加载气压，活塞杆（13）带动基座（7）及其上部的固结容器下降至初始位置，卸下砝码沉降量传感器（1）、气压沉降量传感器（15）和孔隙水压力传感器（40），移除砝码（22），然后拆下试样筒（25）并从桶内推出土样，得到饱和重塑土样，最后整理砝码沉降量、气压沉降量以及孔隙压力与时间均根的关系曲线。

8.根据权利要求7所述的砝码和气压联合加载制备超固结重塑土试验方法，其特征在于：检测过程中，如果控制排气孔（31）排水进入集水仓（27），则为双面排水固结，反之排气孔（31）连接孔隙水压力传感器（40），则为单面排水固结；单面排水固结全程监测排气孔（31）孔隙水压力变化。

9.根据权利要求7所述的砝码和气压联合加载制备超固结重塑土试验方法，其特征在于：砝码加载到气压加载固结过程的转换是在砝码加载到最后一级荷载后，通过加载转换装置与施加荷载过程的配合，转换过程未改变试样的轴向荷载，转换结束后的气压加载固结过程以砝码加载固结的最终荷载和固结容器荷重为初始荷载继续试验，试验过程完整、连续。

10.根据权利要求7或9所述的砝码和气压联合加载制备超固结重塑土试验方法，其特征在于：砝码和气压联合加载固结重塑土的观测转换过程中统一以横梁（19）为监测基准点，其中砝码沉降量传感器（1）在实验过程中为回弹测量，预设70mm变形量，气压沉降量传感器（15）在实验过程中为压缩测量，转换过程两传感器相互校核，变形测量过程连续，变形测量结果是累加的，量程互补。