CN107421860A - 一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程研究领域，旨在提供一种一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置及测试方法。包括沉降柱、支撑系统、测量系统和监测系统；支撑系统中，测量悬臂装在竖向的支撑钢板上；测量系统包括分别装在测量悬臂两端的X射线发射装置和X射线接收装置，沉降柱竖向放置于两者之间；X射线发射装置和驱动电机分别通过信号线连接计算机，X射线接收装置通过信号线依次连接数据采集装置和计算机。本发明能直观地观察吹填土样本在各个时间段的沉降分层情况，也能通过数据采集系统获取精确的数据用以进一步的研究。本发明结构简单、易于上手，沉降柱在实验结束后易于拆卸清洗，可以自动记录数据，减少实验所需的人手，同时减少人为读数误差。

Description

一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置及测试方法

技术领域

本发明是关于岩土工程研究领域，特别涉及一种一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置及测试方法。

背景技术

随着经济的发展和城市建设的不断推进，人们对于土地资源的需求越来越高，土地资源紧张的问题日益突出。我国现有海涂资源约217万余公顷，涉及12个省、市、自治区。目前，通过围垦工程每年新增的建设用地约占全国每年新增建设用地总面积的3-4％，占沿海省(区、市)每年新增建设用地面积的13-15％。海洋围垦缓解了我国沿海城市土地资源紧张，拓展了生存及生产空间，为我国海洋战略和“一带一路”战略提供可贵的土地资源保障，对国民经济发展起到了至关重要的作用。现阶段，我国如浙江等大部分地区以吹填淤泥质土为主。吹填淤泥质土因未经固结、含水量极高，所以呈流动、悬浮状态，基本不具有强度。

近些年来，随着我国经济的高速发展和基础设施的大规模建设，土地资源越来越紧张，吹填土地基漫长的固结过程大大制约了工程的进度，而且目前的工程实践表明，对于我国围海造地高含水量吹填淤泥质土而言，传统排水固结法地基处理效果极差，无法满足工程建设对于地基强度及变形的要求，导致工程事故频频发生。

究其原因，主要就是因为吹填土的高含水量。虽然颗粒沉积固结理论经过几十年的发展已经较为成熟，却仍旧无法准确描述海涂吹填淤泥沉积以及固结的行为，不能准确地预测吹填淤泥的沉降。因此研究吹填土颗粒的沉积固结对于社会效益与经济利益都有极大的好处。

目前尚没有可以进行一维竖向吹填土颗粒浓度测试的装置与测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置及测试方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种一维竖向颗粒沉降监测装置，包括用于装填土样的沉降柱；该装置还包括支撑系统、测量系统和监测系统；

所述支撑系统包括底座，底座上安装驱动电机和竖向的支撑钢板，支撑钢板上设置竖向导轨和竖向的导螺杆，驱动电机输出轴与导螺杆之间通过齿轮啮合方式实现连接；一根横向设置的测量悬臂通过竖向导轨和导螺杆装设在支撑钢板上，驱动电机能通过导螺杆带动测量悬臂沿着竖向导轨上下移动；

所述测量系统包括分别装在测量悬臂两端的X射线发射装置和X射线接收装置，沉降柱竖向放置于两者之间；

所述监测系统包括数据采集装置和计算机；所述X射线发射装置和驱动电机分别通过信号线连接计算机，X射线接收装置通过信号线依次连接数据采集装置和计算机。

本发明中，所述X射线发射装置由X射线电子发射管、X射线聚焦器以及瞄准器组成，瞄准器是中间设缝隙的铅板，能让X射线通过；所述X射线接收装置由X射线检测器以及过滤铅板组成，过滤铅板中心设横向缝隙；所述沉降柱位于瞄准器与过滤铅板之间的连线上。

本发明中，所述沉降柱为顶部开口的圆柱桶状结构，其侧壁的底部设排水口；沉降柱的侧壁设有多个呈竖向分布的孔压传感器，孔压传感器通过信号线依次连接数据采集装置和计算机。

本发明中，所述沉降柱的底端连接一个样本室，样本室中封装有标定样本。

本发明中，所述竖向导轨和沉降柱的侧壁分别设有刻度尺。

本发明中，所述沉降柱由多段管件组装而成，相连的管件之间通过法兰面和螺栓实现连接。

本发明进一步提供了利用前述一维竖向颗粒沉降监测装置进行吹填土颗粒浓度测试的方法，包括下述步骤：

(1)制备标样

取滨海吹填淤泥的原状土，烘干后灼烧除去有机质，筛分后得到指定粒径的均匀土样；然后以不同设定比例加入水中并掺混均匀，制备成不同的标定样；分别记录其颗粒浓度后，按标定需要把标定样装填到沉降柱底部的样本室中；

(2)仪器的校准与标定

在竖向导轨与沉降柱上使用相同的刻度尺，调整样本室下方垫块的高度使两个刻度尺的零刻度线齐平；调整测量悬臂为水平，并使瞄准器的中心与过滤铅板的中心相对齐；

启动X射线电子发射管使X射线穿透标定样，记录X射线检测器接收到的射线量；针对不同的标定样重复试验，获得X射线透射率与颗粒浓度之间的关系曲线；

(3)土样颗粒浓度以及孔压测量

制备待测土样：取滨海吹填淤泥的原状土，充分搅拌后使其组分分布均匀，测得相应的流变参数以供后续实验使用，然后尽快倒入沉降柱中进行后续试验；

当试验开始时记为零时刻，每间隔一定时间对土样进行一次X射线扫描，根据检测的X射线量对照标定所得关系曲线获得对应的颗粒浓度，从而获得各个时刻颗粒浓度分布情况；在每个时间点同时记录各个孔压传感器测得的孔压数据，以供后续实验使用；

当多次测得的颗粒浓度保持一致不再变化，且孔压传感器测得的孔压数据也不再发生变化，则试验结束；回收沉降柱中的土样，进行数据处理。

本发明的实现原理：

试验前对吹填土试样先进行预处理，使其初始颗粒浓度分布均匀，并用流变仪记录其流变参数。然后每隔一段时间用X射线检测装置从上到下扫描，通过X射线接收装置接收到的X射线强度变化情况，与标定样品相比较，得到各个高度处浓度的分布情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能直观地观察吹填土样本在各个时间段的沉降分层情况，也能通过数据采集系统获取精确的数据用以进一步的研究。

2、本发明能测量较大浓度范围的样本，可以获得连续的颗粒沉降曲线，并且对与直径比较小的颗粒也能有较高的精度，除此之外还能够获得各个深度处的孔压变化情况，从而进行吹填土沉降固结研究。

3、本发明结构简单、易于上手，沉降柱在实验结束后易于拆卸清洗，并且可以自动记录数据，减少实验所需的人手，同时减少人为读数时产生的误差。

附图说明

图1为本发明测试装置的俯视图。

图2为本发明测试装置的主视图。

图3为本发明中沉降柱的结构示意图。

图中的附图标记为：1底座；2X射线电子发射管；3X射线聚焦器；4瞄准器；5驱动电机；6支撑钢板；7测量悬臂；8土样；9过滤铅板；10X射线检测器；11沉降柱；12样本室；13竖向导轨；14导螺杆；15孔压传感器；16螺栓；17排水口；18计算机；19垫块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明中所述一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置，包括用于装填土样的沉降柱11，以及支撑系统、测量系统和监测系统；

支撑系统包括底座1，底座1上安装驱动电机5和竖向的支撑钢板6，支撑钢板6上设置竖向导轨13和竖向的导螺杆14，驱动电机5输出轴与导螺杆14之间通过齿轮啮合方式实现连接；一根横向设置的测量悬臂7通过竖向导轨13和导螺杆14装设在支撑钢板6上，驱动电机5能通过导螺杆14带动测量悬臂7沿着竖向导轨13上下移动；

测量系统包括分别装在测量悬臂7两端的X射线发射装置和X射线接收装置。X射线发射装置由X射线电子发射管2、X射线聚焦器3以及瞄准器4组成，瞄准器4是中间设缝隙的铅板，能让X射线通过；X射线接收装置由X射线检测器10以及过滤铅板9组成，过滤铅板9的中心设横向缝隙；沉降柱11竖向放置于瞄准器4与过滤铅板9之间的连线上。

监测系统包括数据采集装置和计算机18；X射线发射装置和驱动电机5分别通过信号线连接计算机18，X射线接收装置通过信号线依次连接数据采集装置和计算机18。

沉降柱11为顶部开口的圆柱桶状结构，其侧壁的底部设排水口17；沉降柱11的侧壁设有多个呈竖向分布的孔压传感器15，孔压传感器15通过信号线依次连接数据采集装置和计算机18。沉降柱11的底端连接一个样本室12，样本室12中封装有标定样本。沉降柱11的主体结构采用有机玻璃制成，可选由多段管件组装而成，相连的管件之间通过法兰面和螺栓实现连接。在竖向导轨13和沉降柱11的侧壁分别设有刻度尺。

本发明中，利用一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置进行吹填土颗粒浓度测试的方法，包括下述步骤：

(1)制备标样

取滨海吹填淤泥的原状土，烘干后灼烧除去有机质，筛分后得到指定粒径的均匀土样；然后以不同设定比例加入水中并掺混均匀，制备成不同的标定样；分别记录其颗粒浓度后，按标定需要把标定样装填到沉降柱11底部的样本室12中；

(2)仪器的校准与标定

在竖向导轨13与沉降柱11上使用相同的刻度尺，调整样本室12下方垫块19的高度使两个刻度尺的零刻度线齐平；调整测量悬臂7为水平，并使瞄准器4的中心与过滤铅板9的中心相对齐；

启动X射线电子发射管2使X射线穿透标定样，记录X射线检测器10接收到的射线量；针对不同的标定样重复试验，获得X射线透射率与颗粒浓度之间的关系曲线；

(3)土样颗粒浓度以及孔压测量

制备待测土样8：取滨海吹填淤泥的原状土，充分搅拌后使其组分分布均匀，测得相应的流变参数以供后续实验使用，然后尽快倒入沉降柱11中进行后续试验；

当试验开始时记为零时刻，每间隔一定时间对土样8进行一次X射线扫描，根据检测的X射线量对照标定所得关系曲线获得对应的颗粒浓度，从而获得各个时刻颗粒浓度分布情况；在每个时间点同时记录各个孔压传感器15测得的孔压数据，以供后续实验使用；

当多次测得的颗粒浓度保持一致不再变化，且孔压传感器15测得的孔压数据也不再发生变化，则试验结束；回收沉降柱11中的土样8，在计算机中对收集到的数据进行处理。

本发明中，数据采集装置能每隔一定时间自动记录下所连接的X射线接收装置接收到的数据以及孔压传感器所测得的数据，可采用现有硬件实现，本领域技术人员可根据本发明所述的功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能，由于这些内容并非本发明重点，故不再赘述。

具体实施例子

本实施例中，沉降柱11主体四周以及底面均为有机玻璃，以便更加方便地观察试样的沉积情况。实验测量的部分高度为1.5m，在测量部分的一侧以0.2m为间隔分布有若干孔压传感器15，在沉降柱11的另一侧设有刻度，以方便实验准备时装填试样过程中试样高度的确定，其中零刻度与竖向导轨13的零刻度等高。沉降柱11底部有20cm高的样本室12，里面可根据需要装入两种规格的标准标样。沉降柱11整体由可拆卸的三段组装而成，各段之间通过法兰和螺栓16实现固定与密封。沉降柱11侧壁的底部设有一个排水口17，方便实验结束后对仪器的清理。

在竖向导轨13上设置刻度尺，可以方便把测量悬臂7定位到确定的高度，从而可以测量沉降柱11各个高度上的颗粒分布浓度。并且驱动电机5与计算机18相连接，可以通过计算机18定位X射线测量的位置。X射线发射装置中的瞄准器4为50mm厚度的铅板，铅板中间有0.5mm宽度的缝隙能让X射线通过。X射线接收装置中的过滤铅板9厚度为8mm，并且在铅板中心处有宽度为0.12mm的横向缝隙。计算机18与X射线发射装置相连接，用于控制X射线电子管2的开关；另外，计算机18还通过数据采集系统连接着孔压测量传感器15，数据采集系统能每隔一定时间自动记录下所连接的X射线检测器10接收到的数据以及孔压传感器15所测得的数据。

本发明的测试方法基于一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置，能直接观察吹填土试样随着时间沉积固结情况的发展，通过利用X射线检测装置10测得的各个高度在各个时间点上的颗粒浓度，从而得到吹填土颗粒的沉降曲线。

在颗粒浓度测量以及孔压测量刚开始的一个小时内，每隔十分钟对沉降柱11进行一次扫描，即在10min、20min、30min、40min、50min、60min这六个时刻分别测量土样8的颗粒浓度。其中一次扫描的定义为X射线测量装置从上往下每隔10cm对土样8的颗粒浓度进行一次测量，通过与标样的比对获得该时刻下颗粒浓度随着高度的分布情况。在之后的三个小时中，每隔30min对土样8进行一次扫描，即在90min、120min、150min、180min、210min、240min这六个时刻分别测量土样8的颗粒浓度。因为颗粒的沉积固结速度会随着时间的发展逐渐变慢，因此之后的测试间隔可以根据前后两次测得的数据变化情况做出相应的调整。另外，在每个时间点都需记录该时间点上各个孔压传感器15测得的孔压数据。当多次测得的颗粒浓度保持一致不再变化，且孔压传感器15测得的孔压数据也不再发生变化，则实验结束。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置，包括用于装填土样的沉降柱；其特征在于，该装置还包括支撑系统、测量系统和监测系统；

所述支撑系统包括底座，底座上安装驱动电机和竖向的支撑钢板，支撑钢板上设置竖向导轨和竖向的导螺杆，驱动电机输出轴与导螺杆之间通过齿轮啮合方式实现连接；一根横向设置的测量悬臂通过竖向导轨和导螺杆装设在支撑钢板上，驱动电机能通过导螺杆带动测量悬臂沿着竖向导轨上下移动；

所述测量系统包括分别装在测量悬臂两端的X射线发射装置和X射线接收装置，沉降柱竖向放置于两者之间；

所述监测系统包括数据采集装置和计算机；所述X射线发射装置和驱动电机分别通过信号线连接计算机，X射线接收装置通过信号线依次连接数据采集装置和计算机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述X射线发射装置由X射线电子发射管、X射线聚焦器以及瞄准器组成，瞄准器是中间设缝隙的铅板，能让X射线通过；所述X射线接收装置由X射线检测器以及过滤铅板组成，过滤铅板中心设横向缝隙；所述沉降柱位于瞄准器与过滤铅板之间的连线上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述沉降柱为顶部开口的圆柱桶状结构，其侧壁的底部设排水口；沉降柱的侧壁设有多个呈竖向分布的孔压传感器，孔压传感器通过信号线依次连接数据采集装置和计算机。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述沉降柱的底端连接一个样本室，样本室中封装有标定样本。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述竖向导轨和沉降柱的侧壁分别设有刻度尺。

6.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述沉降柱由多段管件组装而成，相连的管件之间通过法兰面和螺栓实现连接。

7.利用权利要求1所述一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置进行吹填土颗粒浓度测试的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)制备标样

取滨海吹填淤泥的原状土，烘干后灼烧除去有机质，筛分后得到指定粒径的均匀土样；然后以不同设定比例加入水中并掺混均匀，制备成不同的标定样；分别记录其颗粒浓度后，按标定需要把标定样装填到沉降柱底部的样本室中；

(2)仪器的校准与标定

在竖向导轨与沉降柱上使用相同的刻度尺，调整样本室下方垫块的高度使两个刻度尺的零刻度线齐平；调整测量悬臂为水平，并使瞄准器的中心与过滤铅板的中心相对齐；

启动X射线电子发射管使X射线穿透标定样，记录X射线检测器接收到的射线量；针对不同的标定样重复试验，获得X射线透射率与颗粒浓度之间的关系曲线；

(3)土样颗粒浓度以及孔压测量

制备待测土样：取滨海吹填淤泥的原状土，充分搅拌后使其组分分布均匀，测得相应的流变参数以供后续实验使用，然后尽快倒入沉降柱中进行后续试验；

当试验开始时记为零时刻，每间隔一定时间对土样进行一次X射线扫描，根据检测的X射线量对照标定所得关系曲线获得对应的颗粒浓度，从而获得各个时刻颗粒浓度分布情况；在每个时间点同时记录各个孔压传感器测得的孔压数据，以供后续实验使用；

当多次测得的颗粒浓度保持一致不再变化，且孔压传感器测得的孔压数据也不再发生变化，则试验结束；回收沉降柱中的土样，进行数据处理。