CN107764645B - 一种大尺寸黏土高压固结的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸黏土高压固结试验装置，本装置包含大尺寸高压固结仪和加载装置，其中大尺寸高压固结仪直径达30cm；固结仪内侧壁采用双层乳胶膜内夹润滑剂的减阻装置，以最大限度地减小土体与内侧壁摩擦力，真实模拟初始地应力状态；并在适当位置布置多组弯曲元件、土压力和孔隙水压传感器，对土体固结过程中的力学参数进行精准测量；其中加载装置通过多种滑轮组合、不同的悬挂方式及加载顺序，以一定量的配重可以满足最大竖向压力达20MPa的高压需求以及逐级加载的需求，其优势在于能够提供长期稳定的高压压力源，具有适用于黏土固结位移量值较大的特点。

Description

一种大尺寸黏土高压固结的试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于研究土体固结试验装置，特别是涉及到用于研究大直径黏土土样的高压固结过程中的力学性质的一种大尺寸黏土高压固结的试验装置。

背景技术

随着深部地下空间的利用需求增加，深部黏土的宏观力学性质亟需得到深入研究，以更好服务于地下工程建设。掌握高压黏土力学性质，高压黏土固结试验仪器必不可少。

然而目前用于高压黏土固结试验的固结仪本身尺寸普遍较小、且侧壁存在摩擦力，无法真实模拟深部土层的地应力状态；而且由于现阶段较小的固结仪尺寸，使得相应传感器布置受到很大限制，难以对土体高压固结过程中应力、变形等量进行系统测量。

另外，高压固结试验设备必不可少的高压加载装置，现阶段主要有液压加载、杠杆加载、滑轮组加载等。其中，高压液压加载装置存在结构复杂、成本较高、长期加载稳定性不足等缺点；而杠杆加载在高压加载条件下受杆件强度和尺寸的限制，其无法适应黏土固结位移量值较大等特点；目前常见的单一类型滑轮组合由于压头单次位移量程小，多用于岩石蠕变试验，无法满足黏土高压固结位移量值较大的要求，除此之外，现有的滑轮布置与连接方式通常会使得仪器占用空间大和滑轮使用效率较低。

因此，亟需设计出能够克服上述不足的大尺寸的黏土高压固结设备，利用其可以真实模拟、研究深部黏土的初始应力状态和性质。除此之外，利用设计的大直径高压固结仪，固结完成后可以从大直径土样钻取多个标准尺寸的三轴试验土样，能够为后续黏土高压三轴试验提供性质一致的土样，由于显著地节省了再固结时间，因此可以极大地提高后续试验效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种大尺寸黏土高压固结的试验装置，本发明能够长期稳定、极大程度真实地模拟深部土层地应力状态，能够实现变形模量、应力、变形等多变量的精细测量，且占地面积较小、操作简单。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

本发明提供一种大尺寸黏土高压固结的试验装置，包括顶板、压头、四根支撑杆、大尺寸高压固结仪、底座、大位移滑轮组、小位移滑轮组、底板，所述支撑杆连接顶板、底板，所述压头设置在支撑杆上，所述压头下部设置有调节压头高度的调节螺栓，所述压头上设置有防止压头发生侧向偏斜的与支撑杆相对应的四个直线轴承，所述底板上设置有与压头相对应的底座，所述底座上对应设置有大尺寸高压固结仪，所述高压固结仪的上、下盖上和侧壁上设置有多类型传感器装置，所述高压固结仪内侧壁设置有复合减阻装置，所述顶板与压头之间设置有大位移滑轮组、小位移滑轮组，所述高压固结仪通过悬吊装置与顶板连接，所述大位移滑轮组、小位移滑轮组通过钢丝绳连接有配重盘。

进一步的，所述多类型传感器装置包括若干组土压力传感器、孔隙水压力传感器、弯曲元件。

进一步的，所述大尺寸高压固结仪包括高压固结仪上盖、高压固结仪侧壁、高压固结仪下盖，所述高压固结仪上盖、高压固结仪下盖上布置若干组土压力传感器和弯曲元件，所述高压固结仪侧壁中部布置若干组土压力传感器、孔隙水压力传感器和弯曲元件。

进一步的，所述复合减阻装置包括双层乳胶膜，所述双层乳胶膜内设置有润滑剂，所述复合减阻装置通过环形夹固定。

进一步的，所述大位移滑轮组、小位移滑轮组各8套，沿环向均匀交叉布置在底座上，通过钢丝绳与顶板、底板及压头相连接。

进一步的，所述大位移滑轮组包括三个动滑轮装置，所述三个动滑轮装置通过钢丝绳与顶板、底板及压头相连接；所述小位移滑轮组包括四个动滑轮装置，所述四个动滑轮装置通过钢丝绳与顶板、底板及压头相连接。

进一步的，所述配重盘包括第一加载盘、第二加载盘，所述第一加载盘通过钢丝绳与大位移滑轮组连

接，所述大位移滑轮组可以实现将第一加载盘上重量放大15倍传递到压头上，所述第一加载盘位移量

与压头位移比为16:1；

所述第二加载盘通过钢丝绳与小位移滑轮组连接，所述小位移滑轮组可以实现将第二加载盘上重量放大31倍传递到压头上，所述第二加载盘位移量与压头位移比为31:1。

进一步的，所述悬吊装置包括定滑轮、悬吊钢丝绳、第三加载盘，所述定滑轮设置在顶板上，所述定滑轮通过悬吊钢丝绳与大尺寸高压固结仪的大尺寸高压固结室连接，所述悬吊钢丝绳连接有与大尺寸高压固结仪相对应的第三加载盘。

本发明的有益效果：

本发明通过在固结仪内侧壁布设润滑剂双层乳胶膜内夹润滑剂的复合装置来极大程度地减小土体与侧壁的摩擦力，在固结仪上下盖板上布置多组土压力传感器和弯曲元件，在固结仪侧壁中部布置多组土压力传感器、孔隙水压力传感器和弯曲元件，可实现对土体应力状态以及变形模量等参数进行精确测量，另外为了保证由布设于侧壁中部的弯曲元件、土压力传感器等获得的测量结果能够真实反映中部土样的性质，采用了悬吊设备，使得中部土样与固结仪侧壁的相对位置在固结过程中保持不变，通过两种类型的滑轮组合相互配合使用，可以满足黏土在高压固结过程的位移量要求，通过上述两种类型的滑轮组环形对称布置可以减小滑轮所占空间、提高滑轮使用效率，通过设置线性轴承，可以防止加载压头发生侧向偏斜、提高加载稳定性。

附图说明

图1是大尺寸高压黏土固结试验装置的结构示意图；

图2是大位移滑轮组结构示意图；

图3为小位移滑轮组结构示意图；

图4为悬吊装置结构示意图；

图5为大尺寸高压固结室结构示意图；

图6为复合减阻装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1：如图1-6所示，本实施例提供一种大尺寸黏土高压固结的试验装置，包括顶板1、压头2、四根支撑杆3、大尺寸高压固结仪4、底座5、大位移滑轮组6、小位移滑轮组7、底板8，所述支撑杆3连接顶板1、底板8，所述压头2设置在支撑杆3上，所述压头2下部设置有调节压头2高度的调节螺栓9，所述压头2上设置有防止压头2发生侧向偏斜的与支撑杆3相对应的四个直线轴承11，所述底板8上设置有与压头2相对应的底座5，所述底座5上对应设置有大尺寸高压固结仪4，所述高压固结仪4的上、下盖上和侧壁上设置有多类型传感器装置13，所述高压固结仪4内侧壁设置有复合减阻装置14，所述顶板1与压头2之间设置有大位移滑轮组6、小位移滑轮组7，所述高压固结仪4通过悬吊装置12与顶板1连接，所述大位移滑轮组6、小位移滑轮组7通过钢丝绳连接有配重盘10。

进一步的，所述多类型传感器装置13包括若干组土压力传感器13-1、孔隙水压力传感器13-2、弯曲元件13-3。

进一步的，所述大尺寸高压固结仪4包括高压固结仪上盖4-4、高压固结仪侧壁4-2、高压固结仪下盖4-3，所述高压固结仪上盖4-1、高压固结仪下盖4-3上布置若干组土压力传感器13-1和弯曲元件13-3，所述高压固结仪侧壁4-2中部布置若干组土压力传感器13-1、孔隙水压力传感器13-2和弯曲元件13-3。

进一步的，所述复合减阻装置14包括双层乳胶膜14-2，所述双层乳胶膜内设置有润滑剂14-3，所述复合减阻装置14通过环形夹14-1固定。

进一步的，所述大位移滑轮组6、小位移滑轮组7各8套，沿环向均匀交叉布置在底座5上，通过钢丝绳与顶板1、底板8及压头2相连接。

进一步的，所述大位移滑轮组6包括三个动滑轮装置6-1，所述三个动滑轮装置6-1通过第一连接钢丝绳6-2与顶板1、底板8及压头2相连接；所述小位移滑轮组7包括四个动滑轮装置7-1，所述四个动滑轮装置7-1通过第二连接钢丝绳7-2与顶板1、底板8及压头2相连接。

进一步的，所述配重盘10包括第一加载盘6-3、第二加载盘7-3，所述第一加载盘6-3通过第一连接钢丝绳6-2与大位移滑轮组6连接，所述大位移滑轮组6可以实现将第一加载盘6-3上重量放大15倍传递到压头上，所述第一加载盘6-3位移量与压头2位移比为16:1；

所述第二加载盘7-3通过第二连接钢丝绳7-2与小位移滑轮组7连接，所述小位移滑轮组7可以实现将第二加载盘7-3上重量放大31倍传递到压头上，所述第二加载盘7-3位移量与压头2位移比为31:1。

进一步的，所述悬吊装置12包括定滑轮12-1、悬吊钢丝绳12-2、第三加载盘12-3，所述定滑轮12-1设置在顶板1上，所述定滑轮12-1通过悬吊钢丝绳12-2与大尺寸高压固结仪4的大尺寸高压固结室12-3连接，所述悬吊钢丝绳12-2连接有与大尺寸高压固结仪4相对应的第三加载盘12-3。

大位移滑轮组6中三个动滑轮装置6-1使用钢丝与顶板1、底板8及压头2相连，能够适应加载后压力较小、固结位移增量较大的特点；小位移滑轮组7中四个动滑轮装置7-1使用钢丝与顶板1、底板8及压头2相连，能够适应加载后压力较大、固结位移增量较小的特点。

在土样装入大尺寸固结压力室前，在固结仪内侧壁布设双层乳胶膜14-2内夹润滑剂14-3的复合减阻装置14，并利用环形夹14-1对其进行加持；安装土样，使用悬吊钢丝绳12-2通过定滑轮12-1使大尺寸高压固结室12-3与第三加载盘12-4相连；并根据土样和大尺寸高压固结仪总体重量，在第三加载盘12-4上进行砝码配重，使固结压力室处于悬浮状态；完成以上工作后，使用钢丝绳将三个动滑轮装置6-1与顶板1、底板8及压头2相连，调节调节螺栓9，使压头位置调节到最高处，同时对8组大位移滑轮组6进行对称加载，利用土压力传感器13-1、孔隙水压力传感器13-2对土压力和孔隙水压进行实时测量，当需要获得土样剪切模量时，利用弯曲元件13-3进行相应测量，当土样位到达一定位移量后，使用钢丝将四个动滑轮装置7-1与顶板1、底板8及压头2相连，同时对8组小位移滑轮组7进行对称加载，同样利用土压力传感器13-1、孔隙水压力传感器13-2对土压和孔隙水压实时测量，当需要获得土样剪切模量时，利用弯曲元件13-3进行相应测量，其中大尺寸高压固结仪直径达30cm，以一定量的配重可以满足最大竖向压力达20MPa的高压需求以及逐级加载的需求，其优势在于能够提供长期稳定的高压压力源，具有适用于黏土固结位移量值较大的特点。

Claims (6)

1.一种大尺寸黏土高压固结的试验装置，其特征在于：包括顶板（1）、压头（2）、四根支撑杆（3）、大尺寸高压固结仪（4）、底座（5）、大位移滑轮组（6）、小位移滑轮组（7）、底板（8），所述支撑杆（3）连接顶板（1）、底板（8）；

所述压头（2）设置在支撑杆（3）上，所述压头（2）下部设置有调节压头（2）高度的调节螺栓（9），所述压头（2）上设置有防止压头（2）发生侧向偏斜的与支撑杆（3）相对应的四个直线轴承（11），所述底板（8）上设置有与压头（2）相对应的底座（5），所述底座（5）上对应设置有大尺寸高压固结仪（4），所述大尺寸高压固结仪（4）包括高压固结仪上盖（4-1）、高压固结仪侧壁（4-2）、高压固结仪下盖（4-3），其中高压固结仪上盖（4-1）、高压固结仪下盖（4-3）上布置若干组土压力传感器（13-1）和弯曲元件（13-3），高压固结仪侧壁（4-2）中部布置若干组土压力传感器（13-1）、孔隙水压力传感器（13-2）和弯曲元件（13-3）；大尺寸高压固结仪（4）内侧壁设置有复合减阻装置；

所述顶板（1）与压头（2）之间设置有多组大位移滑轮组（6）、小位移滑轮组（7），其中大位移滑轮组（6）、小位移滑轮组（7）间隔设置，所述高压固结仪（4）通过悬吊装置（12）与顶板（1）连接，所述大位移滑轮组（6）、小位移滑轮组（7）通过钢丝绳连接有配重盘（10）；

高压固结仪（4）通过悬吊装置（12）与顶板（1）连接，悬吊装置（12）包括定滑轮（12-1）、悬吊钢丝绳（12-2）、第三加载盘（12-3），其中定滑轮（12-1）设置在顶板（1）上，定滑轮（12-1）通过悬吊钢丝绳（12-2）与大尺寸高压固结仪（4）的大尺寸高压固结室（12-3）连接，悬吊钢丝绳（12-2）连接有与大尺寸高压固结仪（4）相对应的第三加载盘（12-3），根据土样和大尺寸高压固结仪（4）的总体重量，在第三加载盘（12-4）上进行砝码配重，使固结仪侧壁（4-2）处于悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的大尺寸黏土高压固结的试验装置，其特征在于：使用时对多组大位移滑轮组（6）进行对称加载，利用土压力传感器（13-1）、孔隙水压力传感器（13-2）对土压力和孔隙水压进行实时测量，当需要获得土样剪切模量时，利用弯曲元件（13-3）进行相应测量，当土样位到达一定位移量后，使用钢丝将四个动滑轮装置（7-1）与顶板（1）、底板（8）及压头（2）相连，同时对（8）组小位移滑轮组（7）进行对称加载，同样利用土压力传感器（13-1）、孔隙水压力传感器（13-2）对土压和孔隙水压实时测量，当需要获得土样剪切模量时，利用弯曲元件（13-3）进行相应测量，其中大尺寸高压固结仪直径达30cm，以一定量的配重可以满足最大竖向压力达20MPa的高压需求以及逐级加载的需求，其优势在于能够提供长期稳定的高压压力源，具有适用于黏土固结位移量值较大的特点。

3.根据权利要求1所述的大尺寸黏土高压固结的试验装置，其特征在于：所述复合减阻装置包括用于加持土样的环形夹（14-1），土样外侧和高压固结仪侧壁（4-2）内均设有乳胶膜（14-2），两侧乳胶膜（14-2）之间设有润滑剂（14-3）。

4.根据权利要求1所述的大尺寸黏土高压固结的试验装置，其特征在于：所述大位移滑轮组（6）、小位移滑轮组（7）各8套，沿环向均匀交叉布置在底座（5）上，通过钢丝绳与顶板（1）、底板（8）及压头（2）相连接。

5.根据权利要求4所述的大尺寸黏土高压固结的试验装置，其特征在于：所述大位移滑轮组（6）包括三个动滑轮装置（6-1），所述三个动滑轮装置（6-1）通过第一连接钢丝绳（6-2）与顶板（1）、底板（8）及压头（2）相连接；所述小位移滑轮组（7）包括四个动滑轮装置（7-1），所述四个动滑轮装置（7-1）通过第二连接钢丝绳（7-2）与顶板（1）、底板（8）及压头（2）相连接；大位移滑轮组（6）中三个动滑轮装置（6-1）使用钢丝与顶板（1）、底板（8）及压头（2）相连，能够适应加载后压力较小、固结位移增量较大的特点；小位移滑轮组（7）中四个动滑轮装置（7-1）使用钢丝与顶板（1）、底板（8）及压头（2）相连，能够适应加载后压力较大、固结位移增量较小的特点。

6.根据权利要求5所述的大尺寸黏土高压固结的试验装置，其特征在于：配重盘（10）包括第一加载盘（6-3）、第二加载盘（7-3），所述第一加载盘（6-3）通过第一连接钢丝绳（6-2）与大位移滑轮组（6）连接，所述大位移滑轮组（6）可以实现将第一加载盘（6-3）上重量放大（15）倍传递到压头上，所述第一加载盘（6-3）位移量与压头（2）位移比为16:1；第二加载盘（7-3）通过第二连接钢丝绳（7-2）与小位移滑轮组（7）连接，所述小位移滑轮组（7）可以实现将第二加载盘（7-3）上重量放大（31）倍传递到压头上，所述第二加载盘（7-3）位移量与压头（2）位移比为31:1。

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