CN107957388A - 原状饱和土及改良土的渗流-蠕变联合试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原状饱和土及改良土渗流与蠕变的联合试验装置，该装置包括试样承载系统、轴向加载系统、应力应变测量系统、水压加载控制系统、渗流量测量系统、支承系统。其中轴向加载系统、水压加载控制系统均与试样承载系统连接，用于对试样施加荷载和水压。应力应变测量系统和渗流量测量系统与试样承载系统连接，用于测量试样的应力应变及渗流量。轴向加载系统和试样承载系统分别通过铰链和支脚与支承系统连接，以保证整个装置的稳定。本装置可用于同步测量原状饱和土及改良土的渗流系数、蠕变参数，研究两者间的相互作用关系。该装置制造简单、测量结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及土工试验领域，尤其是一种原状饱和土及改良土的渗流-蠕变联合试验装置。
技术背景
我国各地的软土分布极为广泛，在沿海和河流的中下游及湖泊附近地区，地表下第四纪松软覆盖层深厚，如天津、大连、温州、台州、宁波等地的滨海相沉积软土；上海、广州等地的三角洲相沉积软土，闽江口平原的溺谷相沉积软土等。软土天然具有含水量高、孔隙比大、渗透性差、压缩性高、强度低、敏感度高和流变性等地质特性。随着我国基础设施建设的不断投入，交通运输和建设需求的不断增长，公路等基础设施建设面临着如何处理软土工程性质差的问题。在软土地区修建建筑物，如未能对土基进行很好的加固处理，很容易发生地基沉降和差异沉降过大，严重影响建筑物的施工质量和后期正常使用。软土的固结和后期流变是造成建筑物地基沉降和差异沉降的重要原因。软土具有很小的渗透系数，透水性能很低，此类土体的水分渗出条件差，对地基的固结排水极为不利。因此，研究软土的渗流特性和蠕变特性变得日趋重要。
软土的分布地区具有地下水位高，年降雨量多的特点，即使在主固结完成后，软土中仍会发生渗流现象。由于渗流现象的存在，会影响孔隙水压力的消散，进而影响土体的固结和蠕变变形。而土体的固结和蠕变变形反过来又会影响土体的渗流特性，这使得土体的渗流蠕变耦合机制变得极其复杂。研究两者间的相互作用机制和作用关系具有重要的工程研究价值。
试验是研究岩土力学特性的重要手段。前人对软土特性的研究大都单独研究其蠕变特性或渗流特性，很少将两者结合起来进行研究。在已有专利或者文章中，研究这设计制作的渗流蠕变耦合特性试验仪器大都只针对岩石，很少有对土体的蠕变渗流耦合特性进行研究的试验仪器。本发明提供一种制造简单、测量结果准确可靠的原状软土及改良土渗流-蠕变联合试验装置。
发明内容
本发明旨在为研究原状饱和土及改良土的渗流及蠕变耦合特性提供一种制造简单、测量结果准确可靠的试验装置，以解决上述技术背景提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，包括试样承载系统、轴向加载系统、应力应变测量系统、水压加载控制系统、渗流量测量系统、支承系统。
所述试样承载系统包括上圆筒、中圆筒、下圆筒、上渗漏片、下渗漏片、集水漏斗；所述中圆筒和下圆筒内外径相同，且同轴连接，上圆筒外径略小于中圆筒内径；中圆筒用于放置试样；上渗漏片和下渗漏片分别放置于上圆筒底部和中圆筒的底部；集水漏斗放置于下圆筒中，其上端与下渗漏片接触，下端从下圆筒底部开孔穿出；试样承载系统通过焊接于下圆筒底部的支脚置于支承系统上；
所述轴向加载系统由轴向加压杠杆、加载螺杆、配重砝码组成，用于对试样施加轴向荷载，轴向加压杠杆一端通过铰链与支承系统连接，另一端连接配重砝码，加载螺杆一端与轴向加压杠杆连接，另一端与上圆筒的顶盖连接；轴向加载系统通过作用于上圆筒对试样施加荷载；
所述应力应变测量系统由位移计、传感器、变送器、计算机组成；位移计与上圆筒顶盖接触，用于测量试样的轴向变形；传感器埋置于试样中，通过变送器将传感器所测数据传入计算机中；
所述水压加载控制系统由水箱、进水阀门、水压阀和进水管组成；水箱放置于高处，通过进水阀门接入外部水流，水压阀控制进入试样的水流，同时监控水箱中的水压大小，进水管插入上圆筒中；
所述渗流量测量系统由出水管与流量计组成，出水管一端与集水漏斗下端相连，另一端连接流量计。
一所述原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将集水漏斗放入下圆筒中，漏斗嘴插入下圆筒底部的开孔以将其固定；
步骤二：选择与试样上下层土体渗透系数相符的渗漏片，在渗漏片边缘套上橡胶圈，将下渗漏片放置于中圆筒的圆筒底部，将中圆筒与下圆筒连接；
步骤三：将一部分试样放入中圆筒中，使试样的高度达到需要埋置传感器的位置，并将试样适当压实；
步骤四：将第一个传感器放在装好的试样上，将传感器连接线通过中圆筒侧壁的开孔引出；
步骤五：重复步骤三、四，加入其余试样和传感器；
步骤六：将上渗漏片放置于上圆筒底部，盖上上圆筒顶盖，将上圆筒放入中圆筒中；
步骤七：将传感器连接线与变送器连接，然后通过USB串口连接到计算机上；
步骤八：让位移计底端与上圆筒顶盖接触，将加载螺杆与上圆筒顶盖的螺帽连接，加载螺杆顶部根据试验的荷载要求插入轴向加压杠杆合适的插槽中；将进水管一端连接到水箱，另一端通过上圆筒顶部的开孔连接进入上圆筒；
步骤九：将出水管的前端与集水漏斗的底部连接，末端接入流量计中；
步骤十：关闭水压阀，打开进水阀门在水箱中加满水；打开水压阀，并控制水流速度，待出水管末端有水流出后，适当调节进水阀门，使水箱中的水高度满足试验要求的水头；
步骤十一：在轴向加压杠杆上挂上符合试验要求的配重砝码，对试样进行加载；加压过程中通过各监测仪器对试样的变形、应力、渗流量进行监测，并通过计时器记录试验时间。
所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，试验中通过调节进水阀门、水压阀来调整试验水头以及试样中水的渗流大小；通过调整砝码配重和改变加载螺杆插入插槽的位置改变加压荷载。
本发明综合考虑普通固结仪、渗流仪的工作原理及特点，其优点及适用范围：
该一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置可分别测量原状饱和软土及改良土的渗流系数、蠕变参数。
该一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置可同时进行渗流试验和单轴蠕变压缩试验，因而可用于研究渗流对土体蠕变的影响、土体蠕变大小对渗流系数的影响、渗流与蠕变之间的相互作用关系。
该一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置可通过安装具有不同渗透能力的渗漏片，用于模拟试样上下层土体的不同渗流系数，可研究上下层土体渗透系数的大小不同对土体渗透和蠕变的影响。
该一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置可在试样的不同深度处安装应力传感器，并通过变送器将数据转换传输入计算机，实现对土体渗流蠕变过程中应力变化的实时监控。
本装置制造简单、测量结果准确可靠。
附图说明
图1是测量原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置的结构示意图。
图2 是上、中、下圆筒的构造示意图。
图3 是应力测量系统示意图。
图4 是渗漏片的示意图。
图中：1—轴向加压杠杆、2—进水阀门、3—水箱、4—插槽、5—铰链、6—水压阀、8—加载螺杆、9—位移计、10—上圆筒、11—配重砝码、12—上渗漏片、13—传感器、14—试样、15—计算机、16—变送器、17—中圆筒、18—集水漏斗、19—下渗漏片、20—下圆筒、21—支脚、22—出水管、23—流量计、24—支承框架、25—螺帽、26—顶盖、27—环形浅槽、28—侧壁开孔。
具体实施方式
下面以实例对本发明的实施方式做进一步的说明。该实例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示，本发明原状饱和土及改良土的渗流-蠕变联合试验装置包括试样承载系统、轴向加载系统、应力应变测量系统、水压加载控制系统、渗流量测量系统和支承系统；
试样承载系统包括上圆筒10、中圆筒17、下圆筒20、上渗漏片12、下渗漏片19、集水漏斗18。上、中、下圆筒的构造及连接方式如图2 所示，中圆筒17和下圆筒20内外径相同，通过螺纹同轴连接，可拆卸，上圆筒10外径略小于中圆筒17内径，放入中圆筒内。中圆筒17用于放置试样14，下圆筒20用于放置集水漏斗。上圆筒10具有一定厚度的顶盖26，顶盖26中心焊有一螺帽，用于连接加载螺杆8，旁边有一开孔，用作进水管7的插孔。在上圆筒10侧壁的环形浅槽27上套上O型密封圈。中圆筒17顶部不封闭，侧壁开有一小孔，用以接出传感器信号线；所述下圆筒20顶部不封闭，底部封闭但有一个开孔，用作集水漏斗18的插孔，以连接出水管22。
上渗漏片10放置于上圆筒10的底部；下渗漏片19放置于中圆筒17的底部；集水漏斗18放置于下圆筒20中，其上端与下渗漏片19接触，下端从下圆筒20底部开孔穿出，以连接出水管22。下圆筒20通过焊接于其底部的支脚21置于支承系统上。
上渗漏片12、下渗漏片19均为分级渗漏片，其直径略小于上圆筒10内径；安装时渗漏片边缘套上橡胶圈，避免水从渗漏片边缘流出。
轴向加载系统由轴向加压杠杆1、加载螺杆8、配重砝码11组成，用于对试样14施加轴向荷载。轴向加压杠杆1一端通过铰链5与支承系统连接，另一端连接配重砝码11，加载螺杆8一端与轴向加压杠杆1连接，另一端从上圆筒顶盖26的螺帽连接。
轴向加压杠杆1由槽钢加工而成，其一端通过铰链5固定于支承系统，使轴向加压杠杆1只能在竖直方向绕铰链5转动；另一端用铁片焊接闭合，铁片中间开有一个用于挂配重砝码11的小孔。轴向加压杠杆1的侧壁开有五个距铰链处支点不同距离的插槽4，用于插入加载螺杆8。
应力应变测量系统如图3所示，由位移计9、传感器13、变送器16、计算机15组成。位移计9与上圆筒顶盖26接触，用于测量试样的轴向变形。传感器13埋置于试样14中，通过变送器16将传感器所测数据传入计算机15中。传感器13为微型荷重压力传感器，变送器16连接多个埋置于试样14不同深度处的传感器13。
水压加载控制系统由水箱3、进水阀门2、水压阀6和进水管7组成。水箱2放置于高处，通过进水阀门2接入外部水流，水压阀6控制进入试样14的水流，同时监控水箱3中的水压大小，进水管7插入上圆筒10中。
渗流量测量系统由出水管22与流量计23组成，出水管22一端与集水漏斗18下端相连，另一端连接流量计23。
实施例二
试样高为160mm，压力传感器的埋深为34mm、68mm、102mm、136mm，上下层模拟土体的渗透系数均为1×10-7，采用分级加载的加载方式，进行渗流蠕变耦合试验。
第一步：将集水漏斗放入下圆筒中，漏斗嘴插入下圆筒底部的开孔以将其固定。
第二步：选择渗透系数为1×10-7的上下渗漏片，在渗漏片边缘套上橡胶圈，将下渗漏片放置于中圆筒的圆筒底部。将中圆筒与下圆筒连接。
第三步：将一部分试样放入中圆筒中，使试样的高度达到34mm，并将试样适当压实。
第四步：选择四个传感器，将第一个传感器放在土样上。将传感器的连接线通过中圆筒的侧壁开孔引出。
第五步：重复第三和第四步，使试样达到68mm、102mm、136mm时依次放上第二个、第三个和第四个传感器，并将传感器的连接线通过中圆筒的侧壁开口引出。
第六步：将上渗漏片放置于上圆筒底部，盖上上圆筒顶盖，将上圆筒放入中圆筒中。
第七步：将传感器连接线与变送器连接，然后通过USB串口连接到计算机上。
第八步：让位移计底端与上圆筒顶盖接触，将加载螺杆与上圆筒顶盖的螺帽连接，加载螺杆顶部根据试验的荷载要求插入轴向加压杠杆合适的插槽中；将进水管一端连接到水箱，另一端通过上圆筒顶部的第三个开孔连接进入上圆筒。
第九步：将出水管的前端与集水漏斗的底部连接，末端接入流量计中。
第十步：关闭水压阀，打开进水阀门在水箱中加满水。打开水压阀，并控制水流速度，一端时间后出水管末端有水流出后，适当调节进水阀门，使水箱中的水高度满足试验要求的水头。
第十一步：在轴向加压杠杆上挂上配重砝码，并对其进行增减，使得所施加的荷载达到第一级加压大小。通过位移计、计算机、流量计等监测仪器对试样的变形、应力、渗流量进行监测，并通过相应的计时器记录试验时间。
第十二步：通过记录各个时间段流量计中的流量大小，计算各个时间段试样的渗透系数大小。等到试样蠕变变形达到试验要求的稳定标准后（本例蠕变稳定标准设为连续一天内的轴向变形小于0.01mm，连续一天内的渗流量小于0.01 ml），通过调整砝码配重和改变加载螺杆插入插槽的位置使得加压荷载达到试验的第二级加压大小，进行变形、应力、渗流量的监测。
第十三步：重复第十二步，进行第三级、第四级…荷载大小作用下的变形、应力、渗流量监测。
Claims (10)
1.一种原状饱和土及改良土的渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，包括试样承载系统、轴向加载系统、应力应变测量系统、水压加载控制系统、渗流量测量系统和支承系统；
所述试样承载系统包括上圆筒（10）、中圆筒（17）、下圆筒（20）、上渗漏片（12）、下渗漏片（19）、集水漏斗（18）；所述中圆筒（17）和下圆筒（20）内外径相同，且同轴连接，上圆筒（10）外径略小于中圆筒（17）内径；中圆筒（17）用于放置试样（14）；上渗漏片（12）和下渗漏片（19）分别放置于上圆筒（10）底部和中圆筒（17）的底部；集水漏斗（18）放置于下圆筒（20）中，其上端与下渗漏片（19）接触，下端从下圆筒（20）底部开孔穿出；试样承载系统通过焊接于下圆筒（20）底部的支脚（21）置于支承系统上；
所述轴向加载系统由轴向加压杠杆（1）、加载螺杆（8）、配重砝码（11）组成，用于对试样（14）施加轴向荷载，轴向加压杠杆（1）一端通过铰链（5）与支承系统连接，另一端连接配重砝码（11），加载螺杆（8）一端与轴向加压杠杆（1）连接，另一端与上圆筒（10）的顶盖（26）连接；轴向加载系统通过作用于上圆筒（10）对试样（14）施加荷载；
所述应力应变测量系统由位移计（9）、传感器（13）、变送器（16）、计算机（15）组成；位移计（9）与上圆筒顶盖（26）接触，用于测量试样的轴向变形；传感器（13）埋置于试样（14）中，通过变送器（16）将传感器所测数据传入计算机（15）中；
所述水压加载控制系统由水箱（3）、进水阀门（2）、水压阀（6）和进水管（7）组成；水箱（2）放置于高处，通过进水阀门（2）接入外部水流，水压阀（6）控制进入试样（14）的水流，同时监控水箱（3）中的水压大小，进水管（7）插入上圆筒（10）中；
所述渗流量测量系统由出水管（22）与流量计（23）组成，出水管（22）一端与集水漏斗（18）下端相连，另一端连接流量计（23）。
2.根据权利要求1 所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，所述上圆筒（10）可在中圆筒（17）中上下滑动，中圆筒（17）和下圆筒（20）通过螺纹连接，可拆卸，方便放置试样（14）。
3.根据权利要求1所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，所述上圆筒（10）底部焊有宽度不大的圆环，不封闭，用于放置上渗漏片（12），顶部盖上具有一定厚度的顶盖（26）,顶盖（26）中心焊有一螺帽（25），用于连接加载螺杆（8），旁边有一开孔，用作进水管（7）的插孔；上圆筒（10）的侧壁有一环形浅槽（27），用以加套O型密封圈，避免在荷载作用下，水从上、中圆筒的接触面溢出；所述中圆筒（17）顶部不封闭，底部焊有宽度不大的圆环，用于放置下渗漏片（19），侧壁开有一小孔，用以接出传感器信号线；所述下圆筒（20）顶部不封闭，底部封闭但有一个开孔，用作集水漏斗（18）的插孔，以连接出水管（22）。
4.根据权利要求1 所述的一种原状饱和土及改良土的渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，所述上渗漏片（12）、下渗漏片（19）为分级渗漏片，上渗漏片（12）直径略小于上圆筒（10）内径，下渗漏片（19）直径略小于中圆筒（17）内径；安装时渗漏片边缘套上橡胶圈，避免水从渗漏片边缘流出。
5.根据权利要求1 所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，
轴向加压杠杆（1）由槽钢加工而成，其一端通过铰链（5）固定于支承系统，使轴向加压杠杆（1）只能在竖直方向绕铰链（5）转动；另一端用铁片焊接闭合，铁片中间开有一个用于挂配重砝码（11）的小孔。
6.根据权利要求5 所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，轴向加压杠杆（1）的侧壁开有五个距铰链处支点不同距离的插槽（4），用于插入加载螺杆（8）。
7.根据权利要求1 所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，所述位移计（9）为百分表。
8.根据权利要求1 所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置，其特征在于，所述传感器（13）为微型荷重压力传感器，所述变送器（16）连接多个埋置于试样（14）不同深度处的传感器（13）。
9.根据权利要求1-8 任一所述原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将集水漏斗放入下圆筒中，漏斗嘴插入下圆筒底部的开孔以将其固定；
步骤二：选择与试样上下层土体渗透系数相符的渗漏片，在渗漏片边缘套上橡胶圈，将下渗漏片放置于中圆筒的圆筒底部，将中圆筒与下圆筒连接；
步骤三：将一部分试样放入中圆筒中，使试样的高度达到需要埋置传感器的位置，并将试样适当压实；
步骤四：将第一个传感器放在装好的试样上，将传感器连接线通过中圆筒侧壁的开孔引出；
步骤五：重复步骤三、四，加入其余试样和传感器；
步骤六：将上渗漏片放置于上圆筒底部，盖上上圆筒顶盖，将上圆筒放入中圆筒中；
步骤七：将传感器连接线与变送器连接，然后通过USB串口连接到计算机上；
步骤八：让位移计底端与上圆筒顶盖接触，将加载螺杆与上圆筒顶盖的螺帽连接，加载螺杆顶部根据试验的荷载要求插入轴向加压杠杆合适的插槽中；将进水管一端连接到水箱，另一端通过上圆筒顶部的开孔连接进入上圆筒；
步骤九：将出水管的前端与集水漏斗的底部连接，末端接入流量计中；
步骤十：关闭水压阀，打开进水阀门在水箱中加满水；打开水压阀，并控制水流速度，待出水管末端有水流出后，适当调节进水阀门，使水箱中的水高度满足试验要求的水头；
步骤十一：在轴向加压杠杆上挂上符合试验要求的配重砝码，对试样进行加载；加压过程中通过各监测仪器对试样的变形、应力、渗流量进行监测，并通过计时器记录试验时间。
10.根据权利要求9所述的一种原状饱和土及改良土渗流-蠕变联合试验装置的试验方法，其特征在于，试验中通过调节进水阀门、水压阀来调整试验水头以及试样中水的渗流大小；通过调整砝码配重和改变加载螺杆插入插槽的位置改变加压荷载。
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