CN109001105B - 一种土体互嵌测量装置及其互嵌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体互嵌测量装置及其互嵌测量方法，装置包括容器，容器的上端敞口，容器内部靠近容器底部处设有水平设置的滤水板，容器底部封闭设有排水孔；杠杆施压机构，设置于所述容器的上方，用于对土样进行加压互嵌测试，杠杆施压机构上设有一竖向设置的施力杆；传力板，设置于施力杆的下方，并且与所述容器的内壁之间间隙配合；杠杆调平机构，用于调整所述杠杆施压机构的支点位置；容器底部的排水孔上连接有一排水管路，所述排水管路上连接有：孔压传感器，用于测量排水管路中的微量水压；压差传感器，用于测定容器底部的水压差；位移传感器，用于检测所述传力板的位移；控制器，与所述孔压传感器、压差传感器以及位移传感器连接。

Description

一种土体互嵌测量装置及其互嵌测量方法

技术领域

本发明涉及一种互嵌沉降测量装置，可以满足测定工程中杂填土与软土互嵌厚度及沉降规律的需求，特别针对于水系发达地区的杂填土地基中分布有深厚淤泥的软土层。

背景技术

目前，杂填土地基的沉降计算只是将在外荷载作用下杂填土层和软土层压缩后沉降量直接累加得到，实际上在上覆荷载作用下杂填土颗粒很容易嵌入到软土中，使得杂填土孔隙变小引发地基沉降，因此总沉降应包括杂填土嵌入到软土中引发的地基沉降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述地基沉降计算方法的不足，而提供一种可用于测定互嵌厚度的装置。该装置可以满足测定工程中杂填土与软土互嵌厚度及沉降规律的需求。具有操作简单，价格低廉，实用性强等优点。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是:

一种土体互嵌测量装置，包括：

一容器，用于装填待进行互嵌测试的土样，容器的上端敞口，容器内部靠近容器底部处设有水平设置的滤水板，容器底部封闭设有排水孔；

一杠杆施压机构，设置于所述容器的上方，用于对土样进行加压互嵌测试，

杠杆施压机构上设有一竖向设置的施力杆；

一传力板，设置于施力杆的下方，并且与所述容器的内壁之间间隙配合；

一杠杆调平机构，用于调整所述杠杆施压机构的支点位置，以使杠杆施压机构的杠杆保持水平；

容器底部的排水孔上连接有一排水管路，所述排水管路上连接有：

孔压传感器，用于测量排水管路中的微量水压，以判断不排水条件下软土固结是否稳定；

压差传感器，用于测定容器底部的水压差；

位移传感器，用于检测所述传力板的位移；

控制器，与所述孔压传感器、压差传感器以及位移传感器连接。

所述杠杆施压机构包括：杠杆，杠杆的一端设有平衡锤，杠杆另一端设有砝码；所述施力杆的上端通过铰点与杠杆铰接，所述铰点和杠杆的支点在同一水平线上。

所述杠杆上设有方便观测杠杆是否水平的平衡水泡。

所述排水管路上通过第一三通阀分别和孔压传感器的进水端、压差传感器的进水端连接，压差传感器的出水端和一量筒的底部连通连接。

所述量筒的底部连接有用于对量筒进行排水的第二三通阀。

所述容器包括分隔设置且直径相同的由透明材料制成的上容器和下容器，所述下容器的上端敞口，下容器的下端设有方便移动的滚动体；所述上容器的上、下两端均开口，上容器设置于下容器的上端。

所述杠杆调平机构包括：一齿轮齿条移动副，所述齿轮齿条移动副的齿轮上连接有转轮，齿轮齿条移动副的齿条下端与施力杠杆的支点铰接。

还包括一个反力框架，所述所述反力框架的框架内从下往上依次设置所述容器、施力杠杆机构以及杠杆调平机构。

本发明还进一步公开了一种利用所述的土体互嵌测量装置进行互嵌测量的方法，包括以下几个步骤：

S1、土样准备：配制试验要求含水率的软土，配置完成后密封静置24h；粗骨料，浸泡12h后搁置半小时至表面晾干，放入养护箱密封保存；

S2、仪器准备：在容器上安装压差传感器和量筒，并调整量筒高度，保持量筒底部与容器中部齐平，关闭所有阀门；

S3、容器内依次装入滤水板，滤纸，先向量筒内倒入少量水，打开第二三通阀量筒的进水阀，然后打开第一三通阀进水阀，待滤纸完全浸湿后，关闭所有阀门；

S4、软土装样：关闭第一三通阀进水阀，分层填入配制好的软土土样，使每层填入软土土样高度15mm，填入时挤压密实，保证软土土样与容器内壁之间不出现明显的空隙，继续填样至容器中部，取少量土烘干测定含水率，对已装填的土样进行表面刮平处理；

S5、抽气饱和：在已装填的软土土样表面铺上一层湿润的滤纸，盖上密封盖并连接抽气机，压力桶，启动抽气机，当真空压力表读数达到一个大气压力值时，打开第二三通阀上与量筒进水端相连的阀口，使量筒中清水徐徐注入容器，在注水过程中，真空压力表读数宜保持不变；待抽气管内出现源源不断的清水时，停止抽气，关闭抽气机；

S6、粗骨料装样：抽气饱和完成后，关闭所有阀门，取下密封盖板，在容器内所述软土土样的上部分层轻轻填入粗骨料，待填到离容器顶部2cm时，停止填料，观察粗骨料上表面是否平整，如有明显不平，用细骨料铺平表面，然后在粗骨料的上表面放入传压板，并在传压板的两侧连接好位移传感器；

S7、打开传感器信号采集装置和控制器中的信息采集软件，当试验条件为排水时，打开第一三通阀上与量筒进水端相连通的阀口和第二三通阀上与量筒进水端相连通的阀口，加载砝码对传压板施加压力，持续采集传压板的位移和排水量的数据，当排水量稳定时，可判定在这级荷载下互嵌结束；

当试验条件为不排水时，打开第一三通阀上与孔压传感器进水端相连的阀口，此时软土中的水就不会排出，加载砝码对传压板施加压力，持续采集传压板的位移和孔压传感器的数据，当孔压数值稳定时，可判定在这级荷载下互嵌结束；

在两种试验条件下，若量筒内水位接近量筒最大值，迅速打开第二三通阀上与量筒排水端连通的阀口进行排水，然后打开第二三通阀上与量筒进水端相连的阀口进水；

砝码加载过程中，若发现杠杆向下倾斜严重时，及时调整杠杆调平机构，观察平衡水泡直到居中。

本发明一种互嵌测量装置，可以研究不同荷载、粗颗粒特性和软土特性因素下，软土互嵌厚度随时间变化关系，具有以下优点：

第一、本发明一种互嵌测量装置，使用杠杆加载方式，设定杠杆比将荷载放大作用在传压板上，操作简单，传力稳定，适合施加持久荷载。

第二、采用杠杆调平机构，实时调整杠杆水平，保持荷载传递，操作便捷，使用灵活。

第三、采用滚珠排支承推拉装置，操作方便高效。

第四、本发明考虑排水和不排水两种条件互嵌的发展情况，真实全面。

第五、本发明采用自编的信息采集程序，实时监测数据，简单高效，科学准确。

附图说明

图1为本发明互嵌装置的整体结构图。

其中，1、平衡锤，2、反力框架，3、杠杆调平机构，4、杠杆，5、平衡水泡，6、位移传感器，7、砝码，8、传压板，9、上容器，10、孔压传感器，11、下容器，12、第一三通阀，13、滚珠排，14、量筒，15、机架，16、压差传感器，17、接水箱，18、第二三通阀。A、支点，B、施力杆的铰点，C、加载点。

具体实施方式

如图1所示为该土体互嵌测量装置的整体外观图，由杠杆式施力装置、杠杆调平机构、容器、测量装置和机座组成。

其中，杠杆施压装置由平衡锤1、杠杆4、平衡水泡5、砝码7组成。

杠杆要求在使用时，调节杠杆调平机构3使平衡水泡5居中，保证杠杆4水平。杆杆比为17.6625:1，为AC:AB，其中支点A、施力杆的铰点B以及加载点C在一条直线上。由设计荷载大小、砝码重量、传压板8受力面积决定。

加压时，施力杆的铰点B位于传压板8中心处，

传压板8位于上容器9的顶部，滤水板位于下容器11内靠近底部处，下容器11底部设有排水孔，所述排水孔通过排水管路与测量装置连接。

测量装置包括：孔压传感器10、量筒14、压差传感器16以及位移传感器6。其中，孔压传感器10、量筒14以及压差传感器16通过管路和三通阀相互连通设置；位移传感器6包括两个，两个位移传感器对称置于传压板8两侧。位移传感器6、孔压传感器10、压差传感器与控制器连接，控制器内通过程序自动对位移传感器6、孔压传感器10以及压差传感器测量信号进行采集。

孔压传感器10作为不排水条件下软土固结稳定的判别装置。

压差传感器16连接量筒14，量筒14连接排水孔，用于测定下容器底部的排水量。

位移传感器6用于测定传压板8的位移。

机座包括反力框架2、滚珠排13和机架15。滚珠排13设置在下容器11底部，便于推拉装样和拆样。机架15放在水平的工作台上，整个反力框架2放置在机架15上，

假设粗颗粒填入区在压力下不发生压缩变形，互嵌位移为传压板8位移与软土固结位移之差，其中传压板8位移为位移传感器读数，软土固结位移通过压差传感器读数换算得到。

S ₁ = S - S ₂

S ₂ = V/A

其中 S ₁ 为互嵌位移，S 为传压板位移，S ₂ 为软土固结位移，V 为量筒排水量，A为容器断面积。

试验时，容器放在滚珠排13上，包括上容器9和下容器11，下容器底部有排水孔与测量装置连接。

通过设置在量筒14上的压差传感器16测定排水量，当量筒14中水量溢满时，开启第二三通阀的阀门将水排入接水箱17。

装样时，通过滚珠排13，拉出整个容器。先将上容器9取出，对下容器11进行软土装样完成后，放入上容器9，进行粗颗粒填料，然后在粗颗粒顶部放入传压板8，保证水平。装样完成后，调节杠杆调平机构3，使施力杆的压头与传压板8中心刚好接触。在整个填料过程中，保持第一三通阀12关闭。

当施加砝码，传压板8位移过大时，调节杠杆调平机构3使平衡水泡5居中，保证杠杆4水平。

利用所述的土体互嵌测量装置进行互嵌测量的方法，包括以下几个步骤：

S1、土样准备：配制试验要求含水率的软土，配置完成后密封静置24h；粗骨料，浸泡12h后搁置半小时至表面晾干，放入养护箱密封保存；

S2、仪器准备：在容器上安装压差传感器和量筒，并调整量筒高度，保持量筒底部与容器中部齐平，关闭所有阀门；

S3、容器内依次装入滤水板，滤纸，先向量筒内倒入少量水，打开第二三通阀量筒的进水阀，然后打开第一三通阀进水阀，待滤纸完全浸湿后，关闭所有阀门；

S4、软土装样：关闭第一三通阀进水阀，分层填入配制好的软土土样，使每层填入软土土样高度15mm，填入时挤压密实，保证软土土样与容器内壁之间不出现明显的空隙，继续填样至容器中部，取少量土烘干测定含水率，对已装填的土样进行表面刮平处理；

S5、抽气饱和：在已装填的软土土样表面铺上一层湿润的滤纸，盖上密封盖并连接抽气机，压力桶，启动抽气机，当真空压力表读数达到一个大气压力值时，打开第二三通阀上与量筒进水端相连的阀口，使量筒中清水徐徐注入容器，在注水过程中，真空压力表读数宜保持不变；待抽气管内出现源源不断的清水时，停止抽气，关闭抽气机；

S6、粗骨料装样：抽气饱和完成后，关闭所有阀门，取下密封盖板，在容器内所述软土土样的上部分层轻轻填入粗骨料，待填到离容器顶部2cm时，停止填料，观察粗骨料上表面是否平整，如有明显不平，用细骨料铺平表面，然后在粗骨料的上表面放入传压板，并在传压板的两侧连接好位移传感器；

S7、打开传感器信号采集装置和控制器中的信息采集软件，当试验条件为排水时，打开第一三通阀上与量筒进水端相连通的阀口和第二三通阀上与量筒进水端相连通的阀口，加载砝码对传压板施加压力，持续采集传压板的位移和排水量的数据，当排水量稳定时，可判定在这级荷载下互嵌结束；

当试验条件为不排水时，打开第一三通阀上与孔压传感器进水端相连的阀口，此时软土中的水就不会排出，加载砝码对传压板施加压力，持续采集传压板的位移和孔压传感器的数据，当孔压数值稳定时，可判定在这级荷载下互嵌结束；

在两种试验条件下，若量筒内水位接近量筒最大值，迅速打开第二三通阀上与量筒排水端连通的阀口进行排水，然后打开第二三通阀上与量筒进水端相连的阀口进水；

砝码加载过程中，若发现杠杆向下倾斜严重时，及时调整杠杆调平机构，观察平衡水泡直到居中。

Claims (4)

1.一种土体互嵌测量装置，其特征在于，包括：

一容器，用于装填待进行互嵌测试的土样，容器的上端敞口，容器内部靠近容器底部处设有水平设置的滤水板，容器底部封闭设有排水孔；

一杠杆施压机构，设置于所述容器的上方，用于对土样进行加压互嵌测试，

杠杆施压机构上设有一竖向设置的施力杆；

一传力板，设置于施力杆的下方，并且与所述容器的内壁之间间隙配合；

一杠杆调平机构，用于调整所述杠杆施压机构的支点位置，以使杠杆施压机构的杠杆保持水平；

容器底部的排水孔上连接有一排水管路，所述排水管路上连接有：

孔压传感器，用于测量排水管路中的微量水压，以判断不排水条件下软土固结是否稳定；

压差传感器，用于测定容器底部的水压差；

位移传感器，用于检测所述传力板的位移；

控制器，与所述孔压传感器、压差传感器以及位移传感器连接；

所述排水管路上通过第一三通阀分别和孔压传感器的进水端、压差传感器的进水端连接，压差传感器的出水端和一量筒的底部连通连接；

所述量筒的底部连接有用于对量筒进行排水的第二三通阀；

所述杠杆施压机构包括：杠杆，杠杆的一端设有平衡锤，杠杆另一端设有砝码；所述施力杆的上端通过铰点与杠杆铰接，所述铰点和杠杆的支点在同一水平线上；

所述杠杆上设有方便观测杠杆是否水平的平衡水泡；

所述容器包括分隔设置且直径相同的由透明材料制成的上容器和下容器，所述下容器的上端敞口，下容器的下端设有方便移动的滚动体；所述上容器的上、下两端均开口，上容器设置于下容器的上端；

假设粗颗粒填入区在压力下不发生压缩变形，互嵌位移为传压板位移与软土固结位移之差，其中传压板位移为位移传感器读数，软土固结位移通过压差传感器读数换算得到；

S ₁ = S - S ₂

S ₂ = V/A

其中S ₁ 为互嵌位移，S为传压板位移，S ₂ 为软土固结位移，V 为量筒排水量，A为容器断面积；

试验时，容器放在滚珠排上，包括上容器和下容器，下容器底部有排水孔与测量装置连接；

通过设置在量筒上的压差传感器测定排水量，当量筒中水量溢满时，开启第二三通阀的阀门将水排入接水箱；

装样时，通过滚珠排，拉出整个容器，先将上容器取出，对下容器进行软土装样完成后，放入上容器，进行粗颗粒填料，然后在粗颗粒顶部放入传压板，保证水平；

装样完成后，调节杠杆调平机构，使施力杆的压头与传压板中心刚好接触；在整个填料过程中，保持第一三通阀关闭；

当施加砝码，传压板位移过大时，调节杠杆调平机构使平衡水泡居中，保证杠杆水平。

2.根据权利要求1所述的土体互嵌测量装置，其特征在于，所述杠杆调平机构包括：一齿轮齿条移动副，所述齿轮齿条移动副的齿轮上连接有转轮，齿轮齿条移动副的齿条下端与施力杠杆的支点铰接。

3.根据权利要求1所述的土体互嵌测量装置，其特征在于，还包括一个反力框架，所述反力框架的框架内从下往上依次设置所述容器、施力杠杆机构以及杠杆调平机构。

4.一种利用权利要求1所述的土体互嵌测量装置进行互嵌测量的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1、土样准备：配制试验要求含水率的软土，配置完成后密封静置24h；粗骨料，浸泡12h后搁置半小时至表面晾干，放入养护箱密封保存；

S2、仪器准备：在容器上安装压差传感器和量筒，并调整量筒高度，保持量筒底部与容器中部齐平，关闭所有阀门；

S3、容器内依次装入滤水板，滤纸，先向量筒内倒入少量水，打开第二三通阀量筒的进水阀，然后打开第一三通阀进水阀，待滤纸完全浸湿后，关闭所有阀门；

S4、软土装样：关闭第一三通阀进水阀，分层填入配制好的软土土样，使每层填入软土土样高度15mm，填入时挤压密实，保证软土土样与容器内壁之间不出现明显的空隙，继续填样至容器中部，取少量土烘干测定含水率，对已装填的土样进行表面刮平处理；

S5、抽气饱和：在已装填的软土土样表面铺上一层湿润的滤纸，盖上密封盖并连接抽气机，压力桶，启动抽气机，当真空压力表读数达到一个大气压力值时，打开第二三通阀上与量筒进水端相连的阀口，使量筒中清水徐徐注入容器，在注水过程中，真空压力表读数宜保持不变；待抽气管内出现源源不断的清水时，停止抽气，关闭抽气机；

S6、粗骨料装样：抽气饱和完成后，关闭所有阀门，取下密封盖板，在容器内所述软土土样的上部分层轻轻填入粗骨料，待填到离容器顶部2cm时，停止填料，观察粗骨料上表面是否平整，如有明显不平，用细骨料铺平表面，然后在粗骨料的上表面放入传压板，并在传压板的两侧连接好位移传感器；

S7、打开传感器信号采集装置和控制器中的信息采集软件，当试验条件为排水时，打开第一三通阀上与量筒进水端相连通的阀口和第二三通阀上与量筒进水端相连通的阀口，加载砝码对传压板施加压力，持续采集传压板的位移和排水量的数据，当排水量稳定时，可判定在这级荷载下互嵌结束；

当试验条件为不排水时，打开第一三通阀上与孔压传感器进水端相连的阀口，此时软土中的水就不会排出，加载砝码对传压板施加压力，持续采集传压板的位移和孔压传感器的数据，当孔压数值稳定时，可判定在这级荷载下互嵌结束；

在两种试验条件下，若量筒内水位接近量筒最大值，迅速打开第二三通阀上与量筒排水端连通的阀口进行排水，然后打开第二三通阀上与量筒进水端相连的阀口进水；

砝码加载过程中，若发现杠杆向下倾斜严重时，及时调整杠杆调平机构，观察平衡水泡直到居中。

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