CN109632494A - 复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置。包括主要由试样筒、活塞板和底板构成的固结渗透筒作为SIP/BE柱；环形法兰和试样筒柔性拼接装配为整体；试样筒顶部内安装有活塞板，活塞板和试样筒内壁之间装有密封圈，试样筒内装待测土样，活塞板和底板开有活塞板、底板排水孔，活塞板上装有加载过渡盖；试样筒内部的底板顶面和活塞板底面均通过连接螺钉装有黄铜电极板，黄铜电极板经连接螺钉和电极端子连接；试样筒外壁安装有多组电极和多对弯曲元对，多组电极沿试样筒竖向不同高度间隔均布。本发明固结试验装置可测量待测土样在多种固结条件下的频谱激电法电性参数和弯曲元法的剪切波速，并获得二者的耦合性。

Description

复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域的试验装置，具体涉及一种复合用频谱激电方式(SIP)测量土样电性参数和用弯曲元法(BE)测量土样剪切波速的固结试验装置。
背景技术
我国建筑工程方兴未艾，在岩土工程中还有许多问题有待解决。在岩土工程中测试工作是必须进行的重要步骤，它既是学科理论研究与发展的基础，且是岩土工程实践的必要。随着国家的工业化程度提升和对工程质量的要求逐步提高，传统的检测技术面临着新的挑战。迫切需要一种可靠的，经济的，能表征大范围场地空间的微扰动方法，来测量场地地质条件。在地球物理学领域已经取得长足发展的频谱激电法具有获取电性参数多和抗干扰能力强等优点，非常适合空间域和频率域的高密度测量，能够提供丰富的诸如水力特性和附着物含量等岩土信息。
但是目前的频谱激电法还存在设备昂贵复杂、所需人员较多、工作效率低和测试成本高等缺陷，为进一步的研究和推广带来了障碍。且频谱激电法测得的各项参数和传统技术手段测得的各项土力学参数的关系尚不明确，特别是待测土样在固结条件下的剪切波速和复电阻率关系有待探索。
如何简单高效地测量固结条件下待测土样的电导率以及剪切波速，是本发明要解决的关键问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在提供一种简单可靠的测量固结条件下频谱激电法的电性参数和弯曲元法的剪切波速的试验装置，使其能够在待测土样样本在固结或一般条件下，共同测得各项电性参数和剪切波速，能够获得频谱激电的电性参数和弯曲元法的剪切波速之间的关联性，为频谱激电法和传统的岩土测试技术搭建桥梁。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括主要由试样筒、活塞板和底板构成的固结渗透筒作为SIP/BE柱；试样筒下部外壁设有环形卡槽，环形卡槽周围外设有环形法兰，环形法兰的内圈侧壁开有环形槽，环形槽从环形法兰内圈的中部延伸到底部，弹性挡圈内外圈分别箍装在试样筒的环形卡槽和环形法兰的环形槽内，试样筒下端面和底板之间通过底部硅胶垫连接，环形法兰沿圆周间隔均布地装有多个装配螺栓，每个装配螺栓穿过环形法兰连接到底板的螺纹孔中，在装配螺栓作用下使环形法兰和试样筒柔性拼接装配为一个整体；试样筒顶部内安装有活塞板，活塞板周围和试样筒顶部内壁之间安装有密封圈，活塞板和底板之间的试样筒中部内盛装待测土样，活塞板和底板内部分别开有活塞板排水孔、底板排水孔；活塞板上固定安装有加载过渡盖；试样筒内部的底板顶面和活塞板底面均通过连接螺钉固定安装有黄铜电极板，活塞板顶面安装有活塞板电极端子，活塞板底面的黄铜电极板经贯穿活塞板的连接螺钉和活塞板电极端子连接，底板底部安装有底板电极端子，底板顶面的黄铜电极板经贯穿底板的连接螺钉和底板电极端子连接；活塞板电极端子和底板电极端子接入外部电源，外部电源施加电压使得底板顶面和活塞板底面的黄铜电极板之间形成交变电场，进而待测土样内部产生交变电流；试样筒外壁安装有多组电极和多对弯曲元对，多组电极沿试样筒竖向不同高度间隔均布，每组电极包括电极密封圈、纯银探针和锁紧螺栓，纯银探针穿过锁紧螺栓和试样筒侧壁插入试样筒内的待测土样中测得土样内的电流参数，纯银探针穿过试样筒侧壁处套有电极密封圈；多对弯曲元对沿试样筒竖向不同高度间隔均布，同时活塞板和底板中心位置设有一对弯曲元对。
所述的试样筒外壁的每对弯曲元对包括两个对称布置在试样筒两侧侧壁的弯曲元。
所述的活塞板和底板中心位置设有一对弯曲元对包括两个对称布置在试样筒上下两端处的弯曲元。
所述的弯曲元包括弯曲元探头、柔性密封圈和空心螺栓，弯曲元探头通过空心螺栓贯穿安装于试样筒侧壁开有安装孔中，并伸入到试样筒内的待测土样，弯曲元探头和试样筒侧壁的安装孔之间设有柔性密封圈，锁紧空心螺栓调节弯曲元探头径向伸入到待测土样的深度。
所述的试样筒、活塞板和底板均为亚克力材质。
每对弯曲元测量本段土样的剪切波速，试样筒外壁的弯曲元对能测量弯曲元对所在高度范围内水平径向方向上待测土样的剪切波速，活塞板和底板的弯曲元对能测量试样筒上下轴向方向上待测土样的剪切波速。
所述的试样筒采用透明材料制成。
所述的活塞板排水孔、底板排水孔一端均连通到试样筒中部内，活塞板排水孔和底板排水孔另一端均通过软管通往筒外。
本发明主体结构的试样筒、活塞板和底板均为亚克力材质，由固结渗透筒、频谱激电法测量系统和弯曲元测试系统组成。
本发明由透明并设有测量装置的圆柱筒体和上部可加载的活塞板以及下部固定的底板构成SIP/BE柱的主体，圆柱形筒体沿直径方向设有成对的弯曲元，活塞板和底板中心位置沿轴心设有成对弯曲元，每对弯曲元都可测量试验土样的剪切波速。活塞板和下部底板与土样接触的表面嵌有黄铜电极板，经电极端子输入电流，在两板之间形成交变电场，再通过筒体侧面的电极测得土样的电性参数；活塞板和下部底板有进出水孔，为活塞板进行额定力加载，进行固结和渗透试验。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
(1)本发明特殊在剪切波速的弯曲元测量系统上设计搭建了频谱激电测量结构，可以在土的不同应力水平下用频谱激发极化方式测得待测土样的频域响应，并进而处理获得待测土样中由化学法或微生物法生成的碳酸钙沉淀、生物群落、生物膜等产物的含量及其分布；
(2)本发明针对待测土样的频谱激电测量结构可以监控上述产物的时空分布均一性，对注浆法化学或生物改性、待测土样中污染物修复水平的监控技术提供了新的方法。
(3)在土柱中用断层成像技术监测改性土、微生物加固土、或者污染待测土样修复过程中剪切波速的时间及空间分布。
(4)仪器结构简单，尺寸较小(高约40cm)，便于携带，故测试成本低廉，可靠性高。
本发明固结试验装置可测量待测土样在多种固结条件下的频谱激电法电性参数和弯曲元法的剪切波速，并研究发现二者的耦合性。
附图说明
图1是本发明装置的剖面示意图。
图2是本发明电极安装处的局部剖面示意图。
图3是本发明弯曲元安装处的局部剖面示意图。
图4是实施例中复电导率频域响应的电性参数(幅值mn)和剪切波速(Vs)关联关系示意图。
图中：1、加载过渡盖，2、活塞板电极端子，3、黄铜电极板，4、试样筒，5、连接螺钉，6、环形法兰，7、底板电极端子，8、活塞板，9、活塞板排水孔，10、密封圈，11、弯曲元测试单元，12、电极；13、装配螺栓，14、弹性挡圈，15、底板，16、底板排水孔，17、底部硅胶垫；11-1、柔性密封圈；11-2、弯曲元探头；11-3、空心螺栓；12-1、电极密封圈；12-2、锁紧螺栓12-3、纯银探针。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括圆柱形的主要由试样筒4、活塞板8和底板15构成的固结渗透筒作为SIP/BE柱；试样筒4下部外壁设有环形卡槽，环形卡槽周围外设有环形法兰6，环形法兰6的内圈侧壁开有环形槽，环形槽从环形法兰6内圈的中部延伸到底部，弹性挡圈14内外圈分别箍装在试样筒4的环形卡槽和环形法兰6的环形槽内，试样筒4下端面和底板15之间通过底部硅胶垫17连接，环形法兰6沿圆周间隔均布地装有多个装配螺栓13，每个装配螺栓13穿过环形法兰6连接到底板15的螺纹孔中，在装配螺栓13作用下使环形法兰6和试样筒4柔性拼接装配为一个整体；试样筒4顶部内安装有活塞板8，活塞板8周围和试样筒4顶部内壁之间安装有密封圈10，通过密封圈10使得活塞板8在试样筒4内上下位移时的密闭性；活塞板8和底板15之间的试样筒4中部内盛装待测土样，活塞板8和底板15内部分别开有活塞板排水孔9、底板排水孔16，活塞板排水孔9、底板排水孔16一端均连通到试样筒4中部内，活塞板排水孔9和底板排水孔16另一端均通过软管通往筒外；活塞板8上固定安装有加载过渡盖1，加载过渡盖1用于试验时在上面施加定量荷载进行固结渗透等试验。
如图1所示，试样筒4内部的底板15顶面和活塞板8底面均通过连接螺钉5固定安装有黄铜电极板3，活塞板8顶面安装有活塞板电极端子2，活塞板8底面的黄铜电极板3经贯穿活塞板8的连接螺钉5和活塞板电极端子2连接，底板15底部安装有底板电极端子7，底板15顶面的黄铜电极板3经贯穿底板15的连接螺钉5和底板电极端子7连接；活塞板电极端子2和底板电极端子7接入外部电源，外部电源施加电压使得底板15顶面和活塞板8底面的黄铜电极板3之间形成交变电场，进而待测土样内部产生交变电流；试样筒4外壁安装有多组电极12和多对弯曲元对，多组电极12沿试样筒4竖向不同高度间隔均布。
如图3所示，每组电极12包括电极密封圈12-1、纯银探针12-3和锁紧螺栓12-2，纯银探针12-3穿过锁紧螺栓12-2和试样筒4侧壁插入试样筒4内的待测土样中测得土样内的电流参数，纯银探针12-3穿过试样筒4侧壁处套有电极密封圈12-1；主要由黄铜电极板3、试样筒4外壁设有的多组电极12构成了频谱激电法测量系统。
如图1所示，多对弯曲元对沿试样筒4竖向不同高度间隔均布，每对弯曲元对包括两个对称布置在试样筒4两侧侧壁的弯曲元11；同时活塞板8和底板15中心位置设有一对弯曲元对，每对弯曲元对包括两个对称布置在试样筒4上下两端处的弯曲元11。主要由所有弯曲元对构成了弯曲元测试系统。
如图2所示，弯曲元11包括弯曲元探头11-2、柔性密封圈11-1和空心螺栓11-3，弯曲元探头11-2通过空心螺栓11-3贯穿安装于试样筒4侧壁开有安装孔中，并伸入到试样筒4内的待测土样，弯曲元探头11-2和试样筒4侧壁的安装孔之间设有柔性密封圈11-1，锁紧空心螺栓11-3调节弯曲元探头11-2径向伸入到待测土样的深度。柔性密封圈11-1即可保证装置的密封性又起到缓冲作用，避免弯曲元的波振传递到试样筒上。
每对弯曲元测量本段土样的剪切波速，试样筒4外壁的弯曲元对能测量弯曲元对所在高度范围内水平径向方向上待测土样的剪切波速，活塞板8和底板15的弯曲元对能测量试样筒4上下轴向方向上待测土样的剪切波速。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
先将试样筒4放置于底板15上，试样筒4内填筑待测土样，然后待测土样上放置加载过渡盖1。首先向加载过渡盖1施加压力，通过加载过渡盖1向活塞板8下压进行额定力加载，进行固结和渗透试验，固结和渗透时待测土样的从活塞板排水孔进水，从底板排水孔排水。
A)采集获得频谱激电的电性参数
活塞板电极端子2和底板电极端子7接入外部电源，外部电源通过活塞板电极端子2和底板电极端子7向底板15顶面和活塞板8底面的黄铜电极板3施加电压，使得底板15顶面和活塞板8底面的黄铜电极板3之间形成交变电场，进而待测土样内部产生交变电流；
所述施加交变电场有频谱激发极化仪器提供。其中参考电阻值应接近于被测土样的实际电阻；激发频率扫描范围一般介于0.01Hz至1000Hz之间，频率间距为对数尺度。
通过每个试样筒4外壁插入到土样中的每组电极12测量获得电极12所在高度附近范围内待测土样的电信号，所获得的频域响应复数信号记录，导出后即可获得实部和虚部的电导率信号。根据虚电导率的频域响应得到特征驰豫频率，该频率表征土样中碳酸钙沉淀的大小；根据复电导率的频域响应得到其幅值，该幅值表征土样中的碳酸钙沉淀量。通过上述方法获得的沉淀的大小及含量将与剪切波速信号关联，从而互相印证。
此外，可以通过多对电压电极进行高密度电法的测量，可以得到沉淀在土柱中的分布信息。
B)在采集电性参数的相同状态下采集剪切波速
通过逐对弯曲元对进行工作，采集电信号数据处理获得待测土样不同水平高度层的剪切波速和上下竖直方向上的剪切波速。
最后将各个不同高度上的复电导率频域响应的电性参数(幅值mn)和各个不同高度和方向上的剪切波速(Vs)进行关联，关系结果如图4所示，其中剪切波速(Vs)和幅值(mn)的伽马函数拟合的R2值达到0.964。由此可见，频谱激电的电性参数和弯曲元法的剪切波速之间具有强关联性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：包括主要由试样筒(4)、活塞板(8)和底板(15)构成的固结渗透筒作为SIP/BE柱；试样筒(4)下部外壁设有环形卡槽，环形卡槽周围外设有环形法兰(6)，环形法兰(6)的内圈侧壁开有环形槽，环形槽从环形法兰(6)内圈的中部延伸到底部，弹性挡圈(14)内外圈分别箍装在试样筒(4)的环形卡槽和环形法兰(6)的环形槽内，试样筒(4)下端面和底板(15)之间通过底部硅胶垫(17)连接，环形法兰(6)沿圆周间隔均布地装有多个装配螺栓(13)，每个装配螺栓(13)穿过环形法兰(6)连接到底板(15)的螺纹孔中，在装配螺栓(13)作用下使环形法兰(6)和试样筒(4)柔性拼接装配为一个整体；试样筒(4)顶部内安装有活塞板(8)，活塞板(8)周围和试样筒(4)顶部内壁之间安装有密封圈(10)，活塞板(8)和底板(15)之间的试样筒(4)中部内盛装待测土样，活塞板(8)和底板(15)内部分别开有活塞板排水孔(9)、底板排水孔(16)；活塞板(8)上固定安装有加载过渡盖(1)；
试样筒(4)内部的底板(15)顶面和活塞板(8)底面均通过连接螺钉(5)固定安装有黄铜电极板(3)，活塞板(8)顶面安装有活塞板电极端子(2)，活塞板(8)底面的黄铜电极板(3)经贯穿活塞板(8)的连接螺钉(5)和活塞板电极端子(2)连接，底板(15)底部安装有底板电极端子(7)，底板(15)顶面的黄铜电极板(3)经贯穿底板(15)的连接螺钉(5)和底板电极端子(7)连接；活塞板电极端子(2)和底板电极端子(7)接入外部电源，外部电源施加电压使得底板(15)顶面和活塞板(8)底面的黄铜电极板(3)之间形成交变电场，进而待测土样内部产生交变电流；试样筒(4)外壁安装有多组电极(12)和多对弯曲元对，多组电极(12)沿试样筒(4)竖向不同高度间隔均布，每组电极(12)包括电极密封圈(12-1)、纯银探针(12-3)和锁紧螺栓(12-2)，纯银探针(12-3)穿过锁紧螺栓(12-2)和试样筒(4)侧壁插入试样筒(4)内的待测土样中测得土样内的电流参数，纯银探针(12-3)穿过试样筒(4)侧壁处套有电极密封圈(12-1)；多对弯曲元对沿试样筒(4)竖向不同高度间隔均布，同时活塞板(8)和底板(15)中心位置设有一对弯曲元对。
2.根据权利要求1所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：所述的试样筒(4)外壁的每对弯曲元对包括两个对称布置在试样筒(4)两侧侧壁的弯曲元(11)。
3.根据权利要求1所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：所述的活塞板(8)和底板(15)中心位置设有一对弯曲元对包括两个对称布置在试样筒(4)上下两端处的弯曲元(11)。
4.根据权利要求2或3所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：所述的弯曲元(11)包括弯曲元探头(11-2)、柔性密封圈(11-1)和空心螺栓(11-3)，弯曲元探头(11-2)通过空心螺栓(11-3)贯穿安装于试样筒(4)侧壁开有安装孔中，并伸入到试样筒(4)内的待测土样，弯曲元探头(11-2)和试样筒(4)侧壁的安装孔之间设有柔性密封圈(11-1)，锁紧空心螺栓(11-3)调节弯曲元探头(11-2)径向伸入到待测土样的深度。
5.根据权利要求1所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：所述的试样筒(4)、活塞板(8)和底板(15)均为亚克力材质。
6.根据权利要求1所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：每对弯曲元测量本段土样的剪切波速，试样筒(4)外壁的弯曲元对能测量弯曲元对所在高度范围内水平径向方向上待测土样的剪切波速，活塞板(8)和底板(15)的弯曲元对能测量试样筒(4)上下轴向方向上待测土样的剪切波速。
7.根据权利要求1所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：所述的试样筒(4)采用透明材料制成。
8.根据权利要求1所述一种复合频谱激电法和弯曲元法的固结试验装置，其特征在于：所述的活塞板排水孔(9)、底板排水孔(16)一端均连通到试样筒(4)中部内，活塞板排水孔(9)和底板排水孔(16)另一端均通过软管通往筒外。
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