CN113865988A - 一种软土热固结模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软土热固结模型试验装置及方法，可以自动控制温度、压力载荷和真空度，并在压力载荷、温度和真空度的联合作用下，进行试验检测，检测效果好，其技术方案要点是包括：土样箱，土样箱的顶部设有箱盖，土样箱内用于放置土样；加压机构，用于对土样进行压紧；排水机构，用于对土样进行排水；加热机构，用于对土样进行加热；控制系统，用于控制加压机构、排水机构和加热机构的运行；其中，土样内预埋孔隙水压力传感器；加压机构包括压力板和辅助气缸，压力板与箱盖之间形成主压力腔，箱盖上设有与主压力腔连通的气孔，辅助气缸安装箱盖的顶部，且辅助气缸的气缸杆贯穿箱盖设置并与压力板连接，本发明适用于土工试验技术领域。

Description

一种软土热固结模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于土工试验技术领域，特指一种软土热固结模型试验装置及方法。

背景技术

在岩土工程领域里，软弱土加固一直是一个很棘手的问题，为了完善软弱土加固的理论，需要进行模型实验来模拟工程现场，现有的软土地基固结试验装置，通常是在软土地基中设置排水板等结构，然后利用加压系统进行加载，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，然后测量和分析相关参数；

现有的加压系统通常为两种，一种采用杠杆原理及砝码等重物直接进行加压，其结构较为简单，但存在需要人工控制，且加压精度较差，可加压压力小等问题；另一种采用气压进行压力加载，如申请号CN201810935522.9所公开的内容，但其对气压腔的密封要求性高，且气压过高时，容易造成漏气，加载压力在后期逐渐减小，且最大加载压力小等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种软土热固结模型试验装置及方法，可以自动控制温度、压力载荷和真空度，并在压力载荷、温度和真空度的联合作用下，进行试验检测，检测效果好。

本发明的目的是这样实现的：一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：包括：

土样箱，土样箱的顶部设有箱盖，土样箱内用于放置土样；

加压机构，用于对土样进行压紧；

排水机构，用于对土样进行排水；

加热机构，用于对土样进行加热；

控制系统，用于控制加压机构、排水机构和加热机构的运行；

其中，土样内预埋孔隙水压力传感器；加压机构包括压力板和辅助气缸，压力板与箱盖之间形成主压力腔，箱盖上设有与主压力腔连通的气孔，辅助气缸安装箱盖的顶部，且辅助气缸的气缸杆贯穿箱盖设置并与压力板连接。

本发明进一步设置为：所述土样顶部铺设有沙砾层，排水机构包括：

若干排水副板，垂直设置于土样内；

排水主板，平铺于沙硕排水层内；

抽真空泵；

其中，排水副板与排水主板相连接且连通，排水主板上还设有贯穿压力板和主压力腔设置的通管，通管内设有抽水管，抽水管延伸至各排水副管内的底部，抽真空泵与抽水管连通，且抽真空泵与抽水管之间设有储水箱，排水副板上设有若干排水孔，且排水副板上缠绕有纱网滤层。

本发明进一步设置为：所述排水副板两侧设有若干内凹结构的嵌槽；

加热机构包括：

加热线，设置于嵌槽内；

导热层，覆盖于加热线的表面；

其中，嵌槽内壁设有反射涂层，通管的外壁上还套设有外套管，加热线的顶端引出并穿过外套管内，且外套管与通管之间填充密封胶。

本发明进一步设置为：所述控制系统包括用于控制加压机构运行的气控单元，辅助气缸为三组呈环向均布于箱盖上；

气控单元包括：

辅助阀，用于控制辅助气缸的进气和排气；

主控制阀，用于控制主压力腔的进气和排气；

增压稳压缸，用于对辅助气缸的增压；

其中，增压稳压缸包括储气腔、出气调节阀、进气调节阀和缓冲组件，储气腔内还设有活塞，活塞将储气腔分隔成前气腔和后气腔，出气调节阀设置于前气腔的端口上，进气调节阀设置于后气腔的端口上；缓冲组件与后气腔连通。

本发明进一步设置为：所述气控单元还包括：

切换阀，切换阀包括主通道、可单独与主通道连通的第一副通道和第二副通道；

通断阀，用于控制通断；

其中，辅助阀包括进气口P、回气口T、工作气口A和工作气口B，工作气口A与主通道之间通过设有第一气路连通，第一副通道与进气调节阀之间通过设有第二气路连通，第二副通道与辅助阀的无杆腔通过设有第三气路连通，出气调节阀与第三气路之间设有第四气路，工作气口B与辅助气缸的有杆腔之间通过设有第五气路连通；通断阀包括设置于第三气路上的第一通断阀和设置于第四气路上的第二通断阀。

本发明进一步设置为：所述活塞包括依次连接的大活塞环、活塞杆和小活塞环，前气腔的前端设有与小活塞环适配的缩口腔，小活塞环上还设有轴向贯穿小活塞环的导气通道；

增压稳压缸还包括用于安装缓冲组件的安装通道；缓冲组件包括缓冲缸、缸盖、浮动套、浮动杆、缓冲弹簧和缓冲杆，缓冲杆位于安装通道的前端，且缓冲杆的端部位于后气腔内，缓冲缸与缸盖相连接，且缓冲缸设置于安装通道的尾端，浮动套可轴向自由滑动的设置于缸盖中心，浮动杆可轴向自由滑动的设置于浮动套的中心，且浮动杆的一端位于缓冲缸内，浮动杆的另一端与缓冲杆抵触，缓冲弹簧套设于浮动杆上，且缓冲弹簧的一端与浮动套轴向抵触，安装通道内还设有与缓冲弹簧另一端抵触的台阶面；

增压稳压缸上还设有与安装通道径向连通进出气通道，缓冲杆上还设有气流通道，增压稳压缸在未增压状态下，气流通道一端与进出气通道连通，气流通道另一端呈径向设置且与后气腔连通；且增压稳压缸内还设有用于连通进出气通道与后气腔的辅助进气流道，辅助进气流道内设有用于限制后气腔内气体流向进出气通道的第一单向阀。

本发明进一步设置为：所述出气调节阀包括：

固定架，固定于前气腔的端口上；

出气阀芯，呈圆台形结构且安装于固定架上；

其中，固定架包括连杆，出气阀芯套设于连杆上，连杆上还设有与出气阀芯轴向抵触的复位弹簧，前气腔的端口内壁设有锥形壁，锥形壁与出气阀芯的外壁之间形成过气通道。

本发明进一步设置为：所述进气调节阀包括：

阀体，阀体内设有气流导向腔和缓冲腔；

堵头，设置于气流导向腔内；

第一回位弹簧，设置于气流导向腔内并与堵头轴向抵触；

缓冲阀芯，设置于缓冲腔内；

第二回位弹簧，设置于缓冲腔内并与缓冲阀芯轴向抵触；

其中，阀体上设有与气流导向腔轴向连通的第一阀口、与缓冲腔轴向连通的第二阀口，阀体内设有用于导通气流导向腔和缓冲腔的中心阀口；阀体上还设有与气流导向腔径向连通的第三阀口、与缓冲腔连通的第四阀口；气流导向腔的内壁上还设有与第一阀口连通的导气槽；

当第一回位弹簧被压缩时，堵头侧壁与第二阀口抵触封闭，中心阀口与第一阀口之间通过导气槽导通；当第一回位弹簧回位时，堵头端头与中心阀口抵触封闭，第一阀口与第三阀口导通；

当第二回位弹簧被压缩时，第四阀口与中心阀口导通；当第二回位弹簧回位时，缓冲阀芯与中心阀口抵触密封。

本发明进一步设置为：所述缓冲阀芯上与中心阀孔相抵触的一端为锥型端，锥型端的外周壁与缓冲腔的内周壁之间形成过渡腔，第四阀口与过渡腔连通，且缓冲阀芯上设有轴向贯穿缓冲阀芯两端的释压孔；

第二阀口与主压力腔的气孔连通，且第二阀口与主压力腔的气孔之间设有用于第二阀口流向主压力腔的气孔的第二单向阀。

一种软土热固结模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

一、将土样注入土样箱内，并在注入过程中，预埋排水机构、加热机构孔和孔隙水压力传感器，然后在土样箱上安装加压机构；

二、加压机构对土样施加竖向压力载荷，然后加热机构运行，抽真空泵运行，施加试验用温度和真空度；

三、在压力载荷、温度和真空度的联合作用下，控制系统对排出水量和孔隙水压力传感器检测到的数据进行记录。

通过采用上述技术方案具有以下优点：

在压力载荷、温度和真空度的联合作用下，控制系统对排出水量和孔隙水压力传感器检测到的数据进行记录；

加压机构可以实现自动加压和记录测量；加压机构加压稳定，可提供较大压力载荷；

整套试验装置可靠性好，测量精确度高、自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明气控单元的结构示意图；

图3是本发明中增压稳压缸的结构示意图；

图4是本发明图3的A部放大结构示意图；

图5是本发明图3的B部放大结构示意图；

图中附图标记为：1、土样箱；2、箱盖；3、孔隙水压力传感器；4、压力板；5、辅助气缸；6、主压力腔；7、排水副板；8、排水主板；9、抽真空泵；10、储水箱；11、通管；12、外套管；20、辅助阀；21、主控制阀；22、增压稳压缸；23、活塞；24、前气腔；25、后气腔；26、切换阀；27、导气通道；31、第一气路；32、第二气路；33、第三气路；34、第四气路；35、第五气路；40、缓冲缸；41、浮动套；42、浮动杆；43、缓冲弹簧；44、缓冲杆；45、进出气通道；46、辅助进气流道；51、固定架；52、出气阀芯；53、连杆；54、复位弹簧；55、过气通道；61、气流导向腔；62、缓冲腔；63、堵头；64、第一回位弹簧；65、缓冲阀芯；66、第二回位弹簧；67、第一阀口；68、第二阀口；69、中心阀口；70、第三阀口；71、第四阀口；72、导气槽；73、过渡腔；74、释压孔。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1-5：

一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：包括：

土样箱1，土样箱1的顶部设有箱盖2，土样箱1内用于放置土样；

加压机构，用于对土样进行压紧；

排水机构，用于对土样进行排水；

加热机构，用于对土样进行加热；

控制系统，用于控制加压机构、排水机构和加热机构的运行；

其中，土样内预埋孔隙水压力传感器3，孔隙水压力传感器3可以选用带温度传感器功能，便于同时测量土样温度；加压机构包括压力板4和辅助气缸5，压力板4与箱盖2之间形成主压力腔6，箱盖2上设有与主压力腔6连通的气孔，辅助气缸5安装箱盖2的顶部，且辅助气缸5的气缸杆贯穿箱盖2设置并与压力板4连接。

箱盖2与土样箱1之间可以通过多根螺杆固定连接，压力板4位于土样箱1内，用于对土样进行压紧，压力板4与箱盖2之间形成封闭的主压力腔6，并通过气孔进行进气或出气；

由于采用单一的主压力腔6结构，主压力腔6的承压能力较弱，容易漏气，无法提供较大的负载压力，因此通过辅助气缸5可以对土样进一步实现较高的压力；其中压力板4可以为上下双层结构，两层压力板4之间的中心设置环形压力传感器，用于检测对土样的施压压力，辅助气缸5的气缸杆连接于上层压力板4上，且辅助气缸5的气缸杆上还设置有位移传感器，用于检测气缸杆的伸缩长度。

控制系统用于实现各机构的智能控制和智能检测记录。

所述土样顶部铺设有沙砾层，排水机构包括：

若干排水副板7，垂直设置于土样内；

排水主板8，平铺于沙硕排水层内；

抽真空泵9；

其中，排水副板7与排水主板8相连接且连通，排水主板8上还设有贯穿压力板4和主压力腔6设置的通管11，通管11内设有抽水管，抽水管延伸至各排水副管内的底部，抽真空泵9与抽水管连通，且抽真空泵9与抽水管之间设有储水箱10，排水副板7上设有若干排水孔，且排水副板7上缠绕有纱网滤层。

沙砾层便于土样顶部的排水，同时在压力板4的加压过程中，沙砾层容易移动，使得压力板4能够向土样实现均匀施压；排水原理为：当土样被压缩时，土样中的水分自然会进入排水副板7内，且通过抽真空泵9对排水结构进行抽真空处理，可以进一步提高排水速率，且通过抽真空泵9使得抽水管产生吸力进行抽水，将水抽入储水箱10内，储水箱10内还可设置液位传感器；可以测量不同真空度状态下，对排水量及排水速率的影响；其中纱网滤层可以起到进一步过滤作用，避免土样直接堵塞排水孔；且在实际使用中，排水主板8上也可以设置排水孔和纱网滤层。

所述排水副板7两侧设有若干内凹结构的嵌槽；

加热机构包括：

加热线，设置于嵌槽内；

导热层，覆盖于加热线的表面；

其中，嵌槽内壁设有反射涂层，通管11的外壁上还套设有外套管12，加热线顶端引出并穿过外套管12内，且外套管12与通管11之间填充密封胶。

导热层可以直接采用密封导热胶，直接覆盖于加热线的表面，并将加热线固定于嵌槽内，反射涂层涂覆于嵌槽的表面，便于提高加热线向外散发的热量，外套管12与通管11之间形成夹层，便于加热线的引出，并通过密封胶进行密封填充；其中加热线可以由控制系统控制电流大小，从而改变加热温度。

所述控制系统包括用于控制加压机构运行的气控单元，辅助气缸5为三组呈环向均布于箱盖2上；

气控单元包括：

辅助阀20，用于控制辅助气缸5的进气和排气；

主控制阀21，用于控制主压力腔6的进气和排气；

增压稳压缸22，用于对辅助气缸5的增压；

其中，增压稳压缸22包括储气腔、出气调节阀、进气调节阀和缓冲组件，储气腔内还设有活塞23，活塞23将储气腔分隔成前气腔24和后气腔25；出气调节阀设置于前气腔24的端口上，进气调节阀设置于后气腔25的端口上；缓冲组件与后气腔25连通。

辅助气缸5呈环向等距排布，可以对压力板4施加均匀的作用力，避免压力板4偏移造成对土样的作用力不均匀；其中，辅助阀可以为J型三位四通阀，包括进气口P、回气口T、工作气口A和工作气口B，当J型三位四通阀切换至左位时，进气口P与工作气口A导通，回气口T与工作气口B导通，向增压稳压缸22或辅助气缸5的无杆腔供气，可以实现下压压紧；当Y型三位四通阀切换至中位时，进气口P和工作气口A处于封闭状态，工作气口B与回气口T导通；当Y型三位四通阀切换至右位时，工作气口A与回气口T导通，进气口P与工作气口B导通，向辅助气缸5的有杆腔供气，辅助气缸5上升回退；

增压稳压缸22的原理为：使用前向前气腔24进行充气，充气过程中缓冲组件对储气腔起到缓冲保护的作用，需要向辅助气缸5增压时，向后气腔25供气，推动活塞23运动且前气腔24内的压缩空气向辅助气缸5的无杆腔进行供气，实现增压作用；由于在实际使用中，气路内压力难免会产生波动，因此出气调节阀、进气调节阀用于进气或出气时的稳压调节，便于实现对辅助气缸5的稳定增压。

所述气控单元还包括：

切换阀26，切换阀26包括主通道、可单独与主通道连通的第一副通道和第二副通道；

通断阀，用于控制通断；

其中，辅助阀包括进气口P、回气口T、工作气口A和工作气口B，工作气口A与主通道之间通过设有第一气路31连通，第一副通道与进气调节阀之间通过设有第二气路32连通，第二副通道与辅助阀20的无杆腔通过设有第三气路33连通，出气调节阀与第三气路33之间设有第四气路34，工作气口B与辅助气缸5的有杆腔之间通过设有第五气路35连通；通断阀包括设置于第三气路33上的第一通断阀和设置于第四气路34上的第二通断阀。

进气口P用于连接供气管路，回气口T用于连接排气管路，当主通道与第一副通道连通时，第一气路31与第三气路33和第四气路34连通；当主通道与第二副通道连通时，第一气路31与第二气路32连通。

所述活塞23包括依次连接的大活塞环、活塞杆和小活塞环，前气腔24的前端设有与小活塞环适配的缩口腔，小活塞环上还设有轴向贯穿小活塞环的导气通道27；

前气腔进气时，部分空气推动小活塞环后移，且部分空气通过导气通道27进入小活塞环和大活塞环之间，继而空气推力进一步作用于大活塞环上，更易于充气充能，而前气腔24需要向辅助气缸5增压时，通过缩口腔的设置，出气压强更大，增压效果更明显。

增压稳压缸22还包括用于安装缓冲组件的安装通道；缓冲组件包括缓冲缸40、缸盖、浮动套41、浮动杆42、缓冲弹簧43和缓冲杆44，缓冲杆44位于安装通道的前端，且缓冲杆44的端部位于后气腔25内，缓冲缸40与缸盖相连接，且缓冲缸40设置于安装通道的尾端，浮动套41可轴向自由滑动的设置于缸盖中心，浮动杆42可轴向自由滑动的设置于浮动套41的中心，且浮动杆42的一端位于缓冲缸40内，浮动杆42的另一端与缓冲杆44抵触，缓冲弹簧43套设于浮动杆42上，且缓冲弹簧43的一端与浮动套41轴向抵触，安装通道内还设有与缓冲弹簧43另一端抵触的台阶面；

增压稳压缸22上还设有与安装通道径向连通进出气通道45，缓冲杆44上还设有气流通道，增压稳压缸22在未增压状态下，气流通道一端与进出气通道45连通，气流通道另一端呈径向设置且与后气腔25连通；且增压稳压缸22内还设有用于连通进出气通道45与后气腔25的辅助进气流道46，辅助进气流道46内设有用于限制后气腔25内气体流向进出气通道45的第一单向阀。

供气管路向前气腔24充气时，活塞23向后气腔25移动，此时后气腔25的空气由气流通道向进出气通道45连通排出；在持续充气过程中，后气腔25被持续压缩，此时活塞23会碰触缓冲杆44，继而推动缓冲杆44后移，气流通道与进出气通道45开始错位，此时浮动杆42向缓冲缸40内移动，而浮动套41向缓冲缸40外端移动，缓冲弹簧43被压缩，从而起到缓冲作用；其中缓冲缸40内可以填充液压油；其中增压稳压缸22的后气腔25还可设置压力传感器。

由于缓冲组件生效时，气流通道与进出气通道45可能处于错位状态，因此通过辅助进气流道46的设置，使得进出气通道45进气时，气流可以通过辅助进气流道46直接进入后气腔25，继而推动活塞23向前气腔24移动，实现增压输出，活塞23向前气腔24移动时，缓冲组件逐渐复位。

所述出气调节阀包括：

固定架51，固定于前气腔24的端口上；

出气阀芯52，呈圆台形结构且安装于固定架51上；

其中，固定架51包括连杆53，出气阀芯52套设于连杆53上，连杆53上还设有与出气阀芯52轴向抵触的复位弹簧54，前气腔24的端口内壁设有锥形壁，锥形壁与出气阀芯52的外壁之间形成过气通道55。

其调节原理为：当供气管路向前气腔24供气时，过气通道55处于最大开度，方便快速充能，当前气腔24需要对辅助气缸5进行增压时，即前气腔24出气时，会随着出气压力的波动，复位弹簧54产生相应的收缩变形，即出气阀芯52会产生轴向浮动，出气压力越大，复位弹簧54的压缩量越大，此时过气通道55减小；反之，若出气压力越小，则过气通道55越大，从而调节出气量和出气压力，起到一定的稳压作用。

所述进气调节阀包括：

阀体，阀体内设有气流导向腔61和缓冲腔62；

堵头63，设置于气流导向腔61内；

第一回位弹簧64，设置于气流导向腔61内并与堵头63轴向抵触；

缓冲阀芯65，设置于缓冲腔62内；

第二回位弹簧66，设置于缓冲腔62内并与缓冲阀芯65轴向抵触；

其中，阀体上设有与气流导向腔61轴向连通的第一阀口67、与缓冲腔62轴向连通的第二阀口68，阀体内设有用于导通气流导向腔61和缓冲腔62的中心阀口69；阀体上还设有与气流导向腔61径向连通的第三阀口70、与缓冲腔62连通的第四阀口71；气流导向腔61的内壁上还设有与第一阀口67连通的导气槽72；

当第一回位弹簧64被压缩时，堵头63侧壁与第二阀口68抵触封闭，中心阀口69与第一阀口67之间通过导气槽72导通；当第一回位弹簧64回位时，堵头63端头与中心阀口69抵触封闭，第一阀口67与第三阀口70导通；

当第二回位弹簧66被压缩时，第四阀口71与中心阀口69导通；当第二回位弹簧66回位时，缓冲阀芯65与中心阀口69抵触密封。

进气调节阀的原理为：当前气腔24充能时，即前气腔24进气时，则后气腔25的通过进气调节阀排气，排气时，第一回位弹簧64处于回位状态，即未被压缩状态，此时，堵头63端头与中心阀口69抵触封闭，第一阀口67与第三阀口70导通，可以实现正常排气；

当向后气腔25进行供气时，即第四阀口71进气，此时缓冲阀芯65被推动，第二回位弹簧66被压缩，则第四阀口71、中心阀口69、导气槽72和第一阀口67依次导通，可以实现向后气腔25供气。

所述缓冲阀芯65上与中心阀孔相抵触的一端为锥型端，锥型端的外周壁与缓冲腔62的内周壁之间形成过渡腔73，第四阀口71与过渡腔73连通，且缓冲阀芯65上设有轴向贯穿缓冲阀芯65两端的释压孔74；

第二阀口68与主压力腔6的气孔连通，且第二阀口68与主压力腔6的气孔之间设有用于第二阀口68流向主压力腔6的气孔的第二单向阀。

当向第四阀口71供气时，过渡腔73的压力增加，因此第二回位弹簧66会被压缩，且供气压力越大，则第二回位弹簧66的压缩量越大，即过渡腔73的腔室体积越大，因此能够起到缓冲作用，且部分气体能够通过释压孔74向第二阀口68释压，多余释压的空气压力若超过主压力腔6的压力时，第二单向阀开启，即向主压力腔6进行补压。

一种软土热固结模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

一、将土样注入土样箱1内，并在注入过程中，预埋排水机构、加热机构孔和孔隙水压力传感器3，然后在土样箱1上安装加压机构；

二、加压机构对土样施加竖向压力载荷，然后加热机构运行，抽真空泵9运行，施加试验用温度和真空度；

三、在压力载荷、温度和真空度的联合作用下，控制系统对排出水量和孔隙水压力传感器3检测到的数据进行记录。

通过上述方法，可以在额定压力载荷和真空度的条件下，测量温度对固结的影响，此外也可以在压力载荷、温度和真空度三种因素条件下，可以任意设定其中两种因素为定值，另一因素为变值，从而统计各组测量数据，综合分析各因素对土样固结的影响。

步骤二中，加压机构运行时的控制方法包括以下具体步骤：

L1、各辅助阀20和主控制阀21均切换到进气状态，各切换阀26使得主通道与第一副通道连通，第一通断阀和第二通断阀均切换至通路状态，供气管路直接向主压力腔6和各辅助气缸5的无杆腔供气，压力板4快速下压；判断压力传感器检测到的数值是否达到第一预设值，若是，表明预压完成，则进入步骤L2；若否，则维持步骤L1；

L2、主控制阀21切换至断路状态实现保压，各第一通断阀切换至断路；供气管路向各增压稳压缸22的前气腔24供气，当各增压稳压缸22的后气腔25的压力达到限定阀值时，对应第二通断阀切换至断路；当所有第二通断阀切换至断路时，表明增压稳压缸22充能完成，进入步骤L3；

L3、各切换阀26使得主通道与第二副通道连通，各第一通断阀和各第二通断阀均切换至通路状态，供气管路可以向增压稳压缸22的后气腔25供气，通过各增压稳压缸22向各辅助气缸5的无杆腔补压，判断压力传感器检测到的数值是否达到第二预设值，若是，增压完成，则进入步骤L4；

其中第一预设值、第二预设值均可根据实际试验需要进行设定；各增压稳压缸22的后气腔25的压力限定阀值可根据增压稳压缸22的实际性能进行设定；

L4、判断各位移传感器的数值是否相同，若不同，表明压力板4存在偏载，则通过增压稳压缸22向气缸杆伸长量较小的辅助气缸5无杆腔继续补压，使得各辅助气缸5的气缸杆伸长量相同，若相同，则控制系统记录加载压力P，记录土样温度、真空度、位移传感器的数值，在静置不同时间后，通过位移传感器测量土样沉降量、排水量和孔隙水压力，控制系统记录相关数据。

在静置过程中，由于土样会产生沉降，加载压力P会减小，因此需要气控单元实时对辅助气缸5进行补压，使得加载压力保持为P；通过对加压机构的控制，可以实现自动加压，且加压压力精度高、压力大，压力变化稳定，人为测量监控等工作减轻，自动化程度高，试验数据更加可靠。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：包括：

土样箱(1)，土样箱(1)的顶部设有箱盖(2)，土样箱(1)内用于放置土样；

加压机构，用于对土样进行压紧；

排水机构，用于对土样进行排水；

加热机构，用于对土样进行加热；

控制系统，用于控制加压机构、排水机构和加热机构的运行；

其中，土样内预埋孔隙水压力传感器(3)；加压机构包括压力板(4)和辅助气缸(5)，压力板(4)与箱盖(2)之间形成主压力腔(6)，箱盖(2)上设有与主压力腔(6)连通的气孔，辅助气缸(5)安装箱盖(2)的顶部，且辅助气缸(5)的气缸杆贯穿箱盖(2)设置并与压力板(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述土样顶部铺设有沙砾层，排水机构包括：

若干排水副板(7)，垂直设置于土样内；

排水主板(8)，平铺于沙硕排水层内；

抽真空泵(9)；

其中，排水副板(7)与排水主板(8)相连接且连通，排水主板(8)上还设有贯穿压力板(4)和主压力腔(6)设置的通管(11)，通管(11)内设有抽水管，抽水管延伸至各排水副管内的底部，抽真空泵(9)与抽水管连通，且抽真空泵(9)与抽水管之间设有储水箱(10)，排水副板(7)上设有若干排水孔，且排水副板(7)上缠绕有纱网滤层。

3.根据权利要求2所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述排水副板(7)两侧设有若干内凹结构的嵌槽；

加热机构包括：

加热线，设置于嵌槽内；

导热层，覆盖于加热线的表面；

其中，嵌槽内壁设有反射涂层，通管(11)的外壁上还套设有外套管(12)，加热线的顶端引出并穿过外套管(12)内，且外套管(12)与通管(11)之间填充密封胶。

4.根据权利要求1所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述控制系统包括用于控制加压机构运行的气控单元，辅助气缸(5)为三组呈环向均布于箱盖(2)上；

气控单元包括：

辅助阀(20)，用于控制辅助气缸(5)的进气和排气；

主控制阀(21)，用于控制主压力腔(6)的进气和排气；

增压稳压缸(22)，用于对辅助气缸(5)的增压；

其中，增压稳压缸(22)包括储气腔、出气调节阀、进气调节阀和缓冲组件，储气腔内还设有活塞(23)，活塞(23)将储气腔分隔成前气腔(24)和后气腔(25)，出气调节阀设置于前气腔(24)的端口上，进气调节阀设置于后气腔(25)的端口上；缓冲组件与后气腔(25)连通。

5.根据权利要求4所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述气控单元还包括：

切换阀(26)，切换阀(26)包括主通道、可单独与主通道连通的第一副通道和第二副通道；

通断阀，用于控制通断；

其中，辅助阀(20)包括进气口P、回气口T、工作气口A和工作气口B，工作气口A与主通道之间通过设有第一气路(31)连通，第一副通道与进气调节阀之间通过设有第二气路(32)连通，第二副通道与辅助阀(20)的无杆腔通过设有第三气路(33)连通，出气调节阀与第三气路(33)之间设有第四气路(34)，工作气口B与辅助气缸(5)的有杆腔之间通过设有第五气路(35)连通；通断阀包括设置于第三气路(33)上的第一通断阀和设置于第四气路(34)上的第二通断阀。

6.根据权利要求5所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述活塞(23)包括依次连接的大活塞环、活塞杆和小活塞环，前气腔(24)的前端设有与小活塞环适配的缩口腔，小活塞环上还设有轴向贯穿小活塞环的导气通道(27)；

增压稳压缸(22)还包括用于安装缓冲组件的安装通道；缓冲组件包括缓冲缸(40)、缸盖、浮动套(41)、浮动杆(42)、缓冲弹簧(43)和缓冲杆(44)，缓冲杆(44)位于安装通道的前端，且缓冲杆(44)的端部位于后气腔(25)内，缓冲缸(40)与缸盖相连接，且缓冲缸(40)设置于安装通道的尾端，浮动套(41)可轴向自由滑动的设置于缸盖中心，浮动杆(42)可轴向自由滑动的设置于浮动套(41)的中心，且浮动杆(42)的一端位于缓冲缸(40)内，浮动杆(42)的另一端与缓冲杆(44)抵触，缓冲弹簧(43)套设于浮动杆(42)上，且缓冲弹簧(43)的一端与浮动套(41)轴向抵触，安装通道内还设有与缓冲弹簧(43)另一端抵触的台阶面；

增压稳压缸(22)上还设有与安装通道径向连通进出气通道(45)，缓冲杆(44)上还设有气流通道，增压稳压缸(22)在未增压状态下，气流通道一端与进出气通道(45)连通，气流通道另一端呈径向设置且与后气腔(25)连通；且增压稳压缸(22)内还设有用于连通进出气通道(45)与后气腔(25)的辅助进气流道(46)，辅助进气流道(46)内设有用于限制后气腔(25)内气体流向进出气通道(45)的第一单向阀。

7.根据权利要求6所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述出气调节阀包括：

固定架(51)，固定于前气腔(24)的端口上；

出气阀芯(52)，呈圆台形结构且安装于固定架(51)上；

其中，固定架(51)包括连杆(53)，出气阀芯(52)套设于连杆(53)上，连杆(53)上还设有与出气阀芯(52)轴向抵触的复位弹簧(54)，前气腔(24)的端口内壁设有锥形壁，锥形壁与出气阀芯(52)的外壁之间形成过气通道(55)。

8.根据权利要求6所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述进气调节阀包括：

阀体，阀体内设有气流导向腔(61)和缓冲腔(62)；

堵头(63)，设置于气流导向腔(61)内；

第一回位弹簧(64)，设置于气流导向腔(61)内并与堵头(63)轴向抵触；

缓冲阀芯(65)，设置于缓冲腔(62)内；

第二回位弹簧(66)，设置于缓冲腔(62)内并与缓冲阀芯(65)轴向抵触；

其中，阀体上设有与气流导向腔(61)轴向连通的第一阀口(67)、与缓冲腔(62)轴向连通的第二阀口(68)，阀体内设有用于导通气流导向腔(61)和缓冲腔(62)的中心阀口(69)；阀体上还设有与气流导向腔(61)径向连通的第三阀口(70)、与缓冲腔(62)连通的第四阀口(71)；气流导向腔(61)的内壁上还设有与第一阀口(67)连通的导气槽(72)；

当第一回位弹簧(64)被压缩时，堵头(63)侧壁与第二阀口(68)抵触封闭，中心阀口(69)与第一阀口(67)之间通过导气槽(72)导通；当第一回位弹簧(64)回位时，堵头(63)端头与中心阀口(69)抵触封闭，第一阀口(67)与第三阀口(70)导通；

当第二回位弹簧(66)被压缩时，第四阀口(71)与中心阀口(69)导通；当第二回位弹簧(66)回位时，缓冲阀芯(65)与中心阀口(69)抵触密封。

9.根据权利要求8所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述缓冲阀芯(65)上与中心阀孔相抵触的一端为锥型端，锥型端的外周壁与缓冲腔(62)的内周壁之间形成过渡腔(73)，第四阀口(71)与过渡腔(73)连通，且缓冲阀芯(65)上设有轴向贯穿缓冲阀芯(65)两端的释压孔(74)；

第二阀口(68)与主压力腔(6)的气孔连通，且第二阀口(68)与主压力腔(6)的气孔之间设有用于第二阀口(68)流向主压力腔(6)的气孔的第二单向阀。

10.一种适用于权利要求1-9任一所述的一种软土热固结模型试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、将土样注入土样箱(1)内，并在注入过程中，预埋排水机构、加热机构孔和孔隙水压力传感器(3)，然后在土样箱(1)上安装加压机构；

二、加压机构对土样施加竖向压力载荷，然后加热机构运行，抽真空泵(9)运行，施加试验用温度和真空度；

三、在压力载荷、温度和真空度的联合作用下，控制系统对排出水量和孔隙水压力传感器(3)检测到的数据进行记录。

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