CN114113543A - 一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置及试验方法，涉及侧向压力系数测量技术领域，该试验装置包括加压系统和K₀试验仪，所述K₀试验仪设置于所述加压系统内，且所述K₀试验仪上设置有土压力传感器，所述土压力传感器通过传输线连接有数据处理终端；所述K₀试验仪内用于填充尾砂填充体。基于本发明上述试验装置的试验方法，可以适用于不同状态的非胶结以及胶结尾砂充填体侧向压力系数的测定，有效提高测量的准确性。

Description

一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及侧向压力系数测量技术领域，特别是涉及一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置及试验方法。

背景技术

目前充填采矿法中尾砂充填工艺已经相对成熟，但是充填挡墙事故时有发生，比如漏浆、跑浆，挡墙开裂等。当前矿区主要使用的是钢筋混凝土充填挡墙，高度和宽度由采场巷道尺寸决定。对于金属矿区而言，一般围岩强度高、整体性好，围岩巷道作用在挡墙上的竖向荷载较小，可以忽略不计，故挡墙的开裂破坏主要与作用在挡墙上的侧向压力有关，而充填挡墙的侧向压力是受多种因素共同影响的。作用于充填挡墙上的侧向压力，由胶结充填料灰砂比、浓度、充填速率、一次充填高度、胶结层的高度、充填挡墙的布设位置、充填挡墙的滤水能力等因素决定。挡墙上的侧向压力主要来源于尾砂充填体，如能获得尾砂充填体的侧向压力系数，即可估算作用于挡墙的侧向压力。

尾砂充填体的侧向压力系数是水平压应力与垂直压应力之比。尾砂充填体的侧向压力系数与尾砂充填体的密实度、含水量等物理状态有关，其值可以通过实验测定，也可以根据经验公式计算。目前，在充填挡墙设计中，主要通过试验获得充填体的内摩擦角和粘聚力等物理参数，然后使用经验公式来估算充填体的侧向压力系数，并把它视为一个常量；但实际上，随着充填体的凝结硬化，物理状态及性质发生变化，尾砂充填体的侧向压力系数也随之发生改变。如果将充填体的侧向压力系数视为常量，这会导致侧向压力估算的不准确。如果能发明一种试验装置，通过试验得到不同状态下的尾砂充填体的侧向压力系数，将能有效提高挡墙侧向压力估算的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，实用性较高，可以适用于不同状态的非胶结以及胶结尾砂充填体侧向压力系数的测定，有效提高测量的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，包括加压系统和K₀试验仪，所述K₀试验仪设置于所述加压系统内，且所述K₀试验仪上设置有土压力传感器，所述土压力传感器通过传输线连接有数据处理终端；所述K₀试验仪内用于填充尾砂填充体。

可选的，所述加压系统包括反力架和螺旋千斤顶；所述反力架包括对称设置的上部顶板和下部铁板，所述上部顶板和下部铁板之间通过支撑柱固定连接，支撑柱两端有螺纹，利用六角螺母保证支撑柱与上部顶板和下部铁板之间连接牢固；所述螺旋千斤顶固定设置于所述下部铁板上，所述K₀试验仪固定设置于所述螺旋千斤顶的顶部，通过摇动螺旋千斤顶手柄给K₀试验仪施加竖向压力；所述数据处理终端为笔记本电脑。

可选的，所述K₀试验仪包括整体呈圆柱状的筒壁，所述筒壁内填充有尾砂填充体，所述筒壁顶部密封插设有压头，所述压头顶部与所述上部顶板的内底部连接；所述筒壁底部通过底座压板与所述螺旋千斤顶的顶部固定连接；所述所述筒壁上方一侧设置有上部排水阀门，所述筒壁底部一侧设置有底部排水阀门，从而可以模拟尾砂充填体的排水，排水阀门上连接排水软管，在上部排水阀门和底部排水阀门内分别安装上部透水石和底部透水石，避免尾砂颗粒随水一起排出仪器。上部排水阀门距离筒壁上端4cm，这是考虑到尾砂充填体在排水和加压的过程中具有较明显的压缩性，避免压头将上部排水孔堵住导致上部排水阀门失效。在筒壁下端与底座压板的接触面上安装橡胶圈，从而保证装置的密封性。

可选的，所述土压力传感器包括分别通过传输线与所述数据处理终端连接的竖向土压力传感器、第一侧向土压力传感器和第二侧向土压力传感器；所述竖向土压力传感器设置于所述压头底部与尾砂填充体接触的正中位置处，在实际加压过程中，压头与筒壁之间存在摩擦力，实际作用在尾砂充填体上的竖向压力存在一部分的损失，将土压力传感器安装在压头底部与尾砂充填体接触面上，可以巧妙的消除侧向摩擦力的影响，直接测得作用于尾砂充填体上的竖向压力；所述第一侧向土压力传感器和第二侧向土压力传感器对称设置于所述筒壁两侧。

可选的，所述上部排水阀门内设置有上部透水石，所述底部排水阀门内设置有底部透水石，所述筒壁底部与所述底座压板之间设置有透水石，所述底部排水阀门设置于所述筒壁设置有透水石的位置处；所述筒壁的内径尺寸大于所述透水石的直径尺寸，所述透水石的直径尺寸大于所述上部透水石和底部透水石的直径，所述上部透水石和底部透水石尺寸相同。

可选的，所述压头上穿设有螺母，所述螺母上设置有橡胶垫圈，在压头上开孔并用带橡胶圈垫的螺母进行封堵，在向筒壁中倒入尾砂充填料浆后，可以先取走压头上的螺母，此时缓慢盖上压头，一方面可以通过压头小孔排出K₀试验仪内的空气；另一方面可以保证压头与尾砂充填料浆充分接触，便于之后施加竖向压力。盖好压头后，拧上螺母又可以保证K₀试验仪的密封性；所述压头侧壁设置有压头橡胶密封圈，所述压头通过所述压头橡胶密封圈与所述筒壁的内壁密封接触连接，可以保证当压头与筒壁接触时具有良好的密封效果，避免加压时尾砂充填料浆以及水从压头与筒壁的缝隙渗漏。

可选的，所述底座压板与所述筒壁底部通过底板固定螺母密封连接；所述筒壁底部与所述底座压板接触位置处设置有底部橡胶密封圈。

本发明还提供一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、关闭K₀试验仪的上部排水阀门和底部排水阀门，配置尾砂充填料浆，将料浆充分搅拌后倒入筒壁中，拧出压头上的螺母，将压头缓慢压入筒壁，使其与料浆接触良好，再拧上螺母，检查密闭性；

步骤二、将K₀试验仪放在螺旋千斤顶上，先竖向缓慢加压直至竖向压力至设定值，待竖向土压力传感器以及侧向土压力传感器的数据稳定后，缓慢打开上部排水阀门和底部排水阀门，同时调节螺旋千斤顶保持竖向压力值不变，观察排水情况以及侧向压力传感器的侧向压力应力值的变化；

步骤三、待侧向应力值趋于稳定后，保持上部排水阀门和底部排水阀门的开启状态，再依次施加下一级荷载，采集并存储每一级荷载下，从加压到排水稳定时三个土压力传感器的数据；

步骤四、对试验数据进行整理，根据公式

计算得到不同竖向压力下排水稳定时尾砂充填体的侧向压力系数。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明试验装置对尾砂充填体侧向压力系数进行测量操作时，通过螺旋千斤顶和反力架进行加压，结合压头下的土压力传感器，可以通过微调螺旋千斤顶有效保证竖向压力的大小以及加压的稳定性，操作方便、简单，成本低廉。在本发明试验装置中的压头底部安装土压力传感器，可以不用考虑压头与筒壁之间的摩擦阻力，直接测得作用于充填体上的实际竖向压力。通过3个土压力传感器可以获得尾砂处于不同的物理状态、性质下，作用于尾砂充填体的竖向压力以及侧向压力，并以此通过公式计算获得不同状态下尾砂充填体的侧向压力系数，可以有效提高尾砂充填体侧向压力系数的准确性，为工业应用提供可靠数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置整体结构示意图；

图2为本发明的反力架结构示意图；

图3为本发明的K₀试验仪结构是示意图；

附图标记说明：1、反力架；2、螺旋千斤顶；3、K₀试验仪；4、笔记本电脑；5、传输线；11、六角螺母；12、上部顶板；13、支撑柱；14、底部铁板；31、压头；32、螺母；33、压头橡胶密封圈；34、竖向土压力传感器；35、筒壁；36、上部排水阀门；37、上部透水石；38、第一侧向土压力传感器；39、第二侧向土压力传感器；310、底部排水阀门；311、底部透水石；312、透水石；313、底部橡胶密封圈；314、底座压板；315、底板固定螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，实用性较高，可以适用于不同状态的非胶结以及胶结尾砂充填体侧向压力系数的测定，有效提高测量的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1-3，本发明提供一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，包括反力架1、螺旋千斤顶2、K₀试验仪3、笔记本电脑4以及传输线5。将反力架1安置在平整的地面上，将螺旋千斤顶2放置在反力架1的正中位置，将K₀试验仪3正中放置在螺旋千斤顶2的顶部，利用传输线5将K₀试验仪3中的传感器与数据采集器(USB型)和笔记本电脑4连接起来，便于直接读取任意时刻的土压力传感器数据

具体的，如图2所示，反力架1的上部顶板12(铁质)和底部铁板14之间用支撑柱13(铁质)连接，支撑柱13设置在上下铁板中间部位，并且上下两端均设有螺纹。利用支撑柱13与六角螺母11将上部顶板12固定。

如图3所示，K₀试验仪的压头31上设置有带橡胶圈垫的螺母32、压头橡胶密封圈以及竖向土压力传感器34。螺母32既可以在加料后、试验前保证排除装置内的空气，又能在试验中达到良好的密封效果。压头橡胶密封圈33设置有两层，可以保证压头31与筒壁35之间具有良好的密封性，避免尾砂料浆在加压过程中出现渗漏问题。竖向土压力传感器34设置在压头31底部与尾砂充填体接触面的正中位置，可以巧妙的忽略压头与筒壁之间的摩擦阻力对竖向压力的削弱影响，直接测得作用于尾砂充填体上的竖向压力，提高试验结果的真实性与准确性。

K₀试验仪的筒壁35整体上呈圆柱形，其上设置有上部排水阀门36、上部透水石37、底部排水阀门310、底部透水石311、第一侧向土压力传感器38、第二侧向土压力传感器39、透水石312以及底部橡胶密封圈313。上部排水阀门36和底部排水阀门310内分别设置上部透水石37以及底部透水石311，这有助于避免尾砂颗粒随水流从排水阀门排出试验仪器，通过排水阀门的开启与关闭，可以改变尾砂充填体的物理状态和物理性质(如含水量等)。其中，上部排水阀门36并没有设置在筒壁的最上端，这是考虑到尾砂料浆随着排水和加压，会发生较大的沉降，避免压头将上部排水阀门36的排水口堵住。在筒壁两侧呈对称状设置第一侧向土压力传感器38和第二侧向土压力传感器39，以便于测得尾砂充填体的侧向压力。在筒壁35底部设置底部橡胶密封圈313，可以有效提高筒壁35与底部压板314之间的密封效果。

K₀试验仪的底部压板314整体上呈圆板状，通过4个底部固定螺母315将底部压板314与筒壁35连接固定。

本实施例以非胶结尾砂充填体为例，本发明的尾砂充填体侧向压力系数测量试验装置工作的具体步骤如下：

步骤一、关闭K₀试验仪3的上部排水阀门36和底部排水阀门310，按照质量浓度为70％配置1000g非胶结尾砂充填料浆，将料浆充分搅拌均匀后倒入筒壁35中，拧出压头31上的螺母32，将压头31缓慢压入筒壁35，使其与非胶结尾砂料浆接触良好，再拧上螺母32，检查密闭性；

步骤二、将K₀试验仪3放在螺旋千斤顶2上，先竖向缓慢施加一定的竖向压力σ_v，显示为竖向土压力传感器的读数，(摇动手柄)直至竖向压力

＝100kPa，待竖向土压力传感器34以及第一侧向土压力传感器38和第二侧向土压力传感器39的数据稳定后，缓慢打开上部排水阀门36和底部排水阀门310，同时调节螺旋千斤顶2保持竖向压力值不变，观察软管排水情况以及筒壁35两侧的第一侧向土压力传感器38和第二侧向土压力传感器39的侧向压力σ_h应力值的变化；

步骤三、待侧向应力值趋于稳定后(此时软管内应该几乎不排水)，保持上部排水阀门36和底部排水阀门310的开启状态，再依次施加下一级荷载(200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa)，采集并存储每一级荷载下，从加压到排水稳定时3个传感器的数据。

步骤四、对试验数据进行整理，根据以下公式可以得到不同竖向压力下排水稳定时非胶结尾砂充填体的侧向压力系数。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：包括加压系统和K₀试验仪，所述K₀试验仪设置于所述加压系统内，且所述K₀试验仪上设置有土压力传感器，所述土压力传感器通过传输线连接有数据处理终端；所述K₀试验仪内用于填充尾砂填充体。

2.根据权利要求1所述的测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：所述加压系统包括反力架和螺旋千斤顶；所述反力架包括对称设置的上部顶板和下部铁板，所述上部顶板和下部铁板之间通过支撑柱固定连接；所述螺旋千斤顶固定设置于所述下部铁板上，所述K₀试验仪固定设置于所述螺旋千斤顶的顶部；所述数据处理终端为笔记本电脑。

3.根据权利要求2所述的测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：所述K₀试验仪包括筒壁，所述筒壁内填充有尾砂填充体，所述筒壁顶部密封插设有压头，所述压头顶部与所述上部顶板的内底部连接；所述筒壁底部通过底座压板与所述螺旋千斤顶的顶部固定连接；所述所述筒壁上方一侧设置有上部排水阀门，所述筒壁底部一侧设置有底部排水阀门。

4.根据权利要求3所述的测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：所述土压力传感器包括分别通过传输线与所述数据处理终端连接的竖向土压力传感器、第一侧向土压力传感器和第二侧向土压力传感器；所述竖向土压力传感器设置于所述压头底部与尾砂填充体接触的正中位置处；所述第一侧向土压力传感器和第二侧向土压力传感器对称设置于所述筒壁两侧。

5.根据权利要求3所述的测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：所述上部排水阀门内设置有上部透水石，所述底部排水阀门内设置有底部透水石，所述筒壁底部与所述底座压板之间设置有透水石，所述底部排水阀门设置于所述筒壁设置有透水石的位置处；所述筒壁的内径尺寸大于所述透水石的直径尺寸，所述透水石的直径尺寸大于所述上部透水石和底部透水石的直径，所述上部透水石和底部透水石尺寸相同。

6.根据权利要求3所述的测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：所述压头上穿设有螺母，所述螺母上设置有橡胶垫圈；所述压头侧壁设置有压头橡胶密封圈，所述压头通过所述压头橡胶密封圈与所述筒壁的内壁密封接触连接。

7.根据权利要求3所述的测量尾砂充填体侧向压力系数的试验装置，其特征在于：所述底座压板与所述筒壁底部通过底板固定螺母密封连接；所述筒壁底部与所述底座压板接触位置处设置有底部橡胶密封圈。

8.一种测量尾砂充填体侧向压力系数的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、关闭K₀试验仪的上部排水阀门和底部排水阀门，配置尾砂充填料浆，将料浆充分搅拌后倒入筒壁中，拧出压头上的螺母，将压头缓慢压入筒壁，使其与料浆接触良好，再拧上螺母，检查密闭性；

步骤二、将K₀试验仪放在螺旋千斤顶上，先竖向缓慢加压直至竖向压力至设定值，待竖向土压力传感器以及侧向土压力传感器的数据稳定后，缓慢打开上部排水阀门和底部排水阀门，同时调节螺旋千斤顶保持竖向压力值不变，观察排水情况以及侧向压力传感器的侧向压力应力值的变化；

步骤三、待侧向应力值趋于稳定后，保持上部排水阀门和底部排水阀门的开启状态，再依次施加下一级荷载，采集并存储每一级荷载下，从加压到排水稳定时三个土压力传感器的数据；

步骤四、对试验数据进行整理，并计算得到不同竖向压力下排水稳定时尾砂充填体的侧向压力系数。

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