CN115032135B - 用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法 - Google Patents

用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，由固结容器、水力加压组件、量测系统等组成。将超软土试样置于固结容器中，通过水力加压组件在试样中产生一个向下的渗透力使超软土试样压缩变形至固结。试样固结完成后，通过布置在试样不同深度的探测单元测试超软土试样中的孔隙水压力分布和穿过超软土试样的流量，并测试不同深度超软土试样的含水率，最终获取超软土试样在不同应力范围对应的渗透系数和固结系数。本发明的试验装置及试验方法，自动化程度高，特别适用于测试低应力范围内超软土试样的固结参数，可为超软土地基的排水固结理论和加固处理提供理论依据。

Description

用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩土工程软土地基处理技术领域，具体涉及用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法。
背景技术
随着经济快速发展，土地资源日益紧缺，特别是在东部沿海经济发达地区，土地资源的供求矛盾就更为突出，采用吹填淤泥围海造陆已成为沿海地区经济社会发展和缓解土地资源紧张最常用和最为有效的方法。过去围海造陆常以开山填海的方式进行，这种方式对环境破坏严重。近年来随着环境保护意识的增强以及海岸港口工程建设的增多，东部沿海地区每年都有大量的航道、江河、湖泊等需要进行治理与维护，这样将会产生大量的高含水率的超软土(淤泥)。如果能将这些超软土应用到围垦造陆工程中，既可解决吹填造陆的填料问题，又能解决超软淤泥的出路问题，具有显著的经济、环境和社会效益。
针对常规的天然软土地基真空预压工程，目前已有成熟的设计计算理论，也具有相应的施工技术，形成了比较完备的工程材料、施工机械等相关工程产业链。而吹填淤泥由于形成时间短，形成过程与天然软土地基相差甚远，淤泥土颗粒排列及其结构形式与天然地基存在明显差异，现有的设计计算理论不能满足工程应用的需求。目前国内外学者主要从试验和理论两方面对吹填淤泥地基的固结沉降规律进行了深入研究。一些学者通过室内模型试验和离心模型试验对吹填淤泥的自重沉积和固结特性进行了研究。研究结果表明，吹填淤泥地基的固结沉降规律与一般软土具有较大的差异，其固结压缩应变一般大于10％，是一个大变形问题。土体的自重应力水平对固结过程影响很大，在固结过程中渗透系数和压缩系数不是常量，而是随应力水平和孔隙比显著变化，因此基于小变形和常系数假设的传统太沙基固结理论和重力固结试验不再适用于超软土地基。
超软土的自重固结过程是从高孔隙比、低应力状态条件下开始的。而传统的重力固结试验应力水平较高，无法适用于超软土的固结试验需求；水力固结试验能较好的解决以上问题，但传统的水力固结试验装置，采用压力水箱或者水汽转换装置对超软土试样施加压力水头，采用滴定管或者溢出流量来测试穿过超软土试样的流量，试验装置及过程较为繁琐。同时试验过程中必须定期调节压力阀来保证水压力恒定，采用滴定管或溢出量读取等方式获取穿过超软土试样的流量，上述操作误差大易影响数据的准确性，且试验的自动化程度低。
因此急需开发一种自动化程度高的水力固结试验装置，能够精确控制超软土试样的水头压力，并实时监测穿过超软土试样的渗流量，进而准确测试低应力范围内超软土试样的渗透系数和压缩系数，即测试低应力范围内超软土试样的固结参数。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，具体涉及一种用于测定超软土固结系数的水力固结试验装置及试验方法，可用于在室内测定高含水率超软土试样的固结系数和渗透系数，直接应用于超软土排水固结的设计计算理论，为超软土地基的加固处理提供理论依据。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，包括：
固结容器，其内腔形成密封空间，所述内腔用于放置超软土试样；
水力加压组件，分别设于所述固结容器的顶端与底端，且分别向所述容器的内腔施加水压力，且形成向下的渗流力，使所述超软土试样固结，且获取穿过所述超软体试样的流量Q；
探测单元，阵列设置于所述容器的内腔，且以不同深度留置于所述超软土试样内，用于获取固结后的不同深度的所述超软土试样的孔隙水压力，得到孔隙水压力分布曲线；
含水率测试单元，用于测试按深度分层均匀切片后的超软土试样，获取不同深度的所述超软土试样的含水率，得到含水率分布曲线；
处理单元，与所述水力加压组件、探测单元均相连；根据所述超软土试样固结完成后获取到的稳态渗流量和孔隙水压力分布曲线得到渗透系数分布曲线；根据含水率分布曲线得到孔隙比分布曲线；根据渗透系数曲线、含水率分布曲线、孔隙水压力分布曲线、孔隙比分布曲线得到所述超软土试样的固结参数。
作为本发明的一种优选方式，所述的水力加压组件为压力体积控制器，所述压力体积控制器向超软土试样施加水压力并同步自动记录穿过试样的流量且保证施加的水压力稳定。
作为本发明的一种优选方式，所述探测单元包括孔压探针、与所述孔压探针连接的孔压计；所述孔压探针的探测端留置于所述超软土试样内。
作为本发明的一种优选方式，所述孔压探针的探测端沿所述超软土试样的深度均匀分布。
作为本发明的一种优选方式，所述固结容器的顶端设置有出水阀。
作为本发明的一种优选方式，所述固结容器的侧壁设有刻度标尺。
一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验方法，使用上述任一项所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置测试超软土的固结参数和渗透系数，包括以下步骤：
步骤一：在封闭空间内，对放置在其中的超软土试样的顶端与底端同时施加水压力且形成向下的渗流力，使所述超软土试样固结；
步骤二：获取固结后的不同深度的所述超软土试样的孔隙水压力u和稳态渗流量Q，经过计算得到孔隙水压力分布曲线和渗透系数分布曲线；
步骤三：对固结后的所述超软土试样按深度均匀分层切片；获取不同深度的所述超软土试样的含水率，得到含水率分布曲线；获取不同深度的所述超软土试样的孔隙比，得到孔隙比分布曲线；
步骤四：根据超软土不同深度对应的渗透系数分布曲线、孔隙水压力分布曲线、含水率分布曲线、孔隙比分布曲线，经过计算进而得到所述超软土试样不同深度对应的有效应力值、固结系数；进而得到超软土试样不同应力范围的固结系数和渗透系数。
作为本发明的一种优选方式，步骤一具体为：
向所述超软土试样的顶端与底端施加相同的水压力u a，待所述超软土试样饱和后，提高所述超软土试样的顶端的水压力为u a+u b，形成向下的渗流力，所述超软土试样开始固结。
作为本发明的一种优选方式，当孔隙水压力u与施加水压力u a的比值大于0.98，则所述超软土试样饱和。
作为本发明的一种优选方式，当流经超软土试样不同深度的流量Q不变，则所述超软土试样固结完成。
作为本发明的一种优选方式，得到超软土试样不同应力范围的固结系数和渗透系数的步骤包括：
S201：计算深度z处超软土试样切片的浮容重Υ’(z)，
Figure 949729DEST_PATH_IMAGE001
，
式中，d s为超软土试样的比重，r w为水的重度，w(z)为根据所述含水率分布曲线获取的深度z处的超软土试样的含水率，深度z从固结完成后的试样顶面水平面开始计算，试样顶面的深度为0，向下为正；
S202：根据浮容重Υ’(z)计算超软土试样深度z处的有效应力
Figure 18179DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 357369DEST_PATH_IMAGE003
，
式中，u a +u b 为所述超软土试样顶端的水压力，u(z)为根据所述孔隙水压力分布曲线得到的深度z处的所述超软土试样的孔隙水压力；
S203：计算超软土试样深度z处的压缩性指标m v(z)，
Figure 409639DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，e(z)为所述超软土试样深度z处的孔隙比，e(z+dz)为所述超软土试样深度z+dz处的孔隙比，
Figure 128196DEST_PATH_IMAGE005
为所述超软土试样深度z处的有效应力，
Figure 316732DEST_PATH_IMAGE006
为所述超软土试样深度z+dz处的有效应力，孔隙比e(z)根据所述含水率分布曲线与孔隙比与含水率的关系e(z)=w(z)d s 确定；
S204：根据渗透系数以及压缩性指标计算超软土试样深度z处的固结系数C v (z)，
Figure 95332DEST_PATH_IMAGE007
，
其中，超软土试样深度z处的渗透系数k(z)，
Figure 634898DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 891567DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 200189DEST_PATH_IMAGE010
，Q为稳态渗流状态时第一压力体积控制器与第二压力体积控制器测试的流量，A为超软土试样的截面积，u(z+dz)为超软土试样深度z+dz处的孔隙水压力，i(z)为超软土试样深度z处的水力坡降。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，采用两台高精度的体积压力控制器，该控制器可提供水压力和体积的同步测量，可替代传统水力固结试验中的压力源和体变测试装置。体积压力控制器的体积容量大，压力控制范围广，精度高，相比于使用压力源可有效提高测量准确性。
（2）本发明所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，采用两台高精度的体积压力控制器，可在超软土试样顶部和底部同步施加大小相同的反压，一方面可提高超软土试样的饱和度，另一方面可以使后续的孔隙水压力测试结果更为准确。
（3）本发明所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，可在固结容器中布置一组阵列的微型孔压探针，孔压探针对超软土试样的扰动小，测试结果稳定。通过连接动态信号测试系统，可实现超软土水力固结过程中孔隙水压力的实时监测。
（4）本发明所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，采用压力体积控制器可自动稳定控制试样两端的压力水头并自动记录穿过试样的流量，采用动态信号测试系统记录试验过程中的孔隙水压力，自动化程度高，可操作性强。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置的示意图。
图2是本发明的超软土试样水力固结过程中和稳态渗流后的渗透系数分布曲线图。
图3是本发明的超软土试样水力固结完成后的孔隙水压力分布曲线图。
图4是本发明的超软土试样水力固结完成后的含水率分布曲线图。
图5是本发明的超软土试样水力固结完成后的孔隙比分布曲线图。
图6是本发明的超软土试样水力固结完成后的不同深度超软土试样的有效应力分布图。
图7是本发明的不同有效应力对应的固结参数和渗透系数分布图。
说明书附图标记说明：1、第一压力体积控制器；2、第二压力体积控制器；3、超软土试样；4、出水阀；5、螺母；6、上盖板；7、试样筒；8、拉杆；9、O型圈；10、下盖板；11、孔压探针；12、孔压计；13、刻度标尺；14、动态信号测试系统；15、高强塑料管；16、多孔透水材料；17、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第二”、“第一”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。此外，术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
实施例一
参考附图1~7所示，本发明一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置的实施例，包括：
固结容器，其内腔形成密封空间，所述内腔用于置放超软土试样3。
水力加压组件，分别设于所述固结容器的顶端与底端，且分别向所述容器的内腔施加水压力。所述的水力加压组件为高精度的压力体积控制器，所述高精度的压力体积控制器向超软土试样3施加水压力并同步自动记录穿过超软土试样3的流量且保证施加的水压力稳定。所述水力加压组件包括与所述固结容器的顶端连接的第一压力体积控制器1、与所述固结容器的底端连接的第二压力体积控制器2。所述第一压力体积控制器1、第二压力体积控制器2分别向所述固结容器的内腔施加水压力，且形成向下的渗流力，使所述超软土试样3固结，且获取穿过所述超软土试样3的流量。
探测单元，阵列设置于所述固结容器的内腔，且至少一部分以不同深度均匀地留置于所述超软土试样3内，用于获取所述超软土试样3内部不同深度的孔隙水压力，得到孔隙水压力分布曲线。
含水率测试单元，用于测试按深度分层均匀切片后的超软土试样3，获取不同深度的所述超软土试样3的含水率，得到含水率分布曲线。
处理单元，与所述第一压力体积控制器1、第二压力体积控制器2、探测单元均相连。根据稳态渗流后穿过试样的流量Q和沿超软土试样3的深度方向的孔隙水压力分布曲线得到超软土试样3的渗透系数分布曲线。根据含水率分布曲线得到孔隙比分布曲线。根据稳态渗流后超软土试样3的渗透系数分布曲线、含水率分布曲线、孔隙水压力分布曲线、孔隙比分布曲线得到所述超软土试样3不同深度的固结系数和渗透系数，进而可以计算得到对应于不同应力的固结系数和渗透系数。固结参数包括固结系数和渗透系数。
所述探测单元包括孔压探针11、与所述孔压探针11连接的孔压计12。所述孔压探针11的探测端留置于所述超软土试样3内。所述孔压探针11的探测端沿所述超软土试样3的深度均匀分布。
其中，超软土为吹填淤泥、疏浚泥浆、河道底泥、尾矿泥、建筑泥浆等，所述超软土试样3由超软土经过筛选、混匀后制成。
所述固结容器具体包括用于置放超软土试样3的试样筒7、与所述试样筒7顶端活动连接的上盖板6、与所述试样筒7底端活动连接的下盖板10。所述上盖板6、试样筒7、下盖板10形成一密封空间。所述容器的顶端设有出水阀4，即所述上盖板6设有出水阀4。
所述试样筒7为中空的筒状，其材料为高强有机玻璃，直径为10cm~50cm，高度为10cm~40cm。
所述上盖板6与下盖板10的直径不小于所述试样筒7的直径，将试样筒7与上盖板6、下盖板10连接，三者结合形成一封闭空间，所述超软土试样3填充于所述封闭空间内。
所述上盖板6与下盖板10与所述试样筒7的连接处设有O型圈9，所述O型圈9与所述试样筒7的外周匹配，用于提高所述上盖板6及下盖板10与所述试样筒7的连接处的密封程度，避免漏水。
为提高所述试样筒7与上盖板6、下盖板10连接的稳定性，所述容器设置至少4个拉杆8，所述拉杆8穿过所述上盖板6与下盖板10，并通过螺母5固定，使上盖板6、下盖板10形成夹持试样筒7的状态。作为优选，所述拉杆8对称设置，以进一步提高连接的稳定性。
所述第一压力体积控制器1与第二压力体积控制器2均为高精度的压力体积控制器，采用水为工作介质，提供水压力和体积测量。压力通过闭合回路控制调节。压力体积控制器由滚珠丝杆、线性导轨和齿轮箱组成，通过计算步进马达的步数来测量体积变化，并可通过数字端口自动输出测试的水压力和水流量。压力体积控制器的压力控制范围为0MPa~1MPa，精度为0.1kPa，体积容量为500cm3~5000cm3，体积控制精度为1mm3。
所述第一压力体积控制器1向所述固结容器的顶部内腔施加水压力，即向超软土试样3的顶端施加水压力。所述第二压力体积控制器2向所述固结容器的底部内腔施加水压力，即向超软土试样3的底端施加水压力。
所述第一压力体积控制器1、第二压力体积控制器2先向所述超软土试样3施加相同的水压力，待所述超软土试样3的饱和度提高后，所述第一压力体积控制器提高其水压力，所述超软土试样3开始固结。对超软土试样的顶端和底端分别设置水力加压组件，一方面可提高超软土试样3的饱和度，另一方面可以使后续的孔隙水压力测试结果更为准确。
当所述第一压力体积控制器1、第二压力体积控制器2分别在超软土试样3顶端和底端施加大小不同的水压力，顶端水压力大于底端水压力，即对超软土试样3施加一个向下的渗流力，同时可实时测试穿过超软土试样3的渗流量。
所述下盖板10与所述试样筒7之间设有多孔透水材料16，即金属多孔透水石，所述多孔透水材料16铺设于所述下盖板10与所述试样筒7之间，所述探测单元自所述多孔透水材料16的孔内穿过。所述探测单元用于插入于超软土试样3中并测量超软土试样3内部的孔隙水压力分布规律。所述探测单元包括孔压探针11、与所述孔压探针11连接的孔压计12。所述孔压探针11穿过所述下盖板10与多孔透水材料16留置于所述超软土试样3内。
阵列的孔压探针11是由布置在超软土试样3内不同深度的一组孔压探针11组成，所述孔压探针11在所述超软土试样3内以均匀的深度分布，每个孔压探针11对应不同的深度。用于测试超软土试样3固结完成后稳态渗流过程中不同深度的超软土试样3中的孔隙水压力分布规律。孔压计12为微型孔压计，动态信号测试系统14为多通道信号自动采集器，采集频率为（DC~256kHz），可用于实时监测超软土试样3在固结压缩过程和稳态渗流过程中的孔隙水压力等物理量。
所述孔压探针11的数量为6~12个，孔压探针11的直径为2mm~4mm。采用的微型孔压计12为应变式孔压计，量程为200kPa~1000kPa，采用动态信号测试系统14自动记录。
所述含水率测试单元用于对取出并按深度切片的所述超软土试样3进行检测，获取所述超软土试样3的含水率。
所述处理单元为计算机17，用于采集第一压力体积控制器1、第二压力体积控制器2、探测单元的信号与数据，并进行分析测算。
试验操作具体为：
S301：将现场取回的超软土试样通过2mm的网筛筛去所述超软土中的杂物和粗颗粒，再采用真空搅拌机充分搅拌，搅拌均匀后形成超软土试样3。
S302：将所述试样筒7放在下盖板10上，接触部位放置一个O型圈9，所述下盖板10表面放置一块多孔透水材料16。将搅拌均匀的超软土试样3倒入试样筒7中。
S303：在所述超软土试样3上方加入去离子水，使去离子水的液面不高于所述试样筒7的表面。
S304：在所述试样筒7的上端安装O型圈9和上盖板6，然后采用4根拉杆8和螺母5将上盖板6紧固在试样筒7上端，并确保在试验过程水压力作用下容器不发生漏水。
S305：通过所述下盖板10和所述多孔透水材料16的预留孔将一组阵列的孔压探针11插入到所述超软土试样3中，所述孔压探针11上端留置于所述超软土试样3中，所述孔压探针11的下方连接孔压计12，一组阵列的孔压计12均接入动态信号测试系统14和计算机17。所述孔压探针11的采集位置在超软土试样3的不同深度。
S306：将刻度标尺13竖直粘贴在所述试样筒7的外表面。
S307：通过高强塑料管15连接第一压力体积控制器1和上盖板6，开启第一压力体积控制器1，缓慢向所述试样筒7中注水，待水从上盖板6的出水阀4排出后，拧紧上盖板上的出水阀4，所述固结容器封闭。
S308：通过高强塑料管15连接第二压力体积控制器2和下盖板10。
S309：所述第一压力体积控制器1和第二压力体积控制器2在超软土试样3顶部和底部同步施加大小相同的水压力u a，即反压，反压的数值可取为50kPa~100 kPa。施加反压一方面可以提高超软土试样3的饱和度，同时可以保证孔隙水压力测试结果的精度。其中，当孔压探针测试的孔隙水压力与施加水压力u a的比值大于0.98，认为试样在水压力作用下已经饱和。施加反压后，检查所述试样筒7的四周、上盖板6和下盖板10是否漏水，并检查所述第一压力体积控制器1和第二压力体积控制器2的压力是否在连续1h内显示的压力变化小于1%，若是则压力可维持稳定，表明试验装置密封性良好。
S310：提高所述第一压力体积控制器1的水压力为u a+u b，维持所述第二压力体积控制器2的水压力为u a，使得超软土试样3两端产生一个压力差u b和向下的渗流力，u b的数值可取为20kPa~200kPa。
S311：超软土试样3在向下的渗流力作用下发生固结，不同位置的所述超软土试样3的有效应力不断增加，超软土试样3发生压缩变形。通过所述第一压力体积控制器1同步记录穿过超软土试样3的流量Q，通过黏贴在所述试样筒7侧壁的刻度标尺13记录超软土试样3的厚度H。
S312：待超软土试样3的厚度H不变，此时流经超软土试样3不同断面的流量Q不变，流量Q即渗流速率，可认为超软土试样3的水力固结过程已经完成，此时穿过超软土试样3中的流动为稳态流。获得超软土试样3水力固结过程中的渗透系数分布曲线，即附图2。
S313：通过超软土试样3中一组阵列的孔压探针11测试不同深度超软土试样3中的孔隙水压力，在顶端水压力(u a+u b)为150kPa，底端水压力u a为50kPa的条件下，获得超软土试样3水力固结完成后的孔隙水压力分布曲线，即附图3。
S314：调节所述第一压力体积控制器1和第二压力体积控制器2的水压力为0。松开试样筒7上部螺母5和四周拉杆8，排干试样筒内的水分，拆开试样筒7，取出超软土试样3内不同深度的孔压探针11，沿超软土试样3不同深度分层切片，测试不同深度超软土试样3的含水率，进而可获得超软土试样3的含水率分布曲线、孔隙比分布曲线，即附图4、附图5。超软土试样3中孔隙比与含水率的关系如下：
e(z)=w(z)d s ，
式中，e(z)为深度z处超软土试样3的孔隙比，d s为超软土试样3的比重，d s通过土工试验化验检测得到，w(z)为深度z处超软土试样3的含水率。深度z，从固结完成后的试样顶面水平面开始计算，试样顶面的深度为0，向下为正。所述超软土试样深度z+dz的深度大于深度z。
根据以上量测值可按以下步骤计算超软土的固结参数。
有效应力，超软土试样3顶部的水压力为u a+u b，超软土试样3固结完成后深度z处测试到的孔隙水压力u可根据孔隙水压力分布曲线得到，进而获得不同深度超软土试样3的有效应力分布图，即图6。超软土试样3深度z处的有效应力可按照下式求得：
Figure 149690DEST_PATH_IMAGE011
，
其中，Υ’(z)为深度z处超软土试样3切片的浮容重，其值可根据超软土试样3的含水率分布曲线图，即附图4，并按照下式求得：
Figure 645393DEST_PATH_IMAGE012
，
式中，d s为超软土试样3的比重，r w为水的重度，w(z)为深度z处超软土试样3的含水率。根据以上公式，计算得到不同深度超软土试样3的有效应力分布。
压缩性指标，根据超软土试样3深度z处的孔隙比e(z)和
Figure 971333DEST_PATH_IMAGE013
可绘制其压缩曲线。超软土试样3的压缩系数m v(z)可根据其压缩曲线得到，并按照以下公式计算：
Figure 868881DEST_PATH_IMAGE014
，
其中，e(z)为稳态渗流后所述超软土试样深度z处的孔隙比，e(z+dz)为稳态渗流后所述超软土试样深度z+dz处的孔隙比，
Figure 989284DEST_PATH_IMAGE013
为稳态渗流后所述超软土试样深度z处的有效应力，
Figure 503442DEST_PATH_IMAGE015
为稳态渗流后所述超软土试样深度z+dz处的有效应力。
渗透系数，稳态渗流时，通过超软土试样3的流量Q和流速
Figure 104843DEST_PATH_IMAGE016
是个常量，因此其渗透系数k(z)可按下式进行计算：
Figure 122478DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 679361DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 415236DEST_PATH_IMAGE019
，
式中，Q为稳态渗流状态时第一压力体积控制器1与第二压力体积控制器2测试的渗流量，A为超软土试样3的截面积，u(z)为稳态渗流后超软土试样3深度z处测试的孔隙孔隙水压力，u(z+dz)为稳态渗流后超软土试样3深度z+dz处测试的孔隙孔隙水压力，i(z)为超软土试样3深度z处的水力坡降，可根据孔隙水压力分布曲线求得，r w为水的重度。根据以上公式，求解得到超软土试样3的渗透系数。
固结系数，超软土试样3深度z处的固结系数可采用下式计算：
Figure 817399DEST_PATH_IMAGE020
，
式中，C v(z)为深度z处超软土试样3的固结系数，k(z)为深度z处超软土试样3的渗透系数，m v(z)为深度z处超软土试样3的压缩系数，r w为水的重度。根据以上公式，求解得到超软土试样3的固结系数。
结合不同深度超软土试样3对应的有效应力，可得到不同有效应力对应的固结系数和渗透系数分布图，即图7。
实施例二
参考附图1~7所示，本发明一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验方法，使用所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，包括以下步骤：
步骤一：在封闭空间内，对置放在其中的超软土试样3的顶端与底端同时施加水压力且形成向下的渗流力，使所述超软土试样3固结；
步骤二：获取固结后的不同深度的所述超软土试样3的孔隙水压力u，得到孔隙水压力随深度分布曲线；获取固结后稳态渗流的流量Q，得到超软土试样3渗透系数随深度的分布曲线。
步骤三：对固结后的所述超软土试样3按深度均匀分层切片；获取不同深度的所述超软土试样3的含水率，得到含水率分布曲线；获取不同深度的所述超软土试样3的孔隙比，得到孔隙比分布曲线；
步骤四：根据超软土不同深度对应的渗透系数分布曲线、孔隙水压力分布曲线、含水率分布曲线、孔隙比分布曲线，经过计算进而得到所述超软土试样不同深度对应的有效应力值、固结系数和渗透系数；进而得到超软土试样不同应力范围的固结系数和渗透系数。
其中，所述水压力u a为50kPa ~100kPa。所述水压力u b为20kPa~200kPa。
步骤一具体为：
向所述超软土试样3的顶端与底端施加相同的水压力u a，待所述超软土试样3饱和后，提高所述超软土试样3的顶端的水压力至u a+u b，形成向下的渗流力，所述超软土试样开始固结。
其中，当孔压探针测试的孔隙水压力与施加水压力u a的比值大于0.98，认为试样在水压力作用下已经饱和。
当固结过程中穿过所述超软土试样3的流量Q与超软土试样3的厚度H稳定，达到稳态渗流，则所述超软土试样3的水力固结过程完成。
对固结完成的超软土试样3按深度分层切片，测得不同深度的所述超软土试样3的含水率。将不同深度的所述超软土试样3的含水率绘制成含水率分布曲线。根据孔隙比与含水率的关系e(z)=w(z)d s 以及所述含水率分布曲线，得到孔隙比分布曲线。式中，d s为所述超软土试样的比重，w(z)为根据含水率分布曲线图得到的深度z处超软土试样3的含水率e(z)。
根据以上量测值可按以下步骤计算超软土的固结参数。
S201：计算深度z处超软土试样切片的浮容重Υ’(z)，
Figure 689540DEST_PATH_IMAGE021
，
式中，d s为超软土试样的比重，r w为水的重度，w(z)为根据所述含水率分布曲线获取的深度z处的超软土试样的含水率，深度z从固结完成后的试样顶面水平面开始计算，试样顶面的深度为0，向下为正；
S202：根据浮容重Υ’(z)计算超软土试样深度z处的有效应力
Figure 417324DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 640495DEST_PATH_IMAGE023
，
式中，u a +u b 为所述超软土试样顶端的水压力，u(z)为根据所述孔隙水压力分布曲线得到的深度z处的所述超软土试样的孔隙水压力；
S203：计算超软土试样深度z处的压缩性指标m v(z)，
Figure 580769DEST_PATH_IMAGE024
，
式中，e(z)为所述超软土试样深度z处的孔隙比，e(z+dz)为所述超软土试样深度z+dz处的孔隙比，
Figure 572996DEST_PATH_IMAGE025
为所述超软土试样深度z处的有效应力，
Figure 471682DEST_PATH_IMAGE026
为所述超软土试样深度z+dz处的有效应力，孔隙比e(z)根据所述含水率分布曲线与孔隙比与含水率的关系e(z)=w(z)d s 确定；
S204：根据渗透系数以及压缩性指标计算超软土试样深度z处的固结系数C v (z)，
Figure 650991DEST_PATH_IMAGE027
，
其中，超软土试样深度z处的渗透系数k(z)，
Figure 660535DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 772847DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 573926DEST_PATH_IMAGE030
，Q为稳态渗流状态时第一压力体积控制器与第二压力体积控制器测试的流量，A为超软土试样的截面积，u(z+dz)为超软土试样深度z+dz处的孔隙水压力，i(z)为超软土试样深度z处的水力坡降。所述超软土的渗透系数与固结系数即为所述超软土的固结参数。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）所述的一种测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，采用两台高精度的体积压力控制器，该控制器可提供水压力和体积的同步测量，可替代传统水力固结试验中的压力源和体变测试装置。体积压力控制器的体积容量大，压力控制范围广，精度高，相比于使用压力源可有效提高测量准确性和自动化程度。
（2）所述的一种测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，采用两台高精度的体积压力控制器，可在超软土试样顶部和底部同步施加大小相同的反压，一方面可提高超软土试样的饱和度，另一方面可以使后续的孔隙水压力测试结果更为准确。
（3）所述的一种测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，可在固结容器中布置一组阵列的微型孔压探针，孔压探针对超软土试样的扰动小，测试结果稳定。通过连接动态信号测试系统，可实现超软土水力固结过程中孔隙水压力的实时监测。
（4）所述的一种测定超软土固结参数的水力固结试验装置及试验方法，采用压力体积控制器可自动稳定控制试样两端的压力水头并自动记录穿过试样的流量，采用动态信号测试系统记录试验过程中的孔隙水压力，自动化程度高，可操作性强。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，其特征在于，包括：
固结容器，其内腔形成密封空间，所述内腔用于放置超软土试样；
水力加压组件，分别设于所述固结容器的顶端与底端，且分别向所述容器的内腔施加水压力，且形成向下的渗流力，使所述超软土试样固结，且获取穿过所述超软土试样的流量；
探测单元，阵列设置于所述容器的内腔，且以不同深度留置于所述超软土试样内，用于获取固结后的不同深度的所述超软土试样的孔隙水压力，得到孔隙水压力分布曲线；
含水率测试单元，用于测试按深度分层均匀切片后的超软土试样，获取不同深度的所述超软土试样的含水率，得到含水率分布曲线；
处理单元，与所述水力加压组件、探测单元均相连；根据所述超软土试样固结完成后获取到的稳态渗流量和孔隙水压力分布曲线得到渗透系数分布曲线；根据含水率分布曲线得到孔隙比分布曲线；根据渗透系数曲线、含水率分布曲线、孔隙水压力分布曲线、孔隙比分布曲线得到所述超软土试样的固结参数；
得到超软土试样不同应力范围的固结系数和渗透系数的步骤包括：
S201：计算深度z处超软土试样切片的浮容重Υ’(z)，
Figure 199253DEST_PATH_IMAGE001
，
式中，d s为超软土试样的比重，r w为水的重度，w(z)为根据所述含水率分布曲线获取的深度z处的超软土试样的含水率，深度z从固结完成后的试样顶面水平面开始计算，试样顶面的深度为0，向下为正；
S202：根据浮容重Υ’(z)计算超软土试样深度z处的有效应力
Figure 201844DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 53125DEST_PATH_IMAGE003
，
式中，u a +u b 为所述超软土试样顶端的水压力，u(z)为根据所述孔隙水压力分布曲线得到的深度z处的所述超软土试样的孔隙水压力；
S203：计算超软土试样深度z处的压缩性指标m v(z)，
Figure 761931DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，e(z)为所述超软土试样深度z处的孔隙比，e(z+dz)为所述超软土试样深度z+dz处的孔隙比，
Figure 269136DEST_PATH_IMAGE005
为所述超软土试样深度z处的有效应力，
Figure 75418DEST_PATH_IMAGE006
为所述超软土试样深度z+dz处的有效应力，孔隙比e(z)根据所述含水率分布曲线与孔隙比与含水率的关系e(z)=w(z)d s 确定；
S204：根据渗透系数以及压缩性指标计算超软土试样深度z处的固结系数C v (z)，
Figure 797517DEST_PATH_IMAGE007
，
其中，超软土试样深度z处的渗透系数k(z)，
Figure 398263DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 658343DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 815786DEST_PATH_IMAGE010
，Q为稳态渗流状态时第一压力体积控制器与第二压力体积控制器测试的流量，A为超软土试样的截面积，u(z+dz)为超软土试样深度z+dz处的孔隙水压力，i(z)为超软土试样深度z处的水力坡降。
2.根据权利要求1所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，其特征在于，所述的水力加压组件为压力体积控制器，所述压力体积控制器向超软土试样施加水压力并同步自动记录穿过超软土试样的流量且保证施加的水压力稳定。
3.根据权利要求1所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，其特征在于，所述探测单元包括孔压探针、与所述孔压探针连接的孔压计；所述孔压探针的探测端留置于所述超软土试样内。
4.根据权利要求3所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，其特征在于，所述孔压探针的探测端沿所述超软土试样的深度均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，其特征在于，所述固结容器的顶端设置有出水阀。
6.根据权利要求1所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置，其特征在于，所述固结容器的侧壁设有刻度标尺。
7.一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验方法，其特征在于，使用权利要求1~6任一项所述的用于测定超软土固结参数的水力固结试验装置测试超软土的固结系数和渗透系数，包括以下步骤：
S101：在封闭空间内，对放置在其中的超软土试样的顶端与底端同时施加水压力且形成向下的渗流力，使所述超软土试样固结；
S102：获取固结后的不同深度的所述超软土试样的孔隙水压力u和稳态渗流量Q，经过计算得到孔隙水压力分布曲线和渗透系数分布曲线；
S103：对固结后的所述超软土试样按深度均匀分层切片；获取不同深度的所述超软土试样的含水率，得到含水率分布曲线；获取不同深度的所述超软土试样的孔隙比，得到孔隙比分布曲线；
S104：根据超软土不同深度对应的渗透系数分布曲线、孔隙水压力分布曲线、含水率分布曲线、孔隙比分布曲线，经过计算进而得到所述超软土试样不同深度对应的有效应力值、固结系数；进而得到超软土试样不同深度的固结系数和渗透系数；
得到超软土试样不同应力范围的固结系数和渗透系数的步骤包括：
S201：计算深度z处超软土试样切片的浮容重Υ’(z)，
Figure 579342DEST_PATH_IMAGE001
，
式中，d s为超软土试样的比重，r w为水的重度，w(z)为根据所述含水率分布曲线获取的深度z处的超软土试样的含水率，深度z从固结完成后的试样顶面水平面开始计算，试样顶面的深度为0，向下为正；
S202：根据浮容重Υ’(z)计算超软土试样深度z处的有效应力
Figure 882148DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 911415DEST_PATH_IMAGE003
，
式中，u a +u b 为所述超软土试样顶端的水压力，u(z)为根据所述孔隙水压力分布曲线得到的深度z处的所述超软土试样的孔隙水压力；
S203：计算超软土试样深度z处的压缩性指标m v(z)，
Figure 59499DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，e(z)为所述超软土试样深度z处的孔隙比，e(z+dz)为所述超软土试样深度z+dz处的孔隙比，
Figure 943142DEST_PATH_IMAGE005
为所述超软土试样深度z处的有效应力，
Figure 961389DEST_PATH_IMAGE006
为所述超软土试样深度z+dz处的有效应力，孔隙比e(z)根据所述含水率分布曲线与孔隙比与含水率的关系e(z)=w(z)d s 确定；
S204：根据渗透系数以及压缩性指标计算超软土试样深度z处的固结系数C v (z)，
Figure 664903DEST_PATH_IMAGE007
，
其中，超软土试样深度z处的渗透系数k(z)，
Figure 413416DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 902297DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 343643DEST_PATH_IMAGE010
，Q为稳态渗流状态时第一压力体积控制器与第二压力体积控制器测试的流量，A为超软土试样的截面积，u(z+dz)为超软土试样深度z+dz处的孔隙水压力，i(z)为超软土试样深度z处的水力坡降。
8.根据权利要求7所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验方法，其特征在于，步骤一具体为：
向所述超软土试样的顶端与底端施加相同的水压力u a，待所述超软土试样饱和后，提高所述超软土试样的顶端的水压力为u a+u b，形成向下的渗流力，所述超软土试样开始固结。
9.根据权利要求8所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验方法，其特征在于，当孔隙水压力u与施加水压力u a的比值大于0.98，则所述超软土试样饱和。
10.根据权利要求7所述的一种用于测定超软土固结参数的水力固结试验方法，其特征在于，当流经超软土试样不同深度的流量Q不变，则所述超软土试样固结完成。
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