CN116519485B - 一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试土体固结流变特性技术领域，公开了一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法，土体固结流变三轴试验设备包括压力室、活塞、试样组件以及约束件，压力室包括基座及罩设基座的外罩，基座开设有活塞穿入孔，活塞滑设于活塞穿入孔，外罩顶部设有与活塞穿入孔相对的试样固定件；试样组件设于压力室内且其两端分别抵接试样固定件及活塞；约束件包括刚性套筒及呈环状的套筒底座，套筒底座安装于基座上，且套筒底座绕设于活塞穿入孔的外周，刚性套筒可拆卸连接于套筒底座上，且刚性套筒环绕于试样组件的外周并与试样组件之间形成有间隙。本发明能够提高测试间隙侧向刚性约束和土压力持续增加条件下土体的固结流变变形特性的精确度。

Description

一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法

技术领域

本发明涉及测试土体固结流变特性技术领域，特别是涉及一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法。

背景技术

土体不仅具有弹性、塑性瞬时变形性质，还具有固结流变时效变形特性。如地基长期沉降变形、卸载地基持续回弹、卸荷孔壁的持续坍塌等许多工程现象都体现了土体时效变形对工程性状的影响。

为了反映土体固结流变特性，国内外研制了多种固结流变三轴仪及试验方法，如申请号为2005100952744的《测试土体流变特性的三轴流变仪》、申请号为2013105276668的《一种尾矿材料的三轴流变实验装置》、申请号为2015210641100的《三轴流变试验机》、申请号为2017200998939的《用于土体的三轴流变试验装置》、申请号为2022202760095的《一种应力控制式三轴仪》以及《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)等。对比已公开专利，共同的作用是研究土在围压作用下的三轴固结流变性质，但是现有的试验装置对具体研究对象没有针对性，不能体现边界约束条件。

例如，随钻跟管桩钻孔卸荷时效变形问题，桩周土体在卸荷条件下，随着土体固结流变变形，桩侧土压力会持续增加，进而会反向影响后续的固结流变变形，与上述三轴试验的变形明显不同。类似的还有隧道掘进卸荷时效变形问题，隧道周围土体在卸荷条件下，随着土体固结流变变形，隧道管壁支撑力也会持续增加，进而反向影响后续的时效变形，与上述三轴试验的变形也明显不同。因此，通过上述试验获得的土体时效变形参数，来计算随钻跟管桩钻孔卸荷时效变形以及隧道掘进卸荷时效变形等间隙侧向刚性约束条件下的土体时效变形时可能存在较大偏差。

此外，为了真实描述岩土材料的三维应力状态，国内外研发了多种真三轴固结流变试验装置及试验方法，如申请号为2008102473536的《重力液压恒载蓄能装置及真三轴蠕变实验系统》、申请号为2009200840028的《自平衡岩石全断面真三轴压缩试验装置》和申请号为2011203937126的《真三轴流变试验系统》等。以上真三轴试验可以实现土体在三个不同方向上加卸载的变形测试，能满足工程中绝大多数土体变形工况的测试。但不足的是，真三轴试验的土样采用立方体形状土样，与中心轴对称的柱状土体的边界约束仍然存在一定差异，不能真实反映柱状土体卸荷固结流变变形特性。因此，通过真三轴试验获得的土体时效变形参数，来计算间隙侧向刚性约束条件下的土体时效变形时也可能存在较大偏差。

发明内容

本发明的目的是：提供一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法，能够提高测试间隙侧向刚性约束和土压力持续增加条件下土体的固结流变变形特性的精确度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种土体固结流变三轴试验设备，包括：

压力室，所述压力室包括基座及罩设于所述基座上的外罩，所述基座开设有上下贯穿的活塞穿入孔，所述外罩的顶部设有与所述活塞穿入孔相对的试样固定件；

活塞，所述活塞滑设于所述活塞穿入孔；

试样组件，所述试样组件设于所述压力室内，且所述试样组件的两端分别抵接所述试样固定件及所述活塞；

约束件，所述约束件包括刚性套筒及呈环状的套筒底座，所述套筒底座安装于所述基座上，且所述套筒底座绕设于所述活塞穿入孔的外周，所述刚性套筒可拆卸连接于所述套筒底座上，且所述刚性套筒环绕于所述试样组件的外周并与所述试样组件之间形成有间隙。

一些实施例中，所述试样组件包括试样、滤纸、透水石组件、试样底座、试样帽及橡胶膜，所述橡胶膜环绕贴附于所述试样的侧壁，所述滤纸、所述透水石组件依次设于所述试样的两端，所述试样底座的顶部抵接所述试样底部的所述透水石组件，所述试样底座的底部抵接所述活塞，所述试样帽的底部抵接所述试样顶部的所述透水石组件，所述试样帽的顶部抵接所述试样固定件。

一些实施例中，所述土体固结流变三轴试验设备还包括反压控制装置及孔压测量装置，所述反压控制装置包括管道a，所述孔压测量装置包括管道b，所述透水石组件背离所述试样的一侧面抵接所述管道a的管口及所述管道b的管口。

一些实施例中，所述透水石组件包括透水石及密封圈，所述透水石为圆柱状，所述透水石的外周壁上开设有容纳槽，所述密封圈卡入所述容纳槽内且凸出于所述容纳槽，所述密封圈与所述刚性套筒的内周壁相抵接。

一些实施例中，所述套筒底座的顶面开设有固定槽，所述刚性套筒自上至下包括一体式的本体部及固定脚部，所述刚性套筒通过所述固定脚部插入所述固定槽内与所述套筒底座连接。

一些实施例中，所述刚性套筒的筒壁上开设有若干透水孔。

一些实施例中，所述土体固结流变三轴试验设备还包括应力测量装置、驱动装置以及位移测量装置，所述应力测量装置、所述驱动装置依次连接于所述活塞背离所述试样组件的一端，所述位移测量装置连接所述活塞背离所述试样组件的一端。

一些实施例中，所述土体固结流变三轴试验设备还包括注排水装置及围压装置，所述注排水装置包括管道c，所述围压装置包括管道d，所述管道c穿设于所述基座且连通至所述压力室的内部，所述管道d穿设于所述外罩的顶部且连通至所述压力室的内部。

一些实施例中，所述外罩包括玻璃罩筒及顶盖，所述玻璃罩筒安装于所述基座上，所述顶盖盖设于所述玻璃罩筒的顶部，所述顶盖设有贯穿的限位孔，所述试样固定件穿设于所述限位孔。

本发明还提供了一种土体固结流变三轴试验方法，采用上述的土体固结流变三轴试验设备，包括以下步骤：

试样预固结：通过注排水装置将所述压力室注满水，然后通过围压装置向试样施加预固结围压，待围压施加完成后，通过驱动装置向试样施加轴向压力，最后，开启反压控制装置加速试样的预固结；

试样卸荷变形：待试样预固结完成后，根据卸荷要求，通过所述围压装置降低试样的围压，维持试样的轴向压力不变，使试样在侧向刚性约束条件下发生卸荷变形；

试验数据采集：在所述试样预固结和所述试样卸荷变形过程中，开启孔压测量装置、位移测量装置和应力测量装置，实时记录整个试验过程中试样内部孔压变化以及应力应变变化数据。

本发明实施例一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

通过设置约束件，约束件包括刚性套筒及套筒底座，刚性套筒设置于试样组件外周且与试样组件之间形成有间隙，从而对试样形成侧向约束，相比于现有技术，本发明能够更为精确地测试出间隙侧向刚性约束条件下土样的时效变形参数，从而能够较为准确地计算隧道掘进土体卸荷固结流变变形和随钻跟管桩钻孔沉桩土体卸荷收缩变形等特殊工况；

通过设置可拆卸连接的刚性套筒与套筒底座，可方便地对不同壁厚的刚性套筒进行更换，实现不同变形间隙条件下土样卸荷固结流变变形测试。

附图说明

图1是本发明实施例的土体固结流变三轴试验设备的示意图；

图2是本发明实施例的约束件的立面剖视图；

图3是本发明实施例的刚性套筒从内侧展开的示意图；

图4是本发明实施例的透水石组件的俯视图；

图5是本发明实施例的透水石组件的立面剖视图；

图6是本发明实施例的透水石的俯视图；

图7是本发明实施例的透水石的立面剖视图；

图中，100、土体固结流变三轴试验设备；10、压力室；11、基座；12、外罩；121、试样固定件；122、玻璃罩筒；123、顶盖；20、活塞；30、试样组件；31、试样；32、滤纸；33、透水石组件；331、透水石；3311、容纳槽；332、密封圈；34、试样底座；35、试样帽；351、限位槽；36、橡胶膜；40、约束件；41、刚性套筒；411、本体部；412、固定脚部；414、透水孔；42、套筒底座；421、固定槽；51、管道a；511、导管接头；52、管道b；53、应力测量装置；54、驱动装置；55、位移测量装置；56、管道c；57、管道d。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”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。

如图1所示，本发明优选实施例的一种土体固结流变三轴试验设备100，包括压力室10、活塞20、试样组件30以及约束件40：压力室10包括基座11及罩设于基座11上的外罩12，基座11开设有上下贯穿的活塞穿入孔，活塞20滑设于活塞穿入孔，外罩12的顶部设有与活塞穿入孔相对的试样固定件121；试样组件30设于压力室10内，且试样组件30的两端分别抵接试样固定件121及活塞20；约束件40包括刚性套筒41及呈环状的套筒底座42，套筒底座42安装于基座11上，且套筒底座42绕设于活塞穿入孔的外周，刚性套筒41可拆卸连接于套筒底座42上，且刚性套筒41环绕于试样组件30的外周并与试样组件30之间形成有间隙。

基于以上实施例的土体固结流变三轴试验设备100，其通过设置约束件40，约束件40包括刚性套筒41及套筒底座42，刚性套筒41设置于试样组件30外周且与试样组件30之间形成有间隙，从而对试样31形成侧向约束，相比于现有技术，能够更为精确地测试出间隙侧向刚性约束条件下土样的时效变形参数，从而能够较为准确地计算隧道掘进土体卸荷固结流变变形和随钻跟管桩钻孔沉桩土体卸荷收缩变形等特殊工况；且刚性套筒41与套筒底座42为可拆卸连接，因此可方便地对不同壁厚的刚性套筒41进行更换，实现不同变形间隙条件下土样卸荷固结流变变形测试。

一些优选的实施例中，试样组件30包括试样31、滤纸32、透水石组件33、试样底座34、试样帽35及橡胶膜36，橡胶膜36环绕贴附于试样31的侧壁，滤纸32、透水石组件33依次设于试样31的两端，试样底座34的顶部抵接试样31底部的透水石组件33，试样底座34的底部抵接活塞20，试样帽35的底部抵接试样31顶部的透水石组件33，试样帽35的顶部抵接试样固定件121，具体地，试样帽35的顶部端面开设有限位槽351，试样固定件121背离外罩12顶部的一端插入限位槽351内并抵接限位槽351的槽底。通过设置试样底座34及试样帽35便于对试样31进行固定，试样31的两端依次设置滤纸32和透水石331能够便于试验时试样31的渗水排出避免干扰试验。

一些优选的实施例中，所述土体固结流变三轴试验设备100还包括反压控制装置及孔压测量装置，所述反压控制装置包括管道a51，所述孔压测量装置包括管道b52，所述透水石组件33背离所述试样31的一侧面抵接所述管道a51的管口及所述管道b52的管口，从而便于反压控制装置对试样31内的水进行吸取加速试样31土体的预固结，孔压测量装置可在试验过程中测量透水石331侧的水压，所述反压控制装置的管道a51上优选还设有可拆卸的导管接头511，在安装刚性套筒41时可暂时拆卸导管接头511以便于刚性套筒41的安装。

如图4至7所示，优选的，透水石组件33包括透水石331及密封圈332，透水石331为圆柱状，透水石331的外周壁上开设有容纳槽3311，密封圈332卡入容纳槽3311内且凸出于容纳槽3311，密封圈332与刚性套筒41的内周壁相抵接，从而可以有效防止在试样31卸荷变形过程中试样31土体从与刚性套筒41之间的间隙上下端挤出，密封圈332优选为橡胶密封圈332。

请参阅附图2，优选的，套筒底座42的顶面开设有固定槽421，刚性套筒41自上至下包括一体式的本体部411及固定脚部412，刚性套筒41通过固定脚部412插入固定槽421内与套筒底座42连接，从而可以设置固定脚部412一致但本体部411壁厚不同的不同规格的刚性套筒41，而套筒底座42无需更换可对应各种规格的刚性套筒41，且刚性套筒41可以方便快速地装入套筒底座42。

请参阅附图3，在一些实施例中，刚性套筒41的筒壁上开设有若干透水孔414，透水孔414可优选为点阵式布置，能有效避免试样31与刚性套筒41间隙闭合过程中间隙水不能排出而造成的影响。

一些实施例中，所述土体固结流变三轴试验设备100还包括应力测量装置53、驱动装置54以及位移测量装置55，所述应力测量装置53、所述驱动装置54依次连接于所述活塞20背离所述试样组件30的一端，所述位移测量装置55连接所述活塞20背离所述试样组件30的一端，位移测量装置55可测量活塞20位移从而测量试样31的应变。

一些实施例中，所述土体固结流变三轴试验设备100还包括注排水装置及围压装置，所述注排水装置包括管道c56，所述围压装置包括管道d57，所述管道c56穿设于所述基座11且连通至所述压力室10的内部，所述管道d57穿设于所述外罩12的顶部且连通至所述压力室10的内部，通过将注排水装置的管道c56设于基座11上，便于对压力室10排水，通过将围压装置的管道d57设于外罩12顶部，可有效实现对压力室10内的试样31卸载围压。

一些实施例中，外罩12还包括玻璃罩筒122及顶盖123，玻璃罩筒122安装于基座11上，顶盖123盖设于玻璃罩筒122的顶部，顶盖123设有贯穿的限位孔，试样固定件121穿设于限位孔，通过将试样固定件121与外罩12分别设置而非一体，外罩12包括玻璃罩筒122和顶盖123，三者可依次安装，便于调整试样固定件121以使得试样组件30装入到位。

本土体固结流变三轴试验设备100，在试验前的试样31安装步骤为：首先准备好试样组件30，将试样组件30放置于活塞20上，断开管道a51的导管接头511，将刚性套筒41设于套筒底座42上，重新连接导管接头511，将玻璃罩筒122及顶盖123依次罩设于基座11上形成压力室10，并使试样固定件121抵接试样组件30。

本发明还提供了一种土体固结流变三轴试验方法，采用上述的土体固结流变三轴试验设备100，包括以下步骤：

试样31预固结：通过注排水装置将压力室10注满水，然后通过围压装置向试样31施加预固结围压，待围压施加完成后，通过驱动装置54向试样31施加轴向压力，最后，开启反压控制装置加速试样31的预固结；

试样31卸荷变形：待试样31预固结完成后，根据卸荷要求，通过围压装置降低试样31的围压，维持试样31的轴向压力不变，使试样31在侧向刚性约束条件下发生卸荷变形；

试验数据采集：在试样31预固结和试样31卸荷变形过程中，开启孔压测量装置、位移测量装置55和应力测量装置53，实时记录整个试验过程中试样31内部孔压变化以及应力应变变化数据。

综上，本发明实施例提供一种土体固结流变三轴试验设备及试验方法，其通过设置约束件，从而对试样形成侧向约束，相比于现有三轴试验设备更有针对性，能够更为精确地测试出间隙侧向刚性约束条件下土样的时效变形参数，从而能够较为准确地计算隧道掘进土体卸荷固结流变变形和随钻跟管桩钻孔沉桩土体卸荷收缩变形等特殊工况；且由于刚性套筒与套筒底座是可拆卸连接的，可方便地对不同壁厚的刚性套筒进行更换，实现不同变形间隙条件下土样卸荷固结流变变形测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，包括：

压力室，所述压力室包括基座及罩设于所述基座上的外罩，所述基座开设有上下贯穿的活塞穿入孔，所述外罩的顶部设有与所述活塞穿入孔相对的试样固定件；

活塞，所述活塞滑设于所述活塞穿入孔；

试样组件，所述试样组件设于所述压力室内，且所述试样组件的两端分别抵接所述试样固定件及所述活塞；

约束件，所述约束件包括刚性套筒及呈环状的套筒底座，所述套筒底座安装于所述基座上，且所述套筒底座绕设于所述活塞穿入孔的外周，所述刚性套筒可拆卸连接于所述套筒底座上，且所述刚性套筒环绕于所述试样组件的外周并与所述试样组件之间形成有间隙，所述刚性套筒的筒壁上开设有若干透水孔。

2.根据权利要求1所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述试样组件包括试样、滤纸、透水石组件、试样底座、试样帽及橡胶膜，所述橡胶膜环绕贴附于所述试样的侧壁，所述滤纸、所述透水石组件依次设于所述试样的两端，所述试样底座的顶部抵接所述试样底部的所述透水石组件，所述试样底座的底部抵接所述活塞，所述试样帽的底部抵接所述试样顶部的所述透水石组件，所述试样帽的顶部抵接所述试样固定件。

3.根据权利要求2所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述土体固结流变三轴试验设备还包括反压控制装置及孔压测量装置，所述反压控制装置包括管道a，所述孔压测量装置包括管道b，所述透水石组件背离所述试样的一侧面抵接所述管道a的管口及所述管道b的管口。

4.根据权利要求2或3所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述透水石组件包括透水石及密封圈，所述透水石为圆柱状，所述透水石的外周壁上开设有容纳槽，所述密封圈卡入所述容纳槽内且凸出于所述容纳槽，所述密封圈与所述刚性套筒的内周壁相抵接。

5.根据权利要求1所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述套筒底座的顶面开设有固定槽，所述刚性套筒自上至下包括一体式的本体部及固定脚部，所述刚性套筒通过所述固定脚部插入所述固定槽内与所述套筒底座连接。

6.根据权利要求1所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述土体固结流变三轴试验设备还包括应力测量装置、驱动装置以及位移测量装置，所述应力测量装置、所述驱动装置依次连接于所述活塞背离所述试样组件的一端，所述位移测量装置连接所述活塞背离所述试样组件的一端。

7.根据权利要求1所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述土体固结流变三轴试验设备还包括注排水装置及围压装置，所述注排水装置包括管道c，所述围压装置包括管道d，所述管道c穿设于所述基座且连通至所述压力室的内部，所述管道d穿设于所述外罩的顶部且连通至所述压力室的内部。

8.根据权利要求1所述的土体固结流变三轴试验设备，其特征在于，所述外罩包括玻璃罩筒及顶盖，所述玻璃罩筒安装于所述基座上，所述顶盖盖设于所述玻璃罩筒的顶部，所述顶盖设有贯穿的限位孔，所述试样固定件穿设于所述限位孔。

9.一种土体固结流变三轴试验方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任意一项所述的土体固结流变三轴试验设备，包括以下步骤：

试样预固结：通过注排水装置将所述压力室注满水，然后通过围压装置向试样施加预固结围压，待围压施加完成后，通过驱动装置向试样施加轴向压力，最后，开启反压控制装置加速试样的预固结；

试样卸荷变形：待试样预固结完成后，根据卸荷要求，通过所述围压装置降低试样的围压，维持试样的轴向压力不变，使试样在侧向刚性约束条件下发生卸荷变形；

试验数据采集：在所述试样预固结和所述试样卸荷变形过程中，开启孔压测量装置、位移测量装置和应力测量装置，实时记录整个试验过程中试样内部孔压变化以及应力应变变化数据。