CN117871267A - 一种用于非侧限条件下的固结仪及实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于非侧限条件下的固结仪及实施方法，涉及岩土工程实验设备领域。本固结仪包括：土盒装置，土盒装置包括移动土盒和固定土盒，移动土盒内部与固定土盒内部之间形成有土样容置腔；固定装置，固定装置包括土盒支撑台、第一安装台、第二安装台、固定连接件和弹性体，固定连接件的一端与第一安装台固定连接，固定连接件的另一端与固定土盒的外侧壁固定连接，弹性体的一端与第二安装台固定连接，弹性体的另一端与移动土盒的外侧壁固定连接，当土样容置腔内的土样未被挤压时，弹性体为未形变状态。本固结仪更准确地反映了真实地基土体的受力和变形，通过本固结仪测得的数据能够更精确地计算地基土体的沉降。

Description

一种用于非侧限条件下的固结仪及实施方法

技术领域

本发明涉及岩土工程实验设备领域，具体而言，涉及一种用于非侧限条件下的固结仪及实施方法。

背景技术

在现有地基沉降计算方法中，假设地基土体处于完全侧限条件，即在竖向附加荷载的作用下，地基土体只存在竖向变形，不存在横向变形。现有的固结仪只能实现完全侧限条件下的土体固结试验，其通过给土体试样施加不同的竖向荷载，记录固结完成后的竖向变形，并测定试样的竖向变形随时间的关系曲线，从而进一步计算土体在各级荷载下的孔隙比、土体固结系数以及压缩变形指标。然而，在实际情况中，地基土体所处的环境并非完全侧限，即在竖向荷载的作用下，地基土体一方面会产生竖向变形，另一方面还存在横向变形，根据现有固结仪得到的土体固结曲线与压缩变形指标不能反映地基土体的真实应力状态。因此，亟需一种用于非侧限条件下的固结仪，需更准确地反映真实地基土体的受力和变形，通过本固结仪测得的数据能够更精确地计算地基土体的沉降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于非侧限条件下的固结仪及实施方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于非侧限条件下的固结仪，本固结仪包括：

土盒装置，所述土盒装置包括移动土盒和固定土盒，所述移动土盒和所述固定土盒之间设置有叠合部，且所述移动土盒内部与所述固定土盒内部之间形成有土样容置腔；以及

固定装置，所述固定装置包括土盒支撑台、第一安装台、第二安装台、固定连接件和弹性体，所述土盒装置设置在所述土盒支撑台的顶部，所述固定连接件的一端与所述第一安装台固定连接，所述固定连接件的另一端与所述固定土盒的外侧壁固定连接，所述弹性体的一端与所述第二安装台固定连接，所述弹性体的另一端与所述移动土盒的外侧壁固定连接，所述固定连接件的轴线和所述弹性体的轴线设置在同一水平方向上，当所述土样容置腔内的土样未被挤压时，所述弹性体为未形变状态。

另一方面，本发明提出一种用于非侧限条件下的固结仪实施方法，所述实施方法包括：使用了上述所述的用于非侧限条件下的固结仪，包括：

选择第一次加载实验的弹性体为第一弹性体，将所述第一弹性体与固定装置进行连接，将测量装置与所述固定装置进行连接，所述测量装置包括水平位移组和竖向位移组，在所述土盒装置的上方安装加压上盖；

第一次加载实验：通过竖向荷载加载设备对所述加压上盖进行分级加载，土样容置腔内的土样发生变形，直至完成第一次加载实验中的所有分级加载，在每一级分级加载中通过所述水平位移组测量土样的横向变形，通过所述竖向位移组测量土样的竖向变形。

本发明的有益效果是：

在本固结仪中设置有土盒装置和固定装置，所述土盒装置包括移动土盒和固定土盒，其中通过移动土盒的位移来反映真实土体在土层中的非侧限状态，并且土体的横向变形可通过水平位移组进行测量；此外，固定装置中设置有弹性体，在进行加载实验时，可更换不同刚度系数的弹性体，以调节固结仪在水平方向的刚度，以此来测得在同样的竖向荷载下不同的侧向刚度条件下土体的压缩性能。因此，本固结仪更准确地反映了真实地基土体的受力和变形，通过本固结仪测得的数据能够更精确地计算地基土体的沉降。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分需从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例中固结仪的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中所述竖向位移计的设置结构图；

图3为本发明实施例中所述水平位移计的设置结构图；

图4为本发明实施例中所述导向滑块与所述导向槽的滑动配合结构示意图；

图5为本发明实施例中所述连接孔与所述安装沉槽的结构示意图；

图6为本发明实施例中所述卡槽组的结构示意图；

图7为本发明实施例中所述第一控制距离、所述第二控制距离以及所述第三控制距离的几何关系示意图。

图中标记：

11、移动土盒；12、固定土盒；30、土盒支撑台；31、第一安装台；32、第二安装台；33、固定连接件；34、弹性体；41、水平位移计；42、竖向位移计；51、导轨；52、导向滑块；510、导向槽；61、第一安装基体；62、第二安装基体；63、移动滑块；630、弹性部；620、安装沉槽；621、连接孔；622、内弧面；623、卡槽组；100、叠合部；200、土样容置腔；300、限位部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：

如图1至图3所示，一种用于非侧限条件下的固结仪，包括：

土盒装置，所述土盒装置包括移动土盒11和固定土盒12，所述移动土盒11和所述固定土盒12之间设置有叠合部100，且所述移动土盒11内部与所述固定土盒12内部之间形成有土样容置腔200；以及

固定装置，所述固定装置包括土盒支撑台30、第一安装台31、第二安装台32、固定连接件33和弹性体34，所述土盒装置设置在所述土盒支撑台30的顶部，所述固定连接件33的一端与所述第一安装台31固定连接，所述固定连接件33的另一端与所述固定土盒12的外侧壁固定连接，所述弹性体34的一端与所述第二安装台32固定连接，所述弹性体34的另一端与所述移动土盒11的外侧壁固定连接，所述固定连接件33的轴线和所述弹性体34的轴线设置在同一水平方向上，当所述土样容置腔200内的土样未被挤压时，所述弹性体34为未形变状态。

现有固结仪是在完全侧限的条件下进行实验的，土样无法产生横向变形，等同于土样周围的侧向刚度为无穷大。但本固结仪设置有土盒装置和固定装置，所述土盒装置包括移动土盒11和固定土盒12，其中通过移动土盒11的位移来反映真实土体在土层中的非侧限状态，并且土体的横向变形可通过水平位移组进行测量；其中，所述固定连接件33的一端可与所述第一安装台31的侧壁固定连接，所述固定连接件33的另一端与所述固定土盒12的侧壁固定连接，所述弹性体34的一端与所述第二安装台32的侧壁固定连接，所述弹性体34的另一端与所述移动土盒11的侧壁固定连接。

由于土层在不同深度处土体的密实程度是不同的，深度越大的土体，越密实，其对周围土体的约束越强，此种约束可以理解为侧向刚度，因此同样的土样放在不同深度的土层中，其侧向刚度是不同的，深度越大，周围土体对其的约束越强，即侧向刚度越大。本固结仪引入弹性体34，在进行加载实验时，可更换不同刚度系数的弹性体34，以调节固结仪在水平方向的刚度，以此来测得在同样的竖向荷载下不同的侧向刚度条件下土体的压缩性能。所述弹性体34可选用为弹簧，在不同的加载实验中，当弹簧的劲度系数越大时，土样周围的侧向刚度也就越大，即弹簧的劲度系数与土样周围的侧向刚度呈现正相关关系，弹性体34的引入，反映了真实土体在土层中侧向刚度随深度逐渐增大的特性，能更准确地测定真实土体的压缩性能。

在本固结仪中，为方便对土样的横向变形和土样的竖向变形进行精确测量，引入测量装置，所述测量装置包括水平位移组和竖向位移组；

所述水平位移组设置在所述第二安装台32的侧壁上，且在所述水平位移组中设置有多个水平位移计41，多个所述水平位移计41并排设置，其中，每个所述水平位移计41的轴线与所述弹性体34的轴线平行，且相邻所述水平位移计41之间的距离为第一预设距离，所述水平位移计41用于测量土样的横向变形；

所述竖向位移组设置在所述土盒支撑台30上，且在所述竖向位移组中设置有多个竖向位移计42，多个所述竖向位移计42并排设置，其中，每个所述竖向位移计42的轴线与所述土盒支撑台30的顶面垂直设置，且相邻所述竖向位移计42之间的距离为第二预设距离，所述竖向位移计42用于测量土样的竖向变形。

在本固结仪中，在每一次加载实验中设置有分级加载，为明确每一次分级加载中竖向位移的变化情况，所述第一预设距离大于所述第二预设距离。

如图4所示，在本装置中，为避免移动土盒11在移动时发生偏移，引入导向装置，所述导向装置包括导轨51和导向滑块52，所述土盒支撑台30的顶部设置有限位部300，所述导轨51设置在所述限位部300和所述叠合部100之间，所述导轨51内设置有导向槽510，所述导向滑块52设置在所述移动土盒11的底部，所述导向滑块52与所述导向槽510滑动配合。

如图5和图6所示，在每一次加载实验中，为避免弹性体34发生波动，引入弹性自锁装置，所述弹性自锁装置包括第一安装基体61、第二安装基体62和移动滑块63，所述移动滑块63的顶部和底部均设置有弹性部630；

所述第二安装基体62一端与所述移动土盒11的外壁固定连接，所述第二安装基体62的另一端设置有连接孔621，所述第二安装基体62内设置有安装沉槽620，所述安装沉槽620与所述连接孔621连通，在所述安装沉槽620的两侧槽壁上设置有内弧面622，在所述内弧面622上设置有多个卡槽组623，所述弹性体34的一端穿过所述连接孔621后与所述移动滑块63固定连接，所述弹性体34的另一端与所述第一安装基体61的一端固定连接，所述第一安装基体61的另一端与所述第二安装台32的侧壁固定连接，所述连接孔621的轴线、所述固定连接件33的轴线和所述弹性体34的轴线设置在同一水平方向上，所述弹性体34的形变力大于弹性部630的形变力，当所述移动滑块63的弹性部630与不同的所述卡槽组623卡合连接时，所述弹性体34为不同时刻的形变状态。

弹性自锁装置的引入，一方面保证了对土样的横向变形的稳定测量，另一方面避免了弹性体34发生波动所引起的极端数据。

在本装置中，为明确不同卡槽组之间的空间关系，所述卡槽组623包括第一卡槽组、第二卡槽组和第三卡槽组，所述第一卡槽组为靠近所述连接孔621的卡槽组，所述第二卡槽组设置在所述第一卡槽组和所述第三卡槽组之间，其中，所述第一卡槽组的竖向开口距离为第一控制距离，所述第二卡槽组的竖向开口距离为第二控制距离，所述第三卡槽组的竖向开口距离为第三控制距离，所述第一控制距离小于所述第二控制距离，所述第二控制距离小于所述第三控制距离。如图7所示，第一控制距离与图7中的L1对应，第二控制距离与图7中的L2对应，第三控制距离与图7中的L3对应。此时，在本装置中，由于所述弹性体34的形变力大于弹性部630的形变力，当所述移动滑块63的弹性部630与不同的所述卡槽组623卡合连接时，所述弹性体34为不同时刻的形变状态，而所述第一控制距离小于所述第二控制距离，所述第二控制距离小于所述第三控制距离，能够保证弹性体34的自锁通过弹性部630与不同控制距离进行开口间的自配合，进一步保证了自锁稳定性。

实施例二：

一种用于非侧限条件下的固结仪实施方法，包括：

选择第一次加载实验的弹性体34为第一弹性体，将所述第一弹性体与固定装置进行连接，将测量装置与所述固定装置进行连接，所述测量装置包括水平位移组和竖向位移组，在所述土盒装置的上方安装加压上盖；

第一次加载实验：通过竖向荷载加载设备对所述加压上盖进行分级加载，土样容置腔200内的土样发生变形，直至完成第一次加载实验中的所有分级加载，在每一级分级加载中通过所述水平位移组测量土样的横向变形，通过所述竖向位移组测量土样的竖向变形。

在本实施方法中，在进行第一次加载实验之后，还包括：

选择第二次加载实验的弹性体34为第二弹性体，将所述第一弹性体更换为所述第二弹性体，其中，所述第二弹性体的刚度和所述第一弹性体的刚度不同；

第二次加载实验：通过竖向荷载加载设备对所述加压上盖进行分级加载，土样容置腔200内的土样发生变形，直至完成第二次加载实验中的所有分级加载，在每一级分级加载中通过所述水平位移组测量土样的横向变形，通过所述竖向位移组测量土样的竖向变形。

本实施方法中，在不同的加载实验中对应有不同的侧向刚度。因此，本固结仪一方面可以在某一侧向刚度下测得土样的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、固结系数等物理量，还可以在相同的分级荷载、不同的侧向刚度作用下，研究不同的侧向刚度对土样的压缩特性（通过压缩系数、压缩模量、体积压缩系数表征）和固结特性（通过固结系数表征）的影响。

在本实施方法中，在结束第一次加载实验后，包括：

获取待测土样的初始孔隙比、第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样竖向变形以及土样横向变形；

在本步骤中，初始孔隙比的计算公式为：

（1）；

上式（1）中，表示待测土样的初始孔隙比，/>表示水的密度；/>表示土粒比重；/>表示土样天然含水率；/>表示土样初始密度。

对所述待测土样的初始孔隙比、所述土样竖向变形以及所述土样横向变形通过预设的孔隙比计算模型进行求解，得到不同竖向变形所对应的孔隙比，根据所述不同竖向变形所对应的孔隙比进行土样的压缩特性分析，其中，所述孔隙比计算模型为：

（2）；

上式（2）中，表示在第一次加载实验中/>级竖向荷载下的竖向变形所对应的孔隙比，/>表示待测土样的初始孔隙比，/>表示在第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样横向变形，/>表示预设的土样初始竖向高度，/>表示在第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样竖向变形，/>表示当移动土盒和固定土盒均为相同的半圆柱体时的半径，且所述半径等于叠合部的长度。

在本实施方法中，对所述待测土样的初始孔隙比、所述土样竖向变形以及所述土样横向变形通过预设的孔隙比计算模型进行求解，得到不同竖向变形所对应的孔隙比之后，包括：

获取横向变形修正系数；

在本步骤中，横向变形修正系数根据土样环境条件进行选择，以更准确地反映真实地基土体的环境条件，如气温、湿度等外界环境。

对所述不同竖向变形所对应的孔隙比和所述横向变形修正系数通过预设的修正模型进行求解，得到修正的孔隙比，所述修正的孔隙比用于反映不同环境条件下对不同竖向变形所对应的孔隙比的影响。

其中，预设的修正模型为：

（3）；

上式（3）中，表示修正的孔隙比，/>表示待测土样的初始孔隙比，/>表示在第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样横向变形，/>表示预设的土样初始竖向高度，表示在第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样竖向变形，/>表示当移动土盒和固定土盒均为相同的半圆柱体时的半径，且所述半径等于叠合部的长度，K表示横向变形修正系数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于非侧限条件下的固结仪，其特征在于，包括：

土盒装置，所述土盒装置包括移动土盒（11）和固定土盒（12），所述移动土盒（11）和所述固定土盒（12）之间设置有叠合部（100），且所述移动土盒（11）内部与所述固定土盒（12）内部之间形成有土样容置腔（200）；以及

固定装置，所述固定装置包括土盒支撑台（30）、第一安装台（31）、第二安装台（32）、固定连接件（33）和弹性体（34），所述土盒装置设置在所述土盒支撑台（30）的顶部，所述固定连接件（33）的一端与所述第一安装台（31）固定连接，所述固定连接件（33）的另一端与所述固定土盒（12）的外侧壁固定连接，所述弹性体（34）的一端与所述第二安装台（32）固定连接，所述弹性体（34）的另一端与所述移动土盒（11）的外侧壁固定连接，所述固定连接件（33）的轴线和所述弹性体（34）的轴线设置在同一水平方向上，当所述土样容置腔（200）内的土样未被挤压时，所述弹性体（34）为未形变状态。

2.根据权利要求1所述的用于非侧限条件下的固结仪，其特征在于，包括：测量装置，所述测量装置包括水平位移组和竖向位移组；

所述水平位移组设置在所述第二安装台（32）的侧壁上，且在所述水平位移组中设置有多个水平位移计（41），多个所述水平位移计（41）并排设置，其中，每个所述水平位移计（41）的轴线与所述弹性体（34）的轴线平行，且相邻所述水平位移计（41）之间的距离为第一预设距离，所述水平位移计（41）用于测量土样的横向变形；

所述竖向位移组设置在所述土盒支撑台（30）上，且在所述竖向位移组中设置有多个竖向位移计（42），多个所述竖向位移计（42）并排设置，其中，每个所述竖向位移计（42）的轴线与所述土盒支撑台（30）的顶面垂直设置，且相邻所述竖向位移计（42）之间的距离为第二预设距离，所述竖向位移计（42）用于测量土样的竖向变形。

3.根据权利要求2所述的用于非侧限条件下的固结仪，其特征在于，包括：所述第一预设距离大于所述第二预设距离。

4.根据权利要求1所述的用于非侧限条件下的固结仪，其特征在于，包括导向装置，所述导向装置包括导轨（51）和导向滑块（52），所述土盒支撑台（30）的顶部设置有限位部（300），所述导轨（51）设置在所述限位部（300）和所述叠合部（100）之间，所述导轨（51）内设置有导向槽（510），所述导向滑块（52）设置在所述移动土盒（11）的底部，所述导向滑块（52）与所述导向槽（510）滑动配合。

5.根据权利要求1所述的用于非侧限条件下的固结仪，其特征在于，包括：弹性自锁装置，所述弹性自锁装置包括第一安装基体（61）、第二安装基体（62）和移动滑块（63），所述移动滑块（63）的顶部和底部均设置有弹性部（630）；

所述第二安装基体（62）一端与所述移动土盒（11）的外壁固定连接，所述第二安装基体（62）的另一端设置有连接孔（621），所述第二安装基体（62）内设置有安装沉槽（620），所述安装沉槽（620）与所述连接孔（621）连通，在所述安装沉槽（620）的两侧槽壁上设置有内弧面（622），在所述内弧面（622）上设置有多个卡槽组（623），所述弹性体（34）的一端穿过所述连接孔（621）后与所述移动滑块（63）固定连接，所述弹性体（34）的另一端与所述第一安装基体（61）的一端固定连接，所述第一安装基体（61）的另一端与所述第二安装台（32）的侧壁固定连接，所述连接孔（621）的轴线、所述固定连接件（33）的轴线和所述弹性体（34）的轴线设置在同一水平方向上，所述弹性体（34）的形变力大于弹性部（630）的形变力，当所述移动滑块（63）的弹性部（630）与不同的所述卡槽组（623）卡合连接时，所述弹性体（34）为不同时刻的形变状态。

6.根据权利要求5所述的用于非侧限条件下的固结仪，其特征在于，所述卡槽组（623）包括第一卡槽组、第二卡槽组和第三卡槽组，所述第一卡槽组为靠近所述连接孔（621）的卡槽组，所述第二卡槽组设置在所述第一卡槽组和所述第三卡槽组之间，其中，所述第一卡槽组的竖向开口距离为第一控制距离，所述第二卡槽组的竖向开口距离为第二控制距离，所述第三卡槽组的竖向开口距离为第三控制距离，所述第一控制距离小于所述第二控制距离，所述第二控制距离小于所述第三控制距离。

7.一种用于非侧限条件下的固结仪实施方法，其特征在于，使用了上述权利要求1至6任意一项所述的用于非侧限条件下的固结仪，包括：

选择第一次加载实验的弹性体（34）为第一弹性体，将所述第一弹性体与固定装置进行连接，将测量装置与所述固定装置进行连接，所述测量装置包括水平位移组和竖向位移组，在所述土盒装置的上方安装加压上盖；

第一次加载实验：通过竖向荷载加载设备对所述加压上盖进行分级加载，土样容置腔（200）内的土样发生变形，直至完成第一次加载实验中的所有分级加载，在每一级分级加载中通过所述水平位移组测量土样的横向变形，通过所述竖向位移组测量土样的竖向变形。

8.根据权利要求7所述的用于非侧限条件下的固结仪实施方法，其特征在于，在进行第一次加载实验之后，还包括：

选择第二次加载实验的弹性体（34）为第二弹性体，将所述第一弹性体更换为所述第二弹性体，其中，所述第二弹性体的刚度和所述第一弹性体的刚度不同；

第二次加载实验：通过竖向荷载加载设备对所述加压上盖进行分级加载，土样容置腔（200）内的土样发生变形，直至完成第二次加载实验中的所有分级加载，在每一级分级加载中通过所述水平位移组测量土样的横向变形，通过所述竖向位移组测量土样的竖向变形。

9.根据权利要求7所述的用于非侧限条件下的固结仪实施方法，其特征在于，在结束第一次加载实验后，包括：

获取待测土样的初始孔隙比、第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样竖向变形以及土样横向变形；

对所述待测土样的初始孔隙比、所述土样竖向变形以及所述土样横向变形通过预设的孔隙比计算模型进行求解，得到不同竖向变形所对应的孔隙比，根据所述不同竖向变形所对应的孔隙比进行土样的压缩特性分析，其中，所述孔隙比计算模型为：

；

上式中，表示在第一次加载实验中/>级竖向荷载下的竖向变形所对应的孔隙比，/>表示待测土样的初始孔隙比，/>表示在第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样横向变形，/>表示预设的土样初始竖向高度，/>表示在第一次加载实验中多级竖向荷载下产生的土样竖向变形，/>表示当移动土盒和固定土盒均为相同的半圆柱体时的半径，且所述半径等于叠合部的长度。

10.根据权利要求9所述的用于非侧限条件下的固结仪实施方法，其特征在于，对所述待测土样的初始孔隙比、所述土样竖向变形以及所述土样横向变形通过预设的孔隙比计算模型进行求解，得到不同竖向变形所对应的孔隙比之后，包括：

获取横向变形修正系数；

对所述不同竖向变形所对应的孔隙比和所述横向变形修正系数通过预设的修正模型进行求解，得到修正的孔隙比，所述修正的孔隙比用于反映不同环境条件下对不同竖向变形所对应的孔隙比的影响。