CN1699997A - 土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪及其使用方法，在压力容器底部增加一活塞腔内设置活塞，利用本发明的试验方法，除可实现对同一土样的K₀固结和压缩外，还可以同时直接进行土样的渗透试验、应力松弛试验。试验中还可测定土样的静止侧压力系数K₀值以及测定土样的孔隙水压力随时间的消散过程。采用本发明的试验仪与试验方法，直接消除了常规渗透试验方法误差过大的影响，根据其测试的结果，可用理论公式参数法直接整理土的固结特性参数，根据应力松弛的测试结果，可进行土的流变特性分析。本发明具有过程简单，可操作性强，试验数据可靠的特点。

Description

土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪及其使用方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，特别涉及一种土K₀(一维)固结、渗透、应力松弛综合试验仪器及其使用方法。

背景技术

就目前来讲，常规固结或压缩试验虽然简单，且已有使用成熟的经验，其成果能满足一般的要求，目前仍作为主要的测试手段，被广泛应用。但是常规固结或压缩试验不能直接测试土样变形过程的静止侧压力系数K₀，尤其是在加荷后，土样在变形过程中静止侧压力系数K₀不断地变化，在常规一维固结或压缩试验中也不能得到反映。另一方面，常规土样固结试验的缺点是不能够测量土的空隙水压力，土样固结完成的程度是根据变形速率进行控制的，这对正确判断土样的主固结变形和次固结变形带来很大的难度。最重要的是，现行的土固结系数测法是根据常规固结试验曲线形态与理论固结曲线形态相似的假设而推算的，显然这种处理方法与理论和实际都不相符。土固结系数不采用理论公式参数法的原因还在于土的渗透系数用常规方法测不准，测不准的原因在于渗透试验与固结试验脱节，即在常规渗透试验中无法模拟土固体过程中的应力和密度状态。由于固结系数测试方法与测试结果可靠性滞后的影响，使土固结理论的应用受到很大的限制。

此外，常规试验方法采取分级加荷的方式，历时较长，且往往不适合实际工程的应用；尤其是加荷的瞬间由于孔隙水压力的梯度较大，可能破坏土体的天然结构。

国内外对于常规一维固结或压缩试验方法所存在的缺点也进行了相关的研究，取得了一定的进展，但是对一个土样只能进行单一的固结或压缩试验，不能同时进行土样的静止侧压力系数、孔隙水压力、渗透系数及其土样流变的测试。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪，具有测量准确、精度高的特点。

本发明的另一目的在于提供一种土一维固结、渗透、应力松弛的试验方法，具有过程简单，可操作性强，试验数据可靠的特点。

本发明的技术方案是这样实现的：

土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪，包括底座，底座上设置有压力室，在底座内设置有活塞腔，活塞腔内设置活塞，底座的底部一侧有孔道，孔道与压力容器相通，底座上的两侧安装了两个固定螺杆，在固定螺杆顶部放置有反力梁，其共同组成反力框架，压力室上设置有传压盖板，传压盖板的上部设置有一压力传感器。

所述的压力室上部的透水石顶设置传压盖板，压力室侧壁有一层隔膜，隔膜的外侧为充满水的隔膜室，其外侧壁有一圆形孔道和侧压力传感器相连通，压力室底部有一圆形孔道，圆形孔道的外侧和孔压传感器连通，其上部的反力梁和压力传感器相连。

压力室一侧的顶部固定有金属杆，金属杆配置在百分表上，百分表滑动杆通过压力传感器的孔心和传压盖板相连接。

一种使用土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪的方法，按以下步骤进行：

1)首先制备土样，将制备好的土样放入压力室的底部，将覆盖有滤纸的透水石覆盖在土样上面，安放好传压盖板和压力传感器；

2)通过压力容器调节压力，给土样预加压力，预加压力的大小可通过压力传感器获得，使压力室内上下透水石与土样及上部透水石与传压盖板密切接触，装好百分表并调整百分表读数为零；向隔膜室里注水，直到没有气泡排出；打开侧压力传感器或孔压传感器，做渗透试验时拆除孔压传感器，检查传感器读数的显示情况；

3)在第1)步和第2)步完成的基础上，进行以下试验：

a.一维压缩或固结试验

首先按照试验方案，通过压力容器调节压力，通过活塞抬升的高度给土样逐级施加5-800Kpa各级荷载，各级荷载的大小可通过压力传感器获得，当土样每小时变形量小于0.01mm时，土样变形达到稳定，通过百分表指针的变化记录每级荷载作用下土样变形稳定后的变形量，对试验数据进行计算和整理，得出土样的e-p曲线与e-logp曲线，通过土样的e-p曲线或e-logp曲线可得到试件的压缩系数a、压缩模量E_s与压缩指数C_c总应力指标，计算公式如下：

$a=\frac{e_1-e_2}{p_1-p_2}---\left(1\right)$

式中：p₁、p₂-土样所受竖向荷载(p₂＞p₁)；

      e₁、e₂-土样在p₁与p₂荷载作用下对应的孔隙比；

$E_s=\frac{1+e_1}{a}---\left(2\right)$

式中：e₁-土样孔隙比；

      a-土样压缩系数；

$C_c=\frac{e_1-e_2}{\frac{\lg p_2}{\lg p_1}}---\left(3\right)$

式中：p₁、p₂-土样所受竖响荷载(p₂＞p₁)；

      e₁、e₂-土样在p₁与p₂荷载作用下对应的孔隙比；

固结试验时，利用秒表记录下不同时刻百分表读数，把试验数据进行整理，可以利用传统方法如时间平方根法或时间对数法求取土样的固结系数C_v；

土样进行固结试验过程中，可通过孔压传感器与侧压力传感器测试土样孔隙水压力和侧压力的大小，因此还可得到试件固结过程的有效应力及其所对应的物理指标，直接计算试件的总应力下的侧压力系数K₀和泊松比μ与有效应力下的侧压力系数K₀及其泊松比μ，计算公式如下：

                   σ＝σ′+u                    (4)

式中：σ-总应力；

      σ′-有效应力；

      u-孔隙水压力；

总应力指标：

$K_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_3}{{\mathrm{\σ}}_1}---\left(5\right)$

式中：σ₃-侧应力；

      б₁-轴向应力；

      K₀-侧压力系数；

                   μ＝K₀/(1+K₀)                (6)

式中：K₀-侧压力系数；

      μ-泊松比；

有效应力指标：

$K_0^{\′}=\frac{{\mathrm{\σ}}_3^{\′}}{{\mathrm{\σ}}_1^{\′}}---\left(7\right)$

式中：σ₃′-有效侧应力；

      σ₁′-有效轴向应力；

      K₀′-有效侧压力系数；μ′＝K₀′/(1+K₀′)             (8)

式中：K₀′-有效侧压力系数；μ′-有效泊松比。

b.连续加载固结试验

在上述试验步骤1)与2)基础上，通过压力调节器对土样进行连续加载，从而得到土样在连续加载条件下土样固结的总应力σ、u、K₀或有效应力物理力学指标σ′、μ′、K₀′，计算方法同一维固结或压缩试验的计算方法相同。

c.渗透试验

固结试验的过程中，如需要测试每级荷载作用下土样固结变形稳定后的渗透系数时，则在上述试验步骤1)与2)的基础上，固定活塞，活塞位置固定通过调节压力容器内的压力实现，然后使土样保持在相应荷重下变形稳定后的高度不变，进行变水头渗透试验，通过变水头渗透试验，得到在不同温度下土样的渗透系数，然后换算为温度10⁰时的渗透系数K₁₀，进而得到渗透系数K₁₀和孔隙比e的关系曲线。

d.应力松弛试验

在上述试验步骤1)与2)的基础上，通过调节压力容器内的压力使活塞产生向上的竖向位移5％mm-3mm，使土样产生变形，然后固定加压活塞位置，活塞位置固定通过调节压力容器内的压力实现，通过压力传感器量测土样轴向应力随时间的变化过程，通过试验数据得到土体的应力松弛曲线。

e.土的蠕变试验

在步骤1)与2)的基础上，调节压力调节容器内的压力给土样施加应力5-800KPa并保持不变，随即通过百分表读数随时间的变化过程，获得土样变形随时间的土样蠕变曲线。

使用该仪器与该试验方法，可对土样在侧限加压状态下的各种特性进行测试，可以分析和整理出多种土的固结和流变特性与指标。

利用本发明的试验方法，除可实现对同一土样的K₀固结和压缩外，还可以同时直接进行土样的渗透试验、应力松弛试验。试验中还可测定土样的静止侧压力系数K₀值以及测定土样的孔隙水压力随时间的消散过程。采用本发明的试验仪与试验方法，直接消除了常规渗透试验方法误差过大的影响，根据其测试的结果，可用理论公式参数法直接整理土的固结特性参数，根据应力松弛的测试结果，可进行土的流变特性分析。

附图说明

附图是本发明试验仪的结构示意图。

具体实施例

参照附图所示，土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪，包括底座15，底座15上设置有压力室8，在底座15内设置有活塞腔13，活塞腔13内设置活塞14，底座15的底部一侧有孔道16，孔道16与压力容器17相通，底座15上的两侧安装了两个固定螺杆4，在固定螺杆4顶部放置有反力梁3，其共同组成反力框架，压力室8上设置有传压盖板5，传压盖板5的上部设置有一压力传感器2。

所述的压力室8上部的透水石顶设置传压盖板5，压力室8侧壁有一层隔膜7，隔膜7的外侧为充满水的隔膜室11，其外侧壁有一圆形孔道6和侧压力传感器9相连通，压力室8底部有一圆形孔道10，圆形孔道的外侧和孔压传感器12连通，其上部的反力梁3和压力传感器2相连。

压力室8一侧的顶部固定有金属杆18，金属杆18配置在百分表1上，百分表1测量变形滑动杆通过压力传感器2的孔心和传压盖板5相连接。

一种使用土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪的方法，按以下步骤进行：

1)首先制备土样，将制备好的土样放入压力室8的底部，将覆盖有滤纸的透水石覆盖在土样上面，安放好传压盖板5和压力传感器2；

2)通过压力容器17调节压力，给土样预加压力，预加压力的大小可通过压力传感器2获得，使压力室8内上下透水石与土样及上部透水石与传压盖板5密切接触，装好百分表1并调整百分表读数为零；向隔膜室11里注水，直到没有气泡排出；打开侧压力传感器9或孔压传感器12，做渗透试验时拆除孔压传感器12，检查传感器读数的显示情况；

3)在第1)步和第2)步完成的基础上，进行以下试验：

a.一维压缩或固结试验

首先按照试验方案，通过压力容器17调节压力，通过活塞14抬升的高度给土样逐级施加5-800Kpa各级荷载，各级荷载的大小可通过压力传感器2获得，当土样每小时变形量小于0.01mm时，土样变形达到稳定，通过百分表1指针的变化记录每级荷载作用下土样变形稳定后的变形量，对试验数据进行计算和整理，得出土样的e-p曲线与e-logp曲线，通过土样的e-p曲线或e-logp曲线可得到试件的压缩系数a、压缩模量E_s与压缩指数C_c总应力指标，计算公式如下：

$a=\frac{e_1-e_2}{p_1-p_2}---\left(1\right)$

式中：p₁、p₂-土样所受竖向荷载(p₂＞p₁)；

      e₁、e₂-土样在p₁与p₂荷载作用下对应的孔隙比。

$E_s=\frac{1+e_1}{a}---\left(2\right)$

式中：e₁-土样孔隙比；

      a-土样压缩系数。

$C_c=\frac{e_1-e_2}{\frac{\lg p_2}{\lg p_1}}---\left(3\right)$

式中：p₁、p₂-土样所受竖向荷载(p₂＞p₁)；

      e₁、e₂-土样在p₁与p₂荷载作用下对应的孔隙比。

固结试验时，利用秒表记录下不同时刻百分表读数，把试验数据进行整理，可以利用传统方法如时间平方根法或时间对数法求取土样的固结系数C_v总应力物理力学指标；

测土样固结过程中固结系数时，按15s、30s、1min、2min15s、4min、6min15s、9min、12min15s、16min、20min15s、25min、30min15s、36min、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h的时间序列记录变形量，直到土样变形稳定。

土样进行固结试验过程中，可通过孔压传感器12与侧压力传感器9测试土样孔隙水压力和侧压力的大小，因此还可得到试件固结过程的有效应力及其所对应的物理指标，直接计算试件的总应力下的侧压力系数K₀和泊松比μ与有效应力下的侧压力系数K₀′及其泊松比μ′，计算公式如下：σ＝σ′+u              (4)

式中：σ-总应力；

      σ′-有效应力；

       u-孔隙水压力。

$K_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_3}{{\mathrm{\σ}}_1}---\left(5\right)$

式中：σ₃-侧应力；

      σ₁-轴向应力；

      K₀-侧压力系数。μ＝K₀/(1+K₀)           (6)

式中：K₀-侧压力系数；

      μ-泊松比。

有效应力指标：

$K_0^{\′}=\frac{{\mathrm{\σ}}_3^{\′}}{{\mathrm{\σ}}_1^{\′}}---\left(7\right)$

式中：σ₃′-有效侧应力；

      σ₁′-有效轴向应力；

      K₀′-有效侧压力系数。μ′＝K₀′/(1+K₀′)         (8)

式中：K₀′-有效侧压力系数；

      μ′-有效泊松比。

b.连续加载固结试验

在上述试验步骤1)与2)基础上，通过压力调节器17对土样进行连续加载，从而得到土样在连续加载条件下土样固结的总应力σ、u、K₀或有效应力物理力学指标σ′、μ′、K₀′，计算方法同一维固结或压缩试验的计算方法相同。

c.渗透试验

固结试验的过程中，如需要测试每级荷载作用下土样固结变形稳定后的渗透系数时，则在上述试验步骤1)与2)的基础上，固定活塞14，活塞14位置固定通过调节压力容器17内的压力实现，然后使土样保持在相应荷重下变形稳定后的高度不变，进行变水头渗透试验，通过变水头渗透试验，得到在不同温度下土样的渗透系数，然后换算为温度10⁰时的渗透系数K₁₀，进而得到渗透系数K₁₀和孔隙比e的关系曲线。

d.应力松弛试验

在上述试验步骤1)与2)的基础上，通过调节压力容器17内的压力使活塞14产生向上的竖向位移5％mm-3mm，使土样产生变形，然后固定加压活塞14位置，活塞14位置固定通过调节压力容器17内的压力实现，通过压力传感器2量测土样轴向应力随时间的变化过程，通过试验数据得到土体的应力松弛曲线。

e.土的蠕变试验

在步骤1)与2)的基础上，调节压力调节容器17内的压力给土样施加应力5-800Kpa，所施加的应力并保持不变，通过百分表1读数随时间的变化过程，获得土样变形随时间的土样蠕变曲线。

Claims (4)

1、土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪，包括底座(15)，底座(15)上设置有压力室(8)，其特征在于，在底座(15)内设置有活塞腔(13)，活塞腔(13)内设置活塞(14)，底座(15)的底部一侧有孔道(16)，孔道(16)与压力容器(17)相通，底座(15)上的两侧安装了两个固定螺杆(4)，在固定螺杆(4)顶部放置有反力梁(3)，其共同组成反力框架，压力室(8)上设置有传压盖板(5)，传压盖板(5)的上部设置有一压力传感器(2)。

2、根据权利要求1所述的一种土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪，其特征在于，所述的压力室(8)上部的透水石顶设置传压盖板(5)，压力室(8)侧壁有一层隔膜(7)，隔膜(7)的外侧为充满水的隔膜室(11)，其外侧壁有一圆形孔道(6)和侧压力传感器(9)相连通，压力室(8)底部有一圆形孔道(10)，圆形孔道(10)的外侧和孔压传感器(12)连通，其上部的反力梁(3)和压力传感器(2)相连。

3、根据权利要求1所述的一种土一维固结、渗透、应力松弛综合试验仪，其特征在于，压力室(8)一侧的顶部固定有金属杆(18)，金属杆(18)配置在百分表(1)上，百分表(1)测量变形滑动杆通过压力传感器(2)的孔心和传压盖板(5)相连接。

4、一种使用权利要求1所述装置的方法，其特征在于：按以下步骤进行：

1)首先制备土样，将制备好的土样放入压力室(8)的底部，将覆盖有滤纸的透水石覆盖在土样上面，安放好传压盖板(5)和压力传感器(2)；

2)通过压力容器(17)调节压力，给土样预加压力，预加压力的大小可通过压力传感器(2)获得，使压力室(8)内上下透水石与土样及上部透水石与传压盖板(5)密切接触，装好百分表(1)并调整百分表读数为零；向隔膜室(11)里注水，直到没有气泡排出；打开侧压力传感器(9)或孔压传感器(12)，做渗透试验时拆除孔压传感器(12)，检查传感器读数的显示情况；

3)在第1)步和第2)步完成的基础上，进行以下试验：

a.一维压缩或固结试验

首先按照试验方案，通过压力容器(17)调节压力，通过活塞(14)抬升的高度给土样逐级施加5-800Kpa各级荷载，各级荷载的大小可通过压力传感器(2)获得，当土样每小时变形量小于0.01mm时，土样变形达到稳定，通过百分表(1)指针的变化记录每级荷载作用下土样变形稳定后的变形量，对试验数据进行计算和整理，得出土样的e-p曲线与e-logp曲线，通过土样的e-p曲线或e-logp曲线可得到试件的压缩系数a、压缩模量E_s与压缩指数C_c总应力指标，计算公式如下：

$a=\frac{e_1-e_2}{p_1-p_2}---\left(1\right)$

式中：p₁、p₂-土样所受竖向荷载(p₂＞p₁)；

      e₁、e₂-土样在p₁与p₂荷载作用下对应的孔隙比；

$E_s=\frac{1+e_1}{a}---\left(2\right)$

式中：e₁-土样孔隙比；

      a-土样压缩系数；

$C_c=\frac{e_1-e_2}{\frac{1g{p}_2}{1g{p}_1}}---\left(3\right)$

式中：p₁、p₂-土样所受竖向荷载(p₂＞p₁)；

      e₁、e₂-土样在p₁与p₂荷载作用下对应的孔隙比；

固结试验时，利用秒表记录下不同时刻百分表读数，把试验数据进行整理，可以利用传统方法如时间平方根法或时间对数法求取土样的固结系数C_v；

土样进行固结试验过程中，可通过孔压传感器(12)与侧压力传感器(9)测试土样孔隙水压力和侧压力的大小，因此还可得到试件固结过程的有效应力及其所对应的物理指标，直接计算试件的总应力下的侧压力系数K₀和泊松比μ与有效应力下的侧压力系数K₀′及其泊松比μ′，计算公式如下：

                 σ＝σ′+u                                (4)

式中：σ-总应力；

      σ′-有效应力；

      u-孔隙水压力；

总应力指标：

$K_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_3}{{\mathrm{\σ}}_1}---\left(5\right)$

式中：σ₃-侧应力；

      σ₁-轴向应力；

      K₀-侧压力系数；

                 μ＝K₀/(1+K₀)                             (6)

式中：K₀-侧压力系数；

      μ-泊松比；

有效应力指标：

$K_0^{\′}=\frac{{\mathrm{\σ}}_3^{\′}}{{\mathrm{\σ}}_1^{\′}}---\left(7\right)$

式中：σ₃′-有效侧应力；

      σ₁′-有效轴向应力；

      K₀′-有效侧压力系数；

                  μ′＝K₀′/(1+K₀′)                      (8)

式中：K₀′-有效侧压力系数；

      μ′-有效泊松比；

b.连续加载固结试验

在上述试验步骤1)与2)基础上，通过压力调节器(17)对土样进行连续加载，从而得到土样在连续加载条件下土样固结的总应力σ、u、K₀或有效应力物理力学指标σ′、μ′、K₀′，计算方法同一维固结或压缩试验的计算方法相同；

c.渗透试验

固结试验的过程中，如需要测试每级荷载作用下土样固结变形稳定后的渗透系数时，则在上述试验步骤1)与2)的基础上，固定活塞(14)，活塞(14)位置固定通过调节压力容器内(17)的压力实现，然后使土样保持在相应荷重下变形稳定后的高度不变，进行变水头渗透试验，通过变水头渗透试验，得到在不同温度下土样的渗透系数，然后换算为温度10°时的渗透系数K₁₀，进而得到渗透系数K₁₀和孔隙比e的关系曲线；

d.应力松弛试验

在上述试验步骤1)与2)的基础上，通过调节压力容器(17)内的压力使活塞(14)产生向上的竖向位移5％mm-3mm，使土样产生变形，然后固定加压活塞(14)位置，活塞(14)位置固定通过调节压力容器(17)内的压力实现，随即通过压力传感器(2)量测土样轴向应力随时间的变化过程，通过试验数据得到土体的应力松弛曲线；

e.土的蠕变试验

在步骤1)与2)的基础上，调节压力调节容器(17)内的压力给土样施加5-800Kpa，并保持所施加的应力不变，通过百分表(1)读数随时间的变化过程，获得土样变形随时间的土样蠕变曲线。

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