CN201434803Y - 细观结构观测固结仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于固结试验、土体受到轴向压力和侧限条件时，对土的细观结构和土体内部的变形随压力变化而变化进行观测的土工试验仪器即细观结构观测固结仪，其包括底座、设置在底座内的大套环、设置在大套环内的小套环、透水石及传压盖板，所述透水石包括上透水石和下透水石，所述大套环、传压盖板、小套环和透水石均为半圆状，所述大套环的直边侧面为平板状透明物体构成的细观结构观测面；所述细观结构观测面、大套环、小套环和透水石相互连接构成一盛放土样的固结容器。本实用新型不仅可以进行砂土细观结构和土体内部变形的观测，也可以进行黏性土土体内部变形的观测，具有易于加工、试验简便、试验结果直观等优点。

Description

细观结构观测固结仪

技术领域：

本实用新型涉及一种基于固结试验、土体受到轴向压力和完全侧限作用时对土的细观结构进行观测的土工试验仪器，尤其涉及的是一种可以对试验土样进行细观结构观测和变形场观测的细观结构观测固结仪。

背景技术：

目前，国内外采用的固结仪是将天然状态下的原状土样或扰动土样置于压缩仪器中(如图1所述)，在不同荷载条件下测定其压缩变形。常规的标准固结仪包底座20、安装在底座20内的上透水石22、下透水石25以及设置上透水石22上方的传压盖板21，在下透水石25两侧而安装有大套环24，大套环24向内安装有小套环23，小套环23、大套环24、上透水石22以及下透水石25构成的压缩容器27，环刀和土样置于压缩容器27中。这种结构的固结仪在试验的加荷方式为应力控制方法，一般为杠杆加荷。根据得到各级荷载p下对应的孔隙比e，从而可绘制出土样压缩试验的e-p曲线及e-lg p曲线等，从而测定试样在完全侧限条件和轴向排水条件下的荷载与压缩变形量的关系，以便计算土样的压缩系数av和压缩模量Es等宏观力学性质参数。在压缩试验中，试验的土样是在金属套环中，在试验过程中能测量到土样的受力和变形情况，而不能观测到土样内部的土体细观结构的变化和土体变形的变化，无法研究加载过程中土体的细观结构力学特性和变形特性，从而影响对土的细观结构进行观测试验效果。

实用新型内容：

本实用新型目的是为了解决传统固结仪无法进行土体的细观观测和变形场的问题，基于常规固结试验方法，提供一种试验简便、结果直观，可广泛适用于侧限和轴向排水条件下的非饱和土的细观分析仪器即细观结构观测固结仪，使其能够直观的观测土体内部的细观结构变化，直观观测土体内部的变形场的变化，研究土体排水固结过程中的细观结构力学特性。

为了实现上述的目的，本实用新型通过如下的技术方案来实现：

细观结构观测固结仪，它包括底座、设置在底座内的大套环、设置在大套环内的小套环、透水石及传压盖板，所述透水石包括上透水石和下透水石，其特征在于，所述大套环、传压盖板、小套环和透水石均为半圆状，所述大套环的直边侧面为平板状透明物体构成的细观结构观测面，可以通过平板状透明物体观测到土体内部的剖面图象；所述平板状透明物体为平板状透明钢化玻璃，在实验过程中可以通过细观结构观测面的平板状透明钢化玻璃对土体内部进行观测和拍摄。该平板状透明物体具有足够的刚度，确保压缩过程的平板状透明物体不会弯曲变形，保证对土样的完全侧限条件和清晰的拍摄效果。

所述细观结构观测面、大套环、小套环和透水石相互连接构成一盛放土样的固结容器，该固结容器的半圆体的弧形侧面由环形、刚性的金属制作形成小套环，固结容器的半圆体的直边侧面由平板状透明物体制作即为细观结构观测面，它们对土样起水平约束作用。

在所述底座上还设有一顶紧内部固结容器的紧固螺栓，同时顶紧了内部各构件，使大套环和小套环在竖向压力下，不使大套环、小套环和土样发生侧向变形，以保证固结容器内土样的完全侧限条件。

所述小套环设有上小套环和下小套环，所述上小套环通过螺丝与下小套环相连接。

所述透水石包括上透水石和下透水石，所述下透水石设置在大套环内，所述上透水石设置在上小套环内，所述的传压盖板设置在上透水石上。

所述底座及传压板采用标准固结仪底座和传压盖板按标定的尺寸进行切割而成，传压盖板加工时保证加压杠杆作用于其形心处，避免发生偏心荷载。

本实用新型是建立在室内土工试验的固结试验基础上，基于固结试验的工作原理，采用了半圆状的小套环、外部套环、传压盖板和透水石；试验土样按要求的密实度装入固结容器的小套环内，该小套环为半圆状圆柱体；固结容器半圆体的弧形侧面由环形、刚性的金属制作形成小套环，固结容器的半圆体的直边侧面由平板状透明物体制作，它们对土样起水平约束作用。

为使钢化玻璃嵌套牢固，在所述上小套环和下小套环的内侧以及下透水石的端部对称开有一凹槽，槽宽与玻璃厚度相同，将钢化玻璃嵌入小套环和透水石，使钢化玻璃和小套环对土样产生侧限；最后，细观结构观测固结仪的几何尺寸要适合体视显微镜的安置与观测，以及拍摄所需灯光的照明。

按顺序安装细观结构观测固结仪进行侧限压缩试验：大套环-下透水石-小套环(下)-钢化玻璃-滤纸-紧固螺栓-土样-小套环(上)-螺丝(固定上、下小套环)-滤纸-上透水石-传压盖板-百分表-加载系统；对土样施加垂直荷载，观测百分表读数，记录荷载、位移、时间等数据；通过半圆体直边侧面的平板状透明物，观测各级荷载作用下土体侧表面的细观结构变化和变形场变化，从而得出各级压缩荷载作用下的土体内部的细观结构变化和变形场变化。

基于上述，本实用新型的在固结试验过程中获得传统试验参数的同时，还可对土体进行细观结构观测和变形场观测，实现了土样在侧限条件下和轴向排水过程中，不仅能够测试土样的受力变形，而且可以直观的观测土体内部的细观结构变化，并具有易于加工、试验简便、试验结果直观等优点，利用该仪器不仅能进行土样的全剖面观测，也可以进行土样的局部部位细观结构观测。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为常规的标准固结仪剖面图。

图2为本实用新型的剖面图。

图3为图2的俯视图。

具体实施方式：

结合具体的试验实例和相关设备技术，对本发明进行进一步详细描述：

参见图2和图3，本实用新型是基于常规室内固结试验，用来观测土体在完全侧限条件下受到竖向压缩荷载时的细观结构和变形场的试验仪器。本实用新型细观结构观测固结仪依托基于固结试验的工作原理，其包括底座3、安装底座3内的大套环5、固结容器11、传压盖板9、上透水石8、下透水石1和百分表。该固结容器半圆体的弧形侧面由环形、刚性的金属制作形成小套环，试验土样按要求的密实度装入固结容器的小套环内，该小套环为半圆状圆柱体；并将其切割成上下两部分即上小套环6和下小套环7，该上小套环6和下小套环7通过螺丝10连接起来。其中，上小套环6、下小套环7、大套环5、传压盖板9、上透水石8和下透水石1均为半圆状，该下透水石1安装在大套环5内，上透水石8装入上小套环6内；在固结容器11内装入土样，该受压土样为半圆状圆柱体，土样外径与下小套环内径相同。大套环5的直边侧面为平板状透明物体构成的细观结构观测面2，即固结容器11的半圆体的直边侧面由平板状透明物体制作。本实用新型通过上小套环6、下小套环7、细观结构观测面2和螺丝10相适配而构成本实用新型中盛放土样的固结容器11。固结容器连接完毕，构成刚性的、金属制作的半环状与直边侧面的平板状透明物体的半圆柱体空间，对半圆柱体土样起完全侧限作用；所述直边侧面的平板状透明物体构成细观结构观测面，可以通过平板状透明物体观测到土体的内部图象；在本实施例中，平板状透明物体为平板状透明钢化玻璃，并作为固结容器的细观结构观测面，它们对土样起水平约束作用。

本实用新型中，固结容器11的直边侧面的平板状透明物体作为细观结构观测面2，其高20mm，宽61.8mm，并采用了足够刚度的平板状透明物体制作(如钢化玻璃)，确保压缩过程的平板状透明物体不会弯曲变形和破裂，影响对土样的侧限或导致土样的破坏。在实验过程中可以通过细观结构观测面2的钢化玻璃对土体内部进行观测和拍摄，同时通过视觉和仪器观测土样的侧面受竖向压缩荷载作用的土体细观结构和土体变形场。。在本实施例中，平板状透明物体采用的是加工面积为72×33mm，厚度为4mm，具有足够刚度的平板状透明钢化玻璃，确保压缩过程的平板状透明物体不会弯曲变形，保证对土样的完全侧限条件和清晰的拍摄效果。为使钢化玻璃嵌套牢固，在上小套环6和下小套环7的内侧以及下透水石1的端部对称开有一凹槽，凹槽宽与玻璃厚度相同，将钢化玻璃嵌入小套环和下透水石1的凹槽中，使钢化玻璃和小套环对土样产生侧限。

此外，为了更好对土体内部进行观测和拍摄观测，本实用新型的几何尺寸要适合体视显微镜的安置与观测，以及拍摄所需灯光的照明，便于通过平板状透明物体观测土体的细观结构。本实施例采用了镜头前部直径64mm，长度25mm，后部扩展区45度，斜边长30mm，直径120mm的体视显微镜，方便了对土体内部进行观测和拍摄。

值得注意的是，本实用新型中的底座3及传压板采用标准固结仪底座3和传压盖板9按标定的尺寸进行切割而成，传压盖板9加工时保证加压杠杆作用于其形心处，避免发生偏心荷载。本实用新型将现有固结仪的小套环、环刀和其上护环按尺寸要求加工成一个等厚的半圆状小套环，并每隔90度打一个孔(共三个)，再将其将其切割成上、下两部分即上小套环6和下小套环7，配有螺丝×3(d＝3mm)将上、下两部分连接牢固；底座外壁打两个孔径d＝4mm的钻孔，安置紧固螺栓4顶紧内部各构件即固结容器11，使大套环5和小套环在竖向压力下，不使大套环5、小套环和土样发生侧向变形，以保证固结容器11内土样的完全侧限条件。

为了更为详细阐述本实用新型，本实用新型的具体设置和操作如下：

(1)建立在室内土工固结试验仪的基础上，基于固结试验的工作原理，进行细观结构观测的固结试验。

(2)固结容器包括大套环、小套环、传压盖板和透水石为半圆状。

(3)试验土样装入固结容器的小套环内，为半圆柱体；

(4)固结容器半圆体的弧形侧面由环形、刚性的金属制作，固结容器的半圆体的直边侧面由平板状透明物体制作，它们对土样起完全侧限作用。

(5)按顺序安装细观结构观测固结仪进行侧限压缩试验：大套环5-下透水石1-下小套环7-钢化玻璃-滤纸-紧固螺栓4-土样-上小套环6-上螺丝10(紧固上、下小套环)-滤纸-上透水石8-传压盖板板9-百分表；对土样施加垂直荷载，观测百分表读数，记录荷载、位移、时间等数据；通过半圆体直边侧面的平板状透明物，观测各级荷载作用下土体侧表面的细观结构变化和变形场变化，从而得出各级压缩荷载作用下的土体内部的细观结构变化和变形场变化。

(6)对土体施加垂直荷载，观测百分表读数，记录时间等参数。

(7)通过半圆体直边侧面的平板状透明物，观测土体侧表面的细观结构变化，从而得出各级压缩荷载作用下的土体侧表面的细观结构变化。

(8)重复(6)-(7)，得出各级荷载作用下的土体侧表面的细观结构变化。

在上述本实用新型中，对所述土样的制作和安装要求是：

(1)半圆状圆柱形土样的制作，可用电子天平(精确到0.01g)称取一定量调好的土样，分层装入固结容器中，并抹平样面。装好试样后，用电子天平称出剩下土样重量，则可得出试样室中土的初始孔隙比。

(2)半圆柱土样与下小套环7的高度相同。

(3)半圆柱土样的直径和各部分尺寸，与固结容器内部空间几何尺寸相同。

(4)半圆状圆柱形土样的上、下表面平整，铺设滤纸后，与上、下透水石的下、上表面平整接触。

下面为样本试验的过程与内容：

1.样本试验的土样为海滩细砂，土的重度14.6kN/m³，含水率5.9％，内摩擦角38.3°。

2.将大套环仪器插入底座槽中，并放置下透水石，铺设滤纸；

3.将下小套环7放入大套环内，并将钢化玻璃嵌入下小套环7和下透水石1的凹槽中。

4.按半圆柱土样的体积、规定含水率和重度的要求，计算称取一定量制备好的土样，装入固结容器11的下小套环7内，并压实抹平样面。土样半径为30.9mm，土样高度为20mm；表面铺设好滤纸后，将上小套环6沿槽嵌于钢化玻璃上，并用螺丝将小套环的上、下两部分牢固连接，与钢化玻璃共同形成所述的固结容器。

5.土样表面铺设滤纸并放入上透水石8，最后放置传压盖板9，调整百分表。

6.安装加载系统，通过在砝码盘放置砝码，对土样施加垂直荷载，记录时间和土体压缩量；

7.加荷的同时，观测土样的细观结构和变形场的变化，并拍摄数码照片；

8.分级加荷，测试不同垂直荷载作用下土样的细观结构和变形场变化。

9.对拍摄的数码照片进行记录和整理，将数码照片输入相应的分析软件进行图像分析，得到土体细观结构和变形场参数。

10.试验和观测结果达到设计要求后，取出土样，撤除仪器设备，完成细观结构观测固结仪的压缩试验。

本实施例的技术参数如下：

1、土样制备：试验前按要求测得土样的含水率、密度、土粒比重以及装入土样的质量，得到压缩试验前试样室中土的初始孔隙比。

2、施加垂直荷载：对土样施加的法向应力的一般值为，50kPa，100kPa，200kPa，300kPa，400kPa等；力的大小及每级加荷时间，可以根据要求自行确定。

3、土样的细观结构观测：在施加垂直荷载的过程中，通过直立的平板透明钢化玻璃，使用体视显微镜直接观测并拍摄土样的细观结构变化；使用数码相机直接观测并拍摄土样的变形图像。

基于上述，本实用新型在固结试验过程中不仅获得传统试验参数，同时还可对土体进行细观结构观测和变形场观测，填补了目前土工实验仪器的固结仪不能观测土体细观结构的空白，提供一种能够直观的观测土体内部的细观结构变化，研究受到垂直荷载土体的细观结构的力学特性的有效的试验仪器。相对于常规固结仪，细观结构观测固结仪不仅能够测试土样的受力和变形，而且能够直观的观测到土体内部的细观结构变化。

本实用新型实现了在施加垂直荷载的过程中，可以直观地观测土体内部的细观结构变化，并具有试验简便、试验结果直观，可以进行土样的全剖面观测、也可以进行土样的局部部位细观结构观测的特点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (7)

1、细观结构观测固结仪，它包括底座、设置在底座内的大套环、设置在大套环内的小套环、透水石及传压盖板，所述透水石包括上透水石和下透水石，

其特征在于，所述大套环、传压盖板、小套环和透水石均为半圆状，所述大套环的直边侧面为平板状透明物体构成的细观结构观测面；

所述细观结构观测面、大套环、小套环和透水石相互连接构成一盛放土样的固结容器。

2、根据权利要求书1所述的细观结构观测固结仪，其特征在于，所述底座上还设置有一顶紧内部固结容器的紧固螺栓。

3、根据权利要求书1所述的细观结构观测固结仪，其特征在于，所述小套环设置有上小套环和下小套环，所述上小套环通过螺丝与下小套环相连接。

4、根据权利要求书3所述的细观结构观测固结仪，其特征在于，所述透水石包括上透水石和下透水石，所述下透水石设置在大套环内，所述上透水石设置在上小套环内。

5、根据权利要求书4所述的细观结构观测固结仪，其特征在于，所述上小套环和下小套环内侧以及下透水石的端部均设有一凹槽，在所述凹槽内嵌套所述平板状透明物体。

6、根据权利要求书4所述的细观结构观测固结仪，其特征在于，所述的传压盖板设置在上透水石上。

7、根据权利要求书5所述的细观结构观测固结仪，其特征在于，所述平板状透明物体为平板状透明钢化玻璃。

Images