CN203981507U - 一种新型平面应变固结试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型平面应变固结试验装置，包括试样室、测量单元和加载单元；试样室包括底座，底座上设置有排水板，底座和排水板之间设置有排水管，底座上设置有透明的侧板，底座和侧板之间形成可进行测试的容腔，侧板上均匀设置有若干个与测压管相连的侧壁测压孔，试样室顶部设置有金属加载板，试样室外部设置有试样室框架；测量单元包括设置在侧板上的土压力传感器、设置在金属加载板上的位移传感器和可插入土样中的孔隙水压力传感器，测量单元通过导线与传感器数据采集装置相连；加载单元包括空气压缩机和加载气缸，空气压缩机和加载气缸之间通过气压调节器相连，加载气缸上设置有与试样室框架相连的加载气缸框架。

Description

一种新型平面应变固结试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型平面应变固结试验装置。 

背景技术

建筑地基处理工程、堤坝填土工程或吹填土工程中常采用水平砂垫层（或夹砂层）来加速土体固结，待固结土体中孔隙水渗流以竖直向为主，砂垫层顶面不透水，所以其孔隙水渗流以水平向为主。两者渗流路径方向的不一致性，使得砂垫层的厚度和长度、洁净程度（或渗透系数）、及其（以水平向而非竖直向为主的）渗流路径将会直接影响到待固结土体边界的透水性。土石坝、路基、堤防、挡土墙及地下隧道等工程沿长度方向断面形状不变,荷载情况也不变，土体的应力变形状态为平面应变问题,因此研究含砂垫层的待固结土体在平面应变下的固结特性具有实际的工程意义。 

目前能用于研究土体平面应变固结的试验装置多是在三轴仪基础上改装而成，如同济大学平面应变仪尺寸为70×25×70 mm，试样较小，由于砂垫层中孔隙水渗流路径以水平向为主，这类平面应变实验装置不能模拟砂垫层长度远大于厚度的特点。或者单纯为一个长方体凹槽，无加载系统，如中国实用新型专利CN 2909226Y公开的一种完全铸造的平面应变试验台。又或者如中国实用新型授权专利号为CN201955267U，名称为一种大型平面应变试验测试设备，可用于研究高土石坝力学特性，试样尺寸较大，但是加载位置固定，不能满足砂垫层长度变化时加载的均布性。 

总而言之，现有的试验装置均不能很好的模拟实际工况下砂垫层长度、厚度变化对于待固结土体固结特性的影响。 

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种新型平面应变固结试验装置，能够模拟实际工况下砂垫层渗流路径变化对于待固结土体固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散的影响。进一步的，加载位置可调，保证模拟的精确度。 

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现： 

一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，包括试样室、测量单元和加载单元；

所述试样室包括底座，所述底座上设置有排水板，所述底座和排水板之间设置有排水管，所述底座上设置有透明的侧板，底座和侧板之间形成可进行测试的容腔，所述侧板上均匀设置有若干个与测压管相连的侧壁测压孔，试样室顶部设置有金属加载板，所述试样室外部设置有试样室框架；

所述测量单元包括设置在侧板上的土压力传感器、设置在金属加载板上的位移传感器和可插入土样中的孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器、土压力传感器和位移传感器均通过导线与外部的传感器数据采集装置相连；

所述加载单元包括空气压缩机和加载气缸，所述空气压缩机和加载气缸之间通过气压调节器相连，所述加载气缸上设置有与试样室框架相连的加载气缸框架。

试样室框架可限制试样室侧板的变形，金属加载板可以设置成多个不同的长度，试样室能满足砂垫层厚度变化范围较广，可提供砂垫层长度变化时的顶面不透水边界，使砂垫层中孔隙水渗流主要沿水平向。试样根据高度分批次均匀地装入试样室，试样浸水饱和后多余水分可透过下部排水板流入底部排水管排出，当底座和下部排水板之间充满水，关闭底部排水管后试样底面即为不透水边界。测量单元可以实时监测试样在固结过程中孔压、土压力及沉降量的变化，进而定量分析固结效果，为实际工程中砂垫层的选取提供可靠的设计参数。可模拟实际工程中砂垫层孔隙水渗流路径对于待固结土体固结特性的影响。 

进一步的，所述侧板外侧设置有若干个垫片，所述试样室框架上设置有相对应的螺杆。通过调节螺杆对垫片的压力限制试样室在宽度方向的变形，使试样满足平面应变状态，避免了依靠较大厚度侧板自身刚度限制试样变形，造成仪器较重的缺点。 

优选所述加载气缸框架上每间隔一定距离设置有可固定加载气缸的位置孔，方便调节加载位置，使加载气缸水平向位置可通过选择不同的位置孔调节至加载板中线处，保证模拟的精确度。 

本实用新型的有益效果是：能够模拟砂垫层渗流路径变化对于待固结土体固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散的影响。进一步的，加载位置可调，保证模拟的精确度。 

附图说明

图1是本实用新型一种新型平面应变固结试验装置的正视图； 

图2是本实用新型一种新型平面应变固结试验装置的左视图；

图3为试样室框架的俯视图；

图4为试样室底座及排水板平面图；

图5为试样室顶端肋板平面图；

图6为排水板的结构示意图；

附图的标记含义如下：

1：底座；2：排水管；3：排水板；4：侧板；5：侧壁测压孔；6：金属加载板；7：孔隙水压力传感器；8：土压力传感器；9：位移传感器或百分表；10：导线；11：空气压缩机；12：气压调节器；13：加载气缸；14：试样室框架；15：螺杆；16：垫片；17：加载气缸框架；18：位置孔；19：传感器数据采集装置；20：肋板。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。 

如图1、图2和图3所示，一种新型平面应变固结试验装置，包括试样室、测量单元和加载单元。 

其中，试样室包括底座1，如图4所示，所述底座1上设置有排水板3，排水板3上均匀设置有若干个排水孔，如图6所示。所述底座1和排水板3之间设置有排水管2，水可以通过排水孔流入排水管2中。所述底座1上设置有透明的侧板4，底座1和侧板4之间形成可进行模拟的容腔，测试时，需要将样品放置在容腔内进行模拟。所述侧板4上均匀设置有若干个与测压管（图中未示出）相连的侧壁测压孔5，试样室顶部设置有金属加载板6，模拟时，容腔内土体上接砂垫层，砂垫层上接金属加载板6，使得砂垫层顶面不透水而沿水平向排水，其渗流路径的变化通过选取不同的长度和厚度得到，试样室尺寸可以设为1000×150×400mm，砂垫层长度和厚度可选择范围较广。 

实际应用中，试样室整体可以由透明的有机玻璃板和肋板20胶结而成，比如由厚10 mm的钢化有机玻璃板和肋板20胶结而成。其试样室顶端肋板20平面图如图5所示，可将试样室顶端箍起来。所述试样室外部设置有试样室框架14。试样室框架14可限制试样室侧板4的变形，金属加载板6可以设置成多个不同的长度，结合上文中试样室尺寸，比如宽为150 mm，长度分别为500 mm、400 mm、300mm等等。试样室能满足砂垫层厚度变化范围较广，同时可提供砂垫层长度变化时的顶面不透水边界，使砂垫层中孔隙水渗流主要沿水平向。试样根据高度分批次均匀地装入试样室，试样浸水饱和后多余水分可透过下部排水板3流入底部排水管2排出，当底座1和下部排水板3之间充满水，关闭底部排水管2后试样底面即为不透水边界。 

其中，所述侧板4外侧设置有若干个垫片16，所述试样室框架14上设置有相对应的螺杆15。通过调节螺杆15对垫片16的压力限制试样室在宽度方向的变形，使试样满足平面应变状态，避免了依靠较大厚度侧板4自身刚度限制试样变形，造成仪器较重的缺点。 

测量单元包括设置在侧板4上的土压力传感器8、设置在金属加载板6上的位移传感器9和可插入土样中的孔隙水压力传感器7，所述孔隙水压力传感器7、土压力传感器8和位移传感器9均通过导线10与外部的传感器数据采集装置19相连，即孔隙水压力传感器7、土压力传感器8和位移传感器9测得的数据通过导线10传送到传感器数据采集装置19进行记录，方便后续的分析。 

如图1中所示那样，孔隙水压力传感器7按照3行3列的排列方式设置在侧板上，位置是可以变化的，即孔隙水压力传感器7分三层分别布置在试样底面、中部及顶面，监测固结过程中孔隙水压力变化情况。土压力传感器8分两层布置在金属加载板6底部及试样底部，每层设置3个，实时监测固结加载过程。图中四个位移传感器9位于加载板上，一个位移传感器9位于侧板外侧（图中未示出）用于测侧板4变形，其中位移传感器9也可以采用0 ~ 50 mm量程百分表替代。 

测量单元可以实时监测试样在固结过程中孔压、土压力及沉降量的变化，进而定量分析固结效果，为实际工程中砂垫层的选取提供可靠的设计参数。 

加载单元包括空气压缩机11和加载气缸13，所述空气压缩机11和加载气缸13之间通过气压调节器12相连，所述加载气缸13上设置有与试样室框架14相连的加载气缸框架17。优选加载气缸13可提供0 ~ 15 kN荷载，行程为80 mm,在试样沉降较大时依然可有效提供载荷。 

优选加载气缸框架17上每间隔一定距离设置有可固定加载气缸13的位置孔18，比如可以设置8个位置孔18，位置孔18间距为50 mm，方便调节加载位置，使加载气缸13水平向位置可通过选择不同的位置孔18调节至加载板中线处，保证模拟的精确度。 

下面以高300 mm土样、长500 mm和厚20 mm砂垫层为例来阐述具体模拟步骤： 

先在试样室端部贴上坐标纸，用于测量已装土样高度及砂垫层厚度，然后将试样室放入试样室框架14底部的金属板上，将各螺杆15拧紧至垫片16处并安装位移传感器9或百分表。关闭底部排水阀门，在排水板3处铺设一层土工布，向试样室中注水至水面高出下部排水板30 mm，从试样室端部开始500 mm范围内均布3个孔隙水压力传感器7和3个土压力传感器8。将接近液限的土样浆液分批填入试样室中，每次填入大致相同的量（每次约30 mm高土样）并保证土样一直淹没在水面以下，装样宜均匀并保证土中无气泡，每次装土后静置约10 min。

在土样顶面距离侧壁测压孔100 mm时，在测压孔内壁处粘贴双层湿润的滤纸，并用胶带固定滤纸边缘，防止装样后有土颗粒进入或堵塞测压管影响测压管的流通性。然后继续装样至土样高度达到150 mm时，将3个孔隙水压力传感器7均布在500 mm范围内。继续装样至接近侧壁测压孔5处，安装测压管，要保证管内水柱无气泡，然后继续装样至300 mm，铺设第三层孔隙水压力传感器7。 

装样结束后，打开底部排水管2排水，排水管2出口应略高于底部排水板3，同时要保持土样顶面浸没在水中，使土样在自重和渗流作用下初步固结24 h，然后每小时记录一次测压管中水头，待测压管中水头在3 h内基本稳定时，将底部排水管2对折绑紧，保证试验过程中土样底边不透水。将试样再次静置3 h，待土样测压管水头高度稳定时默认土样已饱和，排出土样顶面多余水分。 

从试样室端部开始，在试样顶面铺设长520 mm的双层滤纸，记录土样高度，然后在滤纸上均匀铺设长500 mm、厚20 mm的饱和砂垫层，砂垫层顶面均匀分布的3个压力传感器，记录土样瞬时沉降，然后放置金属加载板6，金属加载板6上放置位移传感器9或百分表。 

安装加载气缸13并使之处于金属加载板6中线处，打开空气压缩机11、气压调节器12、测量单元，排出试样顶面多余水，按照加载计划实施加载，记录固结过程中土体孔压及沉降数据。 

由于金属加载板6长度分别为500 mm、400 mm、300 mm，因此砂垫层长度亦可在三者中选其一，砂垫层厚度亦可在0 ~ 50 mm范围内变化，同时砂垫层渗透系数变化可通过调整砂颗粒粒径级配或者向垫层内掺入质量百分数为0 ~ 40 %的黏土得到。能够模拟砂垫层渗流路径变化对于待固结土体固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散的影响。进一步的，加载位置可调，保证模拟的精确度。 

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 

Claims (6)

1.一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，包括试样室、测量单元和加载单元；

所述试样室包括底座（1），所述底座（1）上设置有排水板（3），所述底座（1）和排水板（3）之间设置有排水管（2），所述底座（1）上设置有透明的侧板（4），底座（1）和侧板（4）之间形成可进行测试的容腔，所述侧板（4）上均匀设置有若干个与测压管相连的侧壁测压孔（5），试样室顶部设置有金属加载板（6），所述试样室外部设置有试样室框架（14）；

所述测量单元包括设置在侧板（4）上的土压力传感器（8）、设置在金属加载板（6）上的位移传感器（9）和可插入土样中的孔隙水压力传感器（7），所述孔隙水压力传感器（7）、土压力传感器（8）和位移传感器（9）均通过导线（10）与外部的传感器数据采集装置（19）相连；

所述加载单元包括空气压缩机（11）和加载气缸（13），所述空气压缩机（11）和加载气缸（13）之间通过气压调节器（12）相连，所述加载气缸（13）上设置有与试样室框架（14）相连的加载气缸框架（17）。

2.根据权利要求1所述的一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，所述侧板（4）外侧设置有若干个垫片（16），所述试样室框架（14）上设置有相对应的螺杆（15）。

3.根据权利要求1所述的一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，所述孔隙水压力传感器（7）按照3行3列的排列方式设置在侧板（4）上。

4.根据权利要求3所述的一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，所述土压力传感器（8）按照2行3列的排列方式设置在侧板（4）的底部和金属加载板（6）的底部。

5.根据权利要求2所述的一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，所述加载气缸框架（17）上每间隔一定距离设置有可固定加载气缸（13）的位置孔（18）。

6.根据权利要求5所述的一种新型平面应变固结试验装置，其特征在于，所述排水板（3）上均匀设置有若干个排水孔。