CN204924802U - 一种室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置，其包括固结压力室、杠杆加载系统、体积变形量测装置和模拟上覆含水层的水压力施加装置；固结压力室包括金属压力室以及橡胶模，试样的上方设置有透水石和试样帽；模拟上覆含水层的水压力施加装置包括水压力施加容器以及压力源；体积变形量测装置包括体积变形量测容器以及压力源；杠杆加载系统包括高压固结仪、承力杆以及传力杆；金属压力室下部的底板上设有孔，穿过该孔的管路一端与孔隙水压力传感器以及试样排水体积量测计连通。本实用新型将三轴试验装置和固结试验装置巧妙的结合，并利用高压固结试验装置中的杠杆原理进行加载，其操作方便，整体结构较简单。

Description

一种室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种土工实验技术，尤其涉及一种室内模拟抽取承压水导致黏土变形的简易固结试验装置。

背景技术

抽取承压水导致的地面沉降问题在世界各地均有发生，抽取承压水时上覆黏土层既有垂向沉降，也有水平向变形，而目前常规固结试验装置仅反映了垂向变形。因此通过对室内固结试验装置进行改进，反映抽取承压水时上覆黏土层的应力状态特点，进而研究抽取承压水导致的饱和黏土层固结机理，将对地面沉降的预测和减轻地面沉降灾害提供科学依据。

目前所采用的固结试验装置主要有两类：（1）常规或改进的一维固结试验装置：常规固结试验装置通过砝码和杠杆系统加载、位移计测量垂向变形，获得荷载大小与固结时间对垂直变形的影响曲线及土体压缩模量等参数。研究者对一维固结装置进行多种改造，例如ImaiG(1992)、曹文炳(1986)等、孙丽云(2010)等改造固结试验装置，英国的GDS高级固结试验装置，改造后能够测量复杂加载条件下固结过程中的渗透系数变化规律，但对于研究抽取承压水导致上覆黏土层变形仍存在以下缺点：①不能反映水平变形的影响。②国外先进设备价格昂贵。（2）常规或改进的固结三轴仪：常规固结三轴仪，能够通过液压系统或气压系统施加荷载和围压，在压力室内使土样达到固结，能够反映水平变形的影响。近期陈正汉(2005)、白冰(2011)在前人研究基础上对常规三轴固结仪进行改进，可用来测定变化温度荷载和外力荷载耦合作用下试样的热固结变形量。而对于研究抽取承压水导致上覆黏土层变形其缺点是，①试样体积较小，高度与直径之比较大，加载时容易形成弯曲变形，与实际地面沉降的径向变形不符。而且常规三轴试样的直径仅为3.91cm、高度为8cm，不能准确反映现场土的工程特性；②不能反映承压水上覆黏土层以上的含水层水压力对固结变形的影响，即抽水造成的越流影响。③对于较大直径的试样，需要加载系统规格高、价格较贵。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构较简单、操作方便且能够开展大体积黏土试样固结试验的室内模拟抽取承压水导致黏土变形的简易固结装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案是：一种室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置，其关键技术在于：其包括固结压力室、杠杆加载系统、体积变形量测装置和模拟上覆含水层的水压力施加装置；

所述固结压力室包括金属压力室以及位于金属压力室内部的用于盛置密封试样的橡胶模，所述试样的上方设置有透水石和试样帽，所述试样的下方设置透水石和底座；

所述模拟上覆含水层的水压力施加装置包括水压力施加容器以及与水压力施加容器连通的压力源，所述水压力施加容器的出水管路延伸至试样上方的透水石处；

所述体积变形量测装置包括体积变形量测容器以及与其连通的用于加围压的压力源，所述体积变形量测容器经管路与金属压力室连通；

所述杠杆加载系统包括高压固结仪、借助高压固结仪的杠杆加载装置加载的承力杆以及位于承力杆下方的传力杆，所述传力杆位于试样帽上方；

所述金属压力室下部的底板上设有孔，穿过该孔的管路一端与孔隙水压力传感器以及试样排水体积量测计连通，该管路的另一端延伸至试样下方的透水石下部。

优选的，所述金属压力室为不锈钢空心圆柱体，所述体积变形量测容器为透明空心圆柱体，所述水压力施加容器为透明空心圆柱体。

优选的，水压力施加装置和体积变形量测装置中的压力源为空压机或液压系统。

优选的，所述金属压力室的直径×高×壁厚=300mm×150mm×3mm，所述透水石直径×高=150mm×10mm，所述试样直径×高=150mm×80mm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型将三轴试验装置和固结试验装置巧妙的结合，并利用高压固结试验装置中的杠杆原理进行加载，其操作方便，整体结构较简单。该装置将达到如下的技术效果：①通过在试样上部安装水压力施加装置，能够开展考虑上覆含水层越流影响的黏土层固结沉降问题研究；②通过改造常规固结试验装置，使固结压力室能够施加围压，进而能够开展考虑水平变形的黏土层固结沉降问题研究，③通过改变固结压力室的高径比，并采用简单的杠杆加载系统来实现，能够开展大体积黏土试样固结试验，且装置价格较低廉。④通过设置位移传感器、孔隙水压力传感器、体积变形量测容器等仪器，能够对抽取承压水造成黏土层固结过程中的孔隙水压力、沉降问题进行研究。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是杠杆加载系统示意图；

其中，1-承力杆；2-传力杆；3-水压力施加容器；4-第一压力源；5-金属压力室；6-试样帽；7-橡胶模；8-试样；9-底座；10-透水石；11-体积变形量测容器；12-第二压力源；13-试样排水体积量测计；14-阀门；15-孔隙水压力传感器；16-螺母。

图2中，17-手轮；18-位移传感器；19-杠杆加载装置；20-砝码加载盘；21-支座。

具体实施方式

参见附图1和附图2，本实施例固结压力室、杠杆加载系统、体积变形量测装置和模拟上覆含水层的水压力施加装置这四大部分。

所述固结压力室包括金属压力室5以及位于金属压力室5内部的用于盛置密封试样8的橡胶模7，所述试样8的上方设置有透水石10和试样帽6，所述试样8的下方设置透水石10和底座9。与常规三轴试验相似，试样8外包有橡胶模7，用橡皮筋将试样帽6、底座9、透水石10和试样8绑紧，使得试样与金属压力室5内的水隔离。

所述模拟上覆含水层的水压力施加装置包括水压力施加容器3以及与水压力施加容器3连通的第一压力源4，所述水压力施加容器3的出水管路延伸至试样8上方的透水石10处；

所述体积变形量测装置包括体积变形量测容器11以及与其连通的用于加围压的第二压力源12，所述体积变形量测容器11经管路与金属压力室5连通。体积变形量测容器11为一个直径较小的透明空心圆柱体，可根据进入该容器进入固结压力室的水量来测量体积变形，外部压力源可根据需要采用空压机或液压系统。

所述杠杆加载系统包括高压固结仪、借助高压固结仪的杠杆加载装置加载的承力杆1以及位于承力杆1下方的传力杆2，所述传力杆位于试样帽6上方。高压固结仪采用现有设备即可，本实用新型借助高压固结仪（或者单联固结仪的杠杆加载原理）的杠杠加载装置来进行试验。通过试样帽6上方的传力杆2及其上部的承力杆1，以及添加砝码的方法对试样8进行加载。

所述金属压力室5下部的底板上设有2个孔，穿过其中一个孔的管路一端与孔隙水压力传感器15以及试样排水体积量测计13连通，该管路的另一端延伸至试样8下方的透水石10下部，可以量测试样内部流出的水量体积和试样底部的孔隙水压力。另一个孔通过管路与体积变形量测容器11、加围压的第二压力源12相连接。试样帽6开有1个孔，通过管路与水压力施加容器3相连。水压力施加装置和体积变形量测装置中的第一、第二压力源为空压机或液压系统。

所述金属压力室5为上部能打开的不锈钢空心圆柱体，其底部用螺丝拧紧后可以密封，与三轴试验的类似。所述水压力施加容器3为透明空心圆柱体。

所述金属压力室5的直径×高×壁厚=300mm×150mm×3mm，所述透水石10直径×高=150mm×10mm，所述试样8直径×高=150mm×80mm。

本装置中的管路可采用PVC透明软管，内径3～5mm，壁厚2～5mm，工作压力3～5MPa，市场有售。

采用上述装置的试验方法步骤如下：

(1)打开金属压力室5上部金属外罩，将切削合适的黏土试样8放置在金属压力室5，并将橡胶模7与底座9、试样帽6用橡皮筋绑紧，使试样8密封。

(2)合上金属外罩，拧紧密封，由金属外罩上部开口注入蒸馏水，注满后用螺丝拧紧密封。

(3)通过第二压力源12和体积变形量测容器11施加能够模拟黏土层所处深度处的围压大小，打开阀门14，让试样8在该围压下固结，固结完成后即孔隙水压力传感器15所测孔隙水压力为0，此时记录体积变形量测容器11和试样排水体积量测计13的初始水位。

(4)通过杠杆加载施加轴向压力，轴力的大小根据抽取承压水的水头差来确定。利用杠杆加载装置中上部的位移传感器18测量轴向变形。然后，通过体积变形量测容器11和试样排水体积量测计13的水位变化，获得试样的体积变形量和试样的排水量，两者大小一般差别不大，差别较大时必须找出原因。

(5)通过获得的体积变形量和轴向变形量，可按下式计算平均径向变形

式中，r-为试样的半径；L ₁-为轴向变形量；△V-为体积变形量；L ₀-试样初始高度。

(6)通过孔隙水压力传感器15获得孔压变化数据，能够分析固结压力和黏土层上部水位共同作用下的孔隙水压力变化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明创造。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明创造的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明创造将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置，其特征在于：其包括固结压力室、杠杆加载系统、体积变形量测装置和模拟上覆含水层的水压力施加装置；

所述固结压力室包括金属压力室（5）以及位于金属压力室（5）内部的用于盛置密封试样（8）的橡胶模（7），所述试样（8）的上方设置有透水石（10）和试样帽（6），所述试样（8）的下方设置透水石（10）和底座（9）；

所述模拟上覆含水层的水压力施加装置包括水压力施加容器（3）以及与水压力施加容器（3）连通的第一压力源（4），所述水压力施加容器（3）的出水管路延伸至试样（8）上方的透水石10）处；

所述试样体积变形量测装置包括体积变形量测容器（11）以及与其连通的用于加围压的第二压力源（12），所述体积变形量测容器（11）经管路与金属压力室（5）连通；

所述杠杆加载系统包括高压固结仪、借助高压固结仪的杠杆加载装置加载的承力杆（1）以及位于承力杆（1）下方的传力杆（2），所述传力杆位于试样帽（6）上方；

所述金属压力室（5）下部的底板上设有孔，穿过该孔的管路一端与孔隙水压力传感器（15）以及试样排水体积量测计（13）连通，该管路的另一端延伸至试样（8）下方的透水石（10）下部。

2.根据权利要求1所述的室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置，其特征在于：所述金属压力室（5）为不锈钢空心圆柱体，所述试样体积变形量测容器（11）为透明空心圆柱体，所述水压力施加容器（3）为透明空心圆柱体。

3.根据权利要求1或2所述的室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置，其特征在于：水压力施加装置和试样体积变形量测装置中的第一、第二压力源为空压机或液压系统。

4.根据权利要求3所述的室内模拟抽取承压水致黏土层变形的简易固结试验装置，其特征在于：所述金属压力室（5）的直径×高×壁厚=300mm×150mm×3mm，所述透水石（10）直径×高=150mm×10mm，所述试样（8）直径×高=150mm×80mm。