CN207976342U

CN207976342U - 一种大型单轴侧限压缩实验仪

Info

Publication number: CN207976342U
Application number: CN201721892991.4U
Authority: CN
Inventors: 韩文喜; 文静; 吴王刚
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2027-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种大型单轴侧限压缩实验仪，包括底座、试验容器，所述试验容器位于底座的顶端，在直立支架之间设置有千斤顶，千斤顶位于试验容器的正上方，所述试验容器为圆柱形，其底部设置有排水机构、顶部与千斤顶之间设置有穿压圆板，且试验容器下端还设置有至少三个吊环，所述吊环沿试验容器的周向方向在其外壁均匀分布，在底座上还设置有至少三根沿试验容器的周向外侧均匀分布的直立支架，所有的直立支架的顶端共同与一个顶板连接，在顶板的下表面与千斤顶之间还设置有一个竖向应力传感器；本实用新型可保证实验土样的规模较大以及受力均衡，使得试验所测得的压力值和变形量更加精确，有利于得到准确的实验成果。

Description

一种大型单轴侧限压缩实验仪

技术领域

本实用新型涉及土工试验中确定土的力学参数技术领域，具体涉及一种大型单轴侧限压缩实验仪。

背景技术

在现有土的压缩固结实验中，一般压缩固结仪有杠杆式、磅秤式、气压式三种。杠杆式压缩仪是通过增加砝码来对杠杆加压，压力较小仅为0.4～0.6MPa，只能满足一般要求较低工程，对精确度较高的土木工程的土样试验带来了一定的局限，虽然多台仪器可装在一个试验台架上,占地面积小、便于管理，但是不适合进行大规模的土样试验。磅秤式压缩仪是通过带有加压框架的磅秤来施加压力,因此施压范围更宽广，仪器最大压力可达5Mpa，适用于较大工程，可以用来测定压缩指数和前期固结压力、固结系数等指标，但是对于逐级增加不同的压力时，就造成了多次物理手工加压的繁琐。气压式压缩仪是通过空气压缩机压缩空气来施加压力的，加压范围更大，适用于多种要求的工程，唯一的不足就是由于通过压缩空气来施加压力，就不能长时间持续施加某一恒定作用的压力，对实验结果有一定的影响。此外上述几种方法都是地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土骨架颗粒之间相互挤密从而造成土体被压缩、土体的高度降低、土的孔隙减小，从而引起土的压缩变形；而压缩固结试验是将土样置于金属压缩容器内，在有侧限(土样的横截面积不变)的条件下施加压力，土样只发生竖向高度的变化，观察土在不同压力下的压缩变形量。

综上所述，几种方法都存在片面的局限和不足，有的实验设备较小以致不能进行较大规模土样的实验、有的实验器材精确度不高导致实验结果实用性不强、有的设备在实验过程中不能持续某一单一的恒定压缩力造成了计算结果的误差，因此在实验开始之前都是根据土样所处的现场实际地质条件和工程运用的具体情况来选取最佳的实验仪以及方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服以上技术的不足，提供一种大型单轴侧限压缩实验仪，能保证实验土样的规模较大以及受力均衡，使得试验所测得的压力值和变形量更加精确，有利于得到准确的实验成果。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种大型单轴侧限压缩实验仪，包括底座、试验容器，所述试验容器位于底座的顶端，在直立支架之间设置有千斤顶，千斤顶位于试验容器的正上方，所述试验容器为圆柱形，其底部设置有排水机构、顶部与千斤顶之间设置有穿压圆板，且试验容器下端还设置有至少三个吊环，所述吊环沿试验容器的周向方向在其外壁均匀分布，在底座上还设置有至少三根沿试验容器的周向外侧均匀分布的直立支架，所有的直立支架的顶端共同与一个顶板连接，在顶板的下表面与千斤顶之间还设置有一个竖向应力传感器，所述竖向应力传感器的中心线与试验容器的中心轴线垂直。

针对以上技术问题，本实用新型对现有的侧限压缩实验仪进行改进，首先将试验容器设计为圆柱形，由于金属制成的圆柱形试验容器的刚性作用，土样在压缩的过程中只能发生竖向的变形，即被限制在侧限的条件下，土样的横截面积不会发生变化。在试验容器的底部设置排水机构，这样在实验过程中土样孔隙中的水可以通过排水机构排出，有利于土样压缩固结实验的进行；在压缩的过程中土样由于压缩而固结沉降，作用在土样上的压力会随着土样的高度缓慢降低部分减小，此时可通过扳手加压补偿到满足要求的压力大小从而可避免以往部分实验方法中的加压仪器因为土样的沉降变形而不能维持某一恒定压力的现象。穿压圆板的设置可保证土样的平整，施压时，穿压圆板受到轴向压力对土样作用，可使得土样受力均匀，通过加压设备的逐渐加压，还可测量出不同的压力作用下土样稳定后的竖向压缩变形量，计算出各级压力下土样的孔隙比从而得到压缩曲线，通过该试验所测得的压力值和变形量更加精确，有利于得到准确的实验成果。在试验容器外均匀设置吊环，吊环在起吊时使用，可保证试验容器便于移动以及移动具有稳定性，不被损伤，进一步地可使试验的样品较以往的规模更大。在底座四周浇筑多个高度、形状、直径完成一样的实心圆柱形直立支架，支架的顶端刻有螺纹用于安放固定与千斤顶上端应力传感器接触的顶板，在千斤顶对土样施加压力的过程中，直立支架上端的顶板能够通过竖向应力传感器给千斤顶提供支持力；竖向应力传感器的中心线与试验容器的中心轴线垂直，可进一步保证监测使得精度。

优选的，所述排水机构包括带孔金属透水板，在试验容器的底面开有透水孔，所述透水孔与带孔金属透水板上的小孔相通。以上为排水机构的具体结构，土样中的水可通过带孔金属透水板、透水孔排出；因此土样在荷载作用下水和空气逐渐被挤出，土骨架颗粒之间相互挤密从而压缩固结、能够有效的控制实验过程中土样含水率的问题。

所述带孔金属透水板顶端还依次放置有滤纸和医用纱布。进一步的，滤纸和医用纱布的设置，可防止碎石土体颗粒挤破滤纸堵塞带孔金属透水板。

在千斤顶与穿压圆板之间还设置有千分表，所述千分表的测杆与穿压圆板的顶面接触且与试验容器的轴线平行。进一步的，在施加某一压力的过程中，当土样固结变形趋于稳定时，实验使用了精度更高的千分表来测量土样的变化沉降量，可得到更加准确的数据，从而为得到理想的实验成果提供了保障。

优选的，所述穿压圆板的外径与试验容器的内径尺寸相同，穿压圆板的顶面与千斤顶下端无缝连接、底面为平滑面。千斤顶下端与穿压圆板进行完全无缝连接，保证了压力在传递的过程中基本没有衰减，此外穿压圆板是平滑且与容器的内径大小完全一样，因此在压缩实验过程中，保证了土样都能受到压力的作用且受力作用效果均衡。

在穿压圆板上还设置有注水孔。注水孔在湿化沉降试验中使用，通过穿压圆板上的注水孔均匀的注入一定量的水可以模拟场区内的降雨工况。

还包括智能显示设备，所述智能显示设备与竖向应力传感器通过导线连接。进一步的，本实用新型设置了智能显示设备，这样在对千斤顶施加臂力的过程中，千斤顶作用在土样上的压力就可实时的显示出来，因此在动态加载压力过程中能直观的确定压力的大小，便于实验员观看，实用性较强。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪，吊环的设置以及将试验容器设计为圆柱形，试验容器中能放置更多的土样，避免了以往实验中因实验设备较小、安放样品不足所造成的实验误差；有利于得到更精确的实验数据；

2、本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪，在实验土样较大规模的情况下；通过千斤顶作用在土样上的最大压力可达3.5～4Mpa，可满足多种科研及工程实验的要求；

3、本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪，通过排水机构和穿压圆板的设置，可使得土样稳定压缩而固结沉降，作用在土样上的压力会随着土样的高度缓慢降低部分减小，可通过扳手加压补偿到满足要求的压力大小从而避免了以往部分实验方法中的加压仪器因为土样的沉降变形而不能维持某一恒定压力的现象，有利于得到准确的实验成果；

4、本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪，在施加某一压力的过程中，当土样固结变形趋于稳定时，实验使用了精度更高的千分表来测量土样的变化沉降量，得到更加准确的数据，从而为得到理想的实验成果提供了保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型砂泥岩混合料试样自然含水率下的e-p曲线示意图；

图3为本实用新型砂泥岩混合料试样湿化条件下的e-p曲线示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-底座，2-试验容器，3-千斤顶，4-穿压圆板，5-吊环，6-直立支架，7-顶板，8-竖向应力传感器，9-带孔金属透水板，10-透水孔，11-千分表，12-智能显示设备，13-注水孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪，包括底座1、试验容器2，所述试验容器2位于底座1的顶端，在直立支架6之间设置有千斤顶3，千斤顶3位于试验容器2的正上方，所述试验容器2为圆柱形，其底部设置有排水机构、顶部与千斤顶3之间设置有穿压圆板4，且试验容器2下端还设置有至少三个吊环5，所述吊环5沿试验容器2的周向方向在其外壁均匀分布，在底座1上还设置有至少三根沿试验容器2的周向外侧均匀分布的直立支架6，所有的直立支架6的顶端共同与一个顶板7连接，在顶板7的下表面与千斤顶3 之间还设置有一个竖向应力传感器8，所述竖向应力传感器8的中心线与试验容器2的中心轴线垂直。所述排水机构包括带孔金属透水板9，在试验容器2的底面开有透水孔10，所述透水孔10与带孔金属透水板9上的小孔相通。所述带孔金属透水板9顶端还依次放置有滤纸和医用纱布。在千斤顶3与穿压圆板4之间还设置有千分表11，所述千分表11的测杆与穿压圆板4的顶面接触且与试验容器2的轴线平行。所述穿压圆板4的外径与试验容器2的内径尺寸相同，穿压圆板4的顶面与千斤顶3下端无缝连接、底面为平滑面。在穿压圆板4上还设置有注水孔13。还包括智能显示设备12，所述智能显示设备12与竖向应力传感器8通过导线连接。

本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪的试验方法，包括如下等步骤：

1、制备实验样品：由于本实验装置大型的特点，实验的样品可满足粒径在<＝25cm的块石、土料、或者土石混合料的样品，在实验装样之前应将其充分搅拌使其混合均匀。

2、装样：按照实验规定的要求，在试验容器2中放入适量的实验样品，并保持样品在圆柱形试验容器2中处于同一水平高度，记录此时的原始高度h₀，同时通过吊机将带有千斤顶 3的穿压圆板4盖上。

3、设备调试：在千斤顶3的上端安放一个带有智能显示设备12的竖向应力传感器8，然后在直立支架6上安放好对竖向应力传感器8起支持作用的顶板7，顶板7与传感器刚好接触，此时将顶板与4跟支架上端用螺帽拧紧固定。

4、加压调零：通过扳手对千斤顶3加压使竖向应力传感器8与上端顶板7刚刚接触时，智能显示设备此时显示了一个示数，此时对显示设备示数调零。

5、开始实验：通过千斤顶3加压使显示设备示数达到一个实验要求的开始值，在压缩固结过程中，设备压力大小示数会随着样品的高度降低而有微小的减小，因此每隔一段固定的时间通过铁杆加压使设备压力达到实验的固定值，直到千分表在测定相邻两次竖向压缩量的差值按每小时计算不超过0.01mm时作为稳定标准，同时测定此时试样的高度h₁。

6、重复实验：重复操作步骤4并不断逐级加压，测定试样在不同的压力下趋于稳定时的高度h₂、h₃、h₄……直到收集到足够满足实验要求的数据。

实施例2

如图1～3所示，本实用新型一种大型单轴侧限压缩实验仪，在实施例1的基础上，根据实例详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明显：本次试验使用的是取自重庆新机场碎石土样，制样时将砂岩和泥岩分别取出后首先剔除出粒径大于25cm的岩样，再将砂岩样和泥岩样分别按照一定的比例进行筛分。对筛分后的砂岩、泥岩按照一定的粒径配比称重后均匀混合，且保证泥岩的质量占到总质量的71.35％，在实验之前已经测得本次试验试样的含水率为2.65％，按照上述过程制备土样，取制备好的土样均分成10份，将大粒径的岩样均分布。每次试验装填入容器内部的碎石土样总质量为1626±10kg，试样体积为0.785m³，经计算可得砂泥岩碎石土体经压实后的重度为20.71KN/m³，与施工现场填料要求重度基本相符。在试验容器内壁涂一层润滑脂，并将带孔金属透水板放置于容器底部，在带孔金属透水板上布置一层滤纸，再在滤纸上布置一层医用纱布以防止碎石土体颗粒挤破滤纸堵塞金属透水底板。逐次将制备好的土样分层加入试验容器内，由于试验土样为粘性较小的粗颗粒土样因而并用震动法对土样进行压实至要求的干密度，每层土样压实完成后对土样表面进行整平且每次装填高度在10cm左右，将试验容器壁边出现的较大石块剔除并用较小的碎石样填补，之后再填入下一层碎石土样，并使得最终土样高度为100cm。完成土样制备后在土样上放上滤纸，依次放上穿压圆板4、千斤顶3、竖向应力传感器8，最后通过吊装设备将顶板7置于千斤顶3上部并拧紧螺栓。仪器设备在使用前应检查，加荷平台要求水平稳固且与加荷框架平行，中心一致。

竖向变形测量是在试样顶面布置2个千分表测量垂向变化位移，并取其算术平均值作为压缩变形量，千分表在其他实验步骤完成后最后安装。沉降变形的稳定与否由竖向变形控制。在每级荷载施加后的第一个小时内每5min观察并记录一次数据，之后的3h内每30min记录一次数据，再之后则8h、12h、24h、36h、48h记一次数据。每级荷载下变形完成标准是按每小时计算沉降变化小于0.01mm。

在施加某一级荷载完成后再进行碎石土样在此级荷载下的湿化沉降试验。通过传压圆板 4上的注水孔均匀的注入一定量的水以模拟场区内的降雨工况。

注水完成后便开始对试样施加相应的竖向荷载，记录沉降和时间数据，记录方法与上一次记录方法一致。

实验中记录的数据结果如下表所示，其中：将试样在加水前产生的稳定沉降量成为先期沉降量，称其过程为先期沉降，对于加水后产生的沉降量部分称之为湿陷沉降量，称其过程为湿陷沉降。

表1、先期最终沉降量、湿陷最终沉降量与应力的关系

竖向应力(kpa)	100	300	500	700
					先期沉降量(cm)	0.46	0,65	0.87	1.23
湿陷沉降量(cm)	0.58	1.37	2.79	5.14

下面将进行砂泥岩碎石土料压缩系数及压缩模量的计算。根据现场的勘察资料得到砂岩岩体天然重度为23.98k N/m³，饱和重度取24.10k N/m³；泥岩岩体天然重度为24.36kN/m³，饱和重度取24.45k N/m³。又测得砂泥岩混合料天然状态下的含水率为2.65％，砂泥岩混合料相对密度ds为2.68。砂泥岩试

样设计干质量为1582.9kg，试样总体积为0.785m³，通过计算可得到砂泥岩混合填料的孔隙比。

根据式子e₀＝Gs(1+ω₀)(ρ^w/ρ⁰)-1，其中Gs、ω₀、ρ⁰、ρ^w分别代表试样的相对密度、初始含水量、初始密度、水的密度。每级荷载下的孔隙比e_i：其中h₀为试样的高度。

根据计算可得砂泥岩混合料试样自然含水率下在各级竖向应力下的孔隙比，并绘制出 e-p曲线，如图2所示：

取e₁、e₄及对应的竖向应力计算压缩系数和压缩模量，可知自然含水率下的砂泥岩混合料为低压缩性土。

同样对湿陷沉降后的数据进行处理，得到在各级竖向应力作用下完成湿陷沉降作用的孔隙比，并绘制出e-p曲线，如图3所示：

取e₁、e₄及对应的竖向应力计算压缩系数和压缩模量，可知湿化后的砂泥岩混合料为中压缩性土。

因此，通过大型单轴侧限单轴压缩试验得到了碎石土体在自然含水率、加水条件下含水率的压缩沉降特征，通过对实验数据进行处理和计算得到碎石土试样的物理力学参数压缩系数和压缩模量及e-p曲线。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种大型单轴侧限压缩实验仪，包括底座(1)、试验容器(2)，所述试验容器(2)位于底座(1)的顶端，在直立支架(6)之间设置有千斤顶(3)，千斤顶(3)位于试验容器(2)的正上方，其特征在于，所述试验容器(2)为圆柱形，其底部设置有排水机构、顶部与千斤顶(3)之间设置有穿压圆板(4)，且试验容器(2)下端还设置有至少三个吊环(5)，所述吊环(5)沿试验容器(2)的周向方向在其外壁均匀分布，在底座(1)上还设置有至少三根沿试验容器(2)的周向外侧均匀分布的直立支架(6)，所有的直立支架(6)的顶端共同与一个顶板(7)连接，在顶板(7)的下表面与千斤顶(3)之间还设置有一个竖向应力传感器(8)，所述竖向应力传感器(8)的中心线与试验容器(2)的中心轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的一种大型单轴侧限压缩实验仪，其特征在于，所述排水机构包括带孔金属透水板(9)，在试验容器(2)的底面开有透水孔(10)，所述透水孔(10)与带孔金属透水板(9)上的小孔相通。

3.根据权利要求2所述的一种大型单轴侧限压缩实验仪，其特征在于，所述带孔金属透水板(9)顶端还依次放置有滤纸和医用纱布。

4.根据权利要求1所述的一种大型单轴侧限压缩实验仪，其特征在于，在千斤顶(3)与穿压圆板(4)之间还设置有千分表(11)，所述千分表(11)的测杆与穿压圆板(4)的顶面接触且与试验容器(2)的轴线平行。

5.根据权利要求1所述的一种大型单轴侧限压缩实验仪，其特征在于，所述穿压圆板(4)的外径与试验容器(2)的内径尺寸相同，穿压圆板(4)的顶面与千斤顶(3)下端无缝连接、底面为平滑面。

6.根据权利要求1所述的一种大型单轴侧限压缩实验仪，其特征在于，在穿压圆板(4)上还设置有注水孔(13)。

7.根据权利要求1所述的一种大型单轴侧限压缩实验仪，其特征在于，还包括智能显示设备(12)，所述智能显示设备(12)与竖向应力传感器(8)通过导线连接。