CN212391361U - 一种饱和土中水密度测定装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于岩土工程技术领域，公开了一种饱和土中水密度测定装置，包括固结容器、位移计、体变管、加压装置和制样模具，固结容器包括相互匹配并套设的加压上盖、固结容器上盒和固结容器下盒；加压上盖两侧对称开设排气通孔，所述排气通孔上通过O型垫圈设置密封螺丝；固结容器上盒沿圆周对称开设多个位移计杆螺纹孔；固结容器下盒内部设置有土样放置槽，土样放置槽底部开设S型的排水槽；固结容器上盒和固结容器下盒通过锁紧螺丝固定，固结容器上盒和固结容器下盒通过第二O型密封圈密封接触；加压上盖通过第一O型密封圈与固结容器上盒内壁密封接触。该装置具有构造简单、易于加工、操作方便、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于岩土工程技术领域，涉及一种涉及土力学、土壤学、地质学、水文学、岩土工程领域中饱和土中水密度测定装置。
背景技术
土中水是土孔隙中的水和黏土矿物吸附的水，土中水密度指土中水质量与土中水体积的比值。在土力学、土壤学、地质学、水文学、岩土工程领域中通常认为土中水密度与自由水密度相同，即在4℃时密度为1.0g/cm3，然而，由于受到土中黏土矿物的吸附效应，土中水密度不是定值，最高可达1.68g/cm3。
土中水密度是量化土的物理性质指标(如土中水体积、土的饱和度、土的体积含水率)的基础，例如计算土中水体积时需要用到水密度，由于通常土中水密度大于自由水密度，如果用1.0g/cm3的水密度代入计算则会招致过大的土中水体积，这也是很多情况下采用1.0g/cm3的水密度计算出饱和土样饱和度大于100％的原因。
虽然土中水密度是量化土的物理性质指标的基础，土中水密度随重力含水率降低而增大亦有共识，但迄今为止，对于测定饱和土中水密度并没有非常有效可行的设备。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种饱和土中水密度测定装置，具有构造简单、易于加工、操作方便、可靠性高的特点。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型提供一种饱和土中水密度测定装置，包括固结容器、位移计、体变管、加压装置和制样模具，所述固结容器包括相互匹配并套设的加压上盖、固结容器上盒和固结容器下盒；
所述加压上盖两侧对称开设排气通孔，所述排气通孔上通过O型垫圈设置密封螺丝；所述固结容器上盒沿圆周对称开设多个位移计杆螺纹孔；所述固结容器下盒内部设置有土样放置槽，所述土样放置槽底部开设S型的排水槽，所述排水槽两端分别与排水阀连接，其中一个排水阀与所述体变管连接；
固结容器上盒和固结容器下盒通过锁紧螺丝固定，固结容器上盒和固结容器下盒通过第二O型密封圈密封接触；加压上盖通过第一O型密封圈与固结容器上盒内壁密封接触；
所述位移计通过位移计架与位移计杆固定，所述位移计杆插入位移计杆螺纹孔内。
进一步地，所述固结容器上盒沿圆周对称开设多个上盒锁紧螺纹孔，固结容器下盒沿圆周对称开设有多个下盒锁紧螺纹孔。
进一步地，所述固结容器上盒为中空的T形，固结容器上盒中空部分的直径等于加压上盖的直径，固结容器下盒中土样放置槽的直径等于加压上盖的直径。
进一步地，所述土样放置槽的直径为3.91cm、面积为12cm2。
进一步地，所述加压装置包括砝码、平衡锤、加压杆和加压框架，所述加压杆施加的竖向压力范围为12.5kPa～12000kPa。
进一步地，所述制样模具包括压头、导环、环刀和底座；所述环刀的内径为3.91cm、高为1.0cm。
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型装置具有构造简单、易于加工、操作方便、可靠性高的特点，基于该装置进行饱和土样的压缩试验，通过量测压缩过程中土样排出的水体积、土样的总体积变化，能够准确获得不同含水率状态下饱和土样中水的平均密度，在此基础上建立饱和土中水密度与含水率的函数关系，以达到准确量化土力学、土壤学、地质学、水文学、岩土工程领域中水体积、土的饱和度、土的体积含水率等物性指标的目的。
附图说明
图1为本实用新型饱和土中水密度测定装置的示意图。
图2为本实用新型图1中固结容器的剖面示意图。
图3为本实用新型图1中加压上盖的剖面示意图。
图4为本实用新型图1中固结容器上盒的俯视示意图。
图5为本实用新型图1中固结容器上盒的剖面示意图。
图6为本实用新型图1中固结容器下盒的俯视示意图。
图7为本实用新型图1中固结容器下盒的剖面示意图。
图8为本实用新型中制样模具的剖面示意图。
图9为本实用新型图8制样模具中环刀的正视图。
图10为本实用新型装置测得的饱和土中水密度随含水率变化的关系曲线。
附图中标记：1为位移计，2为加压杆，3为加压框架，4为加压上盖，401为密封螺丝，402为第一O型密封圈，403为O型垫圈，404为排气通孔，5为固结容器上盒，501为上盒锁紧螺纹孔，502为位移计杆螺纹孔，6为固结容器下盒，601为第二O型密封圈，602为排水槽，603为下盒锁紧螺纹孔，7为排水阀，8为位移计架，9为位移计杆，10为体变管，11为锁紧螺丝，12为试样，13为透水石，14为压头，15为导环，16为环刀，17为底座，18为加压装置，19为平衡锤，20为砝码。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限定本实用新型的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例一
如图1所示，本实用新型一种饱和土中水密度测定装置包括固结容器、位移计1、体变管10、加压装置18和制样模具，所述固结容器包括相互匹配并套设的加压上盖4、固结容器上盒5和固结容器下盒6。
如图3所示，加压上盖4两侧对称开设排气通孔404，排气通孔404上通过O型垫圈403设置密封螺丝401，O型垫圈403用于保证密封效果。如图4和图5所示，固结容器上盒5沿圆周对称开设多个位移计杆螺纹孔502。如图6和图7所示，固结容器下盒6内部设置有土样放置槽，土样放置槽底部开设S型的排水槽602，排水槽602两端分别与排水阀7连接，其中一个排水阀7与体变管10连接，用于测定试样12压缩时的排水量。
如图2所示，固结容器上盒5和固结容器下盒6通过锁紧螺丝11固定，固结容器上盒5和固结容器下盒6通过第二O型密封圈601密封接触；加压上盖4通过第一O型密封圈402与固结容器上盒5内壁密封接触，确保加压上盖4、固结容器上盒5和固结容器下盒6的接触面密封效果良好。
本实用新型中位移计1通过位移计架8与位移计杆9固定，位移计杆9插入位移计杆螺纹孔502内，位移计1用于监测压缩过程中试样12的变形量。
如图4和图6所示，固结容器上盒5沿圆周对称开设多个上盒锁紧螺纹孔501，固结容器下盒6沿圆周对称开设有多个下盒锁紧螺纹孔603，锁紧螺丝11穿过上盒锁紧螺纹孔501拧紧于下盒锁紧螺纹孔603内。
如图5所示，固结容器上盒5为中空的T形，固结容器上盒5中空部分的直径等于加压上盖4的直径，固结容器下盒6中土样放置槽的直径等于加压上盖4的直径。组装固结容器时，先把固结容器上盒5放入固结容器下盒6，通过锁紧螺丝11将固结容器上盒5与固结容器下盒6锁紧，依次在土样放置槽内放置透水石13、滤纸，从环刀16中将试样12推入土样放置槽中，再在试样12上依次放入滤纸、透水石13和加压上盖4，拧紧密封螺丝401。
如图1所示，加压装置18包括砝码20、平衡锤19、加压杆2和加压框架3，所述加压杆2施加的竖向压力范围为12.5kPa～12000kPa。本实用新型土样放置槽的直径为3.91cm、面积为12cm2，即试样12的面积为12cm2。根据砝码盘上砝码重量、杠杆比、试样12的面积可以求出施加在土样上的竖向压力值，竖向压力范围为12.5kPa～12000kPa，最大竖向压力值远超常规高压固结设备所能施加的竖向压力(最大为4000kPa)，而高的竖向压力用于获得更低含水率下的土中水密度。
如图8和图9所示，制样模具包括压头14、导环15、环刀16和底座17；环刀16的内径为3.91cm、高为1.0cm。对于重塑土样，根据制样控制指标计算试样所需湿土质量，将环刀16置入底座17，将相应质量的湿土倒入模具内，抚平土样表面，放下压头14以静压力将土压入环刀16内；对于原状土样，可用环刀16直接切取。
作为一种可实施方式，体变管10采用石英玻璃加工而成，标定有刻度，最小分度值为0.01mL，量程为6mL。
利用上述一种饱和土中水密度测定装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤1：利用制样模具制备试样12。
对于重塑土样，根据制样控制指标计算试样所需湿土质量，将环刀16置入底座17，将相应质量的湿土倒入模具内，抚平土样表面，放下压头14以静压力将土压入环刀16内；对于原状土样，可用环刀16直接切取。
步骤2：组装固结容器，安装试样12。
通过锁紧螺丝11将固结容器上盒5与固结容器下盒6连接，依次在土样放置槽内放置透水石13、滤纸，从环刀16中将试样12推入土样放置槽中，再在试样12上依次放入滤纸、透水石13和加压上盖4；将位移计杆9插入位移计杆螺纹孔502内，安装好位移计架8与位移计1，将位移计1调零。
步骤3：饱和试样12。
将固结容器下部的两个排水阀7打开，将固结容器置于真空缸中进行抽气饱和；饱和完成后通过位移计1读数获得试样12高度变化，再根据试样12初始高度确定试样12饱和后的高度h0，由于试样处于侧限变形状态，变形过程中试样直径不变，进而获得饱和后的试样12体积。
步骤4：安装固结容器。
关闭两个排水阀7，从真空缸中取出固结容器，拧紧加压上盖4的密封螺丝401；再将固结容器置于加压框架3正中，调整加压框架3使试样12与上下各部件接触良好；调整位移计1读数为零。
步骤5：饱和管路。
将两个排水阀7分别与体变管10和针筒连接，打开排水阀7，用针筒注入蒸馏水饱和管路，管路饱和后使体变管10水面与试样12中心高度齐平，然后关闭与针筒连接的排水阀7，取下针筒。
步骤6：压缩试样。
通过加压装置施加竖向压力，观察位移计1读数、体变管10读数直至二者读数均不变时记录下位移计1读数Hi、体变管10读数Vi、水温T；继续加载下一级竖向压力，重复步骤6操作。
步骤7：试验结束后，取出试样12，称量质量，烘干后测得干土质量ms。
步骤8：依据试验测得结果，根据公式(I)和公式(II)计算不同含水率下的饱和土中水密度，建立饱和土中水密度随饱和土中含水率变化的数学模型。
上述饱和土中水密度为ρw,i，
式中：ρw,i为第i级压力下排水稳定后饱和土中水密度，g/cm3；
mw为第i级压力下排水稳定后饱和土中水质量，g；
Vw为第i级压力下排水稳定后饱和土中水体积，cm3；
m0为试样饱和后的质量，是整个试验结束后的试样质量与压缩过程中总排水质量之和，g；
ms为干土质量，g；
Vi为第i级压力下排水稳定后的体变管读数，mL；
V0为安装试样后施加竖向压力前的体变管初始读数，mL；
ρw,T为试验温度T对应的纯水密度，g/cm3；
h0为安装试样后施加竖向压力前的试样高度，cm；
Hi为第i级压力下排水稳定后的试样高度变化，cm；
A0为试样面积，cm2；
Gs为土粒比重；
ρw,4℃为4℃对应的纯水密度，g/cm3；
上述饱和土中含水率为wi，
以上述装置测定某饱和黏性土样中水密度，试验结果整理如下：
试样面积A0＝12cm2，试样土粒比重Gs为2.75，制样采用压实土样，控制含水率17％，控制干密度1.70g/cm3，制样完成后试样高度为10.42mm，质量为25.119g；饱和后试样高度h0为11.84mm；试验结束后，测得试样质量24.998g，加上压缩过程中总排水质量3.700g得到饱和完成后试样质量m0为28.698g；烘干后获得干土质量ms为21.266g。
根据公式(I)与公式(II)，对试验数据进行处理，结果如表1所示。
表1某黏性土土中水密度测试数据处理
计算不同饱和土中含水率下的饱和土中水密度，根据(wi,ρw,i)关系绘制饱和土中水密度随含水率降低而增大的关系曲线，如图10所示，在此基础上建立饱和土中水密度随含水率变化的数学模型，如公式(III)所示。
ρw＝1.55w-0.087 公式(III)
采用公式(III)的幂函数形式描述水密度随含水率降低而增大的关系，取得了很好的拟合效果，决定系数R2达到0.99，可用于准确量化土中水体积、土的饱和度、土的体积含水率等物性指标。
以上所述之实施例，只是本实用新型的较佳实施例而已，仅仅用以解释本实用新型，并非限制本实用新型实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本实用新型的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本实用新型申请专利范围内。
Claims (6)
1.一种饱和土中水密度测定装置，包括固结容器、位移计（1）、体变管（10）、加压装置（18）和制样模具，其特征在于，所述固结容器包括相互匹配并套设的加压上盖（4）、固结容器上盒（5）和固结容器下盒（6）；
所述加压上盖（4）两侧对称开设排气通孔（404），所述排气通孔（404）上通过O型垫圈（403）设置密封螺丝（401）；所述固结容器上盒（5）沿圆周对称开设多个位移计杆螺纹孔（502）；所述固结容器下盒（6）内部设置有土样放置槽，所述土样放置槽底部开设S型的排水槽（602），所述排水槽（602）两端分别与排水阀（7）连接，其中一个排水阀（7）与所述体变管（10）连接；
固结容器上盒（5）和固结容器下盒（6）通过锁紧螺丝（11）固定，固结容器上盒（5）和固结容器下盒（6）通过第二O型密封圈（601）密封接触；加压上盖（4）通过第一O型密封圈（402）与固结容器上盒（5）内壁密封接触；
所述位移计（1）通过位移计架（8）与位移计杆（9）固定，所述位移计杆（9）插入位移计杆螺纹孔（502）内。
2.根据权利要求1所述的一种饱和土中水密度测定装置，其特征在于，所述固结容器上盒（5）沿圆周对称开设多个上盒锁紧螺纹孔（501），固结容器下盒（6）沿圆周对称开设有多个下盒锁紧螺纹孔（603）。
3.根据权利要求1所述的一种饱和土中水密度测定装置，其特征在于，所述固结容器上盒（5）为中空的T形，固结容器上盒（5）中空部分的直径等于加压上盖（4）的直径，固结容器下盒（6）中土样放置槽的直径等于加压上盖（4）的直径。
4.根据权利要求1所述的一种饱和土中水密度测定装置，其特征在于，所述土样放置槽的直径为3.91cm、面积为12cm2。
5.根据权利要求1或4所述的一种饱和土中水密度测定装置，其特征在于，所述加压装置（18）包括砝码（20）、平衡锤（19）、加压杆（2）和加压框架（3），所述加压杆（2）施加的竖向压力范围为12.5kPa~12000kPa。
6.根据权利要求1所述的一种饱和土中水密度测定装置，其特征在于，所述制样模具包括压头（14）、导环（15）、环刀（16）和底座（17）；所述环刀（16）的内径为3.91cm、高为1.0cm。
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