CN215339266U - 一种固结仪、固结仪试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种固结仪、固结仪试验系统及其实现方法，对比现有技术的固结仪，具有如下特点，通过驱动装置与容纳装置的连接，驱动容纳装置运动，实现对待测土样的加载，从而实现比杠杆式传动精度更高的传动，同时驱动装置的运转可以被控制，在一定程度上实现加载的无级调节，并且调节过程连续，克服了杠杆式固结仪在人工加载时产生的附加力的影响，同时也使得人力得到解放，结构轻巧，便于移动。本实用新型的固结仪和固结仪系统，对比气压式固结仪，具有如下特点，采用驱动装置单独驱动，克服了气压式固结仪因多联装置而导致固结稳定标准受最长稳定时间的土样控制的问题，同时由于其具有的无级加载特性，使得加载准确，卸载快速，实验结果准确。

Description

一种固结仪、固结仪试验系统

技术领域

本实用新型涉及岩土工程实验设备领域，尤其涉及一种固结仪、固结仪试验系统及其实现方法的改进。

背景技术

目前土工测试是获得土体物理力学参数的主要手段，中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)是我国勘察、设计领域中关于土工测试的指导性规范。固结仪是当前岩土工程勘察土工试验的主要试验仪器。固结仪用于实验室内的土壤固结参数进行测试，例如用来测试土的压缩系数、压缩模量、固结系数、体积系数、压缩指数，前期固结压力，回弹指数及次固结系数等参数，以便对后续的施工提供设计依据，例如对土壤的沉降程度进行预判。

目前采用的固结仪主要有三种：磅秤式固结仪，单杠杆式固结仪和气压式固结仪。磅秤式固结仪与单杠杆式固结仪是应用杠杆原理，用砝码进行人工加载，是一种上世纪70年代的老式仪器，砝码具有稳定压力的好处，但设备整体体积非常笨重和庞大，砝码重量大，操作非常不方便。

气压固结仪是根据气压传动的原理加荷，但气压固结仪因为其气压控制的不精准以及在气压驱动需要多联，导致其精准度和体积无法控制在较小的范围内。

目前国内常用的加压设备除上述三种之外，也有液压加压设备。磅秤式和杠杆式都是人工加荷，其缺点是人工砝码加荷除了笨重外，加荷时的冲击力也是影响试验精度的主要因素，会导致固结仪测量的不准。

此外由于需要人工加减砝码或者调节杠杆，所以这两种设备的试验效率低下，且其仪器的体积庞大，不便搬运。气压式固结仪是目前国内应用最广泛的种类之一，其主要优点是单元体积小，自动化程度高，但实际需要多联控制，控制复杂，体积也无法做到能够随时随地应用到工地的程度；但其缺陷是荷载加载过程延时，而且由于气压本身空气压缩度很大，导致加载压力不准确，很难维持恒定的压力，这样就实际上影响了固结参数的计算，导致试验结果非常不准确。

因此，现有技术存在缺陷，而又待于改进和发展。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种固结仪、固结仪试验系统及其实现方法，可以实现一种体积小，单独工作又方便操控的固结仪装置。

本实用新型通过以下技术方案实现的:

一种固结仪，包括用于容纳待测土样的容纳装置，位于所述容纳装置一侧的定位装置，

所述固结仪还包括：

电动驱动装置，所述电动驱动装置用于驱动对所述容纳装置内的待测土样进行压缩；

所述容纳装置设置在所述定位装置与所述电动驱动装置之间；

至少一传感装置，所述传感装置与所述电动驱动装置固定连接，并用于检测和记录所述待测土样受到的压力和受压缩位移。

进一步地，还包括一安装座，在所述安装座上设置有所述电动驱动装置。

进一步地，所述电动驱动装置为电动缸。

进一步地，所述电动驱动装置的一端设有第一安装孔；所述传感装置包括采用压力传感器的第一传感器，所述第一传感器的一端设有第一伸展柱，所述第一伸展柱与所述第一安装孔匹配连接；所述容纳装置的底部设有传力板，所述传力板与所述第一传感器的另一端固定连接。

进一步地，所述传力板还设有第二安装孔，所述第一传感器的另一端设有第二伸展柱，所述第二伸展柱与所述第二安装孔匹配连接。

进一步地，所述传感装置还包括一采用位移传感器的第二传感器，所述第二传感器设置在所述定位装置的上侧，并具有一联动所述待测土样压缩位移的表杆。

进一步地，所述表杆一端套设有联动所述位移传感器的器座，其另一端通过杆座固连在所述传力板的外圆柱上。

进一步地，所述表杆的轴线与所述第一传感器及电动驱动装置的轴线平行。

一种固结仪试验系统，包括所述的固结仪，还包括控制系统和数据采集装置，所述控制系统与所述电动驱动装置电连接，所述数据采集装置与所述传感装置电连接，所述控制系统用于接收处理所述数据采集装置传入的信号并进行固结参数的运算，以及发出指令控制所述电动驱动装置运转。

本实用新型的有益效果：本实用新型提出的一种固结仪、固结仪试验系统及其实现方法，对比现有技术的固结仪，具有如下特点，通过驱动装置与容纳装置的连接，驱动容纳装置运动，实现对待测土样的加载，从而实现比杠杆式传动精度更高的传动，同时驱动装置的运转可以被控制，在一定程度上实现加载的无级调节，并且调节过程连续，克服了杠杆式固结仪在人工加载时产生的附加力的影响，同时也使得人力得到解放，结构轻巧，便于移动。本实用新型的固结仪和固结仪系统，对比气压式固结仪，具有如下特点，采用驱动装置单独驱动，克服了气压式固结仪因多联装置而导致固结稳定标准受最长稳定时间的土样控制的问题，同时由于其具有的无级加载特性，使得加载准确，卸载快速，实验结果准确。

附图说明

图1为本实用新型的固结仪的立体图；

图2为本实用新型的固结仪系统的结构示意图；

图3为本实用新型的固结仪的剖面结构示意图；

图4为本实用新型的固结仪的剖面结构示意图；

图5为本实用新型的的容纳装置的剖面结构示意图；

图6为本实用新型的的容纳装置的另一种实施方式结构示意图。

具体实施方式

为了更加清楚完整的说明本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例

请参考图1，本实用新型提供了一种固结仪的较佳实施例，包括用于容纳待测土样的容纳装置5，具体地但不限于，所述容纳装置5可以是采用常见的容纳腔，并在容纳腔中放置待测的土样，以及一安装座1，和位于所述容纳装置5一端侧的定位装置6。

所述固结仪还包括：一电动驱动装置2，所述电动驱动装置2固设于所述安装座1上，所述容纳装置5背离所述定位装置6的一端侧设置为活动的施加压力的一侧，与所述电动驱动装置2固定连接，所述容纳装置5通过所述电动驱动装置2的驱动而对所述容纳装置5中的待测土样加载，由此而产生靠近或远离所述定位装置6的位移。

还设置有一传感装置4，所述传感装置4具有分别与所述定位装置6以及所述驱动装置2连接的结构，用于检测和记录所述电动驱动装置2输出的力和位移。

请参考图1和图5，具体地，本实用新型所述固结仪较佳实施例中，容纳装置5还设置包括套件52、传压板53、切土环刀54和盖环55，所述套件52向上形成容纳空间，所述传压板53从上方固定在所述定位装置6以及对应的框架上，根据实验的不同需求，可以选择不同的切土环刀54，然后切土环刀54与套件52 的底部形成一容纳空间，在该容纳空间内可容纳一大块第一透水石(板)501及已经制备好的待测土样502，并在该待测土样502的上方还可以设置一块第二透水石(板)503，这样在所述第一透水石501和第二透水石503之前的待测土样 502根据实验的测试流程可以受压产生压缩形变。

在依次将上述待测土样放置好后，可再盖上盖环55，在盖环55的上方还盖设有所述传压板53，传压板53的顶端设有定位槽，定位装置6的一端为定位销，用于与所述定位槽固定连接。当电动驱动装置2驱动容纳装置5内的套件52连同所述待测土样向上移动时，定位销固定且收容于定位槽内部，所述定位装置6 可以使得整个容纳装置5始终位于电动驱动装置2输出端的中轴线上。

虽然杠杆式固结仪加荷直观，稳定性好，加压过程灵活可调节，但是其自动化程度低，劳动强度大，在此基础上，衍生出全自动气压式固结仪，虽然去大大减轻了劳动强度和人为误差，提高了试验的自动化程度，但是由于每台仪器只能由气压控制器同一施加相同的起始压力和荷重序列，其固结稳定标准受最长稳定时间的土样控制。

就现有的全自动气压式固结仪而言，一台气压控制器至少要控制两联固结仪，如果每两联一起配置一台气压控制器，且在使用时空置其中的一联，这样是可以勉强实现全自动去控制固结仪，但是因为需要单独空置每一联仪器，该方法会造成仪器空置率过高，且需要的气压控制器的数量会急剧增加，而气压控制器的价格昂贵，所以综上所述，气压式固结仪的试验效率不高，并且综合经济方面和工作效率方面的考量，其无法大规模推广。

本实用新型为了解决其驱动问题，提出了单独的电动驱动的思想，利用单一的电动驱动装置2，对比杠杆式固结仪，具有如下特点，采用传动精度较高的传动，同时利用系统对电动驱动装置2的运转进行控制，可以在一定程度上实现加载的无级调节，并且调节过程连续，克服了杠杆式固结仪在人工加载时产生的附加力的影响，同时也使得人力得到解放，结构轻巧，便于移动。

同时，本实用新型的电缸式固结仪，对比气压式固结仪，具有如下特点，采用电动驱动装置2的单独驱动，克服了气压式固结仪因多联装置而导致固结稳定标准受最长稳定时间的土样控制的问题，同时由于其具有的无级加载特性，使得加载准确，卸载快速，实验结果准确。并且本实用新型对于一般的采用表盘测量压力和位移数据的固结仪做出了改进，在电动驱动装置2的输出端安装传感装置 4，在传感装置4的一侧安装容纳装置5，电动驱动装置2施加的载荷首先经过传感装置4，然后施加到待测土样上，可以准确的测量出电动驱动装置2施加的驱动力和驱动头移动的距离，避免了因人工采集数据而可能产生的人为误差。

进一步地，所述电动驱动装置2为电动缸。具体地，本实用新型采用电动缸作为标准出力加载方式，以替代传统的单杠杆式或气压式出力加载装置，它是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，电动缸推力理论控制精度将达到最大推力的0.1％，位置控制精度达到0.01mm，其机械结构简单，调速精度更高，且配备有计算机接口，可受计算机控制，有利于控制的精确性，极大程度的避免了人为误差。

在本实用新型的其他实施例中，也可以采用电机驱动例如电动推杆，然后通过齿轮机构将电机的转速降低，然后通过滚珠丝杠将电机输出的旋转运动转换为直线运动，从而输出直线方向的力，进而驱动容纳装置5的运动。

请参考图3和图4所示，进一步地，本实用新型所述固结仪的较佳实施例中，所述电动驱动装置2的一端设有第一安装孔21，所述传感装置4包括第一传感器 41，为压力传感器，所述第一传感器41的一端设有第一伸展柱411，所述第一伸展柱411伸入所述第一安装孔21并与所述第一安装孔21固定连接，所述容纳装置5的底部所述套件52底侧还设有传力板51，所述传力板51与所述第一传感器 41的另一端固定连接。

所述第一传感器41设于容纳装置5与电动驱动装置2的输出端之间，并且为了使得驱动装置2施加的驱动力更加准确的被测出。设置第一安装孔21，使得第一传感器41上的第一伸展柱411可以伸入第一安装孔21，不仅使得第一传感器41与驱动装置2的连接更加紧密，而且测出的驱动力更加准确。同时需要说明的是，在本实用新型中，一端和另一端均指的是同一直线上的两个方向，并且这两个方向相反，第一传感器41的另一端与传力板51固定连接，可以为焊接，螺纹连接等。

请参考图3和图4(图4中省略了第一传感器41)，进一步地，所述传力板 51上设有第二安装孔511，在所述第一传感器41的另一端设有第二伸展柱412，所述第二伸展柱412伸入所述第二安装孔511并与所述第二安装孔511固定连接。

作为上述方案的进一步改进，第一传感器41的另一端设有第二伸展柱412，第二伸展柱412伸入第二安装孔511并与第二安装孔511固定连接，使得第一传感器41的结构更加对称，同时与传力板51的连接更加紧密，传递载荷更加稳定。

进一步地，如图1所示，所述第一传感器41的外圆柱面套设有杆座3，在所述杆座3上固设有表杆31，所述表杆31的轴线与所述第一传感器41的轴线平行，这样就可以将所述待测土样的压缩位移通过所述表杆31与杆座3以及第一传感器41等一同的移动就可以向外传递，具体的，所述表杆31的另一端连接到一位移传感器即第二传感器42上。

请参考图1，具体地，所述杆座3套接于压力传感器41的外圆柱面，并且通过螺栓将其固定，杆座3上设有表杆31，表杆31的轴线与压力传感器的轴线平行，使得整个结构更加紧凑。需要注意的是，本实用新型所述表杆31的设置并不限于该固定方式，可以通过其他的固连方式连接到所述容纳装置5的下侧，只需方便传递所述待测土样的固结位移即可。

请参考图2，进一步地，所述传感装置4还包括所述第二传感器42，所述表杆31上端套设有器座14，所述第二传感器42安装于所述器座14与所述定位装置6之间。

具体地，第二传感器42为位移传感器，器座14类似于英文大写字母“X”型块件，其一端套接于表杆31可装配调节并在固定位置后可通过螺栓锁固。具体地，所述器座14可以先沿着表杆31上下移动调整，以灵活变换位置，并且可以以表杆31为轴进行转动调整，在调整好高度和方向后，再用螺栓固定。此时，所述器座14不再能相对于表杆31可移动，器座14的另一端用于夹持位移传感器42的可位移部件上，在夹持完成时，所述位移传感器42应抵接于定位装置6 上。

请参考图6，在本实用新型的其它实施例中，所述杆座3也可以设置在所述传力板51的外圆柱面上，通过所述杆座3固设所述表杆31。在前述实施例中，当将杆座3固定在所述第一传感器41上时，由于在固结仪的电动缸输出力的过程中，压力传感器会发生形变，导致第二传感器测量出的数据会增加一个压力传感器形变的微小误差，导致结果不准确。所以将杆座3设于传力板51的外圆柱面就可以解决这个问题，保证第二传感器42测量的精准度。

进一步地，本实用新型所述固结仪较佳实施例中，如图1所示，所述安装座 1包括支撑杆11和横梁12作为支撑框架，所述支撑杆11至少为两根，所述支撑杆11贯穿并固定于所述横梁12。两根支撑杆11相互平行设置并贯穿横梁12，横梁12的位置可以调节，例如可以利用安装在支撑杆11上的螺栓进行调节。

在本实用新型的其他实施例中，也可采用三根支撑杆11，使得整个结构更加稳定，同时横梁12的形状也得随之改变，变化为能够固定使用三个支撑杆的横梁12。所述定位装置6贯穿并固定于所述横梁12上，所述定位装置6的一端抵接于所述第二传感器42，所述定位装置6的另一端与所述容纳装置5的传压板 53抵接。

具体地，在本实用新型所述固结仪较佳实施例中，可以对所述第二传感器进行调试和初始化，例如但不限于设置所述第二传感器42，当抵接于定位装置6 的一端时，初始位置设为处于位移为0的位置，向上移动为正，向下移动为负，以便输入驱动处理系统，并可以在校验过程中对数据的准确性进行评判。

请参考图2，本实用新型还提出了一种固结仪试验系统的较佳实施例，包括上述的固结仪机械结构之外，还可以设置包括控制系统9和数据采集装置8，具体采用为工控机或个人计算机PC，所述控制系统9与所述电动驱动装置2电连接，用于控制输出的力度和保持的时间及输出顺序等，所述数据采集装置8与所述传感装置4即两个传感器电连接，所述控制系统9可以接收处理所述数据采集装置 8传入的信号，根据预先设定的处理算法，对固结参数进行计算和处理，并同时发出指令控制所述电动驱动装置2的运转。

所述数据采集装置8从第一传感器41采集到的是所述电动缸输出力值，从第二传感器42采集到的是所述待测土样的固结位移数据。各个测量数据由数据采集装置8发送到控制系统9，所述控制系统9上运行的固结试验软件对原始数据进行处理后，得到相应的力、位移等数据，其中数据采集装置8采用具有高测量精度的NI数据采集卡，结合系统设计软件如LabVIEW，搭建一个集成的试验自动化数据采集平台。该系统能进行高精度的数据测量，并通过NI校准和系统服务来确保精度的长期有效性。

本实用新型的固结仪试验系统是一个通用的压力输出与测量装置。通过电动缸中的伺服电机通过轴承与同步轮驱动滚轴丝杆对待测土样实施压力，压力通过闭合回路控制来调节。通过压力传感器41测量压力大小的变化，所述控制系统9 可以采用高性能嵌入式单片机控制伺服电机精准快速地达到目标压力值，并稳定保持目标压力值一段时间，具体地根据固结实验需求进行即可，在此不再赘述。

本实用新型的固结仪试验系统的实现方法较佳实施例，具体步骤如下：

步骤一、将待测土样的两端贴上滤纸，根据控制系统9内预设固结试验软件的要求，设置在所述容纳装置5中，并由固结试验软件控制电动缸的输出压力，设置电动缸的加载值范围以及相应的维持时间；

步骤二、在容纳装置5中装入切土环刀54，依次放入第一透水石、待测土样、第二透水石，然后盖上盖环55，最后在盖环55上部放置传压板53；

步骤三、将容纳装置5装入固结仪并对准定位装置6进行装配；

步骤四、启动固结试验软件，所述电动缸依照控制要求依次增大输出力，并相应记录所述第一传感器的力值以及第二传感器的位移值，直至按照固结仪检测要求完成相应的全部流程，所述数据采集装置8记录相应的数据，固结试验软件实现固结参数的处理和输出，并控制试验的最终结束。

具体地，上述工作步骤只是优选的实施步骤，可以根据不同的使用场景进行调节或进行改进，例如，步骤一中的设置加载值范围可以调至步骤四。在具体地实施例应用中，所述固结仪的检测操作通常是先对待测土样保持恒定的第一阶段力度，并保持预定的时间，例如数小时到数天，根据不同的土样土质可以预先设定，并检测最终的固结位移数据；然后再施加保持恒定的第二阶段载荷，通常第二阶段力度比第一阶段载荷要大，同样保持预定的另一时间，例如数小时到数天，根据不同的土样土质可以在系统中进行预先设定，并检测最终的第二阶段固结位移数据。依次进行数次，直至得到必要的所有固结参数为止。每一阶段以及到最终各阶段的测试数据在本实用新型测试系统中根据预先设定的算法进行处理，并输出或显示出来，以供后续的设计及施工判断，例如针对填土的沉降做出预估等等。

综上所述，本实用新型提出的固结仪和固结仪系统，对比杠杆式固结仪，具有如下特点，采用传动精度较高的电机传动，同时利用系统对电机的运转进行控制，可以在一定程度上实现加载的无级调节，并且调节过程连续，克服了杠杆式固结仪在人工加载时产生的附加力的影响，同时也使得人力得到解放，结构轻巧，便于移动，尤其是采用电动缸的方案中，电动缸的压力输出较为稳定且受控，对固结仪的测试过程非常匹配。本实用新型的固结仪和固结仪系统，对比气压式固结仪，具有如下特点，采用电动驱动装置2单独驱动，克服了气压式固结仪因多联装置而导致固结稳定标准受最长稳定时间的土样控制的问题，同时由于其具有的无级加载特性，使得加载准确，卸载快速，实验结果准确。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

当然，本实用新型上述实施例的描述较为细致，但不能因此而理解为对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本实用新型所保护的范围，本实用新型的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种固结仪，包括用于容纳待测土样的容纳装置，位于所述容纳装置一侧的定位装置，

其特征在于，所述固结仪还包括：

电动驱动装置，所述电动驱动装置用于驱动对所述容纳装置内的待测土样进行压缩；

所述容纳装置设置在所述定位装置与所述电动驱动装置之间；

至少一传感装置，所述传感装置与所述电动驱动装置固定连接，并用于检测和记录所述待测土样受到的压力和受压缩位移。

2.根据权利要求1所述的固结仪，其特征在于，还包括一安装座，在所述安装座上设置有所述电动驱动装置。

3.根据权利要求2所述的固结仪，其特征在于，所述电动驱动装置为电动缸。

4.根据权利要求3所述的固结仪，其特征在于，所述电动驱动装置的一端设有第一安装孔；所述传感装置包括采用压力传感器的第一传感器，所述第一传感器的一端设有第一伸展柱，所述第一伸展柱与所述第一安装孔匹配连接；所述容纳装置的底部设有传力板，所述传力板与所述第一传感器的另一端固定连接。

5.根据权利要求4所述的固结仪，其特征在于，所述传力板还设有第二安装孔，所述第一传感器的另一端设有第二伸展柱，所述第二伸展柱与所述第二安装孔匹配连接。

6.根据权利要求4所述的固结仪，其特征在于，所述传感装置还包括一采用位移传感器的第二传感器，所述第二传感器设置在所述定位装置的上侧，并具有一联动所述待测土样压缩位移的表杆。

7.根据权利要求6所述的固结仪，其特征在于，所述表杆一端套设有联动所述位移传感器的器座，其另一端通过杆座固连在所述传力板的外圆柱上。

8.根据权利要求7所述的固结仪，其特征在于，所述表杆的轴线与所述第一传感器及电动驱动装置的轴线平行。

9.一种固结仪试验系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的固结仪，还包括控制系统和数据采集装置，所述控制系统与所述电动驱动装置电连接，所述数据采集装置与所述传感装置电连接，所述控制系统用于接收处理所述数据采集装置传入的信号并进行固结参数的运算，以及发出指令控制所述电动驱动装置运转。

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