CN102539244A

CN102539244A - 一种非饱和土各向等压固结试验装置

Info

Publication number: CN102539244A
Application number: CN2012100385170A
Authority: CN
Inventors: 孙德安; 吴波; 楼志军; 许志良; 仰先才
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种非饱和土各向等压固结试验装置。该装置针对非饱和土的特点可以在控制试样吸力值的情况下进行各向等压的固结试验，能够量测出试样在固结过程中的体积和含水量变化情况。其包括双压力室、装置底座、装置上盖和体变测量装置。内压力室下端与装置底座相连且之间有橡皮圈，外压力室的上下端分别与装置底座和装置上盖相匹配，并且它们之间的连接处都垫有一层橡皮圈。装置底座的上表面和装置上盖的下表面均有压力室槽，与压力室相匹配，橡皮圈分别嵌入槽中。橡皮圈可以防止装置密封后外压力室内的水、气体外泄和内外压力室之间水的流通。本发明可以方便量测非饱和土在各向等压固结试验中的试样体积和含水量变化情况，具有较好的测试精度，装置构造简单，操作方便，易于掌握，自动化程度高。

Description

一种非饱和土各向等压固结试验装置

所属技术领域

本发明涉及土木工程土工试验领域的一种非饱和土各向等压固结试验装置。

背景技术

土是由固相、液相、气相三相组成的材料，土材料的固体颗粒之间形成土骨架的孔隙，在这些孔隙中含有液体和气体。当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土的孔隙中存在气体时，则此土称为非饱和土。土的饱和度即定义为土中水的体积所占孔隙体积的比值，即水充填土中孔隙的程度。当前，很多学者针对非饱和土的研究工作已经进行了大量的试验研究，并归纳总结出来很多本构模型。这些工作使得人们对非饱和土性质的理解和认识更加深刻。但是，这些本构模型所需要的基本试验参数必须通过基础试验如固结试验等来提供。

现有的固结试验仪普遍采用单向固结仪，即侧向为刚性环刀的仪器。在试验过程中，直接从竖向对试样施加固结压力，试样的侧向不发生变形，把竖向应变当作体应变，因此只能进行一维固结，而不能进行各向等压固结试验。对于饱和粘土的单向固结试验，由于土样中不存在孔隙气体且在固结过程中土样不会脱离环刀，所以测得的试样体积变化即为真实的试样体变，测得的本构模型参数如压缩指数等也能基本满足本构模型参数确定的需要；而对于非饱和土的固结试验，当向土样通入气体进行控制吸力时，土样会发生收缩而导致试样侧面脱离环刀，测得的试样体变不是真实的试样体变，不能真实反映非饱和土的固结压缩特性，测得的本构模型参数也与真实值不符。

发明内容

为了克服现有仪器在非饱和土固结试验过程中不能正确量测试样体积变化的缺点，本发明提供一种非饱和土各向等压固结试验装置。该装置操作方法简单，易于掌握，且能够准确量测出非饱和土试样固结过程中的体积变化。

在非饱和土各向等压固结试验过程中，外压力室内加水高度以不超过内压力室的高度为好；内压力室内加水至超过体变测量装置表面高度，使浮标离体积测量装置表面适当距离，试验时通过体积测量装置与浮标的距离变化来计算试样的体积变化情况。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种非饱和土各向等压固结仪，包括装置双压力室、装置底座、装置上盖、体变测量装置等。内压力室下端与装置底座相连且之间有橡皮圈，外压力室的上下端分别与装置底座和装置上盖相匹配，并且它们之间的连接处都垫有一层橡皮圈。装置底座的上表面和装置上盖的下表面均有压力室槽，与压力室相匹配，橡皮圈分别嵌入槽中。橡皮圈可以防止装置密封后外压力室内的水、气体外泄和内外压力室之间的水流通。本发明使用双压力室是为了防止在较高固结围压下，压力室发生变形影响试样体积变化的量测。

本发明中的内压力室通过带螺栓的固定杆固定在装置底座上，底部内侧通过橡胶圈与装置底座紧密相连，内压力室上部装有一个体变量测装置和一个浮标，试验时内压力室中加水至能将浮标浮起，通过浮标与体变量测装置的距离来量测试样的体积变化。

本发明装置底座的试验平台上有三个带螺纹的固定杆，用于固定内压力室；本发明中整个装置***另设有三个拉杆，用于固定外压力室，使整个装置密封紧密。

本发明中的试样底座上嵌有一块高进气值的陶土板，该陶土板可以允许水通过而阻止气体通过，达到水气分离；底座下连接一根排水管和孔压传感器，关闭孔压阀可以读取试样的孔隙水压力，打开孔压阀可让试样与大气连通，读取固结试验过程中的排水量。

本发明中的体变测量装置的结构是：在内压力室上方有一个小水槽，该小水槽的底部有水管连通内压力室，该小水槽内放置一个浮标，该浮标下方固定安装一个体变量测装置，该体变测量装置通过数据传输线外接电脑。

本发明中的试样帽上嵌有一块透水石，可以通过试样帽顶上气管向试样施加气体，控制非饱和试样的吸力值。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本固结试验装置可以对非饱和土试样通入气压，控制试样吸力，并施加三维的固结压力，进行各向等压固结试验；采用双压力室，防止压力室在高围压下发生膨胀而引起试样体积变化量测不准的情况；而且通过感应器与浮标之间的距离变化可以准确量测到试样在固结过程中的体积变化情况，并通过电脑自动采集数据。本发明试验装置能进行非饱和土的各向等压固结试验，具有原理简单，操作简便、自动化程度高的优点。

附图说明

图1是本发明用于非饱和土各向等压固结试验的装置结构示意图。

图2是内压力室及体变测量装置示意图。

图3是装好试样的底座示意图。

图4是装置底座俯视图。

图5是装置底座结构三维图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1～图5，本非饱和土各向等压固结试验装置，包括内压力室（7）、外压力室（4）、装置底座（13）及体变测量装置（9），其特征在于：所述内压力室（7）上端与体变测量装置（9）连为一体，内压力室（7）下端与装置底座（13）相连并垫有橡皮圈（18），并通过一个支架（6）固定；所述外压力室上下端分别与一个外压力室上盖（1）和装置底座（13）相连，连接部位都垫有一层橡皮圈（18）进行密封；所述装置底座（13）上内嵌一块陶土板（14），该陶土板（14）上面为试样（12），试样（12）上面有一个试样帽（10），该试样帽（10）内设有一块透水石（11），通过一根气压管（16）向试样（12）通入气压而控制试样（12）的吸力；所述试样（12）在固结过程中，试样（12）收缩会导致内压力室（7）内水平面降低，浮标（8）和体变测量装置（9）之间距离减小，距离减小值会通过数据传输线（21）传到电脑上计算体变值。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述装置底座（13）的上表面和外压力室上盖（1）的下表面均有橡皮圈槽（24），与内、外压力室套筒（7、4）相匹配；所述橡皮圈（18）分别嵌入橡皮圈槽（24）中。

所述外压力室（4）***设置带有螺纹的支架（2），该支架（2）穿过所述装置上盖（1）和装置底座（13），用螺栓（3）进行固定；所述内压力室（7）***的支架（6）通过螺栓（3）固定住内压力室（7）套筒，其下端连接装置底座（13）上面带螺纹的支架孔（23）。

所述体变测量装置（9）的结构是：在内压力室（7）上方有一个小水槽，该小水槽的底部有水管连通内压力室（7），该小水槽内放置一个浮标（8），该浮标的下方固定安装一个体变测量装置（9），该体变测量装置（9）通过数据传输线（21）外接至电脑；试验时，通过量测体变量测装置（9）与浮标（8）间的距离变化来计算试样（12）的体积变化。

所述装置底座（13）上试样（12）高度4cm±0.5cm，直径5cm±0.5cm。

实施例三：

参见图1～图4，本非饱和土各向等压固结仪由内压力室（7）、外压力室（4）、试样底座（13）及体变测量装置（9）四部分组成。内压力室（7）下端与装置底座（13）相连且之间有橡皮圈（18），外压力室（4）的上下端分别与装置底座（13）和装置上盖（1）相匹配，并且它们之间的连接处都垫有一层橡皮圈（18）；装置底座（13）的上表面和装置上盖（1）的下表面均有压力室槽，与压力室相匹配，橡皮圈（18）分别嵌入槽中；橡皮圈（18）可以防止装置密封后外压力室内的水、气体外泄和内外压力室之间的水流通。

参见图1、图2，内压力室（7）与体变测量装置（9）连为一体。内压力室（7）上部通过螺栓（3）固定在内压力室支架（6）上，下部与装置底座（13）相连，与装置底座（13）之间有橡胶圈（18），保证内压力室的密封性；试样体积的量测***由体变测量装置（9）和浮标（8）组成；试验过程中，试样（12）固结压缩，内压力室（7）中液体水平高度会下降，浮标（8）与体变测量装置（9）之间的距离减小，距离的变化值可以通过数据传输线（21）传到电脑上进行分析计算，从而得出试样（12）固结过程中的体变情况。

参见图1、3、4、5，装置底座下采用四角支撑（22）。外压力室通过3根支架（2）与外压力室上盖（1）和装置底座连接，并用螺栓（3）固定；装置底座（13）上设有橡皮圈槽（24），分别与内、外压力室相对应，填充橡皮圈（18）以保证密封性；试样（12）的高度为4cm±0.5cm，直径5cm±0.5cm，用橡皮膜（15）包住，安放在试样底座上，试样帽（10）上内嵌透水石（11），可以通过气压进气管（16）向试样（12）通入气体，控制试样（12）的吸力；试样底座内嵌有一块陶土板（14），该陶土板（14）下有涡轮状的槽，槽的两端为两个出口，分别与气泡冲刷管（19）和孔压阀（20）相连；装置底座（13）有两个进水管口（17），分别向内、外压力室加水；装置底座（13）上有3个刻有螺纹的支架孔（23），用于内压力室支架（6）与装置底座（13）的连接。

Claims

1.一种非饱和土各向等压固结试验装置，包括内压力室（7）、外压力室（4）、装置底座（13）及体变测量装置（9），其特征在于：所述内压力室（7）上端与体变测量装置（9）连为一体，内压力室（7）下端与装置底座（13）相连并垫有橡皮圈（18），并通过一个支架（6）固定；所述外压力室上下端分别与一个外压力室上盖（1）和装置底座（13）相连，连接部位都垫有一层橡皮圈（18）进行密封；所述装置底座（13）上内嵌一块陶土板（14），该陶土板（14）上面为试样（12），试样（12）上面有一个试样帽（10），该试样帽（10）内设有一块透水石（11），通过一根气压管（16）向试样（12）通入气压而控制试样（12）的吸力；所述试样（12）在固结过程中，试样（12）收缩会导致内压力室（7）内水平面降低，浮标（8）和体变测量装置（9）之间距离减小，距离减小值会通过数据传输线（21）传到电脑上计算体变值。

2.根据权利要求1所述的非饱和土各向等压固结试验装置，其特征在于：所述装置底座（13）的上表面和外压力室上盖（1）的下表面均有橡皮圈槽（24），与内、外压力室套筒（7、4）相匹配；所述橡皮圈（18）分别嵌入橡皮圈槽（24）中。

3.根据权利要求1所述的非饱和土各向等压固结试验装置，其特征在于：所述外压力室（4）***设置带有螺纹的支架（2），该支架（2）穿过所述装置上盖（1）和装置底座（13），用螺栓（3）进行固定；所述内压力室（7）***的支架（6）通过螺栓（3）固定住内压力室（7）套筒，其下端连接装置底座（13）上面带螺纹的支架孔（23）。

4.根据权利要求1所述的非饱和土各向等压固结试验装置，其特征在于：所述体变测量装置（9）的结构是：在内压力室（7）上方有一个小水槽，该小水槽的底部有水管连通内压力室（7），该小水槽内放置一个浮标（8），该浮标的下方固定安装一个体变测量装置（9），该体变测量装置（9）通过数据传输线（21）外接至电脑；试验时，通过量测体变量测装置（9）与浮标（8）间的距离变化来计算试样（12）的体积变化。

5.根据权利要求1所述的非饱和土各向等压固结试验装置，其特征在于：所述装置底座（13）上试样（12）高度4cm±0.5cm，直径5cm±0.5cm。